Дослідження особливостей дії різних спектрів лазерного випромінювання на біологічні тканини
Вплив лазерного випромінювання на біологічний матеріал або реакція живої тканини на це випромінювання, обумовлено взаємодією фотонів і молекул або з’єднань молекул тканини. Атомарні і молекулярні процеси і наступні біологічні реакції вияснені ще не цілком. Відомі процеси можуть бути підрозділені на фотохімічну взаємодію, термічну взаємодію і нелінійні процеси.
Ступінь того або іншого впливу залежить:
а) від властивостей лазерного випромінювання (довжина хвилі, густина енергії, тривалість опромінення і частота повторення);
б) від властивостей біологічного матеріалу (коефіцієнт поглинання, коефіцієнт розсіювання, густина і т.д.).
У залежності від довжини хвилі, густоти енергії і часу впливу лазерного випромінювання ефект визначається в основному двома внутрішніми параметрами тканини: з одного боку, оптичними властивостями тканини, що опромінюється і, з іншого боку, її термічними властивостями.
При попаданні лазерного променя на тканину можуть спостерігатися три процеси: відбиття, поглинання і/або пропускання – тільки незначний відсоток випромінювання відбивається безпосередньо від поверхні (рис.1).
Промені, що проникають в тканину промені частково поглинаються, частково розсіюються і частково пропускаються (рис. 2).
Рисунок 1 – Оптичні властивості прошарку матерії. Падаючий променевий потік розділяється на три частини: відбита частина Rф, поглинена частина Аф
і пропущена частина Тф: Рф+Аф+Тф=1
Рисунок 2 – Оптичні властивості лазерного променя на шкірі
У залежності від довжини хвилі випромінювання, що падає відбивається до 60% випромінювання. Розсіювання залежить від негомогенних структур тканини і визначається різними показниками заломлення в різних шарах і різницею між шарами і навколишнім їхнім середовищем. Хвилі з довжиною набагато більшою, ніж діаметр шару (³ 10 мкм), розсіюються клітинними структурами лише в незначному ступені. Але тому що електромагнітний спектр широко використовуваних лазерів простягається від ІЧ (1 мм-0,78 мкм) до УФ (0,38-0,10 мкм) діапазону довжин хвиль, ми практично завжди маємо справу з розсіюванням. Глибину проникнення для довжини хвиль більше 1,0 мкм можна розрахувати на основі закону Ламберта-Бера в першому наближенні
Інтенсивність I випромінювання, що пройшло через прошарок товщиною d визначається співвідношенням:
I=I0e-ad,
де I0 – інтенсивність при вході в речовину і a – коефіцієнт поглинання. При застосуванні монохроматичного випромінювання довжиною хвилі l для коефіцієнта поглинання дійсне таке співвідношення:
a = 4pnk/l,
причому показники переломлення n і поглинання k є константами для даного середовища. Співвідношення Ламберта-Бера справедливе в тому випадку, коли поглинання набагато перевищує розсіювання.
Найкращим чином співвідношення поглинання і розсіювання описано в теорії Кубелки-Мунка. Рівняння, що описує поширення випромінювання в середовищах з врахуванням поглинання і розсіювання має вигляд:
dLc(r,z)/dz = –gLc(r,z),
де Lc(r,z) – щільність потужності випромінювання [Вт/м2] колімованого променя в місці р (вектор місця) у напрямку z, g – коефіцієнт ослаблення (сума коефіцієнтів розсіювання [м-1] і поглинання [м-1]).
Розсіювання в біологічній тканині залежить від довжини хвилі лазерного променя. Випромінювання ексимерного лазера УФ діапазону (193, 248, 308 і 351 мкм), а також ІЧ-випромінювання 2,9 мкм ErYAG-лазера і 10,6 мкм СО2-лазеру мають глибину проникнення від 1 до 20 мкм. Тут розсіювання грає другорядну роль. Для світла з довжиною хвилі 450-590 нм, що відповідає лініям аргону, глибина проникнення складає в середньому 0,5-2,5мм. Як поглинання так і розсіювання грають тут значну роль. Лазерний промінь цієї довжини хвилі хоча і залишається в тканині колімованим у центрі, але він оточений зоною з високим розсіюванням. Від 15% до 40% енергія падаючого пучка світла розсіюється. У області спектра між 590 і 1500 нм, у якій входять лінії Nd:YAG лазера 1,06 і 1,32 мкм, домінує розсіювання. Глибина проникнення складає від 2,0 до 8,0 мм.
