Основными принципами использования лазерного излучения в биологии и медицине

Содержание
ВВЕДЕНИЕ

1. ЛАЗЕРНЫЕ МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ
1.1. Оптические квантовые генераторы
1.2. Основные направления и цели медико-биологического использования лазеров
1.3. Механизм действия лазерного излучения на биологические объекты

2. ЛАЗЕРНАЯ МЕДИЦИНСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ЦЕЛЕЙ ЛУЧЕВОЙ ТЕРАПИИ «ИМПУЛЬС- 1»
2.1. Структурная схема
2.2. Функциональная схема
2.3. Принцип действия

3. ЛАЗЕРЫ В ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ И КЛИНИЧЕСКОЙ
МЕДИЦИНЕ
3.1. Влияние лучей лазера на различные ткани и органы
3.2. Применение лазеров в клинической медицине
3.3. Техника безопасности и гигиена труда при работе с лазерами

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ:
1. ЛАЗЕРНЫЕ МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ

1.1. Оптические квантовые генераторы

В настоящее время лазер, источник электромагнитного излучения видимого, инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов, основанный на вынужденном излучении атомов и молекул. Слово «лазер» составлено из начальных букв (аббревиатура) слов английской фразы «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», что означает «усиление света в результате вынужденного излучения». В советской литературе употребляется также термин «оптический квантовый генератор» (ОКГ). Создание лазеров (1960) и несколько ранее лазеров (1955) послужило ос-новой развития нового направления в физике и технике, называется кван-товой электроникой. В 1964 советским физикам Н.Г. Басову, А.М. Прохо-рову и американскому физику Ч.Таунсу за работы в области квантовой электроники присуждена Нобелевская премия по физике.
Лазерная история. Лазеры, перекочевав со страниц фантастических романов, произвели настоящую революцию в технике и быту. Еще 50 лет назад вряд ли кто-то мог вообразить, что с помощью ужасных «лучей смерти» можно будет печатать в офисе деловые документы, проводить хи-рургические операции, слушать музыку и вырезать фурнитуру для мебе-ли.



211 до нашей эры — первое упоминания о лучевом оружии: по описаниям античных историков, во время осады Сиракуз Архимед с помощью сложной системы зеркал сжег римский флот.
1917 — Альберт Эйнштейн вводит в физику понятие об индуцированном излучении, фактически предсказывая появление лазеров.


1927 — Алексей Толстой публикует роман «Гиперболоид инженера Га-рина», в котором описывается эффект от применения «лучей смерти».
1951 — советский ученый Валентин Фабрикант (вместе с М М. Вудынским и Ф А. Бутаевой) изобретает первую лазерную установку — «аппарат импульсного заряда для усиления света».
1954 — в Физическом институте Александр Прохоров и Николай Басов сформулировали основные принципы создания генераторов и усилителей световых волн.


1960 — американец Теодор Меймен создает первый в мире рубиновый ла-зер.
1961 — импульсный рубиновый лазер испытан в лаборатории Физическо-го института им. Лебедева АНСССР.
1962 — советский ученый Юрий Денисюк впервые получил отражатель-ные голограммы, которые можно было восстанавливать с помощью лазе-ров.
1964 — советские физики Прохоров и Басов и американский ученый Чарлз Таунс получают Нобелевскую премию по физике за создание инфракрас-ных и оптических лазеров.
1964 — первая в мире хирургическая операция с использованием лазера, при помощи которого в США был удален кариес (лазером обработали зуб перед пломбированием).
1968 — итальянская фирма Lаservall впервые применяет технологию ла-зерной сварки и резки металла для изготовления золотых цепочек.
1970 — американская рок-группа Blue Oyster Cult впервые для сцениче-ского шоу применила лазерные лучи.
1978 — инженер корпорации Xerox Гэри Старкуезер создает первый в мире лазерный принтер.


1981 — появление первого лазерного CD- диска — продукта совместных усилий компаний Sony и Philips. На первом выпущенном диске была запи-сана 9-я симфония Бетховена.
1982 — в штате Нью-Мексико прошел испытание военный комплекс MTHEL (Mobile Tactical High Energy Laser) — первый «передвижной так-тический высокоэнергетический лазер», с которого началась оборонная программа СОИ.


