Воздействие лазера на организм. Лазерное излучение и его воздействие на человека. Лазерные поражения глаз

Биологическое действие излучений лазеров находится в зависимости от ряда факторов: мощности излучения, длины волны, характера импульса, частоты следования импульсов, продолжительности облучения, величины облучаемой поверхности и др. Можно выделить термическое и нетермическое, местное и общее действие излучения.

Термический эффект для лазеров непрерывного действия имеет много общего с обычным нагревом. Под влиянием лазеров, работающих в импульсном режиме в облучаемых тканях, происходит быстрый нагрев и мгновенное вскипание жидких сред, что, в конечном счете, приводит к механическому повреждению тканей. Нетермическое действие в основном обусловлено процессами, возникающими в результате избирательного поглощения тканями электромагнитной энергии, а также электрическим и фотохимическим эффектами.

В характере действия лазерного излучения на организм человека можно выделить два эффекта: первичный и вторичный.

Первичные эффекты возникают в виде органических изменений в облучаемых тканях (глаз, кожа). Попадая в глаз, энергия лазера абсорбируется пигментными элементами и в течение очень короткого времени повышает в нем температуру до высоких уровней, вызывая термокоагуляцию прилегающих тканей - хориоретинальный ожог.

Термические нарушения сопровождаются повреждениями сетчатки оболочки глаза. Особенно опасны повреждения центральной ямки области сетчатки как более важной в функциональном отношении. Повреждения этой области могут привести к глубоким и стойким нарушениям центрального зрения.

Лазерное излучение может вызвать повреждение кожи. Степень воздействия определяется как параметрами излучения лазера, так и пигментацией кожи, состоянием кровообращения. Повреждения кожи напоминают термический ожег, который имеет четкие границы, окруженные небольшой зоной покраснения.

Вторичные эффекты - неспецифические изменения, возникающие в организме как реакция излучения. При этом возможны функциональные расстройства центральной нервной и сердечно-сосудистой системы, неврозы астенического типа, патология вегетативно-сосудистой системы в виде вегетативно-сосудистых дисфункций и астеновегетативных синдромов.

Сердечно-сосудистые расстройства могут проявляться сосудистой дистонией по гипотоническому или гипертоническому типу, нарушением мозгового кровообращения. В картине периферической крови выявляется незначительное снижение гемоглобина, увеличение количества эритроцитов, ретикулоцитов, уменьшение количества тромбоцитов. Возможны изменения липоидного, углеводного и белковых обменов и др.

Для обеспечения безопасности работы на лазерных установках необходимо выполнять требования к технологическим процессам, размещению оборудования и организации рабочих мест:

1. Должно быть обеспечено дистанционное управление при обслуживании установок с лазерами IV класса.

2. В технологических процессах, как правило, должны применяться лазерные установки закрытого типа, чтобы исключить облучение персонала.

3. Необходимо ограничивать лазерно-опасную зону или экранировать пучок излучения. С помощью огнестойкого светопоглощающего материала.

4. В конструкции лазерных установок предусматривают защиту работающих от электромагнитных волн, радиочастот и ^ионизирующей радиации.

5. Лазеры маркируют знаком лазерной опасности в соответствии с действующим стандартом.

Для безопасной эксплуатации лазеров важно, чтобы помещения, в которых они размещаются, отвечали.гигиеническим требованиям:

1. Лазеры IV класса нужно размещать в отдельных помещениях, устройство которых и их внутренняя отделка должны отвечать требованиям санитарных норм и правил устройства и эксплуатации лазеров.

2. Двери помещений для лазеров III - IV классов должны быть оборудованы внутренними замками, табло «Посторонним вход воспрещен» и знаком лазерной опасности.

3. Естественное и искусственное освещение должно соответствовать действующим нормам. Воздух рабочей зоны, производственной зоны помещений, где эксплуатируются лазеры, должен соответствовать

гигиеническим требованиям. Если работа лазера сопровождается образованием вредных газов, паров, аэрозолей, то на рабочих местах оборудуется вытяжная вентиляция, которая локализует и удаляет вредные продукты мс места их образования.

4. На открытых площадках, где размещаются лазеры, обозначается зона повышенной плотности энергии излучения, и устанавливаются экраны, предотвращающие распространение излучения лазеров за пределы площадки.

5. Для предотвращения поражения прямым или зеркально отраженным лучом лазера предусматриваются ограждения, исключающие возможность выхода луча за пределы установки закрытого типа и возможность проникновения человека в зону прохождения луча. Применяются блокировки или затворы для зашиты глаз работающего на установке, в которой система наблюдения совмещена с оптической системой. Используются защитные очки.

6. Для защиты работающего от поражения электрическим током используются различные дистанционные управления, блокировки, автоматические замыкатели, механические заземлители, сигнализация и защитные средства. Все элементы установок лазера, находящиеся под напряжением, ограждаются, а металлические корпуса установок заземляются. Способы защиты персоналаот электромагнитных полей и шума, а также допустимые санитарные нормы, сроки контрольных измерений, приборы и методики этих измерений указаны в соответствующих разделах специального справочника.

7. К работе с лазером допускаются лица, достигшие 18-летнего возраста. Персонал, обслуживающий лазерные установки, должен проходить периодические и предварительные медицинские осмотры, обязателен инструктаж по безопасным методам работы с лазерами и др.

8. Персоналу запрещается осуществлять наблюдение без средств индивидуальной защиты глаз при эксплуатации лазеров II - IV классов опасности и размещать в зоне лазерного пучка предметы, вызывающие зеркальное отражение излучения, если оно не связано с технологической потребностью. В качестве средств индивидуальной защиты используют защитные очки со светофильтрами, а при работе с лазерами IV класса опасности применяют защитные маски. Для защиты от лазерного излучения и при работе сна лазерных установках применяют только те средства защиты, на которые имеется нормативно-техническая документация, утвержденная в установленном порядке.

Лекция 8

«Лазер» - аббревиатура, образованная из начальных букв английской фразы Light amplification by stimulated emission of radiation- усиление света за счет создания стимулированного излучения.

Лазер (оптический квантовый генератор) - генератор электромагнитного излучения оптического диапазона, основанный на использовании вынужденного (стимулированного) излучения.

Лазерное излучение – это электромагнитное излучение, которое формируется в (лазерах ) с длиной волны 0,2-1000мкм: 0,2…0,4 мкм - ультрафиолетовая, 0,4…0,75 мкм - видимого света, ближнего инфракрасного 0,75…1,4 мкм, инфракрасного 1,4…10 2 мкм.

Отличительная особенность лазерных излучений является: монохромность излучения (строго одной длины волны); когерентность излучения (все источники излучения испускают электромагнитные волны в одной фазе); острая направленность луча (малое расхождение).

Лазерное излучение различают по виду излучения на

- прямое (заключенное в ограниченном телесном угле)

- рассеянное (рассеянное от вещества, находящегося в составе среды, сквозь которую проходит лазерный луч)

- зеркально-отраженное (отраженное от поверхности под углом, равным углу падения излучения)

- диффузно-отраженное (отражается от поверхности по всевозможным направлениям)

Как техническое устройство лазер состоит из трех основных элементов:

- активной среды

- резонатора

- системы накачки.

В зависимости от характера активной среды лазеры подразделяются на следующие типы: твердотельные (на кристаллах или стеклах); газовые (He-Ne, Ar, Kr, Xe, Ne, He-Cd, CO 2 и др.); жидкостные; полупроводниковые и др.

