Действие излучения на биологические ткани

Оптические аспекты. При взаимодействии ЛИ с биологическими тканями, как и с любыми другими материалами, происходят процессы отражения, поглощения и рассеяния света (рис. 5.1). Эти процессы характеризуются коэффициентом отражения сл, коффициентом поглощения А, показателем поглощения м и показателем рассеяния в. В зависимости от вида ткани и длины волны излучения л0 значения А, м, в сильно различаются. Соответственно, сильно различается и распределение интенсивности в объеме биообъекта.

Рис. 5.1 Взаимодействие лазерного пучка с кожей

В простейшем случае, когда поперечным размером лазерного пучка 2rb на поверхности объекта можно пренебречь (бесконечно тонкий пучок), распределение и нтенсивности по глубине z подчиняется экспоненциальному закону, а характерная глубина проникновения излучения в ткань определяется значениям и µ и в:

(5.1).

Чем больше µ и в, тем меньше zopt. При больших разрезах лазерного пучка экспоненцильный закон не выполняется и светорассеяние приводит к увеличению глубины проникновения. Если рассеяние мало (в << м), то экспоненциальный закон преобразуется в закон Бугера для любого размера пучка.

На рис. 2 приведено характерное распределение пространственной освещенности qS объеме рассеивающей среды (кот о рой явлются биоткани) по ее глубине при различны х радиусах пучка r b, поглощательных и рассеивающих свойствах среды. Поскольку м и в однозначно связаны с коэффициентом диффузного отражения сdif, который является основным измеряемым параметром, то построение зависимостей выполнено относительно него.

Обращает на себя внимание тот факт, что в зависимости от поглощательных и рассеивающих свойств среды изменяется не только глубина проникновения, но и пространственная освещенность в ее объеме, которая при больших значениях rb и сdif может превосходить поверхностную в несколько раз. Этот факт необходимо учитывать при анализе нагрева ткани, поскольку температурный профиль в объеме ткани соответствует распределению света. Некоторые характерные картины распределения света в тканевой среде приведены на рис. 5.3. С учетом светового режима находится распределение поглощенной (утилизованной) доли светового потока щ:

w (r, z)=(r, z)*м (5.2).

Рис. 5.3 Режим освещенности в глубине биоткани с различными оптическими свойствами

а- 1/µ << rb << 1/в; б — 1/µ ? rb ? 1/в; в — 1/ в << rb << 1/µ

Глубина проникновения ЛИ. Глубина проникновения определяется как поглощением, так и рассеянием излучения. В зависимости от длины волны падающего излучения отражается до 60% излучения. Рассеяние зависит от негомогенных структур ткани и определяется разными показателями преломления у разных ячеек, разницей между ячейками и окружающей их средой. Волны с длиной намного большей, чем размер рассеивателя-ячейки (? 10 мкм), рассеиваются ими в незначительной степени. Но, так как электромагнитный спектр используемых лазеров простирается от ИК- (1 0 мкм до 0,78 мкм) до УФ- (0,3 8 мкм до 0,1 мкм) диапазона длин волн, на практике с рассеянием приходится считаться. Для длин волн более 1 мкм глубину проникновения излучения первом приближении можно рассчитать на основе закона Бугера.

При применении монохроматического излучения с длиной волны л0 для показателя поглощения действительно следующее отношение:

Причем показатели преломления n среды и коэффициент k являются константами для данной среды. Наилучшим образом соотношение поглощения и рассеяния описано в теории КубелкиМунка. Уравнение, описывающее распространение излучения в среде с учетом поглощения и рассеяния, имеет вид:

где LC (r, z) — плотность мощности излучения коллимированного луча вместе r (вектор места в направлении z; г — показатель ослабления (1/zopt). Рассеяние в биологической ткани зависит от длины волны лазерного луча. Излучение эксимерны х лазеров (193, 24 8, 308, 351 нм), излучение эрбиевого лазера (2,69 мкм) и СO2-лазера (10,6 мкм) имеют глубину проникновения от 1 до 20 мкм. Здесь рассеяние играет второстепенную роль. Для света с длиной волны 450…590 нм, что соответствует линиям аргона, глубина проникновения составляет в среднем 0,5…2,5 мм. Как поглощение, так и рассеяние играют здесь значительную роль. Лазерное излучение такой длины волны, хоть и остается в ткани коллимированным на оси, окружено рассеянным излучением (15…40%). В области спектра между 590 и 1500 нм, в которую входят линии YAG-лазера 1,06 и 1,32 мкм, доминирует рассеяние. Глубина проникновения составляет от 2,0 до 8,0 мм. В то время как в УФ-диапазоне поглощение зависит от содержания белка в биоткани, в ИК-диапазоне существенное значение имеет содержание воды. Кроме того, гемопротеины, пигменты, другие макромолекулы, такие как нуклеиновые кислоты и ароматические системы, поглощают лазерное излучение с различной интенсивностью в зависимости от длины волны. Большинство органических молекул, как и протеины, интенсивно поглощают в УФ-диапазоне (100…300 нм). Оксигенированный гемоглобин интенсивно поглощает начиная с УФ-области, включая зеленую и желтую области видимого света, и вплоть до 600 нм. Меланин, важнейший эпидермальный хромофор, поглощает во всей видимой области спектра до УФ-области. В диапазоне от 600 до 1200 нм излучение глубже проникает в ткань с минимальными потерями на рассеяние и поглощение. В этом диапазоне можно достигнуть глубоко расположенные объекты (органы). Такие лазеры, как аргоновый лазер, лазер на красителе, YAG: Nd-лазер с удвоением частоты, действуют преимущественно на гемоглобин, меланин и другие органические вещества и поэтому имеют коагуляционный эффект. СO2-лазер, генерирующий на длине волны 10,6 мкм, или YAG: Er-лазер с длиной волны генерации 2,9 мкм из-за высокого поглощения водой подходят только для рассечения ткани. Значение глубины проникновения излучения указано в табл. 5.1. В табл. 5.1 сравнивается количественно средний путь распространения излучения в воде и крови для различных лазеров. Как следует из таблицы, СО2-лазер проникает в ткань на 1/1000 см. Вся его мощность поглощается в поверхностных слоях. Напротив, излучение аргонового лазера может беспрепятственно распространяться в воде, но в крови оно полностью поглощается в верхних десятых долях миллиметра. Nd: YAG-лазер занимает в данном случае промежуточное положение.

