Механизмы действия лазерного излучения на биологические ткани

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ г. СЕМЕЙ

Методическое пособие по теме:

Составители: Крылова Л.А.

Ковалева Л.В.

Люминесценция и ее виды.

Излучение света происходит не только в результате нагревания тел, но и при других явлениях. Например, при электрическом разряде в газах, некоторых химических процессах (гниение органических веществ, окисление фосфора) и т.д. Наблюдаются свечение светлячков и морских микроорганизмов. Можно вызвать вторичное видимое свечение некоторых веществ под действием ультрафиолетового излучения и т.п. Все виды самосвечения, кроме свечения нагретых тел, называют холодным свечением или люминесценцией.

Тепловое излучение является универсальным свойством тел и при соответствующих условиях становятся равновесным. Люминесценция является избирательным свойством тел, хотя весьма распространенным, причем излучение не может принять равновесный характер. Люминесценция прекращается, как только будет израсходована энергия того процесса, который ее вызывает. Поэтому говорят, что при люминесценции тело высвечивает фотоны. Люминесценция происходит одновременно с тепловым излучением и независимо от него, хотя температура тела может влиять на интенсивность люминесценции.

Люминесценция, как и тепловое излучение, происходит в результате сообщения атому дополнительной энергии, в связи, с чем он переходит в возбужденное состояние, при возвращении в основное состояние происходит излучение фотона. Однако распределение при этом возбужденных атомов по энергетическим уровням различается. При тепловом возбуждении атомы занимают последовательно все энергетические уровни, соответствующие температуре тела, при этом на более низких уровнях находится наибольшее число атомов, которые на более высоких уровнях убывают по экспоненциальной зависимости. При люминесценции это правило не соблюдается, и на определенных более высоких энергетических уровнях может находиться значительно большее число атомов, чем на нижележащих (“инверсная заселенность уровней”).

Люминесценцию классифицируют:

А) по природе, вызывающих возбуждения атомов и молекул,

Б) по длительности послесвечения,

В) по происходящим при возбуждении внутриатомным процессам.

Например, биолюминесценцией называют свечение, наблюдаемое в живых организмах (грибы, бактерии, насекомые); электролюминесценцией называют свечение газов при электрическом разряде; катодолюминесценцией - свечение, возбуждаемое ударами электронов (например, на экранах электроннолучевых трубок); фотолюминесценцией – свечение, возникающее под действием ультрафиолетового излучения; рентгенолюминесценцией – свечение под действием рентгеновских лучей.

В зависимости от длительности послесвечения различают флуоресценцию и фосфоресценцию. Свечение, которое прекращается одновременно с прекращением возбуждения, называют флуоресценцией. Если послесвечение продолжается не менее (во многих случаях минуты и даже часы), то такое свечение называется фосфоресценцией. Вещества с особенно длительным послесвечением называются фосфорами.

Индуцированное излучение. Лазер.

По внутриатомным процессам различают люминесценцию:

А) спонтанную, б) вынужденную, в) рекомбинационную.

При спонтанной люминесценции излучение происходит непосредственно вслед за возбуждением. Переход с возбужденного уровня на основной

Рис.1 может быть как единым (рис.1,а) -

в этом случае излучение называется резонансным, так и ступенчатым (рис.1,б). В последнем случае некоторые ступени могут не сопровождаться излучением, т.е. быть безизлучательными (рис.1,в). У определенных веществ имеются энергетические уровни, переход с которых на основной путем излучения фотонов имеет малую вероятность, т.е. происходит медленно и постепенно, поэтому возбужденные атомы могут задерживаться на них достаточно долго. Такие уровни называются метастабильными. В процессе возбуждения на этом уровне происходит значительное накопление атомов.

Переход с метастабильного на основной уровень может быть ускорен путем какого-либо энергетического воздействия на атомы, например воздействия квантами излучения такой же длины волны. Вызванное при этом излучение называется вынужденным (индуцированным или стимулированным), а само явление – вынужденной люминесценцией. Прибор, основанный на использовании индуцированного излучения, называется оптическим квантовым генератором. Его сокращенное название на английском языке – лазер. Оно возникло от сокращенной фразы:

Light Ampluficaation by Stimulated Emission Radiation,

Что означает: усиление света при помощи индуцированного излучения. В 1960 г был создан первый квантовый генератор видимого диапазона с рубином в качестве рабочего вещества, но в нем создавалась импульсное излучение и возбуждение атомов (по терминологии квантовой электроники “накачка”) осуществляется специальной лампой.

Имеются также газовые лазеры. Основу прибора образует кварцевая трубка Т (рис.2), наполненная смесью газов, например гелия и неона, под высоким давлением. По концам трубки расположены строго параллельные зеркала 3 (одно полупрозрачное), образующие вместе резонатор.

Рис. 2.

С помощью электродов Э, помещенных снаружи трубки, и генератора ВЧ высокой частоты в газе вызывается тлеющий разряд. При этом атомы гелия, возбуждаясь, переходят на уровень Е (рис.3.).

