Первая страница
Наша команда
Контакты
О нас

    Головна сторінка



Однією з найперспективніших галузей використання лазерного випромінювання є, без сумніву, медицина

Однією з найперспективніших галузей використання лазерного випромінювання є, без сумніву, медицина




Сторінка1/6
Дата конвертації09.04.2017
Розмір0.58 Mb.
  1   2   3   4   5   6

ВСТУП


Однією з найперспективніших галузей використання лазерного випромінювання є, без сумніву, медицина. Історія використання лазерів у медицині становить близько 50 років, хоча ефект використання світла для лікування різних хвороб був відомим ще стародавнім єгиптянам.
Старода́вній Єги́пет - одна з найдавніших держав на Землі і колиска цивілізацій Середземномор'я. Країна-стрічка займала територію в нижній течії річки Ніл в північно-східній Африці

Перші випадки застосування лазерів в стоматології датуються 1964 роком. У 1966 році з’явилися перші праці по використанню рубінового лазера, а у 1968 році - почали застосовувати і газовий лазер СО2. Піонером лазеротерапії вважають Ендре Местера з Угорщини, який у 1969 році використав світло лазера малої потужності для біостимуляції біологічних змін.

З того часу використання лазерного випромінювання почало поширюватися на всі, без винятку, напрямки медицини і біології. І все це завдяки таким унікальним властивостям, як можливість дистанційної дії на біооб'єкти, широкий енергетичний діапазон, передача з великою точністю випромінювання по волоконних світловодах до будь-якої патологічної точки, в тому числі і в кровоносні судини.

Кровоно́сні суди́ни - складові серцево-судинної системи, які забезпечують швидкий транспорт крові до усіх органів тіла людини, забезпечуючи обмін речовин між кров'ю та навколишніми тканинами. Вивченням кровоносних судин, нарівні з лімфатичними, займається розділ медицини - ангіологія.

Високий рівень захворюваності жителів України, обумовлений погіршенням екологічної й економічної ситуацій з одного боку, особливостями клініки хвороб і великого числа побічних реакцій на традиційну лікарську терапію з іншого боку, визначає актуальність розробки і впровадження немедикаментозних методів лікування і профілактики найбільш поширених і небезпечних захворювань людини .

Широке використання лазерного випромінювання в практичній медицині обумовлено широкого спектром дії лазерних медичних пристроїв. Методи лазерної терапії сьогодні широко застосовуються в отоларінгології, дерматології, урології, гінекології, невропатології, хірургії, стоматології та інших областях медицини. Ефективність відповідних методик лікування залежить як від результатів проведення дослідних робіт по вивченню механізмів дії лазерного випромінювання на біологічні об`єкти, так і медико-технічних характеристик фізіотерапевтичної апаратури. Для реалізації індивідуального підходу до лікування необхідно впроваджувати в медичну практику нові та удосконалювати існуючі методики із використанням лазерних автоматизованих пристроїв і систем на основі мікропроцесорного та комп`ютерного керування [1].

На сьогоднішній день для лазерних терапевтичних приладів існує проблема ефективності терпавтичної дії при опроміненнї відповідних зон. Більшість терапевтичних апаратів, що використовуються у вітчизняній медичній практиці, засновані на застарілих підходах, які не забезпечують потрібної гнучкості, зокрема при застосуванні імпульсного випромінювання (використовуються фіксований набір частот модуляції), а також унеможливлюють комплексне (сумісне) опромінення за допомогою декількох лазерів із різними довжинами хвиль в межах ураженої зони.

Довжина́ хви́лі - характеристика періодичної хвилі, що позначає найменшу відстань між точками простору, в яких хвиля має однакову фазу. Крива на представленому малюнку може розглядатися, наприклад, як миттєвий знімок збурень в струні, коли відхилення точок струни від положнення рівноваги задається виразом
Недоліком таких приладів є також відсутність універсального підходу щодо адаптивного вибору характеристик випромінювання у кожній точці поверхні, що опромінюється [2].

При проектуванні лазерних медичних пристроїв також постає питання оптимального вибору робочих параметрів лазера і волоконно-оптичної системи. Саме аналізу цих параметрів, тобто розподілу густини оптичної потужності (або енергії), тривалості імпульсів, частоти слідування імпульсів (при роботі у імпульсному режимі), а також розмірів активної зони випромінювання та глибин проникнення випромінювання присвячені роботи експериментальних лабораторій відомих виробників лазерних медичних систем (Сoherent, Candella Corp., Palomar Medical Technologies Inc., ATC SD та ін.) [4]. Таким чином, розробка автоматизованих лазерних терапевтичних пристроїв із ефективним опроміненням будь-якої точки ураженої ділянки організму та можливістю динамічно змінювати параметри випромінювання в процесі лікування є актуальною медико-технічною та інженерною задачею.