В качестве резонатора обычно используются параллельные зеркала с высоким коэффициентом отражения, между которыми размещается активная среда.

Накачка , т.е. перевод атомов активной среды на верхний уровень, обеспечивается или посредством мощного источника света или электрическим разрядом.

Существуют лазеры непрерывного и импульсного действия.

Классификацию лазеров можно представить в следующем виде (рис):

По степени опасности генерируемого излучения классифицируются лазеры согласноГОСТ 12.1.041-83 (1996):

Класс 1 (безопасные) - выходное излучение не представляет опасности для глаз и кожи;

Класс II (малоопасные ) - выходное излучение опасно при облучении глаз прямым или зеркальныо-отраженным излучением;

Класс III (среднеопасные ) – опасно для глаз прямое, зеркальное, а также диффузно-отраженное излучение;

Класс IV (высокоопасные ) – опасно для кожи диффузно отраженное излучение на расстоянии 10 см от отраженной поверхности.

Классификацию лазеров по степени опасности осуществляют на основе временны́х, энергетических и геометрических (точечный или протяженный источник) характеристик источника излучения и предельно допустимых уровней лазерного излучения.

Технические характеристики лазера : длина волны, мкм; ширина линии излучения; интенсивность излучения (определяется по величине энергии или мощности выходного пучка и выражаемая в Дж или Вт); длительность импульса,с; частота повторения импульсов,Гц.

Лазеры получили широкое применение в научных целях, в практической медицине, а также в различных областях техники. Области применения лазера определяются энергией используемого лазерного излучения:

Биологическое действие лазерного излучения зависит от энергии излучения Е , энергии импульса Е и, плотности мощности (энергии) W p (W e), времени облучения t , длины волны l, длительности импульса t, частоты повторения импульсов f , потока излучения Ф , поверхностной плотности излучения Е э, интенсивности излучения I .

Под воздействием лазерного излучения нарушается жизнедеятельность, как отдельных органов, так и организма в целом. В настоящее время установлено специфическое действие лазерных излучений на биологические объекты, отличающееся от действия других опасных производственных физических и химических факторов. При воздействии лазерного излучения на сплошную биологическую структуру (например, на организм человека) различают три стадии: физическую, физико-химическую и химическую.

На первой стадии (физической) происходят взаимодействия излучения с веществом, характер которых зависит от анатомических, оптико-физических и функциональных особенностей тканей, а также от энергетических и пространственных характеристик излучения и, прежде всего, от длины волны и интенсивности излучения. На этой стадии происходит нагревание вещества, переход энергии электромагнитного излучения в механические колебания, ионизация атомов и молекул, возбуждение и переход электронов с валентных уровней в зону проводимости, рекомбинация возбужденных атомов и др. При воздействии непрерывного лазерного излучения преобладает в основном тепловой механизм действия, в результате которого происходит свертывание белка, а при больших мощностях – испарение биоткани. При импульсном режиме (с длительностью импульсов <10 -2 с) механизм взаимодействия становится более сплошным и приводит к переходу энергии излучения в энергию механических колебаний среды, в частности ударной волны. При мощности излучения свыше 10 7 Вт и высокой степени фокусировки лазерного луча возможно возникновение ионизирующих излучений.

На второй стадии (физико-химической ) из ионов и возбужденных молекул образуются свободные радикалы, обладающие высокой способностью к химическим реакциям.

На третьей стадии (химической ) свободные радикалы реагируют с молекулами веществ, входящих в состав живой ткани, и при этом возникают молекулярные повреждения, которые в дальнейшем определяют общую картину воздействия лазерного излучения на облучаемую ткань и организм в целом. Схематически основные факторы, определяющие биологическое действие лазерного излучения, можно представить следующим образом:

Лазерное излучение представляет опасность главным образом для тканей, которые непосредственно поглощают излучение, поэтому с позиций потенциальной опасности воздействия и возможности защиты от лазерного излучения рассматривают в основном глаза и кожу.

Высокой чувствительностью к электромагнитным излучениям обладают роговица и хрусталик глаза, причем оптическая система глаза способна на несколько порядков увеличивать плотность энергии видимого и ближнего инфракрасного диапазона на глазном дне по отношению к роговице.

Длительное действие лазерного излучения видимого диапазона (не на много меньше ожогового порога) на сетчатку глаза может вызвать необратимые изменения в ней, а в ближнем инфракрасном диапазоне может привести к помутнению хрусталика. Клетки сетчатки после повреждения не восстанавливаются.

Действие лазерного излучения на кожу в зависимости от первоначальной поглощенной энергии приводит к различным поражениям: от легкой эритемы (покраснения) до поверхностного обугливания и, в конечном итоге, образования глубоких дефектов кожи.

Различают 6 видов воздействия ЛИ на живой организм :

1) термическое (тепловое) действие. При фокусировании лазерного излучения выделяется значительное количество теплоты в небольшом объеме за короткий промежуток времени;

2) энергетическое действие. Определяется большим градиентом электрического поля, обусловленного высокой плотностью мощности. Это действие может вызвать поляризацию молекул, резонансные и другие эффекты.;

3) фотохимическое действие. Проявляется в выцветании ряда красителей;

4) механическое действие. Проявляется в возникновении колебаний типа ультразвуковых в облучаемом организме.

5) электрострикция – деформация молекул в электрическом поле лазерного излучения;

6) образование в пределах клетки микроволнового электромагнитного поля.

Предельно-допустимыми уровнями (ПДУ) облучения приняты энергетические экспозиции. Для ПДУ непрерывного лазерного излучения выбирают энергетическую экспозицию наименьшей величины, не вызывающей первичных и вторичных биологических эффектов (с учетом длины волны и длительности воздействия). Для импульсно-периодического излучения, ПДУ облучения рассчитывают с учетом частоты повторения и воздействия серии импульсов.

При эксплуатации лазеров, помимо лазерного излучения, возникают и другие виды опасностей. Это – выделение вредных химических веществ, шум, вибрация, электромагнитные поля, ионизирующие излучения и др.

Влияние лазерного излучения на организм человека на данный момент изучено не полностью, но многие уверены в его негативном воздействии на всё живое. Лазерное излучение зарождается согласно принципу создания света и предполагает использование атомов, но с другим набором физических процессов. Именно по этой причине при лазерном излучении можно проследить воздействие внешнего электромагнитного поля.

Сфера применения

Лазерное излучение является узконаправленным вынужденным потоком энергии непрерывного или импульсного типа. В первом случае присутствует поток энергии одной мощности, а во втором – уровень мощности периодически достигает определенных пиковых значений. Образованию такой энергии помогает квантовый генератор, представленный лазером. Потоки энергии в этом случае являются электромагнитными волнами, которые относительно друг друга распространяются только параллельно. Благодаря такой особенности происходит создание минимального угла светового рассеивания и определенной точной направленности.

Источники лазерного излучения, основанные на его свойствах, достаточно широко применяются в самых разных областях человеческой жизнедеятельности, включая:

• науку – исследования и эксперименты, опыты и открытия;
• военно-оборонную промышленность;
• космическую навигацию;
• производственную сферу;
• техническую сферу;
• локальную термическую обработку – сварку и пайку, резку и гравировку;
• бытовое использование в виде лазерных датчиков считывания штрихкода, устройств считывания компакт-дисков, а также указок;
• лазерное напыление, заметно повышающее износостойкость металлов;
• создание современных голограмм;
• совершенствование различных оптических устройств;
• химическую промышленность – анализ и запуск реакций.

