4
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Лазеры как источники света все шире применяются в научных исследованиях, технологических процессах, при передаче и обработке информации. Все более быстрым темпом возрастает степень применения лазерных источников в нетрадиционных областях, среди которых видное место занимают биология и медицина.
Широкий диапазон применения лазеров обусловлен уникальными свойствами, которыми обладает лазерное излучение. Данные свойства существенно отличают лазеры от обычных источников света. Это высокая степень монохроматичности, направленность излучения, когерентность, поляризация, возможность получения световых потоков высокой интенсивности.
Одним из наиболее перспективных направлений медицины является лазерная биомедицина, включающая лазерную хирургию, терапию и лазерную диагностику. Однако, несмотря на очень широкое распространение в практической медицине методов лазерной терапии, вопрос об их механизмах не имеет ясного ответа.
Данная проблема интересует широкий круг специалистов. В связи с этим представляет интерес обсудить данные, основанные как на общих представлениях о природе физических процессов взаимодействия излучения и вещества, так и на собственных экспериментальных данных.
Биологический механизм взаимодействия лазерного излучения с биообъектами весьма сложен и до конца не изучен. Воздействие на живой организм низкоинтенсивным лазерным излучением с лечебной целью относится к методам физической терапии. В то же время, до сих пор еще не разработана общая теория физиотерапии. Для объективной оценки действия лазерного излучения необходимо не только исследование оптических свойств биологических объектов, но и исследование свойств самого излучения.
Лазерное излучение вошло практически в каждую область медицины. В публикациях врачей описываются данные клинических наблюдений. Все эти литературные источники уверенно заявляют, что лазерное облучение облада-
ет сильно выраженным терапевтическим эффектом. Практически в каждом материале наблюдается описание только положительных сторон облучения, причем во всех областях медицины. Во всех работах можно найти фразы о стимуляции процессов обмена, нормализации общего гомеостаза организма и т.д. Невольно возникает вопрос, каким образом улучшается исследуемый показатель, почему лазер улучшает именно то, что должен улучшить при данном заболевании? На наш взгляд, еще следует разобраться, что же происходит с лазерным излучением после прохождения через биологические ткани. Какие изменения оно претерпевает?
Цель диссертационной работы - разработка установок и методов исследования взаимодействия низкоинтенсивного лазерного излучения с плот-ноупакованными дисперсными средами на примере венозной крови человека.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Разработка экспериментального комплекса и методик для исследования пространственной и временной когерентности, а также индикатрис рассеяния при прохождении через плотноупакованную среду.
Построение модели ослабления низкоинтенсивного лазерного излучения кровью человека для различных концентраций эритроцитов, соответствующих цельной и разбавленной венозной крови и эритроцитной массе.
Экспериментальное исследование зависимости степени когерентности и поляризации лазерного излучения от толщины слоя крови.
Экспериментальное и теоретическое исследование динамики изменения температуры слоя крови при воздействии излучения гелий-неонового лазера с длиной волны 632,8 нм.
Определение границ применимости закона Бугера в задачах прохождения низкоинтенсивного лазерного излучения через кровь человека.
На защиту выносятся:
Экспериментальный комплекс и методики исследования пространственной и временной когерентности и индикатрис рассеяния в процессе прохождения лазерного излучения через плотноупакованную среду (на примере крови человека).
Граничные значения оптической глубины проникновения, начиная с которой отличительные свойства излучения гелий-неонового лазера при его распространении в крови становятся идентичными по терапевтическому эффекту свойствам обычных тепловых и газоразрядных источников света.
Модель процесса нагревания крови в поле низкоинтенсивного лазерного излучения.
Границы применимости закона Бугера для расчета коэффициента ослабления лазерного излучения кровью человека.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Разработан комплекс экспериментальных установок для исследования когерентности лазерного излучения. Определена оптическая глубина проникновения и соответствующие ей значения основных характеристик лазерного излучения, отличающих его от излучения тепловых и газоразрядных источников. Получены границы применимости закона Бугера для задач прохождения низкоинтенсивного лазерного излучения через кровь человека.
Достоверность результатов подтверждается:
Достоверность научных положений и данных определяется, прежде всего, корректностью постановки решаемых задач и их физической обоснованностью, а также большим объемом полученных экспериментальных результатов, их логической взаимосвязью, физической наглядностью, непротиворечивостью и воспроизводимостью, совпадением экспериментальных данных с теоретическими оценками и расчетами. Экспериментально полученные результаты по определению коэффициента ослабления сопоставимы с результатами других авторов, в пределах погрешности.