Для приладу, що пропонується, поставлена задача підвищення ефективності дії на організм сфокусованим у магістральний волоконний світловод сумісним пучком від двох напівпровідникових діодних лазерів різної довжини хвилі.

Метою бакалаврської дипломної роботи є розробка конкурентоспроможного двохвилевого лазерного пристрою широкого спектру фізіотерапевтичної дії з можливістю одночасної сукупної дії двох лазерних випромінювачів, вибору потужності та частоти модуляції лазерного випромінювання у зоні опромінення організму із підвищеною точністю формування енергетичної дози опромінення.

Дипломна робота - кваліфікаційна робота, призначена для об'єктивного контролю ступеня сформованості умінь та знань розв'язувати типові завдання діяльності, які, в основному, віднесені в освітньо-кваліфікаційних характеристиках до організаційної, управлінської і виконавчої (технологічної, операторської) робочих функцій.
Це дозволить розширити функціональні можливості лазерної терапії та, як наслідок, підвищити ефективність фізіотерапевтичних процедур.

1Аналітичний огляд МЕТОДІВ І ПРИЛАДІВ для ЛАЗЕРНОЇ терапії


1.1 Характеристики випромінювання діодних терапевтичних лазерів

Останнім часом у фізіотерапії, медичній реабілітації, санаторно-курортному лікуванні та естетичній медицині широко застосовують лазерні діодні пристрої для проведення процедур лазерної терапії із використанням ультрафіолетового (0,3 мкм), червоного (0,63-0,67 мкм) постійного та ближнього інфрачервоного (0,85-0,9 мкм) імпульсного лазерного випромінювання.

Лазер, як і будь-яке інше джерело світла характеризується енергією Е, потужністю Р і тривалістю  (тривалістю імпульсу для імпульсних лазерів) випромінювання, коефіцієнтом корисної дії - к.к.д.

Джере́ла сві́тла - природні тіла або технічні пристрої різної конструкції і різними способами перетворення енергії, основним призначенням яких є отримання світлового випромінювання з різною довжиною хвилі, - як видимої частини спектру, так і невидимі для людського ока промені (наприклад, інфрачервоні).
, довжиною хвилі випромінювання .
Електромагні́тна хви́ля - процес розповсюдження електромагнітної взаємодії в просторі у вигляді змінних зв'язаних між собою електричного та магнітного полів. Прикладами електромагнітних хвиль є світло, радіохвилі, рентгенівські промені, гамма-промені.
Енергія, потужність і тривалість випромінювання зв’язані між собою співвідношенням:

Р(Вт) = Е/ (Дж/с).

Енергія випромінювання імпульсних лазерів для фізіотерапії досягає десятків джоулів.

Найважливішою для лазерів є потужність випромінювання Р. Потужність випромінювання терапевтичних лазерів неперервної дії може бути різною - від одиниць до сотень міліват (ІЧ лазери). Потужність випромінювання імпульсних лазерів, внаслідок незначної тривалості імпульсу  досягає значень до сотні Вт.

Тривалість імпульсу імпульсних терапевтичних діодних лазерів також є різною - від кількох мілісекунд (1 мс = 10-3 с) до одиниць наносекунд (1 нс = 10-9 с) для ІЧ лазерів.

Сучасні терапевтичні лазери генерують когерентне випромінювання майже у частині оптичного діапазону, починаючи з ультрафіолетової областї (=0,3 мкм) до інфрачервоної області (= 10 мкм).

Основними властивостями лазерного випромінювання, які відрізняють його від випромінювання традиційних джерел (електрична дуга, лампа розжарювання, газова горілка, сонце тощо) і забезпечують внаслідок цього широке застосування лазерів у різних областях науки, техніки і медицини є:

а) висока когерентність;

Ви́диме сві́тло - область спектру електромагнітних хвиль, що безпосередньо сприймається людським оком. Характеризується довжинами хвиль від 380 (фіолетовий колір) до 750 (червоний колір) нм.
Ла́мпа розжа́рення (жарíвка) - освітлювальний прилад, в якому світло випромінюється тугоплавким провідником, нагрітим електричним струмом до розжарення.

б) монохроматичність;

в) надзвичайно мале розходження, і внаслідок цього;

г) висока густина потужності та енергії випромінювання.

Розглянемо більш докладно наведені вище властивості випромінювання лазерів.