Особенно важным является использование устройств подобного типа в сфере современных медицинских технологий.

Лазер в медицине

С точки зрения современной медицины лазерное излучение является своеобразным и очень своевременным прорывом в области лечения пациентов, которые нуждаются в оперативном вмешательстве. Лазер активно применяется при производстве качественного хирургического инструментария.

К неоспоримым преимуществам хирургического лечения относится использование лазерного высокоточного скальпеля, позволяющего выполнять бескровные разрезы мягких тканей. Такой результат обеспечивается практически мгновенной спайкой капилляров и мелких сосудов. Во время применения лазерного инструмента хирург способен полностью видеть операционное поле. Лазерным потоком энергии ткани рассекаются на определенном расстоянии, при этом отсутствует контакт инструмента с сосудами и внутренними органами.

Важный приоритет применения современного хирургического инструмента представлен обеспечением абсолютной максимальной стерильности. Благодаря строгой направленности лучей все операции происходят с минимальными показателями травматизации, при этом стандартный реабилитационный период прошедших операцию пациентов становится значительно короче и намного быстрее возвращается полноценная трудоспособность.

Отличительная особенность применения во время операции лазерного скальпеля сегодня представлена безболезненностью в послеоперационный период. Очень быстрое развитие современных лазерных технологий способствовало значительному расширению возможностей его применения. Относительно недавно были обнаружены и доказаны с научной точки зрения свойства лазерного излучения оказывать положительное влияние на состояние кожных покровов, благодаря чему устройства подобного типа стали активно применяться в дерматологии и косметологии.

Области медицинского применения

Медицина является на сегодняшний день далеко не единственной, но очень перспективной сферой применения современного лазерного оборудования:

• процесс эпиляции с разрушениями волосяных луковиц и эффективным удалением волос;
• лечение выраженной угревой сыпи;
• эффективное удаление родимых и пигментных пятен;
• шлифование кожи;
• терапия бактериального поражения эпидермиса с обеззараживанием и уничтожением патогенной микрофлоры;
• предупреждение распространения инфекции разного генеза.

Самой первой отраслью, в которой стало активно использоваться лазерное оборудование и его излучение, является офтальмология. Направления микрохирургии глаза, в которых находит широкое применение лазерная технология, представлены:

• лазерной коагуляцией в виде использования термических свойств при лечении сосудистых глазных заболеваний, сопровождающихся поражением сосудов сетчатки и роговицы;
• фотодеструкцией в виде рассечения тканей на пиковой мощности лазерного оборудования при лечении и рассечении вторичной катаракты;
• фотоиспарением в виде длительного теплового воздействия при наличии воспалительных процессов глазного нерва, а также при конъюнктивите;
• фотоабляцией в виде постепенного удаления тканей при лечении дистрофических изменений глазной роговицы, устранении ее помутнения, при операционном лечении глаукомы;
• лазерной стимуляцией с противовоспалительным и рассасывающим воздействием, заметно улучшающим глазную трофику, а также при лечении склеритов, экссудации внутри глазной камеры и гемофтальмов.

Лазерное облучение достаточно широко используется в терапии онкологических заболеваний кожи. Наибольшую эффективность показывает современное лазерное оборудование при удалении меланобластомы. Данный метод также может применяться при лечении рака пищевода или опухолях прямой кишки на 1-2 стадиях. Следует отметить, что в условиях слишком глубокого расположения опухоли и множественных метастазах лазер практически совсем не эффективен.

Опасность излучения лазера

На данный момент относительно хорошо изучено негативное воздействие лазерного излучения на живые организмы. Облучение бывает рассеянным, прямым и отраженным. Отрицательное воздействие вызывает способность лазерных устройств излучать световые и тепловые потоки. Степень поражения напрямую зависит сразу от нескольких факторов, включая:

• длину электромагнитной волны;
• участок локализации негативного воздействия;
• поглотительные способности тканей.

Сильнее всего подвержены отрицательному влиянию энергии лазера глаза. Именно сетчатка глаза отличается чрезвычайной чувствительностью и может получать ожоги разной степени выраженности.

Последствиями такого влияния становятся частичная потеря пациентом зрения, а также полная и необратимая слепота. Источники негативного излучения чаще всего бывают представлены разными инфракрасными приборами-излучателями видимого света.

Симптоматика поражения сетчатки, радужки, хрусталика и роговицы лазером:

• болезненность и спазмы в глазах;
• выраженная отечность век;
• кровоизлияния разной степени;
• помутнение глазного хрусталика.

Облучение средней степени интенсивности может стать причиной термических ожогов кожных покровов. На месте контакта лазерного оборудования и кожных покровов в этом случае заметно резкое повышение температуры, сопровождающееся вскипанием и испарением межтканевой и внутриклеточной жидкости. При этом кожа приобретает характерное красное окрашивание. Под действием давления происходят разрывы тканевых структур и появляется отек, который может дополнятся внутрикожными кровоизлияниями. Впоследствии на местах ожога наблюдаются некротические участки, а в самых тяжелых случаях происходит заметное обугливание кожных покровов.

Признаки негативного воздействия

Отличительным признаком лазерного ожога являются четкие границы на пораженных участках кожи с пузырьками, которые образуются непосредственно в слоях эпидермиса, а не под ним. Рассеянное поражение кожи характеризуется практически мгновенной потерей чувствительности, а эритема проявляется спустя несколько дней, после воздействия облучения.

Основные признаки представлены:

• перепадами артериального давления;
• замедленным сердцебиением;
• повышенной потливостью;
• необъяснимой общей утомляемостью;
• чрезмерной раздражительностью.

Особенностью лазерного излучения инфракрасного спектра является проникновение глубоко внутрь, через ткани, с поражением внутренних органов. Характерное отличие глубокого ожога представлено чередованием здоровых и поврежденных тканей. Первоначально при лучевом воздействии люди не испытывают ощутимых болей, а к наиболее уязвимым органам относится печень. В целом, воздействие лазерного излучения на человеческих организм провоцирует функциональные расстройства в центральной нервной системе и сердечно-сосудистой деятельности.

Защита от негативного воздействия и меры предосторожности

Наибольший риск облучения возникает у людей, деятельность которых напрямую связана с использованием квантовых генераторов. Согласно принятым на сегодняшний день основным санитарным нормам, опасны для человека 2, 3 и 4 классы излучения.

Технические защитные методы представлены:

• грамотной планировкой промышленных помещений;
• правильной внутренней отделкой без зеркального отражения;
• соответствующим размещением лазерных установок;
• ограждением зон возможного облучения;
• соблюдением требований по обслуживанию и эксплуатации лазерного оборудования.

Индивидуальная защита включает в себя специальные очки и спецодежду, безопасные экраны и кожухи, а также призмы и линзы для отражения лучей. Сотрудники таких предприятий должны регулярно направляться на медицинские профилактические осмотры.

В бытовых условиях необходимо соблюдать осторожность и обязательно придерживаться определенных правил эксплуатации:

• не направлять источники излучения на светоотражающие поверхности;
• не направлять лазерный свет в глаза;
• хранить лазерные гаджеты в недоступном для маленьких детей месте.

Наиболее опасны для человеческого организма лазеры, имеющие прямое излучение, большую интенсивность, узкую и ограниченную направленность луча, а также слишком высокую плотность излучения.

