Лазеры для биологии и медицины

Министерство образования и науки Российской Федерации

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Радиофизический факультет

 

 

 

 

 

Лазеры для биологии и медицины

(реферат по дисциплине  «Введение в специальность»)

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил студент 733 группы:

Третьяков Евгений Григорьевич

 

 

 

Томск 2013

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

1. Лазеры в биологии и медицине
2. Лечение онкологических заболеваний
3. Применение лазеров в хирургии

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

«Ла́зер (англ. laser, акроним от light amplification by stimulated emission of radiation «усиление света посредством вынужденного излучения»), или опти́ческий ква́нтовый генера́тор — это устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения»[1]

С самого начала разработки его называли устройством, которое само ищет решаемые задачи. Лазер является одним из самых значимых изобретений ХХ века. Трудно переоценить его значение для человечества: он нашел свое применение в медицине, биологии, астрономии, оборонной промышленности, связи и цифровой технологии,  химии, и т.д.

Отличительной чертой  лазерных процессов является то, что возникающий фотон идентичен по  частоте, фазе, направлению и поляризации внешнему фотону, вызвавшему его появление. Уникальными свойствами квантовых генераторов являются:

- узкая направленность пучка излучения

- способность фокусироваться в очень малые объемы

- огромная концентрация мощности.

Лазеры создаются на базе газообразной, жидкой или твердой среды. Диапазон излучения лазеров весьма широк - от 100 нм (ультрафиолетовый свет) до  1.2  мкм (инфракрасное излучение) - и работают как в непрерывном, так и в импульсном режимах.

Состоит лазер из трех важных узлов: источника питания, системы накачки и излучателя.  Их работа обеспечивается специальными  вспомогательными  устройствами. Система накачки преобразовывает энергию источника питания в энергию ионизированной  активной среды. Накачка осуществляется электрическим разрядом - в системе устанавливаются два электрода - катод  и анод, между которыми проходит напряжение. Атомы гелия возбуждаются от соударений с быстрыми электронами и, сталкиваясь с неоном, передают ему свою энергию. В некоторых лазерах используют обмотки и  специальные отводные трубки для циркуляции активной среды или фокусирующие магниты. Излучатель преобразовывает  энергию  накачки в излучение и содержит оптический резонатор, который является системой отражающих, преломляющих и  фокусирующих  элементов, внутри которого возбуждается и поддерживается определенный  тип электромагнитных колебаний оптического диапазона. Оптический резонатор должен иметь минимальные потери в  рабочей  части  спектра, высокую точность изготовления узлов и их взаимной установки.

 

 

 

Лазеры в биологии и медицине

В биологии и медицине лазеры получают все больше распространение. В биологии лазер используют для диагностических целей: флуоресценция, вызванная действием сверхкоротких лазерных импульсов в молекулах ДНК, резонансное комбинационное рассеяние для изучения биомолекул, таких как гемоглобин или родопсин (он ответственен за механизм зрения), фотокорреляционная спектроскопия для получения информации о структуре и степени агрегации различных био-молекул, пикосекундные импульсно-фотолизные методы наблюдения динамических свойств биомолекул в возбужденном состоянии. В биологии лазеры используются также для создании необратимых изменений в данной биомолекуле.

В медицине лазеры применяются в хирургии и офтальмологии. Развиваются также и некоторые диагностические методы с помощью лазера 
(доплеровская анемометрия кровотока, лазерная флуоресцентная бронхоскопия для выявления легочных опухолей в их ранней стадии и др.).

Лазерная диагностика в биологии и медицине — новое перспективное направление в фотобиологии, являющееся эффективным средством изучения биологических систем различной степени организации — от биомолекул до клеток, биотканей и отдельных органов животных и человека.

Методы лазерной макро- и микродиагностики обладают высокой чувствительностью, значительным пространственным разрешением и универсальностью. Они перспективны для ранней диагностики рака, катаракты, различных заболеваний крови и др. Их используют для анализа загрязнений окружающей среды токсическими и патогенными веществами. С их помощью изучают сверхбыстрые процессы фотосинтеза и фотобиохимических реакций, а также определяют малые скорости кровотока в сосудах, подвижность бактерий и пр.