Когерентність випромінювання. Випромінювання звичайних джерел світла складається з випромінювання величезної кількості збуджених атомів (іонів або молекул) в результаті їх спонтанних переходів "вниз". При цьому, внаслідок випадкового характеру спонтанних переходів окремі атоми (іони, молекули) випромінюють неодночасно і незалежно один від одного, тобто електромагнітні коливання, генеровані окремими атомами, ніяк не узгоджені між собою.

Абсолютно іншим є випромінювання лазера. Воно також складається з випромінювань окремих атомів (іонів, молекул), але в результаті їх вимушених переходів "вниз". Внаслідок цього вимушене випромінювання, що виникає при генерації, збігається за фазою з уже поширеним в активній речовині змушувальним випромінюванням.

Вимушене випромінювання - випромінювання фотона збудженою квантовомеханічною системою під впливом резонансної електромагнітної хвилі.
Інакше кажучи, випромінювання атомів активної речовини лазера відбувається узгоджено, тому їх загальне підсумкове випромінювання набуває деякої впорядкованості та регулярності в просторі і часі. Цю регулярність, узгодженість і називають когерентністю.

По відношенню до коливань розрізняють два типи когерентності: часова, для якої існує узгодженість або зв’язок між фазами коливань хвиль в одній і тій же точці простору в різні моменти часу та просторова, для якої узгодженість існує між фазами коливань хвиль у різних точках простору в один і той же момент часу.

Момент часу - точка на часовій осі. Про події, що відповідають одному моменту часу, говорять як про одночасні.
Випромінювання лазера характеризується обома типами когерентності. Діодним лазерам не властива висока когерентність внаслідок малих геометричних розмірів резонатора.

Монохроматичність випромінювання. Відомо, що ідеальне монохроматичне випромінювання (випромінювання з однією і тією ж самою частотою = const) є нереальним і в реальних випадках енергія випромінювання сконцентрована, в основному, в деякому інтервалі частот  (спектральна ширина випромінювання) в околі середнього значення . При цьому співвідношення  характеризує міру немонохроматичності реального випромінювання. Якщо «1, дану електромагнітну хвилю називають квазімонохроматичною.

До лазерів квазімонохроматичним вважалось випромінювання одноатомних розріджених газів з шириною випромінювання  Гц Лазерне випромінювання має ще вужчий інтервал частот.

Висока міра монохроматичності лазерного випромінювання пояснюється тим, що вимушене випромінювання, на відміну від спонтанного випромінювання звичайних джерел світла, це - резонансний процес.

Ступінь монохроматичності типових діодних лазерів знаходиться в межах 10-1-10-2.



Напрямленість випромінювання. Важливою властивістю лазерного випромінювання є його напрямленість, що характеризується малим розходженням випромінювання. Під розходженням пучка випромінювання розуміють плоский або тілесний кут при вершині конуса, всередині якого розповсюджується більша частка енергії або потужності випромінювання. Звичайні випромінювачі світла мають слабку напрямленість (великий кут ), і найчастіше ці джерела випромінюють однаково у всіх напрямках. Пояснюється це тим, що випромінювання звичайних джерел є некогерентним, і тому створене ними електромагнітне поле має хаотичний характер: всі атоми випромінюють у різних фазах і в різних напрямках.
Електромагні́тне по́ле - це поле, яке описує електромагнітну взаємодію між фізичними тілами. Розділ фізики, який вивчає електромагнітне поле, називається електродинамікою. Постійні електричні поля вивчаються електростатикою, а галузь фізики, яка досліджує постійні магнітні поля називається магнетизмом.

Інакшим є лазерне випромінювання, яке характеризується гострою напрямленістю вже внаслідок того, що, як було сказано вище, генеруються лише ті електромагнітні хвилі (фотони), напрямок яких є паралельним до осі оптичного резонатора лазера.

Однак неможливо одержати ідеальне паралельне лазерне випромінювання. Кутове розходження лазерного випромінювання обмежується явищем дифракції когерентних хвиль на вихідному напівпрозорому дзеркалі лазера:

minD,

де D - діаметр дзеркала.

Електромагн́ітне випром́інювання (англ. electromagnetic radiation) - взаємопов'язані коливання електричного (Е) i магнітного (B) полів, що утворюють електромагнітне поле а також, процес утворення вільного електро-магнітного поля при нерівномірному русі та взаємодії електричних зарядів.
Когере́нтність - це властивість хвилі зберігати свої частотні, поляризаційні й фазові характеристики.
min має порядок кількох одиниць або десятків кутових секунд. Слід, однак, відзначити, що одержане на практиці розходження лазерів усіх типів значно перевищує теоретичну величину і знаходиться в межах кількох одиниць (у газових) або кількох десятків кутових хвилин (у твердотільних та рідинних).

