Застосування лазерів у біології і медицині засновано на використанні широкого кола явищ, пов’язаних із різноманітними проявами взаємодії світла з біологічними об’єктами. Лазерне випромінювання, так само як і звичайне світло, може відбиватися, поглинатися, розсіюватися, перевипромінюватися біологічним середовищем, і кожний із цих процесів несе інформацію про мікро- і макроструктуру цього середовища, рух і форму окремих його складових. Червоне, інфрачервоне (ІЧ) та ультрафіолетове (УФ) світло можуть надавати фотобіохімічну дію. Яскравими прикладами цього є фотосинтез рослин і бактерій, а також механізм зору. Високоінтенсивне світлове випромінювання ультрафіолетового (УФ), видимого червоного та інфрачервоного (ІЧ) діапазонів, довжин хвиль робить руйнівну (деструктивну) дію на біологічні об’єкти. Необхідні інтенсивності можна створити і не тільки за допомогою лазерів [3].
Таким чином, процеси, що характеризують види взаємодій лазерного випромінювання з біооб’єктами, можна розділити на три групи. До першої відносять усі неспотворювальні взаємодії (принаймні, у межах похибок вимірів, що не здійснюють помітної дії на біооб’єкт), до другого – процеси, у яких виявляється фотохімічна дія, і до третього – процеси, що призводять до фотодеструкції. На рис.2.1 подана класифікація основних принципів застосування лазерів у біології і медицині, що враховує зазначені групи процесів.
Оскільки ми маємо справу з живими об’єктами, то крім фізико-хімічних проявів дії лазерного випромінювання необхідно враховувати його вплив і на функціонування живої матерії. Цей вплив визначається ступенем гомеостазу живого об’єкта [3].
Ступінь гомеостазу характеризує стани і процеси, що забезпечують стабільність організму до зовнішніх втручань, вона є функцією еволюційного розвитку і виявляється найнижчою у біологічних молекул і найвищою в хребетних тварин. Світло малої інтенсивності не запускає адаптаційні механізми біосистеми, з ростом інтенсивності спочатку це стосується гомеостазу живої системи на локальному рівні, потім включаються загальні адаптаційні і регуляційні механізми системи, що повністю її відновлюють, далі вони вже не справляються з повним відновленням і частково відбуваються необоротні процеси, що наростають і призводять до руйнацій у системі. Проте об’єкт можна ще вважати «живим». При високих інтенсивностях руйнації виявляються настільки значними, що об’єкт уже не може вважатися «живим» [3].
З погляду застосування фізичних методів дослідження, найбільший інтерес представляють області дуже малих і дуже великих інтенсивностей. У першій із них можливе застосування ряду найбільш чутливих фізичних методів дослідження, що не потребують сильних світлових потоків і, отже, не вносять перекручувань у результати вимірювань за рахунок гомеостазу живої матерії навіть на локальному рівні. Друга область цікава тим, що результати вимірювань також виявляються неспотвореними за рахунок регуляторних механізмів біосистеми, оскільки вона вже «нежива». Проте дослідник у цьому випадку має справу лише з органічною матерією, склад і властивості якої відповідають моменту припинення життєдіяльності.
Для взаємодії світла з біологічними об’єктами виявляється важливою і тривалість опромінення. У цьому також може проявити себе гомеостазна природа живої матерії. У залежності від довжини хвилі й інтенсивності світла гранична тривалість опромінення, при якій починають відбуватися морфологічні зміни, може бути дуже різноманітною для одного і того ж об’єкта.
Поглинання світла є однією з характеристик ефективності взаємодії світла з досліджуваним біологічним об’єктом. Спектри поглинання біооб’єктів визначаються типом домінуючих поглинальних центрів – хромофорів і водою, що міститься в них.
У білків хромофорами є різноманітні залишки амінокислот, що поглинаються в УФ області (l=200-300 нм), нуклеїнові кислоти також поглинаються у цій області. Поглинання видимого випромінювання обумовлено такими біомолекулами, як гемоглобін, хлорофіл, флавіни, каротиноїди, фікобіліни і фітохром [3].
