Люминесценция. Оптические квантовые генераторы и их использование в медицине. Радиоспектроскопия. ЭПР и ЯМР (стр. 2 из 3)

Газовые лазеры используются наиболее часто. Активная среда – газ или смесь газов. К этому типу также относятся лазеры на парах металлов - Pb, Cu, Au, Cr, Mn. Накачка осуществляется с помощью электрического разряда и химических реакций. Типичным представителем газовых лазеров является – гелий-неоновый лазер. (1960 г.)

Основной структурный элемент такого лазера– газоразрядная трубка из кварца, заполненная гелием и неоном в соотношении 10:1 и имеющая 2 впаянных электрода, к которым подсоединен блок питания. Резонатором служат полупрозрачное плоское зеркало и сферическое зеркало. Накачка осуществляется электрическим разрядом.

Выбор смеси гелия и неона обусловлен тем, что возбужденные энергетические уровни атомов гелия (E12, E13) близки к основным, но высшим энергетическим уровням неона (E4, E5) и наличием у неона метастабильных уровней.

Соотношение атомов гелия и неона подобрано так, чтобы обеспечить инверсную заселенность атомов неона (активного вещества), т.е. гелий является вспомогательным веществом.

При включении источника питания в лазере происходит электрический разряд, и газовая смесь ионизируется. Электроны, которые появляются при этом, ускоряются электрическим полем. Когда на своем пути они встречают новые молекулы, то передают им энергию в результате электронного удара. В результате этого электроны атомов гелия и неона переходят на высокие энергетические уровни. Кроме того, электроны атомов неона переходят на высшие энергетические уровни под действием неупругих столкновений с атомами гелия. Поскольку атомы гелия лишаются энергии, то переходят в основное состояние без излучения энергии. Этот процесс называют резонансной передачей энергии, и он возможен вследствие совпадения энергетических уровней подобранных атомов.

Также необходимо постоянная разгрузка уровня , что достигается подбором диаметра газоразрядной трубки, при котором электроны, расположенные на этом уровне, передавали бы энергию стенкам, а сами безызлучательно переходили на низшие энергетические уровни.

В атоме неона существует три рабочие перехода: с уровня 5 на 3 (λ = 0, 63 мкм, с 5 на нестойкий промежуточный (меду 5 и 4) уровень 6 ( λ = 3, 39 мкм и с 4 на 3 (λ = 1, 15 мкм). Путем подбора резонаторов усиливают только красный цвет (λ = 0, 63 мкм), а инфракрасные лучи рассеивают.

Основные свойства лазерного излучения: когерентность, монохроматичность, поляризованность (угол Брюснера), высокая мощность (при непрерывной генерации – от 10-3 до 600кВт, при импульсном режиме - от 108 до 1012Вт), узкая направленность пучка.

4. Первичные механизмы и биологическое действие лазерного излучения.

Под биологическим действием понимают совокупность структурных, функциональных, биофизических и биохимических изменений, которые возникают в организме под действием лазерных лучей.

В соответствие с законами квантовой оптики на атомно-молекулярном уровне происходят: поглощение света; возникновение внутреннего фотоэффекта, электрическая диссоциация ионов, возбуждение атомов и молекул, миграция энергии возбуждения; появление первичных фотопродуктов.

На клеточном уровне: изменение активности клеточных мембран; активация ядерного аппарата клеток и систем ДНК-РНК-белок; активация окислительно-восстановительных реакций, процессов фотосинтеза и различных ферментативных систем, усиление образования макроэргов – АТФ, усиление митотической активности клеток и активация их пролиферации.

На тканевом (организменном) уровне: снижение рецепторной чувствительности, снижение длительности фаз воспалительного процесса, отека, и напряжения тканей; усиление поглощения тканями кислорода, увеличение скорости кровотока, увеличение числа функционирующих коллатералей, активация транспорта веществ через сосудистую стенку.

Наиболее чувствительными к действию ЛИ являются мембраны клеток. Под влиянием красного цвета выявлены изменения проницаемости мембран для потенциалобразующих ионов, изменение липидного состава мембран, концентрации универсального регулятора клеточного метаболизма – цАМФ, числа рецепторов лимфоцитов и т.д.

Биологическое действие зависит от поглощенной дозы лазерного излучения, которая, в свою очередь, зависит от 1). условий применения (интенсивности, частоты, спектрального состава, режима - импульсного или непрерывного – импульсный режим чаще характеризуется механическим действием, а непрерывный - тепловым, когерентности, монохроматичности, поляризованности) и 2). биофизических особенностей ткани (отражающей и поглощающей способности, теплоемкости, акустических и механических свойств). Чаще всего поглощается на глубине 2мм.

Действие любого излучения на организм в зависимости от поглощенной дозы можно представить следующим образом:

1. высокие дозы - разрушающее действие; 2. средние дозы – угнетающее действие; 3. малые дозы – стимулирующее действие, 4. Очень маленькие – отсутствие действия.