Висока густина потужності і енергії випромінювання. Внаслідок когерентності і напрямленості лазерне випромінювання можна сконцентрувати у вузьконапрямленому промені з великою густиною потужності. Густина потужності випромінювання дорівнює відношенню потужності Р випромінювання до площі S поперечного перерізу лазерного пучка:

Рs = Р/S (Вт/м2).
Диференціа́льний пере́різ розсі́яння - це відношення числа частинок, розсіяних в тілесний кут d Ω до потоку частинок, які падають на мішень та до величини тілесного кута, густина ймовірності розсіяння в даний тілесний кут.

Відповідно густина енергії Еs випромінювання дорівнює відношенню енергії до площі S перерізу лазерного пучка:



Es = E/S ( Дж/м2).

Когерентне випромінювання лазера з допомогою оптичної системи лінз можна сфокусувати на малу, порівняно з довжиною хвилі, площу поверхні об’єкта.

Пло́ща пове́рхні - площа заданої поверхні. Грубо кажучи, є числовою характеристикою «кількості» поверхні. Вимірюється в квадратних одиницях довжини.
Густина потужності лазерного випромінювання у фокусі, внаслідок підсумовування енергії величезної кількості когерентних випромінювань окремих атомів, які приходять у дану точку простору в однаковій фазі, досягає величезного значення. Наприклад, густина потужності лазера потужністю Р = 1 мВт і довжиною хвилі  = 0,69 мкм у фокусі дорівнює 3·1018 Вт/м2, тобто перевищує густину потужності випромінювання біля поверхні Сонця (яка дорівнює приблизно 1012 Вт/м2) більше, ніж у мільйон разів. Існують лазери, в яких Рs досягає 1024 Вт/м2.

Лазерне випромінювання з високою густиною потужності супроводжується, відповідно, високою напруженістю електричного поля електромагнітної хвилі, яка для наведеного вище прикладу дорівнює Е=3·1010 В/м, тобто стає сумірною з напруженістю Е внутрішньоатомного та міжатомного електричних полів.

Напру́женість електри́чного по́ля - це векторна фізична величина, яка виражає відношення сили, яка діє у даній точці простору у даний момент часу, на пробний одиничний електричний заряд у електричному полі.
Таке інтенсивне випромінювання при взаємодії з речовиною змінює його оптичні властивості.

Спектральна густина потужності Рs лазерного випромінювання, рівна густині потужності Рs випромінювання на одиницю довжини хвилі, внаслідок високої монохроматичності також може досягати значення 1021- 1022 Вт/м2·мкм, що перевищує спектральну густину потужності лазерного випромінювання у 10 разів.

Спектра́льна густина́ - функція f ( λ ) , яка визначається для стаціонарного в широкому сенсі випадкового процесу, ζ ( t ) , - ∞

Крім зазначених вище властивостей ефективність терапевтичної дії лазерів залежить від терапевтичної дози лазерного випромінювання. Лазерне світло, що попадає на поверхню тканини, підлягає законам оптики - воно частково відбивається, розсіюється, абсорбується або проходить крізь тканину. З точки зору лазерної терапії найважливішою проблемою є ефективне підведення випромінювання на відповідну глибину тканини і ефективне перетворення енергії світла лазера в інші види біологічної чи хімічної енергій.

Аспект (лат. aspectus - вигляд, погляд) - поняття філософії (онтології, теорії пізнання). У філософії аспект розглядається
Це підведення лазерного випромінювання певної потужності у визначеному часовому інтервалі називається енергетичною дозою випромінювання.

Щоб визначити енергетичну дозу випромінювання для імпульсного режиму, треба спочатку визначити середню потужність Рс. Потім визначаємо енергетичну дозу, помноживши Рс на час роботи лазера.

Середню потужність визначають з виразу:

Рс = Ріtіf,

де Рі - потужність імпульсу; tі - тривалість імпульсу; f - частота повторення імпульсів. Для найпоширеніших терапевтичних лазерів Рі = 1, 5, 10, 20, 30, 50Вт; tі = 50, 150, 200 нс; f = 1 - 4000 Гц , у найновіших конструкціях - до 104 Гц.

Отже, якщо Рі = 50 Вт , то Рс = 50 Вт · 200 нс · 2000 Гц =20 мВт, тоді, відповідно:

1 Дж = 20 мВт · 50 с .

Важливими фізичними величинами, що характеризують лазерне випромінювання, є густина потужності (PD) і густина енергії (ED) випромінювання .

Фізи́чна величи́на - властивість, спільна в якісному відношенні для багатьох фізичних об'єктів (фізичних систем, їхніх станів і процесів, що в них відбуваються) та індивідуальна в кількісному відношенні для кожного з них.
Густина енергії - енергія речовини або поля віднесена до одиниці об'єму.
Перша з цих величин - це густина потужності випромінювання лазерного пучка, який падає на біотканину. Розрізняють поверхневу густину потужності PDs = P/S [Вт/ cм] і об'ємну густину потужності PDv = P/V [Вт/см3].