7
Апробация работы. Основные результаты и выводы диссертационной работы опубликованы в [59 -61, 63, 65 -68, 76 - 82, 98 - 104, 109, 110, 114]. Материалы и результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях «Измерение, контроль, информатизация», Барнаул, 2002, 2003, 2005, 2006 гг; всероссийской научно-технической конференции «Философия, методология и история науки», Барнаул, 2003 г.; всероссийской научной конференции сту-дентов-физиков и молодых ученых, Екатеринбург, 2005г.; всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых, Новосибирск, 2006 г.; научно-практической конференции «Молодежь - Барнаулу», Барнаул, 2006 г.; региональной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике, Владивосток, 2006 г.
Научная и практическая значимость. На основе аппаратурного комплекса и соответствующих методик измерений на кафедре общей физики Алтайского государственного университета созданы пять лабораторных установок для спецпрактикума, материалы разработок используются в курсе «Лазеры в медицине», а также при проведении исследований по госбюджетной теме «Взаимодействие лазерного излучения с биотканями человека и животных, семенами с/х культур». Комплекс установок также используется при проведении исследований по мониторингу аэрозольных сред в лаборатории экологии атмосферы Института водных и экологических проблем СО РАН. Результаты потери пространственной когерентности и поляризации излучения в зависимости от толщины слоя крови позволили пересмотреть время экспозиции при внутрисосудистом лазерном облучении крови у больных с различным содержанием количества эритроцитов и объемом общей циркулирующей крови. Это было проверено при проведении сеансов лазеротерапии в городской больнице № 5 г. Барнаула и дало положительные результаты.
Структура и объём работы. Работа изложена на 115 страницах, содержит 9 таблиц и 29 рисунков, 114 литературных источника.
8
1. Прохождение лазерного излучения через биологические системы (литературный обзор)
1.1. Лазерное воздействие на биоткани и характер его
влияния
Среди физических лечебных факторов выделяется метод лазерного облучения.
Широта терапевтического действия низкоэнергетического когерентного монохроматического света, а именно: противовоспалительного [1, 2], анальгезирующего [3], активации метаболических процессов в клетке и органе в целом [4, 5], иммуномодулирующего [6 - 8], ускорения процессов регенерации [9], улучшения реологических свойств крови [4] позволяет использовать метод при различных заболеваниях.
Воздействие лазерного излучения на биологический материал или реакция живой ткани на это излучение обусловлено взаимодействием фотонов и молекул или соединений молекул ткани [10]. Атомарные молекулярные процессы и последующие биологические реакции выяснены еще не полностью. Процессы, характеризующие виды взаимодействий лазерного излучения с биологическими объектами, можно разделить на три группы. К первой относятся все невозмущающие взаимодействия, ко второй - процессы, в которых проявляется фотохимическое действие, к третьей - процессы, приводящие к фоторазрушению [11].
Степень того или иного воздействия зависит от свойств лазерного излучения (длины волны, плотности энергии, длительности облучения и частоты повторения импульсов), от свойств биологического материала (коэффициента поглощения, коэффициента рассеяния).
В зависимости от свойств лазерного излучения эффект определяется в основном двумя внутренними параметрами ткани [12]. С одной стороны, оптическими свойствами облучаемой ткани, с другой стороны, ее термическими свойствами.
Поскольку мы имеем дело с живыми объектами, то помимо физикохимических проявлений действия лазерного излучения необходимо учитывать его влияние и на функционирование живой материи [13]. Это влияние определяется степенью гомеостаза живого объекта. Степень гомеостаза характеризует состояние и процессы, обеспечивающие устойчивость организма к внешним возмущениям. Свет малой интенсивности не запускает адаптационные механизмы биосистемы. По мере роста интенсивности сначала затрагивается гомеостаз живой системы на локальном уровне, затем включаются общие адаптационные и регуляционные механизмы системы, полностью ее восстанавливающие, далее они уже не справляются с полным восстановлением и частично происходят необратимые процессы, которые нарастают и приводят к разрушениям в системе. Однако объект можно еще считать "живым1'. При высоких интенсивностях разрушения оказываются настолько значительными, что объект уже не может считаться "живым".