Якість колімованості випромінювання втрачається – формується конусом дифузійного розсіювання. У той час як в УФ діапазоні поглинання залежить від наявності білка, у ІЧ діапазоні істотне значення має наявність води.
Більшість органічних молекул, як і протеїни, інтенсивно поглинають в УФ діапазоні випромінювання (100-300 нм). Оксигенований гемоглобін інтенсивно поглинає починаючи з УФ області, включаючи зелену і жовту області видимого світла і до значення довжини хвилі 600 нм.
У діапазоні від 600 до 1200 нм випромінювання глибше проникає в тканину, із мінімальними втратами на розсіювання і поглинання. У цьому діапазоні випромінювання може досягати до глибоко розташованих об’єктів. Такі лазери як аргоновий лазер, лазер на барвнику, Nd:YAG- лазер із подвоєнням частоти, Nd:YAG-лазер, діють переважно на гемоглобін, меланін і інші органічні речовини і тому мають коагуляційний ефект. СО2-лазер, що генерує на довжині хвилі 10,6 мкм, або ErYAG-лазер із довжиною хвилі генерації 2,9 мкм через високу ступінь поглинання енергії випромінювання водою може застосовуватися для розрізу тканини.
При порушенні різноманітних станів молекули приймають енергію тільки в квантованому вигляді, тому поглинання відбувається тільки при визначених частотах. Зображення залежності інтенсивності поглинання від частоти або довжини хвилі визначається як спектр.
У спектроскопії тканин є декілька важливих проблем. Звичайно в спектроскопії поглинання передбачається однорідне розподілення хромофорів у зразку (розведені розчини відомих концентрацій). Тільки при такій умові строго діє закон Ламберта-Бера. У тканинах, елементи, що поглинають, пов’язані із субклітинними структурами, тут немає однорідного розподілення. Вплив розсіювання повинен бути обов’язково врахований.
Технічний опис апарату “Quantron–Laser”
Апарат працює на наступних довжинах хвиль лазерного випромінювання :
– видиме випромінювання 0,65 мкм (RED – червоний лазер);
– ближній інфрачервоне випромінювання 0,840,88 мкм (I-RED – інфрачервоний лазер).
Потужність лазерного випромінювання на виході оптичного кабелю (змінюється східчасто натисканням кнопки «mW») для кожного з напівпровідникових лазерів відповідно:
– не меньш 100/75/50/25 mW – для I-RED лазера;
– не меньш 12/9/6/2 mW – для RED лазера.
Значення частоти модуляції лазерного випромінювання однакові для обох лазерів, змінюються східчасто кнопкою встановлення частоти модуляції «Hz»:
– 0 Гц (режим постійної генерації);
– 9,4/300/1000 Гц .
Інструкція роботи з лазерним терапевтичним апаратом «Quantron Laser”.
ПОРЯДОК ВКЛЮЧЕННЯ
1. Приєднати шнур мережі приладу до електричної мережі (220В, 50Гц).
2. Натиснути кнопку “Power”, розташовану на лицьовій панелі. По світінню убудованих світлодіодів і індикатора переконатися в подачі напруги.
З подачею напруги живлення починає працювати убудована тестова програма виявлення несправностей, що аналізує справність кнопок керування (відсутність ефекту “залипания”), світодіодів і рідкокристалічного індикатора (візуально). До закінчення роботи програми всі інші режими блокуються.
УВАГА! При виявленні несправності тестовою програмою включається переривчастий звуковий сигнал і починає світитися аварійний світлодіод “ERROR”. При цьому варто натиснути кнопку “STOP”, спробувати кілька разів натиснути на “залипшу” клавішу, виключити і через кілька секунд повторно включити прилад. Якщо ефект не зникає, звернутися до представника підприємства-виготовлювача.
Після завершення самотестування при відсутності несправностей звучить безупинний зумер. При цьому встановлюється режим інфрачервоного лазера, нульове значення потужності випромінювання, безупинний режим роботи і 100% глибина модуляції сигналу (про що свідчать відповідні світлодіоди індикації).
3. Підключити до робочого оптичного виходу (виходам) магістральний світловід і необхідну для лікування оптичну насадку. Установити випромінюючу частину насадки над поверхнею, що опромінюється, чи усередині судини, порожнини (органа).
Надягти захисні окуляри.