Рис. 3.

В процессе неупругого соударения они передают энергию атомам неона, которые накапливаются на близко расположенном метастабильном уровне R, с которого при переходе на промежуточный уровень s происходит вынужденное излучение с длиной волны 632,8 нм. Индуцированное излучение газового лазера является высококогерентным, исключительно монохроматическим, плоскополяризованным, остронаправленным и обладает большой мощностью.

Лезер Л показанный на рисунке 4 ( слева –блок питания П) дает непрерывное излучение небольшой мощности (доли ватта). Изучается возможность использования его излучения для терапевтических целей.

Рис. 4.

Наиболее распространенный тип лазера: газовый (гелий - неоновый) лазер. Индуцированное излучение газового лазера является высококогерентным, исключительно монохроматическим, плоско поляризованным, остронаправленным и обладает большой мощностью.

Лазер может излучать до 30 различных длин волн в инфракрасном и видимом диапазонах.

Используемые зеркала резонатора делаются многослойными для того, чтобы вследствие интерференции создать необходимый коэффициент отражения только для одной длины волны. Таким образом, лазер излучает строго определенную длину волны.

Механизмы действия лазерного излучения на биологические ткани

В зависимости от характера взаимодействия лазерного света с биологическими тканями различают три вида фотобиологических эффектов:

1) фотодеструктивное воздействие, при котором тепловой, гидродинамический, фотохимический эффекты света вызывают деструкцию тканей. Этот вид лазерного взаимодействия используется в лазерной хирургии.

2) фотофизические и фотохимическое воздействие, при котором поглощенный биотканями свет возбуждает в них атомы и молекулы, вызывает фотохимические и фотофизические реакции. Это лазерное излучение используется как терапевтическое.

3) невозмущающее воздействие, когда биосубстанция не меняет своих свойств в процессе взаимодействия со светом. Это такие эффекты, как рассеивание, отражение и проникновение. Этот вид используют для диагностики (лазерная спектроскопия).

Фотобиологические эффекты зависят от параметров лазерного излучения: длины волны, интенсивности потока световой энергии, времени воздействия на биоткани. В лазеротерапии применяют световые потоки низкой интенсивности, не более 100 мВТ/см², что сопоставимо с интенсивностью излучения Солнца на поверхности Земли в ясный день. Поэтому его называют низкоинтенсивным лазерным излучением (НИЛИ).

Фотобиологической активностью обладает свет в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра. В основе фотобиологических процессов лежат фотофизические и фотохимические реакции, возникающие под действием света.

Фотофизические реакции обусловлены нагреванием объекта до различной степени (в пределах 0.1-0.3 ⁰С) и распространением тепла в биотканях. Разница температуры более выражена на биологических мембранах, что ведет к оттоку ионов Na⁺ и K⁺, раскрытию белковых каналов и увеличению транспорта молекул и ионов.

Фотохимические реакции обусловлены возбуждением электронов в атомах поглощающего свет вещества. На молекулярном уровне это выражается в виде фотоионизации вещества, его восстановления или фотоокисления, фотодиссоциации молекул, их перестройке – фотоизомеризации.

Лазерное излучение избирательно поглощается содержащимися в клетках пигментными веществами. Пигмент меланин поглощает свет наиболее активно в фиолетовой области, порфирин и его производные – в красной и т.д.

Поглощение лазерной энергии происходит и различными молекулярными образованиями, не имеющими специфических пигментов и фотобиологических мишеней. Вода поглощает видимый свет и красную часть спектра. Это меняет у мембран структурную организацию водного слоя и изменяет функцию термолабильных каналов мембраны.

В биологических структурах организма существуют собственные электромагнитные поля и свободные заряды, которые перераспределяются под влиянием лазерного излучения.

Первичные химические реакции сопровождаются появлением свободных радикалов, запуском процессов окисления биосубстратов. НИЛИ стимулирует метаболическую активность клетки, оказывает действие на процессы жизнедеятельности и регенерации (восстановления), приводит к увеличению содержания в ядрах клеток человека ДНК и РНК, оказывает антимутагенный эффект, активизирует синтез ДНК и ускоряет восстановительные процессы в клетках, подвергнутых радиации. Это позволяет использовать НИЛИ в онкологии, на вредных производствах, в военной медицине.

НИЛИ стимулирует выработку универсального источника энергии АТФ в митохондриях, повышает эффективность работы дыхательной цепи митохондрий. Происходят перестройки в мембранах митохондрий, оказывается антиоксидантный эффект. При лазерной терапии изменяется соотношение насыщенных и ненасыщенных липидов, вязкость липидной компоненты мембран, что отражается на структурных перестройках в мембране, ее функциональном состоянии, активности мембрано-связанных ферментов.

НИЛИ вызывает активацию энергосвязывающих процессов в патологически измененных тканях с нарушением метаболизма, повышение активности важнейших ферментов, снижения потребления кислорода тканями с повышением активности митохондрий, обогащением их энергией, усиление интенсивности гликолиза в тканях.

