Качественно новые
явления наблюдаются при использовании
видимого или ультрафиолетового
излучения высокоинтенсивных лазеров.
В лабораторных фотохимических
экспериментах с обычными источниками
света, а также в природе
при действии солнечного света
обычно осуществляется однофотонное
поглощение. Об этом говорится
во втором законе фотохимии,
сформулированном Штарком и Эйнштейном:
каждая молекула, участвующая в
химической реакции, идущей под
действием света, поглощает один
квант излучения, который вызывает
реакцию. Однофотонность поглощения,
описываемая вторым законом, выполняется
потому, что при обычных интенсивностях
света практически невозможно одновременное
попадание в молекулу, находящуюся в основном
состоянии, двух фотонов. Если бы такое
событие осуществилось, то выражение приобрело
бы вид:
2hv = Et - Ek,
что означало бы
суммирование энергии двух фотонов
для перехода молекулы из энергетического
состояния Ek в состояние с энергией
Ег. Не происходит также поглощения фотонов
электронно-возбужденными молекулами,
так как их время жизни мало, а обычно используемые
интенсивности облучения невелики. Поэтому
концентрация электронно-возбужденных
молекул низка, и поглощение ими еще одного
фотона чрезвычайно маловероятно.
Однако если увеличить
интенсивность света, то становится
возможным двухфотонное поглощение.
Например, облучение растворов ДНК высокоинтенсивным
импульсным лазерным излучением с длиной
волны около 266 нм приводило к ионизации
молекул ДНК, подобной вызываемой у-излучением.
Воздействие ультрафиолета с низкой интенсивностью
ионизации не вызывало. Установлено, что
при облучении водных растворов нуклеиновых
кислот или их оснований пикосекундными
(длительность импульса 30 пс) или наносекундными
(10 нс) импульсами с интенсивностями выше
106 Вт/см2 приводило к электронным переходам,
завершавшимся ионизацией молекул. При
пикосекундных импульсах (рис. 4, а) заселение
высоких электронных уровней происходило
по схеме (S0 —> S1 —> Sn), а при hv hv наносекундных
(рис. 4., б) — по схеме (S0 —> S1 -► Тг -> Тп). В обоих случаях молекулы
получали энергию, превышающую энергию
ионизации.
Полоса поглощения
ДНК располагается в ультрафиолетовой
области спектра при < 315 нм, видимый
свет нуклеиновые кислоты совсем не поглощают.
Однако воздействие высокоинтенсивным
лазерным излучением около 532 нм переводит
ДНК в электронно-возбужденное состояние
за счет суммирования энергии двух фотонов
(рис. 5).
Поглощение любого
излучения приводит к выделению
некоторого количества энергии
в виде тепла, которое рассеивается
от возбужденных молекул в
окружающее пространство. Инфракрасное
излучение поглощается главным
образом водой и вызывает в
основном тепловые эффекты. Поэтому
излучение высокоинтенсивных инфракрасных
лазеров вызывает заметное немедленное
тепловое действие на ткани.
Под тепловым воздействием лазерного
излучения в медицине понимают
в основном испарение (резание)
и коагуляцию биотканей. Это касается
различных лазеров с интенсивностью от
1 до 107 Вт/см2 и с продолжительностью облучения
от миллисекунд до нескольких секунд.
К ним относятся, например, газовый С02-лазер
(с длиной волны 10,6 мкм), Nd:YAG-лазep (1,064 мкм)
и другие. Nd:YAG-лазep — наиболее широко исполь-зуемый
твердотельный четырехуровневый лазер.
Генерация осуществляется на переходах
ионов неодима (Nd3+),введенных в кристаллыY3Al5012
иттрий-алюминиевого граната (YAG).
Наряду с нагревом
ткани происходит отвод части
тепла за счет теплопроводности
и тока крови. При температурах
ниже 40 °С не обратимые повреждение не
наблюдаются. При температуре 60 °С начинается
денатурация белков, коагуляция тканей
и некроз. При 100- 150 °С вызывается обезвоживание
и обугливание, а при температурах свыше
300 °С ткань испаряется.
Когда излучение исходит
от высокоинтенсивного сфокусированного
лазера, количество выделяющегося
тепла велико, в ткани возникает
температурный градиент. В месте
падения луча ткань испаряется,
в прилегающих областях пронсходит
обугливание и коагуляция (рис. 6). Фотоиспарение
является способом послойного удаления
или разрезания ткани. В результате коагуляции
завариваются сосуды и останавливается
кровотечение. Так сфокусированным лучом
непрерывного С02-лазера ( ) с мощностью
около 2 • 103 Вт/см2 пользуются как хирургическим
скальпелем для разрезания биологических
тканей.
Если уменьшать длительность
воздействия (10 - 10 с) и увеличивать
интенсивность (выше 106 Вт/см2), то размеры
зон обугливания и коагуляции становятся
пренебрежимо малыми. Такой процесс называют
фотоабляцией (фотоудалением) и используют
для послойного удаления ткани. Фотоабляция
возникает при плотностях энергии 0,01—100
Дж/см2.
При дальнейшем повышении
интенсивности (10 Вт/см и выше)
возможен еще один процесс
— «оптический пробой». Это
явление заключается в том,
что из-за очень высокой напряженности
электрического поля лазерного
излучения (сравнимой с напряженностью
внутриатомных электрических полей)
материя ионизации, образуется
плазма и генерируются механические
ударные волны. Для оптического
пробоя не требуется поглощения
квантов света веществом в
обычном смысле, он наблюдается
прозрачных средах, например в
воздухе.
2 ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ
И ЦЕЛИ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОГО
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЛАЗЕРОВ
Современные направления
медико-биологического применения
лазеров могут быть разделены
на две основные группы Первая
— использование лазерного излучения
в качестве инструмента исследования.
В этом случае лазер играет
роль уникального светового источника
при спектральных исследованиях,
лазерной микроскопии, голографии
и др. Вторая группа — основные
пути использования лазеров в
качестве инструмента воздействия
на биологические объекты. Можно
выделить три типа такого воздействия.
Первый тип — воздействие
на ткани патологического очага
импульсным или непрерывным лазерным
излучением при плотности мощности
порядка 105 Вт/м2, недостаточной для
глубокого обезвоживания, испарения тканей
и возникновения в них дефекта. Этому типу
воздействия соответствует, в частности,
применение лазеров в дерматологии и онкологии
для облучения патологических тканевых
образований, которое приводит к их коагуляции.
Второй тип— рассечение тканей, когда
под влиянием излучения лазера непрерывного
или частотно-периодического (импульсы,
следующие с большой частотой) действия
часть ткани испаряется и в ней возникает
дефект. В этом случае плотность мощности
излучения может превосходить используемую
при коагуляции на два порядка (107 Вт/м2)
и более. Этому типу воздействия соответствует
применение лазеров в хирургии. Третий
тип — влияние на ткани и органы низкоэнергетического
излучения (единицы или десятки ватт на
квадратный метр), обычно не вызывающего
явных морфологических изменений, но приводящего
к определенным биохимическим и физиологическим
сдвигам в организме, т. е. воздействие
физиотерапевтического типа. К этому типу
следует отнести применение гелий-неонового
лазера с целью биостимуляции при вяло
текущих раневых процессах, трофических
язвах и др.
Задача исследований
механизма биологического действия
лазерной радиации сводится к
изучению тех процессов, которые лежат
в основе интегральных эффектов, вызываемых
облучением: коагуляции тканей, их рассечения,
биостимуляционных сдвигов в организме.