Спектральные аспекты. Для расширения областей применения лазеров в медицине важной предпосылкой является хорошее знание спектральных характеристик поглощения различных тканей. Основываясь на этом, можно предсказать для определенного типа ткани относительную эффективность существующих лазерных систем. Для этого используются методы оптической спектроскопии, с помощью которой регистрируются и исследуются электронные, колебательные и вращательные спектры.

Влияние рассеяния должно быть обязательно учтено, как показывает пример с кровью: незначительная глубина проникновения излучения Nd: YAG-лазера объясняется не поглощающими свойствами гемоглобина, а интенсивным рассеянием на отдельных компонентах крови. Так как часто невозможно (а для практической оценки и не требуется) установить различие между долями рассеяния и поглощения при ослаблении излучения, то спектры пропускания следует предпочесть спектрам поглощения. Абсолютное масштабирование при этом невозможно вследствие различной техники подготовки образцов, которая зависит от типа ткани и свойств биологических образцов. Количественными характеристиками процесса ослабления излучения являются пропускание Т и оптическая плотность А:

; ,.

где z — толщина слоя.

Показатель поглощения µ тканей сильно зависит от длины волны ЛИ, поэтому более полную информацию о глубине проникновения излучения различных длин волн можно получить из спектров поглощения, отражения и рассеяния. Нахождение спектров связано с измерениями ослабления потока слоем ткани, при этом должно быть учтено влияние рассеяния. При малых значениях показателя рассеяния в показатель поглощения определяется как м? D/z. Некоторые из спектров приведены далее на рис. 5.4−5.8.

Рис. 5.4 Зависимость коэффициента пропускания тканей зуба от длины волны

Рис. 5.5 Спектр пропускания мышечной ткани свиньи

Особенностью рассеивающих сред является то, что излучение от широкоапертурного источника проникает вглубь намного больше оптической толщины zopt = 1/(м + в).

В некоторых случаях глубина проникновения света превосходит оптическую толщину в 10 и даже в 100 раз, поэтому ее разумнее определять экспериментально.

Рис. 5.6 Изменение пропускания хрусталика глаза при старении

Экспериментально установлено, что проникающая способность излучения от ультрафиолетового до оранжевого диапазона (300…600 нм) постепенно увеличивается от 1 мкм до 2,5 мм и резко увеличивается до 20…30 мм в красном диапазоне (600…700 нм). Пик проникающей способности приходится на ближний инфракрасный диапазон (до 70 мм на л0 = 950 нм). В диапазоне длин волн 800…1200 нм пропускание кожи достаточно высокое. Для излучения СО2-лазера проникающая способность составляет ~50 мкм.

Рис. 5.7 Зависимость условной оптической плотности тканей руки светлокожего человека от длины волны

Рис. 5.8 Схема сравнения поглощения в воде и водосодержащей ткани

Поглощение ЛИ. Поглощение излучения, безусловно, зависит от состава биологической ткани организма. В диапазоне 600… 1400 нм кожа поглощает 25…40% излучения (Аef = 0,25…0,45), мышцы и кости поглощают до 30… 80% (Аe f = 0,3…0,8), печень, почки, селезенка и сердце до 100% (Аef 1,0).

Отражение ЛИ. При действии ЛИ на биообъект часть излучения отражается. Коэффициент отражения кожи в оптическом диапазоне достигает 43…5 5% (рис. 5.9) и зависит от ряда причин — возраста, пола, температуры тела.

Рис. 5.9 Диффузное отражение от руки светлокожего человека

При увеличении угла падения коэффициент отражения возрастает в несколько раз. На пигментированных участках тела он низок (сл = 6… 8%). Отражение тканей уменьшается с увеличением длины волны: для азотного, гелий-кадмиевого, аргонового и гелий-неонового лазеров сл = 30…40%; для неодимового сл ~ 20…35%; для СО2-лазера сл ~ 5%.