Почти одновременно с созданием первых лазеров началось изучение биологического действия лазера. Некоторые возможные биолого-медицинские аспекты его использования были намечены Ч. Таунсом (1962). В последующем оказалось, что возможная сфера применения лазеров шире. Биолого-медицинские эффекты лазера связаны не только с высокой плотностью потока излучения и возможностью фокусировки луча на самых малых площадях, но, по-видимому, и с др. его характеристиками (монохроматичностью, длиной волны, когерентностью, степенью поляризации), а также с режимом излучения. Один из важных вопросов при использовании лазеров в биологии и медицине — дозиметрия. Определение энергии, поглощённой единицей массы биообъекта, связано с большими трудностями. Различные ткани неодинаково поглощают и отражают лучи. Кроме того, лазер в разных областях спектра оказывает не одинаковое, а подчас и антагонистическое действие на биообъект. Поэтому и невозможно ввести при оценке эффекта лазера коэффициент качества. Характер эффекта лазера определяется прежде всего его интенсивностью, или плотностью потока излучения. В случае импульсных излучателей важны также длительность импульсов и частота их следования. Из-за избирательности поглощения лучей биологическая эффективность может не соответствовать энергетическим характеристикам лазера. Условно различают термические и нетермические эффекты; переход от нетермических к термическим эффектам лежит в диапазоне 0,5—1 вт/см2. При плотностях потока излучения, превышающих указанные, происходит поглощение лучей молекулами воды, что приводит к их испарению и последующей коагуляции молекул белка. Наблюдаемые при этом структурные изменения аналогичны результатам обычного термического воздействия. Однако лазер обеспечивает строгую локализацию поражения, чему способствует сильная обводнённость биообъекта и поглощение рассеивающейся энергии в пограничных областях, смежных с облучаемой. При импульсных термических воздействиях ввиду очень короткого времени воздействия и быстрого испарения воды наблюдается так называемый взрывной эффект: возникает султан выброса, состоящий из частиц ткани и паров воды; этому сопутствует возникновение ударной волны, воздействующей на организм в целом.

 

Лазер с меньшей плотностью потока излучения вызывает в биообъекте изменения, механизм которых не полностью выяснен. Это сдвиг в активности ферментов, структуре пигментов, нуклеиновых кислот и др. важных в биологическом отношении веществ. Нетермические эффекты лазера вызывают сложный комплекс вторичных физиологических изменений в организме, чему, возможно, способствуют резонансные явления, протекающие в биосубстрате на молекулярном уровне. Нетермические эффекты лазера сопровождаются реакциями со стороны нервной, кровеносной и др. систем организма. Избирательность поглощения лазера и возможность фокусирования луча на площадях порядка 1 мкм особенно заинтересовали исследователей внутриклеточных структур и процессов, использующих лазер в качестве "скальпеля", позволяющего избирательно разрушать ядро, митохондрии или др. органеллы клетки без её гибели. Как при термических, так и при нетермических воздействиях лазера наиболее выраженной способностью к его поглощению обладают пигментированные ткани. Прижизненное окрашивание специфическими красителями позволяет разрушать и прозрачные для данного лазера структуры. В установках для внутриклеточных воздействий используют лазеры с длиной волны как видимого спектра, так и ультрафиолетового и инфракрасного диапазонов, в непрерывном и импульсном режимах.

 

Фотографирование биообъектов в лазерах с целью получения пространственного изображения клеток и тканей стало возможным с созданием лазерных голографических установок для микрофотографирования. В связи с возможностью концентрации энергии лучей на очень малых площадях открылись новые возможности для спектрального ультрамикроанализа отдельных участков клетки, жизнедеятельность которой при этом временно сохраняется. С этой целью коротким импульсом вызывают испарение вещества с поверхности исследуемого объекта и в газообразном виде подвергают спектральному анализу. Масса образца при этом не превышает долей мкг.

 

Установлено, что ряд физиологических изменений происходит в организме животных под действием излучения гелий-неоновых лазеров малой мощности. При этом отмечаются стимуляция кроветворения, регенерация соединительной ткани, сдвиги артериального давления, изменения проводимости нервного волокна и др. Как при непосредственном облучении гелий-неоновыми лазерами растительных тканей, так и при предпосевном облучении семян выявлено стимулирующее влияние лазеров на ряд биохимических процессов, рост и развитие растений.

Лечение онкологических заболеваний

«Исследованиями ряда зарубежных (фон Ардене) и советских (Н. Н. Александров и др.) ученых было установлено, что перегрев (гипертермия) популяций злокачественных клеток резко увеличивает вероятность их гибели при воздействии лучевой и химиотерапии. Для нагрева больного применялся «водяной» метод. Больного помещали в специальную ванну и с помощью водоструйных устройств, размещенных над пациентом, обливали нагретой водой. Температура тела должна была повыситься до 42 ...43° С. Такая процедура продолжалась около 6 ч при общем наркозе больного. Голова охлаждалась специальным шлемом.