В настоящее время лазеры прочно закрепились во всех сферах жизнедеятельности человека. Они используются в медицине, химии, физике, биологии и во многих других областях современной науки. Сложно переоценить вклад этого явления в прогресс человечества. Однако неосторожное использование этой технологии может привести к пагубным последствиям для здоровья человека. Ослепление, ожоги, электротравмы — это далеко не полный список увечий, которые можно получить при взаимодействии с лазером. Лазерное неэкранированное излучение большой мощности представляет собой серьёзную опасность если относится к нему легкомысленно и не соблюдать элементарные правила безопасности.

Данная статья поможет вам разобраться в нюансах этого явления и даст представление об угрозах, которые лазерное излучение представляет собой для здоровья человека. Так же вы получите представление об основах безопасной работы с лазером и узнаете, как современные лазеры делятся на классы по уровню угрозы для здоровья человека. Здесь так же можно ознакомиться с небольшой исторической справкой о лазерах.

Лазер как явление

LASER — Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Как видите, за этим словом скрывается аббревиатура на английском языке. На русский это можно перевести как «усиление света индуцированным излучением». Усиление энергии до состояния повышенной интенсивности приводит к появлению лазерного излучения. В результате многократного отражения в системе зеркал происходит усиление излучения, и в итоге мы можем наблюдать явление, которое абсолютно уникально по своим физическим свойствам. Лазерный луч намного уже луча света обычной лампы, но их отличия на этом не заканчиваются. Лазерное излучение проецирует волну одной длины и один чистый цвет, кроме этого световые волны полностью совпадают во времени друг с другом. От обычного света лазерные лучи отличает их организованность (когерентность, если говорить научными терминами).

В 1916 году были сделаны первые шаги на пути изучения лазера. После длительных исследований небезызвестный Альберт Энштейн выдвинул свою теорию взаимодействия излучения с веществом, сделав таким образом возможной разработку квантовых усилителей, способных проецировать электромагнитные волны. Следующий значительный прорыв состоялся в 1928 году, когда Ланденбург провёл свою серию экспериментов. Результатом кропотливой работы стала формулировка условия нахождения индуцированного излучения как преобладание его над поглощением. И только более чем четверть века спустя, в 1955 году советские физики Басов и Прохоров сконструировали квантовый генератор с аммиаком в качестве активной среды. С тех пор огромное количество учёных стали участниками гонки по конструированию лазерных систем, не прекращающейся и сегодня.
Данная технология внесла неоценимый вклад в развитие медицины.

Многие задачи, которые казались до этого нерешаемыми, с усовершенствованием лазеров остались в прошлом. Его чудодейственные лучи вернули здоровье многим тысячам людей. Чего стоит только лазерная коррекция зрения, которая всего за 10 минут позволяет вернуть любому пациенту идеальное зрение. Эффективность этой операции достигает 100%. Косметологи так же нашли применение для этой технологии в своей деятельности. Излучение медицинского лазера даёт возможность селективно воздействовать на корни волос, пигментные пятна и другие дефекты кожи. Сегодня возможно быстро и почти безболезненно удалить родинку, как и надоевшую татуировку.

В своё время выдающийся французский учёный Луи де Бройль, произнёс пророческую фразу: «Лазеру уготовано грандиозное будущее. Тяжело предвидеть, как именно он будет применяться, но я считаю, что за лазером стоит целая техническая эпоха». И мы действительно живём в эпоху, когда почти не осталось сфер деятельности, в которых так или иначе не используются технологии на основе лазерных лучей. Современные измерительные приборы невозможно представить без применения лазерных лучей в их конструкции. Лазер позволил измерить расстояние от Земли до Луны, точность этих измерений составила несколько сотен метров. Применение лазерных лучей в сфере радиолокации позволило многократно повысить точность получаемых данных. Нет никаких сомнений, что эта технология ещё сыграет свою роль в дальнейшем научном и техническом прогрессе.

Как лазерные лучи воздействуют на человеческий организм?

Одной из характеристик лазерных лучей является крайне высокий уровень концентрации энергии. Пучок света, производимый лазером, способен повышать температуру поверхности, на которую он направлен. С помощью направленного облучения можно добиться деформации почти любой поверхности за небольшой промежуток времени. Концентрация колоссального энергетического потока на небольшой площади позволяет достичь температуры в более чем миллион градусов. Благодаря этому свойству лазеры получили широкое распространение в хирургии и материалообработке, оно же делает их угрозой для человеческой кожи при чрезмерном облучении. Повреждение кожного покрова лучом лазера аналогично термическому ожогу. Так же значительная опасность кроется в лазерном излучении, вырабатывающемся посредством фотохимического эффекта. Однако современные приборы сводят такой риск к минимуму.

Стоит заметить, что молниеносная скорость воздействия лазерных лучей дает возможность избежать болевых ощущений. Благодаря этому свойству, лазер получил широкое распространение в хирургии. В ходе непродолжительных операций с применением лазера не требуется какой-либо анестезии. Мало какая серьезная операция может быть осуществима без обезболивания. При этом временные затраты на такие операции гораздо ниже, чем при традиционном оперировании с помощью скальпеля.

Зачастую работа лазерных установок сопровождается шумом, который может достигать уровня до 120 Дб. Длительно пребывание в помещении с таким оборудованием может стать причиной проблем со слухом. Так же химическая реакция мощного лазерного луча и воздуха сопровождается обильным выделением озона. У людей, вовлечённых в работу с лазерами на протяжении долгого времени, могут диагностироваться нарушения функций вестибулярного аппарата. Частота этих нарушений зависит от профессионального стажа. Лазерное излучение может стать причиной необратимых изменений в человеческом организме, расстройства органов зрения, центральной нервной системы и вегетативной системы.

Берегите глаза

Глаз — один из самых хрупких элементов нашего организма. В отличие от остальных органов, он не имеет защиты от окружающей среды. При попадании невидимого инфракрасного лазера в глаз человек ничего не почувствует, потому что мозг не воспримет его как источник света и защитной реакции не последут. Поглощение ультрафиолетового излучение роговицей глаза может привести к отёку эпителия и эрозии. В особенно тяжелых случаях возможно помутнение передней камеры. Сетчатка глаза подвержена риску в гораздо большей степени. После того, как лазерное излучение достигает сетчтаки, оно распространяется дальше на всю оптическую систему органа зрения.

Если прямой лазерный луч попадет в глаз, когда взгляд направлен вдаль, последствия могут быть очень плачевными. Концентрация спектра коллимированного луча на сетчатке в этот момент может достигать 100000 крат. На глазном дне при таком повреждении обнаруживаются ожог и отек сетчатки, кровоизлияние с дальнейшим появлением рубца и уменьшением остроты зрения. Столь мощное воздействие может даже привести к слепоте. Из этого следует вывод, что вероятность потери зрения в результате сильного излучения достаточно велика.

Классификация лазеров

Подавляющее большинство лазерного оборудования, изготавливаемого во всем мире, производится и сертефицируется с оглядкой на международные стандарты, согласованные американским объединением CDRH (Center for Devices and Radiological Health) . В зависимости от уровня угрозы, которую различные лазерные установки представляют для человеческого организма, они делятся на четыре основных класса:

Класс I (безопасные) — маломощные лазерные системы, не излучающие вредный для человека уровень радиации. Такие лазеры не могут являться причиной повреждения глаза. К данному классу так же относятся приборы, оборудованные корпусом, не выпускающим луч лазера наружу. В таком случае луч может быть мощнее допустимой для первого класса нормы.

Класс II (низкий уровень опасности) — эти лазеры уже способны нанести ущерб человеческому глазу, при зрительном контакте более 0,25 секунды. К ним не относятся приборы, вырабатывающие излучение с невидимой волной.