Дані величини можна легко контролювати через зміну потужності випромінювання в лазерному пучку. Освітлюючи тканину лазером з різних відстаней можемо отримати різну густину потужності на тій самій глибині тканини. Для прикладу, при опроміненні пучком діаметром 0,1 мм, поверхневу густину потужності можна обчислити як:

PDs = P /r2 ,

де Р – вихідна потужність лазера в мВт, r - радіус плями в см.

Підставивши відповідні величини отримаємо:

PDs = 1 мВт/3,14·(0,05)2 = 12732 мВт/см2.

Щодо об'ємної густини потужності, то визначення цієї величини безпосередньо зумовлюється застосуванням конкретного оптичного зонда (тобто форми пучка випромінювання). Розрізняють два види формування лазерного пучка:

а) циліндричний (сколімований);

б) конусоподібний, коли пучок збіжний або розбіжний.

B терапевтичній практиці найчастіше використовують таку величину, як густина енергії. Густина енергії випромінювання характеризується параметрами, які легко контролювати: потужністю випромінювання, часом опромінення і освітленими площею або об'ємом.

ЕDs = P· t / S;

EDv = P· t / V.

У зв’язку із розвитком напівпровідникових технологій все більшого використання набувають напівпровідникові інжекційні (діодні) лазери для терапії та хірургії [1-3].

У якості активного середовища в лазерних діодах найчастіше застосовуються гетероструктури GaAlAs/GaAs, InAsP/InP, GaAs, GeP, GaPxAs1-x, AlxGa1-x, AlxGa1-xAs/GaAs, InGaAsSb та інші сполуки, які перекривають діапазон довжин хвиль від видимого (0,65мкм) до ближнього інфрачервоного (1,7мкм). Діапазон світлопропускання напівпровідників(0,4 –2,0 мкм) добре вписується в спектральний діапазон НЛ.

Для покращення характеристик інжекційних лазерів застосовують гетероструктури, в яких використовується декілька гетеропереходів і p-n- переходів. Пропозиція щодо реалізації гетеропереходів та реалізація гетероструктурного напівпровідникового лазера стала можливою завдяки освоєнню епітаксійної технології вирощування багатошарових структур на основі твердих розчинів ряду напівпровідникових сполук [5].

Рóзчини (рос. раствор, англ. solution, нім. Lösung f) - цілком однорідні суміші з двох (або кількох) речовин, в яких молекули (або іони) одної речовини рівномірно розподілені між молекулами іншої речовини.

В гетероструктурних лазерах використовуються оптичні переходи з участю вільних носіїв у багатошарових складних кристалічних структурах з оптичним обмеженням світла та електронним обмеженням дифузійного розтікання носіїв світла, які інжектуються.

Подвійні обмеження гетероструктур знижують порогову густину струму завдяки електричному та оптичному обмеженням.

До переваг інжекційних напівпровідникових лазерів можна віднести: малі розміри, пряме перетворення енергії електричного струму у когерентне випромінювання, можливість генерації неперервного й імпульсного індукованого випромінювання, високий К.К.Д.

Лазерний діод - лазер, в якому активним середовищем є електронно-дірковий газ, а робочою областю напівпровідниковий p-n перехід, аналогічний p-n переходу звичайного світлодіода.
Густина електричного струму - визначається як величина заряду, що протікає через одиничну площу за одиницю часу.
Електри́чний струм (англ. electric current) - упорядкований, спрямований рух електрично заряджених частинок у просторі.
, значну питому потужність з одиниці об’єму речовини, а також простоту модуляції випромінювання у широкій смузі частот за методом внутрішньої модуляції струму інжекції лазерного діода.
Пито́ма поту́жність - відношення потужності двигуна до його маси або іншого параметру. Потужність поршневого двигуна, віднесена до літражу двигуна, називається літровою потужністю; віднесена до сумарної площі його поршнів - поршневою потужністю і так далі Зростання питомої потужності досягається застосуванням легких сплавів, вдосконаленням конструкцій та форсуванням (збільшенням швидкохідності і ступеня стискування, використанням наддуву тощо).

Для використання у волоконно-оптичних системах застосовують також гетеролазери із розподіленним зворотнім зв’язком (РЗЗ), які відрізняються як більшим значенням коефіцієнту внутрішнього виходу (до 70%) при менших значеннях щільності струмів генерації (8.102 А/см2), так і кращою селективністю мод лазеру.