Далее было предложено осуществлять гипертермию при помощи электромагнитных полей сверхвысоких частот. При этом способе опухоль будет прогреваться во всем объеме без применения воды. Эффективность такого нагрева обусловлена тем, что тепловая энергия выделяется в самих тканях, а не подводится конвективно снаружи. Тем самым исключается перегрев кожного покрова и приповерхностных тканей, существенно осложняющий процедуру лечения. Но серьезной проблемой является также измерение абсолютного значения температуры тканей в условиях мощного электромагнитного излучения. Для лечения опухолей различной глубины залегания необходимо использовать различные частоты колебаний электромагнитного излучения: от 2450 МГц для поверхностных опухолей до 13,56 МГц для общего нагрева всего организма (генерализованные опухолевые процессы). Создание гибких наружных излучателей различных типоразмеров (Д. Н. Колмаков, Ю. С. Кудрявцев) решило проблему. Экспериментальные и теоретические исследования еще раз подтвердили плодотворность применения в гипертермии полосковых излучателей. По характеристикам и удобству применения гибкие полосковые излучатели превосходят все известные типы излучателей для локальной гипертермии.»[2]

Вообще лечение рака лазером имеет свои достоинства и недостатки. К плюсам применения лазеров относят следующие показатели:

-вмешательство проходит точнее и аккуратнее, а ткани возле инцизии не повреждаются;

-риск инфицирования сведен к минимуму: лазер вырабатывает тепло, засчет которого края разрезаемых тканей тела стерилизуются;кровеносные сосуды изолированы, в результате количество кровоподтеков, отеков, рубцов и болей сведено к минимуму;заметно меньше разрезов и повреждений здоровых тканей;

-продолжительность оперативного вмешательства может быть меньше;

-период восстановления проходит быстрее.

Лечение рака лазером имеет и ряд недостатков:

-далеко не весь медицинский персонал имеет соответствующую профессиональную подготовку;

-в ходе операции необходимо соблюдать строжайшие меры предосторожности, в том числе все, включая пациента, должны быть в защитных очках;

-в некоторых случаях эффект может быть временным и спустя определенный срок может потребоваться повторная операция;

-иногда лазер не способен удалить опухоль за один раз, приходится делать повторные вмешательства;

-стоимость лечения выше, чем цена вмешательства при помощи стандартных инструментов.

 Сегодня лазеры могут  быть использованы для двух  целей:

-уничтожение или сокращение опухоли;

-активация препарата, который уничтожает клетки рака.

 

 

Применение лазеров в хирургии

Сфокусированный лазерный пучок (чаще СО2-лазер) используется вместо обычного скальпеля. Инфракрасное излучение СО2-лазера сильно поглощается молекулами воды в ткани, что приводит к интенсивному испарению этих молекул с последующим рассечением ткани. Принципиальные преимущества лазерного скальпеля состоят в том, что разрез может быть произведен с высокой точностью, особенно если пучок направляется микроскопом (лазерная микроскопия); возможность проводить операции на недоступных участках; вследствие прожигающего действия лазерного излучения на кровеносные сосуды резко уменьшается потеря крови; ограниченное прикосновение в соседние ткани.

 Особенно широкое применение лазерные инструменты нашли в микрохирургии глаза. Глаз - это орган, обладающий очень тонкой структурой. В микрохирургии глаза особенно важны точность и быстрота манипуляций. Кроме того выяснилось, что при правильном подборе частоты излучения лазера оно свободно проходит через прозрачные ткани глаза, не оказывая на них никакого действия. Это позволяет делать операции на хрусталике глаза и глазном дне, не делая никаких разрезов вообще. В настоящее время успешно проводятся операции по удалению хрусталика путём испарения его очень коротким и мощным импульсом. При этом не происходит повреждение окружающих тканей, что ускоряет процесс заживления, составляющий буквально несколько часов. В свою очередь, это значительно облегчает последующую имплантацию искусственного хрусталика. Другая успешно освоенная операция - приваривание отслоившейся сетчатки.

Лазеры довольно успешно применяются и в лечении таких распространённых сейчас заболеваний глаза как близорукость и дальнозоркость. Одной из причин этих заболеваний является изменение в силу каких-либо причин конфигурации роговицы глаза. С помощью очень точно дозированных облучений роговицы лазерным излучением можно исправить её изъяны, восстановив нормальное зрение.

В настоящее время получили распространение фемтосекундные лазеры. Новая технология дала в руки врачей лазерный скальпель, который не разрезает, а раздвигает ткани. Лазерный луч фокусируется вглубь роговицы на пятно размером в один микрон. Импульс длиной в 300 фс (3 х 10-13 секунды) сжигает ничтожное количество ткани, а продукты горения образуют пузырек диаметром 2-3 микронa, «раздвигающий» волокна роговицы. Процедура повторяется снова и снова. За 25 секунд лазер испускает десятки тысяч импульсов, которые складываются в один точно рассчитанный разрез.

Такая технология имеет массу преимуществ. Главное - это минимальный травматизм операции, гарантирующий очень быструю реабилитацию больного и минимум послеоперационных осложнений. При коррекции дальнозоркости и близорукости обычно первая стадия операции (создание так называемого роговичного лоскута) проводилась микрокератомом, механическим разрезанием роговицы.