Класс III (средний уровень опасности) — даже непродолжительный визуальный контакт с лучом подобной лазерной установки может привести к повреждениям органа зрения. Работать с такими устройствами без специальных защитных очков нельзя ни в коем случае. Рассеянное излучение не представляет опасности при расстоянии визуального контакта более 13 сантиметров и времени менее 10 секунд. Имеется значительный риск воспламенения при соприкосновении луча с огнеопасными материалами. На выходе мощность составляет около 500 мВт.

Класс IV (высокоопасные) — мощные лазеры, представляющие опасность для здоровья. Они в состоянии нанести значительные повреждения сетчатке глаза непродолжительным излучением прямого луча. В практике использования подобных приборов были ситуации, когда луч случайно отражался в глаз от обычной отвертки или пугавицы на рукаве. Воздействие этих лазеров с большой долей вероятности может привести к серьезным ожогам на коже, а так же стать причиной воспламенения горючих и прочих легковоспламеняющихся материалов. Опасность создает и повышенно ультрафиолетовое излучение импульсных ламп. В последнее время правительствами многих стран ведутся активные работы по адаптации таких лазеров для военных целей. Компании, представляющие свои разработки на выставках, получают финансирование от госудаства.

Меры предосторожности

В неумелых руках мощный лазер представляет не меньшую опасность, чем огнестрельное оружие. Только сертефицированный персонал допускается к работе с такими устройствами. Лучшей профилактикой лазерного излучения является соблюдение правил эксплуатации и защиты. Использование лазерных установок II-III уровней предполагает ограждение зоны работы с лазером и экранирование излучения. Лазеры IV уровня должны быть полностью изолированны от остального производства, работа с ними проводится дистанционно. Поверхности в таких помещениях окрашиваются в цвета с малым коэффициентом отражения. При недостаточном уровне освещения работа с лазерами недопустима. Окна для наблюдения должны быть оборудованы защитным стеклом. В случае необходимости ремонта прибора, категорически запрещено использование деталей и расходных материалов, несогласованных с производителем.

Средства защиты от лазерного излучения должны гарантировать предотвращение пагубного действия излучения или уменьшение его величины до уровня, не превышающего безопасного. В экипировку работников, взаимодействующих с лазером должны входить щитки, маски, технологические халаты и специальные очки. Один раз в год им необходимо проходить полный медицинский осмотр. Такая предосторожность более чем оправдана. Большая часть исследователей, изучающих здоровье обслуживающего персонала лазеров, установили у них предрасположенность к астеническим и вегетативно-сосудистым расстройствам. Доступ к участкам производства, на которых проходит работа с лазером, должен быть строго ограничен. Лазерная установка должна быть надежно защищена от несогласованного использования с помощью выключателя, запираемого на ключ, или другого аналогичного механизма.

1. Прохождение монохроматического света через прозрачную среду.

2. Создание инверсной населенности. Способы накачки.

3. Принцип действия лазера. Типы лазеров.

4. Особенности лазерного излучения.

5. Характеристики лазерного излучения, применяемого в медицине.

6. Изменения свойств ткани и ее температуры под действием непрерывного мощного лазерного излучения.

7. Использование лазерного излучения в медицине.

8. Основные понятия и формулы.

9. Задачи.

Мы знаем, что свет испускается отдельными порциями - фотонами, каждый из которых возникает в результате излучательного перехода атома, молекулы или иона. Естественный свет - это совокупность огромного числа таких фотонов, различающихся по частоте и фазе, испущенных в случайные моменты времени в случайных направлениях. Получение мощных пучков монохроматического света с помощью естественных источников - задача практически неразрешимая. В то же время потребность в таких пучках ощущалась как физиками, так и специалистами многих прикладных наук. Создание лазера позволило решить эту задачу.

Лазер - устройство, генерирующее когерентные электромагнитные волны за счет вынужденного излучения микрочастиц среды, в которой создана высокая степень возбуждения одного из энергетических уровней.

Лазер (LASER Light Amplification by Stimulated of Emission Radiation) - усиление света с помощью вынужденного излучения.

Интенсивность лазерного излучения (ЛИ) во много раз превосходит интенсивность естественных источников света, а расходимость лазерного луча менее одной угловой минуты (10 -4 рад).

31.1. Прохождение монохроматического света через прозрачную среду

В лекции 27 мы выяснили, что прохождение света через вещество сопровождается как фотонным возбуждением его частиц, так и актами вынужденного излучения. Рассмотрим динамику этих процессов. Пусть в среде распространяется монохроматический свет, частота которого (ν) соответствует переходу частиц этой среды с основного уровня (E 1) на возбужденный (Е 2):

Фотоны, попадающие в частицы, находящиеся в основном состоянии, будут поглощаться, а сами частицы будут переходить в возбужденное состояние Е 2 (см. рис. 27.4). Фотоны, которые попадают в возбужденные частицы, инициируют вынужденное излучение (см. рис. 27.5). При этом происходит удвоение фотонов.

В состоянии теплового равновесия соотношение между числом возбужденных (N 2) и невозбужденных (N 1) частиц подчиняется распределению Больцмана:

где k - постоянная Больцмана, T - абсолютная температура.

При этом N 1 >N 2 и поглощение доминирует над удвоением. Следовательно, интенсивность выходящего света I будет меньше интенсивности падающего света I 0 (рис. 31.1).

Рис. 31.1. Ослабление света, проходящего через среду, в которой степень возбуждения менее 50 % (N 1 > N 2)

По мере поглощения света степень возбуждения будет расти. Когда она достигнет 50 % (N 1 = N 2), между поглощением и удвоением установится равновесие, так как вероятности попадания фотонов в возбужденную и невозбужденную частицы станут одинаковыми. Если освещение среды прекратится, то через некоторое время среда вернется в начальное состояние, соответствующее распределению Больцмана (N 1 > N 2). Сделаем предварительный вывод:

При освещении среды монохроматическим светом (31.1) невозможно добиться такого состояния среды, при котором степень возбуждения превышает 50 %. И все-таки давайте рассмотрим вопрос о прохождении света через среду, в которой каким-то способом достигнуто состояние N 2 > N 1 . Такое состояние называется состоянием с инверсной населенностью (от лат. inversio - переворачивание).

Инверсная населенность - такое состояние среды, при котором число частиц на одном из верхних уровней больше, чем на нижнем.

В среде с инверсной населенностью вероятность попадания фотона в возбужденную частицу больше, чем в невозбужденную. Поэтому процесс удвоения доминирует над процессом поглощения и имеет место усиление света (рис. 31.2).

По мере прохождения света через среду с инверсной населенностью степень возбуждения будет снижаться. Когда она достигнет 50%

Рис. 31.2. Усиление света, проходящего через среду с инверсной населенностью (N 2 > N 1)

(N 1 = N 2), между поглощением и удвоением установится равновесие и эффект усиления света исчезнет. Если освещение среды прекратится, то через некоторое время среда вернется в состояние, соответствующее распределению Больцмана (N 1 > N 2).

Если вся эта энергия выделится в излучательных переходах, то мы получим световой импульс огромной мощности. Правда, он еще не будет обладать требуемой когерентностью и направленностью, но будет в высокой степени монохроматичен (hv = E 2 - E 1). Это еще не лазер, но уже нечто близкое.

31.2. Создание инверсной населенности. Способы накачки

Так можно ли добиться инверсной населенности? Оказывается, можно, если использовать три энергетических уровня со следующей конфигурацией (рис. 31.3).