1.2 Дія лазерного випромінювання. Методи лазерної терапії

В даний час в більшості країн світу спостерігається інтенсивне впровадження лазерного випромінювання в біологічних дослідженнях і в практичній медицині.

Краї́на - це територія з визначеними кордонами й населенням, що являє собою єдине ціле з погляду історії, культури, нації та в політико-географічному відношенні може бути незалежною або залежною. Країна не завжди є державою, наприклад Україна в 1900 р.
Біоло́гія (дав.-гр. βίοσ - життя, дав.-гр. λόγος - слово; наука) - система наук, що вивчає життя в усіх його проявах й на всіх рівнях організації живого, про живу природу, про істот, що заселяють Землю чи вже вимерли, їхні функції, розвиток особин і родів, спадковість, мінливість, взаємини, систематику, поширення на Землі; про зв'язки істот та їхні зв'язки з неживою природою.
Унікальні властивості лазерного променя відкрили широкі можливості його застосування в різних галузях: хірургії, терапії та діагностиці. Клінічні спостереження показали ефективність лазера ультрафіолетового, видимого та інфрачервоного спектрів для місцевого застосування на патологію і для впливу на весь організм.

Доведено, що низькоінтенсивне лазерне випромінювання має виражену терапевтичну дію. Залежно від характеру його взаємодії з біологічними тканинами розрізняють

1) фотофізичний і фотохімічні вплив, при якому поглинене біотканинами світло збуджує в них атоми і молекули, викликає фотохімічні і фотофізичні реакції;

3) незбуджений вплив, коли біосубстанція не змінює своїх властивостей, в процесі взаємодії зі світлом. Це такі ефекти, як розсіювання, відбиття та проникнення. Цей вид використовують для діагностики (наприклад - лазерна спектроскопія).

Лазерне випромінювання, як і звичайне світло, може відбиватися, поглинатися, розсіюватися, перевипромінюватися біологічними середовищами. Закономірності, які впливають на проникнення випромінювання в тканину, мають безпосереднє відношення до механізму біологічної дії лазерної радіації. Одна з причин обмеженої глибини проникнення полягає в поглинанні (абсорбції) лазерного випромінювання біологічними тканинами, а саме абсорбція, за незначним винятком, є обов'язковим початковим моментом, який передує наступним змінам, що відбуваються в опроміненому організмі.

Глибина проникнення лазерного випромінювання в тканини є дуже важливою в практичному відношенні, оскільки, в залежності від неї, визначаються межі можливого використання лазерів. Ущільнення тканин тиском, наприклад, дозволяє збільшити інтенсивність глибинного опромінення в десятки разів.

Поглинання - не єдиний процес, що приводить до ослаблення лазерного випромінювання при проходженні його через біологічні тканини. Одночасно з поглинанням випромінювання відбувається відбивання світла від поверхні між двома середовищами, заломлення при проходженні границь, які розділяють два оптично різнорідні середовища, розсіювання світла частинками тканини та ін. Таким чином, можна говорити про загальне ослаблення випромінювання, яке включає, окрім поглинання, втрати за рахунок інших явищ, і про саме поглинання випромінювання.

Враховуючи, що світлопоглинання являє собою молекулярний процес, який в кінцевому результаті залежить від концентрації поглинаючих випромінювання молекул, величина поглинання на клітинному і субклітинному рівні може суттєво змінюватись навіть від органели до органели. Нарешті, поглинання є функцією довжини хвилі, і тому коефіцієнт поглинання широко змінюється для лазерів, які випромінюють у різних областях спектра [3].

Коефіціє́нт поглина́ння - кількісна характеристика зменшення інтенсивності випромінювання при проходженні через середовище. Коефіцієнт поглинання може характеризувати згасання випромінювання будь-якої природи, наприклад, світла чи звуку.

Внаслідок неоднорідності структури тканини велике значення з точки зору терапії має прецизійне локальне підведення світлової енергії до даної тканини.

Процес поширення лазерного випромінювання залежить від структури тканини, вмісту води, пігментів, ферментів [5]. Так, в ряді дослідів було встановлено, що сильно пігментована тканина печінки поглинає випромінювання інтенсивніше, ніж м'язова тканина [6].

Процес поширення лазерного випромінювання залежить від структури тканини, наявності води, вмісту гемоглобіну, меланіну і т. д.

При зіткненні випромінювання з тканиною відбуваються одночасно всі вищезгадані процеси (відбивання, розсіювання, абсорбція). Річ у тому, що при біостимуляційній дії треба вибрати випромінювання, для якого домінують процеси ефективної трансмісії і абсорбції. Відбивання і розсіювання використовують переважно для діагностики.