Як приклад на рис. 2.2 показаний спектр поглинання типової кровонаповненої біологічної тканини товщиною 1 мм. Світло з довжинами хвиль 0,6-1,5 мкм відносно слабко поглинається і досить глибоко проникає в біотканину.
Рисунок.1.2 – Залежність частинки світлової енергії DЕ/Е, що поглинена кровонаповненою біотканиною товщиною 1 мм, від довжини хвилі
Наприклад, випромінювання з l=1,06 мкм проникає на глибину в 1 см. Проте в спектральному діапазоні 2-12 мкм через поглинання води, що міститься в біотканині, світло слабко проникає всередину тканини. У області довжин хвиль 4-6 мкм – глибина проникнення порядку 100-150 мкм, а в області 7-12 мкм – порівнянна з довжиною хвилі світла. На l=0,45-0,50 мкм поглинання визначається гемоглобіном крові, а в УФ діапазоні багато біотканин сильно поглинають за рахунок білків, що містяться в них. Коефіцієнти поглинання деяких біотканин на окремих довжинах хвиль лежать у межах 10-1-104 см-1.
Слід зазначити, що тканини передньої частини ока є у видимій області надзвичайно прозорими і поглинання в них дуже мале. У той же час спектр пропускання в області коротких довжин хвиль визначається світлорозсіюванням. Розсіювання світла біооб’єктами – це одне із найхарактерніших для них явищ. Воно пов’язано зі структурою біосистем, що, як правило, складаються з великого числа випадково розподілених в об’ємі розсіювальних центрів, (виняток складають лише деякі типи тканин, наприклад, прозорі тканини ока, у яких ця структура упорядкована).
Для багатьох типів біотканин в УФ і ІЧ діапазонах довжин хвиль переважає поглинання, а розсіювання виявляється істотним у видимій і ближній ІЧ областях: для довжин хвиль 0,45-0,59 мкм поглинання і розсіювання дають приблизно рівні внески в коефіцієнт пропускання тканини, а для довжин хвиль 0,59-1,5 мкм розсіювання превалює над поглинанням.
Важливою оптичною характеристикою біооб’єкта є також коефіцієнт відбиття. Наприклад, для більшості внутрішніх органів тварин коефіцієнт відбиття на окремих довжинах хвиль у видимій і ближній ІЧ областях складає 10-30 %, шкірний покров людини відбиває у видимій області 10-60 % світлової енергії, а коефіцієнт відбиття очного дна людини змінюється від 2 до 20 % при зміні довжини хвилі від 0,4 до 1,0 мкм. Відбиття обумовлено як стрибком показника заломлення на межі біооб’єкт – повітря (френелівське відбиття, звичайно 4-5 %), так і оберненим розсіюванням від глибинних прошарків тканини. При цьому на глибині 4-5 мм, рівній приблизно трьом оптичним товщинам тканини, колімований лазерний пучок дає сферично симетричне, близьке до ізотропного випромінювання.
Слід зазначити, що характер відбиття, поглинання, розсіювання і флюоресценції біооб’єкта можна ефективно змінювати різноманітними штучними прийомами. Наприклад, фарбуванням можна змінювати спектри відбиття і поглинання. Такі біооб’єкти називаються сенсибілізованими, тобто їх чутливість до світла змінена. Сенсибілізацію біологічного матеріалу широко використовують при вивченні механізмів взаємодії світла з окремими компонентами цього матеріалу, а також у практичній біомедицині для діагностики і селективної фотодеструкції окремих компонентів біооб’єкта [3].
Для м’яких кровонаповнених біологічних тканин можна істотно, до 40 разів, збільшити їх пропускання за рахунок несильного стиснення. «Просвітління» живої тканини пов’язано з підвищенням її оптичної однорідності за рахунок ущільнення розсіювальних центрів, (колагенових волокон м’язової тканини) і витиснення крові з області надавлювання, що сприяє підвищенню показника заломлення базової речовини, який стає порівнянним із показником заломлення м’язової тканини. Вирівнювання показників заломлення розсіювальних центрів і базової речовини можна здійснити і за рахунок введення в тканину відповідних препаратів.