Пусть среда освещается мощной вспышкой света. Часть спектра излучения будет поглощена в переходе с основного уровня Е 1 на широкий уровень Е 3 . Напомним, что широким является энергетический уровень с малым временем релаксации. Поэтому большинство частиц, попавших на уровень возбуждения Е 3 , безызлучательно переходит на узкий метастабильный уровень Е 2 , где происходит их накопление. Вследствие узости этого уровня лишь малая доля фотонов вспышки

Рис. 31.3. Создание инверсной населенности на метастабильном уровне

способна вызвать вынужденный переход Е 2 → Е 1 . Этим и обеспечиваются условия для создания инверсной населенности.

Процесс создания инверсной населенности называется накачкой. В современных лазерах применяются различные виды накачки.

Оптическая накачка прозрачных активных сред использует импульсы света от внешнего источника.

Электроразрядная накачка газовых активных сред использует электрический разряд.

Инжекционная накачка полупроводниковых активных сред использует электрический ток.

Химическая накачка активной среды из смеси газов использует энергию химической реакции между компонентами смеси.

31.3. Принцип действия лазера. Типы лазеров

Функциональная схема лазера показана на рис. 31.4. Рабочее тело (активная среда) представляет собой длинный узкий цилиндр, торцы которого закрыты двумя зеркалами. Одно из зеркал (1) полупрозрачно. Такая система называется оптическим резонатором.

Система накачки переводит частицы с основного уровня Е 1 на поглощательный уровень Е 3 , откуда они безызлучательно переходят на метастабильный уровень Е 2 , создавая его инверсную населенность. После этого начинаются спонтанные излучательные переходы Е 2 → Е 1 с испусканием монохроматических фотонов:

Рис. 31.4. Схематическое устройство лазера

Фотоны спонтанного излучения, испущенные под углом к оси резонатора, выходят через боковую поверхность и в процессе генерации не участвуют. Их поток быстро иссякает.

Фотоны, которые после спонтанного излучения движутся вдоль оси резонатора, многократно проходят через рабочее тело, отражаясь от зеркал. При этом они взаимодействуют с возбужденными частицами, инициируя вынужденное излучение. За счет этого происходит «лавинообразное» нарастание индуцированных фотонов, движущихся в том же направлении. Многократно усиленный поток фотонов выходит через полупрозрачное зеркало, создавая мощный пучок почти параллельных когерентных лучей. Фактически лазерное излучение порождается первым спонтанным фотоном, который движется вдоль оси резонатора. Это и обеспечивает когерентность излучения.

Таким образом, лазер преобразует энергию источника накачки в энергию монохроматического когерентного света. Эффективность такого преобразования, т.е. КПД, зависит от типа лазера и лежит в диапазоне от долей процента до нескольких десятков процентов. У большинства лазеров КПД составляет 0,1-1 %.

Типы лазеров

Первый созданный лазер (1960 г.) использовал в качестве рабочего тела рубин и оптическую систему накачки. Рубин - это кристаллическая окись алюминия А1 2 О 3 , содержащая около 0,05 % атомов хрома (именно хром придает рубину розовый цвет). Атомы хрома, внедренные в кристаллическую решетку, являются активной средой

с конфигурацией энергетических уровней, изображенной на рис. 31.3. Длина волны излучения рубинового лазера равна λ = 694,3 нм. Затем появились лазеры, использующие другие активные среды.

В зависимости от типа рабочего тела лазеры делятся на газовые, твердотельные, жидкостные, полупроводниковые. В твердотельных лазерах активный элемент обычно изготавливается в виде цилиндра, длина которого много больше его диаметра. Газовые и жидкие активные среды помещают в цилиндрическую кювету.

В зависимости от способа накачки можно получить непрерывную и импульсную генерацию лазерного излучения. При непрерывной системе накачки инверсия населенности поддерживается длительное время за счет внешнего источника энергии. Например, непрерывное возбуждение электрическим разрядом в газовой среде. При импульсной системе накачки инверсия населенности создается в импульсном режиме. Частота следования импульсов от 10 -3

Гц до 10 3 Гц.

31.4. Особенности лазерного излучения

Лазерное излучение по своим свойствам значительно отличается от излучения обычных источников света. Отметим его характерные особенности.

1. Когерентность. Излучение является высококогерентным, что обусловлено свойствами вынужденного излучения. При этом имеет место не только временная, но и пространственная когерентность: разность фаз в двух точках плоскости, перпендикулярной направлению распространения, сохраняется постоянной (рис. 31.5, а).

2. Коллимированность. Лазерное излучение является коллимированным, т.е. все лучи в пучке почти параллельны друг другу (рис. 31.5, б). На большом расстоянии лазерный пучок лишь незначительно увеличивается в диаметре. Так как угол расходимости φ мал, то интенсивность лазерного пучка слабо убывает с расстоянием. Это позволяет передавать сигналы на огромные расстояния при малом ослаблении их интенсивности.

3. Монохроматичность. Лазерное излучение является в высокой степени монохроматическим, т.е. содержит волны практически одинаковой частоты (ширина спектральной линии составляет Δλ ≈0,01 нм). На

рисунке 31.5, в приведено схематическое сравнение ширины линии лазерного луча и луча обычного света.

Рис. 31.5. Когерентность (а), коллимированность (б), монохроматичность (в) лазерного излучения

До появления лазеров излучение с некоторой степенью монохроматичности удавалось получить с помощью приборов - монохроматоров, выделяющих из сплошного спектра узкие спектральные интервалы (узкие полосы длин волн), однако мощность света в таких полосах мала.

4. Высокая мощность. С помощью лазера можно обеспечить очень высокую мощность монохроматического излучения - до 10 5 Вт в непрерывном режиме. Мощность импульсных лазеров на несколько порядков выше. Так, неодимовый лазер генерирует импульс с энергией Е = 75 Дж, длительность которого t = 3х10 -12 с. Мощность в импульсе равна Р = Е/t = 2,5х10 13 Вт (для сравнения: мощность ГЭС составляет Р ~10 9 Вт).

5. Высокая интенсивность. В импульсных лазерах интенсивность лазерного излучения очень высока и может достигать I = 10 14 -10 16 Вт/см 2 (ср. интенсивность солнечного света вблизи земной поверхности I = 0,1 Вт/см 2).

6. Высокая яркость. У лазеров, работающих в видимом диапазоне, яркость лазерного излучения (сила света с единицы поверхности) очень велика. Даже самые слабые лазеры имеют яркость 10 15 кд/м 2 (для сравнения: яркость Солнца L ~ 10 9 кд/м 2).

7. Давление. При падении лазерного луча на поверхность тела создается давление (Д). При полном поглощении лазерного излучения, падающего перпендикулярно поверхности, создается давление Д = I/c, где I -интенсивность излучения, с - скорость света в вакууме. При полном отражении величина давления в два раза больше. Для интенсивности I = 10 14 Вт/см 2 = 10 18 Вт/м 2 ; Д = 3,3х10 9 Па = 33 000 атм.

8. Поляризованность. Лазерное излучение полностью поляризовано.

31.5. Характеристики лазерного излучения, применяемого в медицине

Длина волны излучения

Длины волн излучения (λ) медицинских лазеров лежат в диапазоне 0,2 -10 мкм, т.е. от ультрафиолетовой до дальней инфракрасной области.