Абсорбція і трансмісія на окремих глибинах тканини залежить від наявності в них фотоакцепторів, таких як частинки води, меланіни і гемоглобін. На рисунку 1.1 показано типовий спектр трансмісії і поглинання випромінювання для цих фотоакцепторів. На ньому виразно видно важливі для лазерної біостимуляції розміри оптичного вікна, де трансмісія випромінювання стабільна. Можна також зауважити ділянки великої або навіть 100%-ної абсорбції лазерного світла в елементарних фотоакцепторах. Видно, що вода і тканини, багаті на воду, будуть найбільше поглинати випромінювання з довжиною хвилі, меншою ніж 400нм і більшою ніж 1200 нм. Особливо висока абсорбція спостерігається для довжини хвилі 2940 нм, яка відповідає лазеру YAG:Er. Максимальну абсорбцію має гемоглобін для 500-590 нм, тому лазерне випромінювання 632,8 нм має біостимуляційний вплив на елементи крові.


Рисунок 1.1 - Абсорбція випромінювання в типових фотоакцепторних тканинах

Найкраще для біостимуляційних процесів використовувати довжини хвиль, які містяться всередині згаданого вже "оптичного вікна", тобто від 550 нм до 950 нм. Світло довжиною хвилі поза даними межами абсорбується в поверхневих шарах і не викликає стимуляційного ефекту у глибині тканини.

Трансмісія самого світла в тканині залежить від його довжини хвилі і потужності, але не залежить від того як довго буде освітлюватися дана точка. Наприклад, якщо використовувати лазерне джерело з середньою потужністю виходу 30 мВт,то з лазера емітується близько 1016 фотонів на секунду. Це означає, що кожної секунди до тканини проникає 1016 фотонів, і в даний момент часу в тканині не може бути більше, ніж 1016 фотонів.

Фотони лазерного джерела досягають певної глибини в тканині незалежно від часу освітлення даного пункту. На рисунку 1.2, а кількість падаючої на тканину енергії зображено стрілками. Досягнення наступних шарів тканини пов'язане зі зменшенням енергії. Половинною глибиною проникнення називається глибина шару тканини, до якого надходить 50% початкової енергії. Процес біостимуляції може бути викликаний на такій глибині тканини, на якій був абсорбований останній фотон лазерної хвилі. Шкіра пропускає всередину біля 80% світлової енергії (рисунок 1.2, б) при перпендикулярному падінні променів на тканину. Залежність глибини проникнення лазерної хвилі з різними енергіями схематично показано на рисунку 1.2, в.

Рисунок 1.2 - Проникнення випромінювання в біотканину

Рисунок 1.2 підтверджує так звану теорію "одинокого фотона". Згідно з цією теорією, достатньо одного вміщеного в тканині фотона в певний момент часу, щоб викликати біоенергетичний процес. Рисунок 1.2 є справедливим для м’яких тканин і базується на емпіричних даних.

На рисунку 1.3 представлено порівняння глибини проникнення випромінювання лазерів, які найчастіше застосовуються в медицині [8].

Рисунок 1.3 - Залежність проникнення лазерного випромінювання від довжини хвилі

У дослідах по порівнянню поглинання червоного випромінювання з різними фізичними властивостями було встановлено, що просторова когерентність не впливає на поглинання, а поляризоване випромінювання поглинається менш активно ніж неполяризоване.

Встановлено також, що розсіювання видимого світла при проходженні його через біотканину значно перевищує поглинання.

Фіз́ичні власт́ивості - властивості будь якої речовини, які вона проявляє поза хімічною взаємодією: температура плавлення, температура кипіння, в'язкість, густина, розчинність, діелектрична проникність, теплоємність, теплопровідність, електропровідність, абсорбція, колір, концентрація, емісія, текучість, індуктивність, радіоактивність, гідрофільність і гідрофобність, теплота змочування та ін.
Св́ітло - електромагнітні хвилі видимого спектру. До видимого діапазону належать електромагнітні хвилі в інтервалі частот, що сприймаються людським оком (7.5×1014 - 4×1014 Гц), тобто з довжиною хвилі від 390 до 750 нанометрів.
Це означає, що лазерне світло має досить високу здатність проникнення в тканини. Якщо врахувати можливість транспортування випромінювання вглиб тканини при допомозі волоконної оптики і можливе наступне його розсіювання то можна сподіватися на подальше розширення сфери клінічного використання лазерів [9].
Волоко́нна о́птика - це розділ оптики, в якому розглядається передача електромагнітних хвиль оптичного діапазону спектру циліндричними діелектричними хвилеводами, які називають оптичними волокнами.

Розглянемо техніку лазерного опромінення, яка застосовується в терапевтичній практиці.