Вторичные эффекты представляют собой комплекс адаптационных и компенсаторных реакций. НИЛИ устраняет дисбаланс в ЦНС. Доза лазерного излучения определяет стимулирующий или угнетающий эффекты, что дает возможность избирательно применять лазер для ослабленных больных, в педиатрии, при хронических заболеваниях.

При поглощении веществом кванта света один из электронов, находящийся на нижнем энергетическом уровне на связывающей орбитали, переходит на верхний энергетический уровень и переводит атом или молекулу в возбужденное (синглетное или триплетное) состояние. При внешнем фотоэффекте электрон, поглотив фотон, покидает вещество. Однако, эти проявления при взаимодействии света с биообъектом выражены весьма незначительно, поскольку в полупроводниках и диэлектриках (ткани организма такими являются) электрон, захватив фотон, остается в веществе и переходит на более высокие энергетические уровни (в синглетное или триплетное состояние). Это и есть внутренний фотоэффект, основными проявлениями которого являются электропроводимости полупроводника под действием света (явление фотопроводимости) и возникновение разности потенциалов между различными участками освещаемого биообъекта (возникновение фотоэлектродвижущей силы - фотоЭДС). Эти явления обусловлены фоторождением носителей заряда – электронов проводимости и дырок. В результате перехода в возбужденное состояние части атомов или молекул облучаемого вещества происходит изменение диэлектрической проницаемости этого вещества (фотодиэлектрический эффект).

Фотопроводимость бывает концентрационной, возникающей при изменении концентрации носителей заряда, и подвижной. Последняя возникает при поглощении фотонов с относительной низкой энергией и связана с переходами электронов в пределах зоны проводимости. При таких переходах число носителей не изменяется, но это изменяет их подвижность. Образование электронных возбужденных состояний приводит к изменению энергетической активности клеточных мембран, к конфирмационным изменениям жидкокристаллических структур, к структурной альтерации жидких сред организма, к образованию продуктов фотолиза, к изменению pH среды, что в свою очередь является пусковым моментом целого комплекса биофизических и биохимических процессов.

Повышение энергетической активности биологических мембран, которые принимают прямое и очень важное участие во всех функциях клетки, приводит к изменению биоэлектрических процессов, к увеличению активности транспорта веществ через мембрану, идущего в направлении, противоположном градиенту химического и электрохимического потенциала, усиливает основные биоэнергетические процессы, в частности, окислительное фофсфорилирование. Под действием низкоэнергетического лазерного излучения изменяется форма двойного липидного слоя клеточной мембраны, что приводит к переориентировке головок липидов. Поскольку вблизи t = + 37C двойной липидный слой находится в непосредственной близости к точке фазового перехода, т.е. в очень неустойчивом состоянии, поэтому дополнительная энергия, полученная при лазерном воздействии, инициирует фазовый переход клеточной мембраны, т.к. она имеет жидкокристаллическую структуру. Воздействие лазерным излучением на поврежденную ткань приводит к уменьшению внутриклеточного отека, что связано с повышением кровотока в тканях, активации транспорта вещества.

Лазерная терапия может проводиться как самостоятельный метод, так и в комплексе с медикаментозным лечением (с гормональным, с методами физиотерапии). НИЛИ может изменить в процессе лечения чувствительность к лекарственным средствам.

Во всех фотобиологических процессах энергия света необходима для преодоления активационных барьеров химических превращений. Эти процессы включают следующие стадии: поглощение света тканевым фотоакцептором и образованием электронно-возбужденных состояний миграции энергии электронного возбуждения, первичный фотофизический акт и появление первичных фото продуктов промежуточной стадии, включающей перенос заряда, образование первичных стабильных химических продуктов, физиолого-биохимические процессы, конечный фотобиологический эффект.

Первыми на пути проникновения НИЛИ в биообъект лежат кожные покровы. Коэффициент отражения и поглощения кожей электромагнитных волн оптического диапазона зависит от различных причин: охлаждения участка воздействия, пола, возраста, угла падения, цвета и пигментации кожных покровов.

При поглощении световой энергии возникают различные физические процессы, основными из которых являются внешний и внутренний фотоэффекты, электролитическая диссоциация молекул и различных комплексов.

НИЛИ производит действие не тол на атомно-молекулярном и клеточном, но и на огранном уровне:

- понижение рецептативной чувствительности;

- уменьшение длительности фаз воспаления;

- уменьшение отеков и напряжения тканей;

- увеличение поглощения тканями кислорода;

- повышение скорости кровотока;

- активация транспортных веществ через сосудистую стенку.

Возникают и клинические эффекты:

- противовоспалительный;

- обезболивающий;

- регенераторный;

- денсенсибилизирующий;

- иммунокоррегирующий;

- улучшения регионального кровообращения;

- бактерицидный и бактериостатический.

Дата добавления: 2019-02-12; просмотров: 944; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!