Мощность излучения

Мощность излучения (P) медицинских лазеров варьируется в широких пределах, определяемых целями применения. У лазеров с непрерывной накачкой Р = 0,01-100 Вт. Импульсные лазеры характеризуются мощностью в импульсе Р и и длительностью импульса τ и

Для хирургических лазеров Р и = 10 3 -10 8 Вт, а длительность импульса т и = 10 -9 -10 -3 с.

Энергия в импульсе излучения

Энергия одного импульса лазерного излучения (Е и) определяется соотношением Е и = Р и -т и, где т и - длительность импульса излучения (обычно т и = 10 -9 -10 -3 с). Для хирургических лазеров Е и = 0,1-10 Дж.

Частота следования импульсов

Эта характеристика (f) импульсных лазеров показывает количество импульсов излучения, генерируемых лазером за 1 с. Для терапевтических лазеров f = 10-3 000 Гц, для хирургических f = 1-100 Гц.

Средняя мощность излучения

Эта характеристика (Р ср) импульсно-периодических лазеров показывает, какую энергию лазер излучает за 1 с, и определяется следующим соотношением:

Интенсивность (плотность мощности)

Эта характеристика (I) определяется как отношение мощности лазерного излучения к площади поперечного сечения пучка. Для непрерывных лазеров I = P/S. В случае импульсных лазеров различают интенсивность в импульсе I и = P и /S и среднюю интенсивность I ср = Р ср /S.

Интенсивность хирургических лазеров и давление, создаваемое их излучением, имеют следующие значения:

для непрерывных лазеров I ~ 10 3 Вт/см 2 , Д = 0,033 Па;

для импульсных лазеров I и ~ 10 5 -10 11 Вт/см 2 , Д = 3,3 - 3,3х10 6 Па.

Плотность энергии в импульсе

Эта величина (W) характеризует энергию, которая приходится на единицу площади облучаемой поверхности за один импульс и определяется соотношением W = E и /S, где S (см 2) - площадь светового пятна (т.е. поперечного сечения лазерного луча) на поверхности биоткани. У лазеров, используемых в хирургии, W ≈ 100 Дж/см 2 .

Параметр W можно рассматривать как дозу облучения D за 1 импульс.

31.6. Изменения свойств ткани и ее температуры под действием непрерывного мощного лазерного излучения

Изменение температуры и свойств ткани

под действием непрерывного лазерного излучения

Поглощение мощного лазерного излучения биологической тканью сопровождается выделением теплоты. Для расчета выделяющейся теплоты используют специальную величину - объемную плотность теплоты (q).

Выделение теплоты сопровождается повышением температуры и в тканях протекают следующие процессы:

при 40-60°С имеют место активация ферментов, образование отеков, изменение и в зависимости от времени действия гибель клеток денатурация протеина, начало коагуляции и некрозы;

при 60-80°С - денатурация коллагена, дефекты мембран; при 100°С - обезвоживание, выпаривание тканевой воды; свыше 150°С - обугливание;

свыше 300°С - выпаривание ткани, газообразование. Динамика протекания этих процессов изображена на рис. 31.6.

Рис. 31.6. Динамика изменения температуры ткани под воздействием непрерывного лазерного излучения

1 фаза. Сначала температура ткани повышается от 37 до 100 °С. В этом диапазоне температур термодинамические свойства ткани остаются практически неизменными, и происходит линейный рост температуры со временем (α = const и I = const).

2 фаза. При температуре 100 °С начинается выпаривание тканевой воды, и до окончания этого процесса температура остается постоянной.

3 фаза. После выпаривания воды температура вновь начинает расти, но медленнее, чем на участке 1, так как обезвоженная ткань поглощает энергию слабее нормальной.

4 фаза. По достижении температуры Т ≈ 150 °С начинается процесс обугливания и, следовательно, «почернения» биоткани. При этом коэффициент поглощения α возрастает. Поэтому наблюдается нелинейный, ускоряющийся со временем рост температуры.

5 фаза. По достижении температуры Т ≈ 300 °С начинается процесс испарения обезвоженной обугленной биоткани и рост температуры вновь прекращается. Именно в этот момент лазерный луч рассекает (удаляет) ткань, т.е. становится скальпелем.

Степень повышения температуры зависит от глубины залегания ткани (рис. 31.7).

Рис. 31.7. Процессы, протекающие в облучаемых тканях на различной глубине: а - в поверхностном слое ткань нагревается до нескольких сотен градусов и испаряется; б - мощность излучения, ослабленного верхним слоем, недостаточна для испарения ткани. Происходит коагуляция ткани (иногда совместно с обугливанием - черная жирная линия); в - происходит нагревание ткани вследствие передачи теплоты из зоны (б)

Протяженности отдельных зон определяются как характеристиками лазерного излучения, так и свойствами самой ткани (в первую очередь коэффициентами поглощения и теплопроводности).

Воздействие мощного сфокусированного пучка лазерного излучения сопровождается и возникновением ударных волн, которые могут стать причиной механического повреждения прилегающих тканей.

Абляция ткани под воздействием мощного импульсного лазерного излучения

При воздействии на ткань коротких импульсов лазерного излучения с высокой плотностью энергии реализуется другой механизм рассечения и удаления биоткани. В этом случае происходит очень быстрый нагрев тканевой жидкости до температуры Т > Т кип. При этом тканевая жидкость оказывается в метастабильном перегретом состоянии. Затем происходит «взрывное» вскипание тканевой жидкости, которое сопровождается удалением ткани без обугливания. Это явление называется абляцией. Абляция сопровождается генерацией механических ударных волн, способных вызвать механическое повреждение тканей в окрестностях зоны лазерного воздействия. Этот факт необходимо учитывать при выборе параметров импульсного лазерного излучения, например при шлифовке кожи, сверлении зубов или при лазерной коррекции остроты зрения.

31.7. Использование лазерного излучения в медицине

Процессы, характеризующие взаимодействие лазерного излучения (ЛИ) с биообъектами, можно разделить на 3 группы:

невозмущающее воздействие (не оказывающее заметного действия на биообъект);

фотохимическое действие (возбужденная лазером частица либо сама принимает участие в соответствующих химических реакциях, либо передает свое возбуждение другой частице, участвующей в химической реакции);

фоторазрушение (за счет выделения тепла или ударных волн).

Лазерная диагностика

Лазерная диагностика представляет собой невозмущающее воздействие на биообъект, использующее когерентность лазерного излучения. Перечислим основные методы диагностики.

Интерферометрия. При отражении лазерного излучения от шероховатой поверхности возникают вторичные волны, которые интерферируют между собой. В результате образуется картина темных и светлых пятен (спеклов), расположение которых дает информацию о поверхности биообъекта (метод спеклоинтерферометрии).

Голография. С помощью лазерного излучения получают 3-мерное изображение объекта. В медицине этот метод позволяет получать объемные изображения внутренних полостей желудка, глаза и т.д.

Рассеяние света. При прохождении остронаправленного лазерного пучка через прозрачный объект происходит рассеяние света. Регистрация угловой зависимости интенсивности рассеянного света (метод нефелометрии) позволяет определять размеры частиц среды (от 0,02 до 300 мкм) и степень их деформации.

При рассеянии может изменяться поляризация света, что также используется в диагностике (метод поляризационной нефелометрии).

Эффект Доплера. Этот метод основан на измерении доплеровского сдвига частоты ЛИ, который возникает при отражении света даже от медленно движущихся частиц (метод аненометрии). Таким способом измеряется скорость кровотока в сосудах, подвижность бактерий и т.д.