2006 — астрономы научились с помощью лазеров зажигать в небе искус-ственные «звезды» (лазер заставляет светиться атомы натрия, тонкий слой которых сосредоточен на границе с космосом) для настройки сверхточных телескопов.
Лазеры создаются на базе различных активных сред: газообразной, жид-кой или твердой. Они могут давать излучение в весьма широком диапа-зоне длин волн - от 100 нм (ультрафиолетовый свет) до 1,2 мкм (инфра-красное излучение) и могут работать как в непрерывном, так и в им-пульсном режимах. Световое излучение лазера обладает исключительны-ми специфическими свойствами, как острая направленность, высокая мо-нохроматичность (наличие в спектре изучения только одной длины вол-ны), когерентность (постоянное по времени соотношение между фазами световых волн), обусловливающая распространение световой волны в пространстве с очень малым углом расхождения, что позволяет получать чрезвычайно высокую концентрацию (плотность) энергии. Не сфокусиро-ванный луч лазера обычно имеет ширину в 1-2 см, а с наведенным фоку-сом – от 1 до 0,01 мм и меньше. Благодаря этому возникла возможность концентрировать огромную световую энергию на площади в несколько микрон и достигать при этом очень высоких температур. Именно благода-ря такой способности концентрировать энергию на минимальной площади облучаемой поверхности лазеры и представляют огромный интерес для медицины.
Лазер состоит из трех принципиально важных узлов: излучателя, си-стемы накачки и источника питания, работа которых обеспечивается с по-мощью специальных вспомогательных устройств. Упрощенная конструк-тивная схема гелий- неонового лазера показана на рисунке ниже.

Излучатель предназначен для преобразования энергии накачки (пе-ревода гелий- неоновой смеси 3 в активное состояние) в лазерное излуче-ние и содержит оптический резонатор, представляющий собой в общем случае систему тщательно изготовленных отражающих, прелом-ляющих и фокусирующих элементов, во внутреннем простран-стве которого возбуждается и поддерживается определенный тип электромагнитных колебаний оптического диапазона. Оптический резона-тор должен иметь минимальные потери в рабочей части спектра, вы-сокую точность изготовления узлов и их взаимной установки. В ла-зере, показанном на рисунке, оптический резонатор выполнен в виде двух параллельных зеркал 1 и 5, расположенных вне актив-ной части среды 3, которая отделена от окружающей среды колбой 6 раз-рядной трубки и двумя окнами 2,4 с плоскопараллельными границами, образующими с осью излучения угол Брюстера. Внешние зеркала 1 и 5 обеспечивают многократное прохождение излучения через активную среду с нарастанием мощности потока лазерного излучения. Для выхода излучения одно из зеркал (5) делается с отверстием или полупро-зрачным.
Система накачки предназначена для преобразования энергии источ-ника электрического питания 8 в энергию ионизированной активной среды 3 лазера. Накачка осуществляется электрическим разрядом, для чего в нем устанавливаются два электрода – катод 7 и анод 9, меж-ду которыми подается напряжения от источника питания. Атомы гелия возбуждаются при соударениях с быстрыми электронами и, сталкиваясь с атомами неона, передают им свою энергию. В не-которых типах лазеров применяют фокусирующие магниты или обмотки и специальные отводные трубки для циркуляции активной среды.
В принципе каждый лазер состоит из следующих основных частей (рису-нок 2) : 1) активное (рабочее) вещество, обладающее способностью пере-ходить в особое возбужденное состояние и являющееся источником так называемого индуцированного излучения(например, стержень из искус-ственного рубина, неодимого стекла); 2) источник возбуждения такое устройство, которое, сообщая активному веществу дополнительную энер-гию с помощью импульсных газоразрядных ламп- вспышек или ламп накачки (подкачки), приводит его в возбужденное состояние; 3) резонанс-ное устройство, образованное двумя зеркалами, между которыми помеща-ется рабочее вещество, позволяющее концентрировать поток энергии в определенном направлении; 4) блок питания, обеспечивающий энергией источник возбуждения (батареи конденсаторов и другие).
Прежде всего, следует напомнить, что в атомах различных веществ электроны расположены вокруг ядра на определенных энергетических ор-битах или уровнях. Сами же атомы могут находиться либо в состоянии возбуждения. Последнее может возникнуть под влиянием, какого- либо из-лучения и сопровождаться изменением энергетических орбит электронов атома и накоплением избыточного количества определенных порций (квантов) энергии. При переходе атома из возбужденного состояния в ос-новное происходит испускание поглощенных квантов энергии и возврат электронов на близкие орбиты. Под влиянием мощной световой вспышки лампы накачки большинство атомов активного вещества лазера (рубина) переходить из основного в возбужденное состояние или, как говорят физи-ки, на более высокий энергетический уровень. При этом часть электронов такого возбужденного атома переходит со своих обычных энергетических орбит на более удаленные от ядра орбиты. Часть возбужденных атомов, обладающих избыточным количеством энергии, скоро возвращается в ос-новное состояние, испуская при этом порции энергии, или световые кван-ты. В свою очередь, эти кванты воздействуют на электроны других воз-бужденных атомов, заставляя переходить их на более низкие энергетиче-ские уровни; это опять-таки сопровождается отдачей ранее накопленной энергии в виде тех же световых квантов.
В результате всех этих процессов возникает «лавина» световых кван-тов (фотонов), которые многократно отражаются от зеркал резонансного устройства лазера и выбрасываются в виде узкого светового пучка с очень высокой концентрацией энергии.

