1. Спонтанне та індуковане випромінювання атомами і молекулами.
Атоми, молекули, іони являють собою квантові системи, в яких електрони перебувають на різних енергетичних рівнях. Відповідно до принципу мінімуму енергії електрони розміщуються, починаючи від найближчого до ядра енергетичного рівня (K-рівень). Такий рівень є нижнім енергетичним рівнем, а потім заповнюють решту рівнів, більш віддалених від ядра (вищі енергетичні рівні).
Основний енергетичний стан атома – це стан, у якому електрони розташовані навколо ядра відповідно до принципу мінімуму енергії. У такому стані атоми можуть перебувати тривалий час, тому в речовині більшість атомів перебуває саме в основному стані (розподіл Больцмана).
Проте можливий стрибкоподібний перехід з одного рівня на інший, і атом переходить у збуджений стан. Для такого переходу атому необхідно передати енергію, що дорівнює різниці енергій електронів на двох рівнях: E = E2 - E1. Час перебування у збудженому стані дуже короткий -10-8 с Перехід атомів зі збудженого стану в основний супроводжується випромінюванням фотона енергії (в ідеальному випадку hν = E2 - E1).
Перехід атома зі збудженого стану може мати мимовільний (спонтанний) та індукований характер. Випромінювання, яке при цьому виникає, відповідно називається спонтанним та індукованим. При мимовільному переході атома зі збудженого стану в основний процес має випадковий характер, тобто випадкові і час переходу, і напрямок випромінювання фотона. Прикладом спонтанного випромінювання може слугувати люмінесценція.
2. Люмінесценція.
Люмінесценція – спонтанне випромінювання тіла, надлишкове за даної температури тіла над тепловим випромінюванням, тривалість якого значно перевищує період світлових хвиль. Період світлових хвиль становить 10-15, а тривалість люмінесценції щонайменше - 10-10 с.
Речовини, які можуть люмінесціювати, називаються люмінофорами. Для цього необхідно за допомогою якоїсь енергії перевести їхні атоми у збуджений стан. А потім вони деякий час світяться.
Залежно від способів збудження люмінесценції існують: фотолюмінесценція, рентгенолюмінесценція, радіолюмінесценція, катодолюмінесценція, електролюмінесценція, хемілюмінесценція, триболюмінесценція.
За тривалістю свічення: флуоресценція (10-8) і фосфоресценція (10-3 і більше).
Уперше люмінесценцію кількісно описав Стокс: довжина хвилі люмінесцентного випромінювання завжди більша, ніж довжина хвилі світла, яке викликало люмінесценцію. Спектр люмінесценції зсунутий відносно спектра світла, що його викликало, у бік більших довжин хвиль.
Атоми, молекули, іони являють собою квантові системи, в яких електрони перебувають на різних енергетичних рівнях. Відповідно до принципу мінімуму енергії електрони розміщуються, починаючи від найближчого до ядра енергетичного рівня (K-рівень). Такий рівень є нижнім енергетичним рівнем, а потім заповнюють решту рівнів, більш віддалених від ядра (вищі енергетичні рівні).
Основний енергетичний стан атома – це стан, у якому електрони розташовані навколо ядра відповідно до принципу мінімуму енергії. У такому стані атоми можуть перебувати тривалий час, тому в речовині більшість атомів перебуває саме в основному стані (розподіл Больцмана).
Проте можливий стрибкоподібний перехід з одного рівня на інший, і атом переходить у збуджений стан. Для такого переходу атому необхідно передати енергію, що дорівнює різниці енергій електронів на двох рівнях: E = E2 - E1. Час перебування у збудженому стані дуже короткий -10-8 с Перехід атомів зі збудженого стану в основний супроводжується випромінюванням фотона енергії (в ідеальному випадку hν = E2 - E1).
Перехід атома зі збудженого стану може мати мимовільний (спонтанний) та індукований характер. Випромінювання, яке при цьому виникає, відповідно називається спонтанним та індукованим. При мимовільному переході атома зі збудженого стану в основний процес має випадковий характер, тобто випадкові і час переходу, і напрямок випромінювання фотона. Прикладом спонтанного випромінювання може слугувати люмінесценція.
2. Люмінесценція.
Люмінесценція – спонтанне випромінювання тіла, надлишкове за даної температури тіла над тепловим випромінюванням, тривалість якого значно перевищує період світлових хвиль. Період світлових хвиль становить 10-15, а тривалість люмінесценції щонайменше - 10-10 с.