Установка режимів роботи інфрачервоного лазера
Для вибору установки і контролю параметрів інфрачервоного лазера кнопку “I-R/R” установити в режим I-R-лазера, чому відповідає виключений світлодіод.
а) натисканням кнопки встановлення потужності “m” вибрати необхідне значення вихідної потужності для процедури (відповідне значення 25/50/75/100 мвт підсвічується світлодіодом поруч із кнопкою);
б) натисканням кнопки установки частоти модуляції “Hz” вибрати необхідний режим генерації (відповідне значення підсвічується світлодіодом поруч із кнопкою). Апарат може працювати в режимах
– постійної генерації (значення “0” Гц);
– фіксованої частоти модуляції (значення 9,4/300/1000 Гц);
– режимі програмування “Prog” (значення частоти встановлюється кнопкою “T/f” режиму таймера / установки частоти модуляції в діапазоні 0,6-9999 Гц );
в) натисканням кнопки установки глибини модуляції “MD-%” установити обране значення глибини модуляції (також підсвітлюється світлодіодами 25/50/75/100%);
г) перевірити кнопку “T/f” – після включення знаходиться в режимі таймера ( світлодіод поруч із кнопкою вимикання) ;
д) увести натисканням кнопки “min/f1” значення часу процедури в хвилинах (відображається двома першими розрядами індикатора);
ж) аналогічно натисканням кнопки “sec/f2” виставити додатково до хвилин час процедури в секундах (відображається двома останніми розрядами індикатора);
Якщо задана фіксована частота модуляції, інфрачервоний лазер готовий до роботи.
Натисніть кнопку “Write” для запису в пам’ять установлених значень і режимів лазера.
Включення лазера відбувається натисканням кнопки “Start”. При цьому включається світлодіод індикації роботи інфрачервоного лазера “I-RED”.
Якщо включений режим програмування частоти модуляції, після установки часу процедури натисканням на кнопку “T/f” перейти в режим установки частоти модуляції (включений світлодіод):
а) виставити розрядність частоти натисканням кнопки “Circular”, установивши в потрібне положення крапку між розрядами індикатора;
б) кнопками “min/f1” і “sec/f2” установити значення частоти модуляції (відповідно в перших і останніх двох розрядах індикатора).
Для полегшення процесу введення значень часу процедури і частоти модуляції (у режимі “Prog”) передбачена можливість зміни напрямку перебору цифр у відповідних розрядах, що здійснюється натисканням на кнопку “Circular” при утримуваній кнопці “min/f1” чи “sec/f2“. Повторне натискання “Circular” при тих же утримуваних кнопках робить зміна напрямку перебору цифр у зворотну сторону.
Установка режимів роботи червоного лазера
Для вибору установки і контролю параметрів червоного лазера кнопку “I-R/R” установити в режим R-лазера, чому відповідає включений світлодіод.
Установка значень потужності, частоти і глибини модуляції, а також часу процедури виробляються аналогічно.
Значення вибраних потужностей червоного лазера нанесені праворуч від світлодіодів біля кнопки “m” (5/10/15/20 мвт).
Після уведення всіх параметрів і запису їх у пам’ять (натисканням кнопки “Write”) лазер готовий до роботи.
Включення лазера відбувається також натисканням кнопки “Start”. При цьому включається світлодіод індикації роботи червоного лазера “RED”.
УВАГА! При нульових показаннях таймера при спробі запису встановлених параметрів у пам’ять включається аварійний режим , при цьому загоряється світлодіод “Error” включається звуковий зумер.
Установка режимів спільної роботи червоного й інфрачервоного лазерів
Для спільної роботи лазерів, як указувалося вище використовується спеціальний об’єднавчий світлово.
Для спільної роботи лазерів необхідно окремо установити і записати в пам’ять параметри кожного з лазерів. При цьому час процедури, а також частота модуляції обох лазерів повинні бути однаковими. Відрізнятися можуть значення потужностей лазерів і глибини модуляції.
Після запису параметрів установки кожного з лазерів апарат готовий до роботи в режимі спільної генерації.
При натисканні кнопки “Start” загоряються обидва світлодіоди роботи червоного “RED” і інфрачервоного “I-RED” лазерів.
4. Контроль параметрів процедури
Візуальний контроль параметрів процедури здійснюється при працюючому лазері (лазерах) натисканням на кнопку “Control” у режимі роботи відповідного лазера.
5. Відключення апарата:
а) кнопку “power” установити у вимкнуте положення;
б) від’єднати шнур від мережі .