1.2. Основные направления и цели медико-биологического использования лазеров

Почти одновременно с созданием первых лазеров началось изучение биологического действия лазерного излучения. Некоторые возможные биолого-медицинские аспекты его использования были намечены Ч.Таунсом (1962). В последующем оказалось, что возможная сфера при-менения лазерного излучения шире. Биолого-медицинские эффекты ла-зерного излучения связаны не только с высокой плотностью потока излу-чения и возможностью фокусировки луча на самых малых площадях, но, по-видимому, и с др. его характеристиками (монохроматичностью, длиной волны, когерентностью, степенью поляризации), а также с режимом излу-чения. Один из важных вопросов при использовании лазерного излучения в биологии и медицине - дозиметрия лазерного излучения. Определение энергии, поглощённой единицей массы биообъекта, связано с большими трудностями. Различные ткани неодинаково поглощают и отражают ла-зерное излучение. Кроме того, лазерное излучение в разных областях спектра оказывает не одинаковое, а подчас и антагонистическое действие на биообъект. Поэтому и невозможно ввести при оценке эффекта лазерного излучения коэффициент качества. Характер эффекта лазерного излучения определяется, прежде всего, его интенсивностью, или плотностью потока излучения. В случае импульсных излучателей важны также длительность импульсов и частота их следования. Из-за избирательности поглощения лазерного излучения биологическая эффективность может не соответство-вать энергетическим характеристикам лазерного излучения. Условно раз-личают термические и нетермические эффекты лазерного излучения; пере-ход от нетермических к термическим эффектам лежит в диапазоне 0,5-1 Вт/см2. При плотностях потока излучения, превышающих указанные, про-исходит поглощение лазерного излучения молекулами воды, что приводит к их испарению и последующей коагуляции молекул белка. Наблюдаемые при этом структурные изменения аналогичны результатам обычного тер-мического воздействия. Однако лазерное излучение обеспечивает строгую локализацию поражения, чему способствует сильная обводнённость био-объекта и поглощение рассеивающейся энергии в пограничных областях, смежных с облучаемой. При импульсных термических воздействиях ввиду очень короткого времени воздействия и быстрого испарения воды наблю-дается так называемый взрывной эффект: возникает султан выброса, со-стоящий из частиц ткани и паров воды; этому сопутствует возникновение ударной волны, воздействующей на организм в целом.
Лазерное излучение с меньшей плотностью потока излучения вызывает в биообъекте изменения, механизм которых не полностью выяснен. Это сдвиг в активности ферментов, структуре пигментов, нуклеиновых кислот и др. важных в биологическом отношении веществ. Нетермические эффек-ты лазерного излучения вызывают сложный комплекс вторичных физио-логических изменений в организме, чему, возможно, способствуют резо-нансные явления, протекающие в биосубстрате на молекулярном уровне. Нетермические эффекты лазерного излучения сопровождаются реакциями со стороны нервной, кровеносной и др. систем организма. Избиратель-ность поглощения лазерного излучения и возможность фокусирования лу-ча на площадях порядка 1 мкм2 особенно заинтересовали исследователей внутриклеточных структур и процессов, использующих лазерного излуче-ния в качестве "скальпеля", позволяющего избирательно разрушать ядро, митохондрии или др. органеллы клетки без её гибели. Как при термиче-ских, так и при нетермических воздействиях лазерного излучения наиболее выраженной способностью к его поглощению обладают пигментированные ткани. Прижизненное окрашивание специфическими красителями позволя-ет разрушать и прозрачные для данного лазерное излучение структуры. В установках для внутриклеточных воздействий используют лазерное излу-чение с длиной волны, как видимого спектра, так и ультрафиолетового и инфракрасного диапазонов, в непрерывном и импульсном режимах. ....