Лазерное излучение, так же как и обычный свет, может отражаться, поглощаться, рассеиваться, переизлучаться биологической средой, и каждый из этих процессов несет информацию о микро- и макроструктуре этой среды, движении и форме отдельных ее составляющих. Видимый и УФ свет могут оказывать фотобиологическое действие. Высокоинтенсивное световое излучение УФ, видимого и ИК диапазонов длин волн оказывает разрушающее действие на биологические объекты [14].
Закономерности, управляющие проникновением излучения в ткани, имеют непосредственное отношение к проблеме механизма биологического действия лазерного излучения. Одна из причин того, что излучение проникает на ограниченную глубину, состоит в поглощении лазерного из-
10
лучения биологическими тканями, а оно является обязательным начальным звеном, которое предшествует цепи изменений, развивающихся в облученном организме. Глубина проникновения лазерного излучения в ткани весьма важна в практическом отношении, так как она является одним из факторов, определяющих границы возможного применения лазеров в клинике [14].
Результаты экспериментальных и клинических исследований по применению лазерных установок, генерирующих излучение малой интенсивности в различных областях спектра, позволили сопоставить меду собой действие лазеров с различными физическими характеристиками [15]. Полученные данные не оставляют сомнения в том, что излучение, генерируемое различными типами лазеров, является мощным физическим фактором, вызывающим разносторонние физиологические эффекты. Действие это неоднозначно, оно зависит от длины волны, мощности и частоты следования импульсов, а также от исходного состояния организма, подвергающегося излучению.
В зависимости от длины волны падающего излучения отражается до 60 % излучения. Рассеяние зависит от негомогенных структур ткани и определяется разными показателями преломления у разных ячеек и разницей между ячейками и окружающей их средой. Волны с длиной, намного большей, чем диаметр ячейки (> 10 мкм), рассеиваются ячеистыми структурами лишь в незначительной степени. Но так как электромагнитный спектр широко используемых лазеров простирается от ИК (1 мм - 0,78 мкм) до УФ (0,38 - 0,10 мкм) диапазона длин волн, мы практически всегда имеем дело с рассеянием. Для длин волн более 1,0 мкм можно рассчитать на основе закона Бугера в первом приближении глубину проникновения излучения [14].
Рассеяние в биологической ткани зависит от длины волны лазерного луча. Излучение эксимерного лазера УФ диапазона (А,=193; 248; 308; 351 мкм), а также ИК - излучение с А,=2,9 мкм Er: YAG - лазера и СОг - лазера
11
с А,=10,6 мкм имеют глубину проникновения от 1 до 2 мкм. Здесь рассеяние играет подчиненную роль. Для света с длиной волны 450-590 нм, что соответствует линиям аргона, глубина проникновения составляет в среднем 0,5 - 2,5 мм. Как поглощение, так и рассеяние играют здесь значительную роль. Лазерный луч с этой длиной волны хотя и остается в ткани коллимированным в центре, но он окружен зоной с высоким рассеянием, от 15 до 40% падающего пучка света рассеивается. В области спектра (590 -1500) нм, в которую входят линии Nd: YAG - лазера с Я=Т,06 и 1,32 мкм, доминирует рассеяние. Глубина проникновения составляет от 2,0 до 8,0 мм [14].
В то время как в УФ диапазоне поглощение зависит от содержания белка, в ИК диапазоне существенное значение имеет содержание воды. Кроме того, гемопротеины, пигменты, другие макромолекулы, такие, как нуклеиновые кислоты и ароматические системы поглощают лазерное излучение с различной интенсивностью в зависимости от длины волны [14].
Большинство органических молекул, как и протеины, интенсивно поглощают в УФ диапазоне света (100 - 300) нм. Оксигенированный гемоглобин интенсивно поглощает, начиная с УФ области, включая зеленую и желтую области видимого света и до длины волны 600 нм. Меланин, важнейший эпидермальный хромофор, поглощает во всей видимой области спектра до УФ области. В диапазоне (600 - 1200) нм излучение глубже проникает в ткань, с минимальными потерями на рассеяние и поглощение. В этом диапазоне можно достигнуть глубоко расположенные объекты. Такие лазеры, как аргоновый, на красителе, Nd: YAG - лазер с удвоением частоты, Nd: YAG - лазер, действуют преимущественно на гемоглобин, меланин и другие органические вещества и поэтому имеют коагуляционный эффект. СО2 - лазер, генерирующий с А=10,6 мкм, или Er: YAG - лазер, из-за высокого поглощения водой подходят для рассечения ткани.
Значение глубины проникновения излучения указано в таблице 1
[16]. В этой таблице сравнивается количественно средний путь распро-
- Київ+380960830922