Поэтому применение должно базироваться на следующих основных принципах: 1. рациональный подбор мощности излучения в зависимости от задач (достаточность действия). 2. выбор рационального способа воздействия (применяют такие способы: контактный, дистанционный, внутрисосудистый, внутриполостной, внутриорганный для органов с полостями и для патологических полостей). 3. индивидуализация (учитывать особенности пациента, в частности степень пигментации его кожи).

Лазерная диагностика: для диагностики используется эффекты очень слабого лазерного излучения. Основана на регистрации слабых вторичных излучений, которые возникают в тканях под действием ЛИ. Например, если в вену ввести гематопорфирин (фотосенсибилизатор), то через несколько дней здоровые клетки от него освобождаются, а опухолевые – накапливают. Если на ткань подействовать синим ЛИ, то опухоль начинает светиться.

Ангиоскопия для диагностики атеросклеротического поражения сосудов. Бляшки содержат окрашенные вещества – каротиноиды, под действием ЛИ они флюорисцируют. В стоматологии – для диагностики трещин эмали зубов.

Получение голографических изображений внутренних органов, сформированных отражением лазерных лучей с использованием световодов.

Терапия: Очень ценные свойства ЛИ для терапии и хирургии – дозируемость и локальность действия ЛИ.

Используют низкоинтенсивное ЛИ (0, 1-1 Вт/см2).

Такое ЛИ имеет противовоспалительное, нормализующее микроциркуляцию, противоотековое, тромболитическое, аналгитическое, десенсибилизирующее действие. Также лазерное излучение способствует увеличению уровня кислорода в тканях, стимуляции регенерации тканей, усилению метаболизма, иммунологических процессов.

Чаще всего применяют в комплексе с другими методами терапии. Например, в сочетании с лекарственными препаратами ЛИ позволяет снизить дозы лекарств, т.к. само действует стимуляции клеточных процессов + концентрируют лекарства в больной зоне (предположительно за счет улучшения микроциркуляции в органе). Считают наиболее эффективным действие на БАТ (с учетом собственной частоты колебаний биологических структур. Например, для терапии органов кровообращения необходимо использовать импульсный режим с частотой сердечных сокращений, а для купирования боли – 20000Гц и т.д.)

Магнитолазеротерапия применяется для лечения ожогов, стенокардии.

Лазерная хирургия. При интенсивности ЛИ равной 5-10 Вт/см2 большая часть энергии ЛИ превращается в тепловую. Нагревание ткани от 37 до 600 не вызывает структурных изменений в ткани, от 60 до 100 - приводит к фотокоагуляции, закипанию воды, переход ее в пар и разрыву клетки. После превышения температуры 300-4000 ткань чернеет, обугливается и начинает дымить. Свыше 500 – ткань горит и испаряется (фотоабляция, фоторазрушение).

Нагревание материала происходит быстро, тепло не передается на соседние области и концентрируется в зоне облучения. Это позволяет использовать взрывную волну для разрушения опухолей. Больше всего разрушаются пигментированные клетки, поскольку характеризуются максимальным коэффициентом поглощения. Поэтому часто в патологические ткани перед их разрушением вводят красители, увеличивающие поглощающую способность этих тканей.

Часто используют световоды, которые позволяют делать операции с помощью лазеров без разреза.

Лазерный скальпель:

1. бескровный разрез из-за фотокоагуляции;

2. надежность в работе (не сломается об косточку).

3. прозрачный, что расширяет поле зрения хирурга,

4. абсолютная стерильность (луч + убивает микробы вследствие высокой температуры).

5. локальность.

6. аналгетический эффект. Рана быстро заживает. Особенно применяют в офтальмологии – лазерная микрохирургия глаза (приваривают отслоившуюся сетчатку, разрушают внутриглазные опухоли, глаукому, обеспечивая отток внутриглазной жидкости через микроотверстие).

5. Радиоспектроскопмя. ЭПР. ЯМР. ЯМР-томография.

Индуцированные излучения также могут возникать при переходе электронов между энергетическими подуровнями, а также микрочастицами ядер (протонами, нейтронами) между их энергетическим уровнями. Для того чтобы осуществить такие переходы, необходимо:

1. создать в атомах эти энергетические подуровни;

2. вызвать переход микрочастиц с нижних энергетических подуровней на высшие подуровни.

С высших подуровней микрочастицы могут переходить в основное состояние самопроизвольно с излучением энергии, количество которой равно разности энергии между подуровнями. Однако индуцированный переход будет сопровождаться более мощным излучением, поскольку излучаемые фотоны одинаково направлены и их излучение происходит одновременно. Поэтому возможен следующий шаг:

3. вызвать обратный переход микрочастиц на основной энергетический уровень.