Квазиупругое рассеяние. При таком рассеянии происходит незначительное изменение длины волны зондирующего ЛИ. Причина этого - изменение в процессе измерения рассеивающих свойств (конфигурации, конформации частиц). Временные изменения параметров рассеивающей поверхности проявляются в изменении спектра рассеяния по сравнению со спектром подающего излучения (спектр рассеяния либо уширяется, либо в нем появляются дополнительные максимумы). Данный метод позволяет получать информацию о меняющихся характеристиках рассеивателей: коэффициенте диффузии, скорости направленного транспорта, размерах. Так осуществляется диагностика макромолекул белков.

Лазерная масс-спектроскопия. Этот метод используют для исследования химического состава объекта. Мощные пучки лазерного излучения испаряют вещество с поверхности биообъекта. Пары подвергают масс-спектральному анализу, по результатам которого судят о составе вещества.

Лазерный анализ крови. Лазерный луч, пропускаемый через узкий кварцевый капилляр, по которому прокачивается специально обработанная кровь, вызывает флуоресценцию ее клеток. Флуоресцентное свечение затем улавливается чувствительным датчиком. Это свечение специфично для каждого типа клеток, проходящих поодиночке через сечение лазерного луча. Подсчитывается общее число клеток в заданном объеме крови. Определяются точные количественные показатели по каждому типу клеток.

Метод фоторазрушения. Его используют для исследования поверхностного состава объекта. Мощные пучки ЛИ позволяют брать микропробы с поверхности биообъектов путем испарения вещества и последующего масс-спектрального анализа этого пара.

Использование лазерного излучения в терапии

В терапии используются низкоинтенсивные лазеры (интенсивность 0,1-10 Вт/см 2). Низкоинтенсивное излучение не вызывает заметного деструктивного действия на ткани непосредственно во время облучения. В видимой и ультрафиолетовой областях спектра эффекты облучения обусловлены фотохимическими реакциями и не отличаются от эффектов, вызываемых монохроматическим светом, полученным от обычных некогерентных источников. В этих случаях лазеры являются просто удобными монохроматическими источниками света, обеспечи-

Рис. 31.8. Схема применения лазерного источника для внутрисосудистого облучения крови

вающими точную локализацию и дозировку воздействия. В качестве примера на рис. 31.8 приведена схема использования источника лазерного излучения для внутрисосудистого облучения крови у больных с сердечной недостаточностью.

Ниже указаны наиболее распространенные методы лазеротерапии.

Терапия с помощью красного света. Излучение Не-Ne лазера с длиной волны 632,8 нм используется с противовоспалительной целью для лечения ран, язв, ишемической болезни сердца. Лечебный эффект связан с влиянием света этой длины волны на пролиферативную активность клетки. Свет выступает в роли регулятора клеточного метаболизма.

Терапия с помощью синего света. Лазерное излучение с длиной волны в синей области видимого света используется, например, для лечения желтухи новорожденных. Это заболевание - следствие резкого возрастания в организме концентрации билирубина, который имеет максимум поглощения в синей области. Если облучать детей лазерным излучением такого диапазона, то билирубин распадается, образуя водорастворимые продукты.

Лазерофизиотерапия - использование лазерного излучения при сочетании с различными методами электрофизиотерапии. Некоторые лазеры имеют магнитные насадки для сочетанного действия лазерного излучения и магнитного поля - магнитолазеротерапии. К ним относится магнито-инфракрасный лазерный терапевтический аппарат «Мильта».

Эффективность лазеротерапии увеличивается при сочетанном воздействии с лекарственными веществами, предварительно нанесенными на облучаемую зону (лазерофорез).

Фотодинамическая терапия опухолей. Фотодинамическая терапия (ФДТ) используется для удаления опухолей, доступных для облучения светом. ФДТ основана на применении локализующихся в опухолях фотосенсибилизаторов, повышающих чувствительность тканей при их

последующем облучении видимым светом. Разрушение опухолей при ФДТ основано на трех эффектах: 1) прямое фотохимическое уничтожение клеток опухоли; 2) повреждение кровеносных сосудов опухоли, приводящее к ишемии и гибели опухоли; 3) возникновение воспалительной реакции, мобилизирующей противоопухолевую иммунную защиту тканей организма.

Для облучения опухолей, содержащих фотосенсибилизаторы, используется лазерное излучение с длиной волны 600-850 нм. В этой области спектра глубина проникновения света в биологические ткани максимальна.

Фотодинамическая терапия применяется при лечении опухолей кожи, внутренних органов: легких, пищевода (при этом к внутренним органам лазерное излучение доставляется с помощью световодов).

Использование лазерного излучения в хирургии

В хирургии высокоинтенсивные лазеры используются для рассечения тканей, удаления патологических участков, остановки кровотечения, сваривания биотканей. Выбирая должным образом длину волны излучения, его интенсивность и длительность воздействия, можно получать различные хирургические эффекты. Так, для разрезания биологических тканей используется сфокусированный луч непрерывного СО 2 -лазера, имеющего длину волны λ = 10,6 мкм, мощность 2х10 3 Вт/см 2 .

Применение лазерного луча в хирургии обеспечивает избирательное и контролируемое воздействие. Лазерная хирургия имеет ряд преимуществ:

Бесконтактность, дающую абсолютную стерильность;

Селективность, позволяющую выбором длины волны излучения дозированно разрушать патологические ткани, не затрагивая окружающие здоровые ткани;

Бескровность (за счет коагуляции белков);

Возможность микрохирургических воздействий, благодаря высокой степени фокусировки луча.

Укажем некоторые области хирургического применения лазеров.

Лазерная сварка тканей. Соединение рассеченных тканей представляет собой необходимый этап многих операций. На рисунке 31.9 показано, как сваривание одного из стволов крупного нерва осуществляется в контактном режиме с использованием припоя, который

Рис. 31.9. Сваривание нерва при помощи лазерного луча

каплями из пипетки подается по месту лазирования.

Разрушение пигментированных участков. Лазеры, работающие в импульсном режиме, используются для разрушения пигментированных участков. Данный метод (фототермолиз) используется для лечения ангиом, татуировок, склеротических бляшек в кровеносных сосудах и т.п.

Лазерная эндоскопия. Внедрение эндоскопии произвело коренной переворот в оперативной медицине. Чтобы избежать больших открытых операций, лазерное излучение доставляется к месту воздействия с помощью волоконно-оптических световодов, которые позволяют подводить лазерное излучение к биотканям внутренних полых органов. При этом значительно снижается риск инфицирования и возникновения послеоперационных осложнений.

Лазерный пробой. Короткоимпульсные лазеры в сочетании со световодами применяют для удаления бляшек в сосудах, камней в желчном пузыре и почках.

Лазеры в офтальмологии. Использование лазеров в офтальмологии позволяет выполнять бескровные оперативные вмешательства без нарушения целостности глазного яблока. Это операции на стекловидном теле; приваривание отслоившейся сетчатки; лечение глаукомы путем «прокалывания» лазерным лучом отверстий (диаметром 50÷100 мкм) для оттока внутриглазной жидкости. Послойная абляция тканей роговицы применяется при коррекции зрения.

31.8. Основные понятия и формулы

Окончание таблицы

31.9. Задачи

1. В молекуле фенилаланина разница энергий в основном и возбужденном состояниях составляет ΔЕ = 0,1 эВ. Найти соотношение между заселенностями этих уровней при Т = 300 К.

Ответ: n = 3,5*10 18 .