В роботі [1] розглядається класифікація техніки лазерного опромінення. Його можна поділити на безконтактне і контактне. Окрім того, існують різні види техніки опромінення: поверхнева, точкова, інвазійна або неінвазійна. Останні два терміни за [2] також мають назву: зовнішнє опромінення (екстракорпоральне) і внутрішнє (інтракорпоральне).

Точкове освітлення найчастіше виконують за допомогою ручного зонда. Поверхневе опромінення можна виконувати як вручну, так і автоматично. На практиці автоматичну дію реалізують за допомогою так званого дзеркального сканера. В кожному випадку слід пам’ятати, що випромінювання не повинне падати на тканину під кутом, відмінним від прямого, іншими словами, лазерний пучок повинен бути перпендикулярним до поверхні (в такому випадку досягається максимальна трансмісія).

Для аналізу ефективності використання лазерів використовують поняття максимального ступеня ефективності (МСЕ) лазеротерапії, що характеризує частину вихідної потужності лазерного випромінювання, яка абсорбується об’ємом патологічної тканини [3].

Ефективну енергетичну дозу ЕЕД визначають як [3]:



EEД= Pсер × tопром × МСЕ.

На МСЕ впливає вибір контактного чи безконтактного освітлення біотканини [2]. Метод зовнішнього лазерного опромінення зводиться до безпосередньої дії лазерного променя на шкіру чи слизову оболонку, причому, в безконтактних методах лазерний промінь проходить від джерела до пацієнта через оптичне прозоре середовище - повітря.

Слизова́ оболо́нка (лат. tunica mucosa, часто говорять просто слизова) - внутрішня оболонка порожнистих органів, яка контактує з зовнішнім середовищем (тобто органами дихання, сечової, статевої та травної систем).
За допомогою різних оптичних систем можна сфокусувати промінь до мінімального діаметра (наприклад, при дії на біологічно активні точки) або, навпаки, розфокусувати - для опромінення необхідної ураженої площі [4].

Серед методів контактної терапії найбільшого поширення зазнав метод тиску лазерного зонда на тканину, при якому значно збільшується глибина проникнення випромінювання. Метод освітлення з пульсуючим надавлюванням дістав назву метода "довбання" ("woodpecker technique"). "Довбання" виконують ритмічним надавлюванням зонда, що викликає додатковий масаж опроміненої тканини.

На практиці для більшої ефективності лазеротерапії часто поєднують контактні методи освітлення з безконтактними [2].

Техніка "довбання" є ефективною для освітлення біологічно активних точок - варіант лазеропунктури. Прийнятною дозою опромінення для однієї корпоральної точки за джерелом [4] вважається густина енергії не більша від 1 Дж/см для часу експозиції 30 с. Поєднання механічної акупунктури та світлового впливу проявилося в методі акупунктури, коли тонкий світловод вводиться в канал спеціальної голки для акупунктури.

Для покращення ефективності дії лазерного випромінювання на організм використовують безпосереднє його підведення до патологічної ділянки, тобто методику інтракорпорального лазерного опромінення.



Внутрішньопорожнинне (internal abdomen) лазерне опромінення може бути направленим, прицільним (під візуальним контролем) або сліпим.

Внутрішньосудинне (internal vessels) лазерне опромінення крові використовується в клінічній практиці з початку 80-х років і зарекомендувало себе як найефективніший метод низькоенергетичної лазерної дії. Застосовується переважно при тяжких патологіях, в реанімації та інтенсивній терапії, кардіології і хірургії.

Методика виконання процедури внутрішньосудинного опромінення полягає в тому, що гнучкий світловод вводиться в кровоносну вену через фторопластовий катетер (або голку для ін'єкцій) на глибину, що перевищує довжину катетера на 1-3 мм, завдяки чому усувається можливість травмування судини.

Для опромінення крові використовують потужність випромінювання (на вихідному торці світловода) від 1 до 5 мВт. Сумарна доза опромінення (в Дж) за сеанс розраховується за формулою [5]:

E = 0,1M,

а розрахунок часу опромінення (однієї процедури) проводиться за формулою [5]:



T = 0,1M/P,

де T - час в секундах; M - маса тіла в кг; P - потужність на торці світловода у Вт.

Згідно з [2], для визначення конкретного поглинання тканиною лазерного випромінювання слід використовувати закон Ламберта-Бера:

I = I0 e-d,

де I0 - інтенсивність вхідного випромінювання, I - інтенсивність випромінювання в тканині на відповідній глибині, - коефіцієнт абсорбції, d - ширина шару тканини.


  1   2   3   4   5   6



  • 1 Аналітичний огляд МЕТОДІВ І ПРИЛАДІВ для ЛАЗЕРНОЇ терапії