Речовини, які можуть люмінесціювати, називаються люмінофорами. Для цього необхідно за допомогою якоїсь енергії перевести їхні атоми у збуджений стан. А потім вони деякий час світяться.
Залежно від способів збудження люмінесценції існують: фотолюмінесценція, рентгенолюмінесценція, радіолюмінесценція, катодолюмінесценція, електролюмінесценція, хемілюмінесценція, триболюмінесценція.
За тривалістю свічення: флуоресценція (10-8) і фосфоресценція (10-3 і більше).
Уперше люмінесценцію кількісно описав Стокс: довжина хвилі люмінесцентного випромінювання завжди більша, ніж довжина хвилі світла, яке викликало люмінесценцію. Спектр люмінесценції зсунутий відносно спектра світла, що його викликало, у бік більших довжин хвиль.
Зображення
Пояснити закон Стокса можна на основі квантової теорії: енергія кванта, що викликав збудження, при поглинанні його речовиною частково переходить в інші енергії hν0 = hν + ΔE. Тому hν < hν0, а λ > λ0.
Іноді виникає антистоксівська люмінесценція, при якій λ < λ0. Це відбувається, якщо зовнішній квант поглинається вже збудженою молекулою.
Іноді виникає антистоксівська люмінесценція, при якій λ < λ0. Це відбувається, якщо зовнішній квант поглинається вже збудженою молекулою.
Зображення
Основною енергетичною характеристикою люмінесценції є її енергетичний вихід η - відношення енергії, яку люмінофор випромінює, до енергії, яку люмінофор поглинає: η = E/E0.
Згідно із законом Вавилова енергетичний вихід люмінесценції спочатку зростає пропорційно до зростання довжини хвилі збуджувального світла, а потім різко падає:
Згідно із законом Вавилова енергетичний вихід люмінесценції спочатку зростає пропорційно до зростання довжини хвилі збуджувального світла, а потім різко падає:
Зображення
Це пояснюється так: η = E/E0 = hv/(hv0) = λ/λ0. Тобто енергетичний вихід пропорційний довжині хвилі збуджувального світла. Різкий спад енергетичного виходу до нуля пояснюється надто малою енергією фотонів при великих довжинах хвиль.
Застосування люмінесценції. Існує два напрямки застосування люмінесценції:
1. люмінесцентний аналіз – метод визначення різних речовин за характерним для них свіченням. Дає змогу виявити речовини масою 10-10 г.
Існують люмінесцентний макроаналіз (дає змогу виявляти різні речовини в макрооб'єктах) і мікроаналіз (використовують люмінесцентний мікроскоп. У такому мікроскопі є 2 світлофільтри, перший – виділяє від джерела світла лише синьо-фіолетове або УФ світло, яке змушує досліджувані об'єкти світитися, а другий – перед об'єктивом, пропускає лише люмінесцентне свічення, яке й бачить дослідник).
2. Створення освітлювальної та реєструвальної апаратури (лампи денного світла, екран осцилографа).
3. Лазери. Прикладом індукованого випромінювання може слугувати лазерне випромінювання. (Нагадаємо, що індуковане випромінювання – таке випромінювання ЕМ хвиль, яке виникає при вимушеному переході атома зі збудженого стану в основний).
Якщо на атом, що перебуває в збудженому стані, подіяти фотоном енергії, то він поглинутися атомом уже не зможе (немає рівнів, на які може перейти електрон). У такому разі енергія зовнішнього фотона призводить до вимушеного переходу електрона на нижній енергетичний рівень, який для цього електрона буде основним. При такому переході утворюється 2 фотони. При цьому фотон, який з'явився внаслідок індукованого переходу, є точною копією фотона, що ініціював перехід атома зі збудженого стану в основний. Він має ту саму енергію і той самий напрямок, що й вторинний фотон.
Зважаючи, що в речовині багато атомів, за допомогою спеціальних прийомів можна отримати лавину однакових вторинних фотонів, і цим процесом можна керувати.
Ці спеціальні прийоми такі: 1. необхідно, щоб якомога більше атомів у речовині перебували у збудженому стані (тобто із заповненням переважно вищих енергетичних рівнів). Речовину, в якій більшість атомів перебуває у збудженому стані, називають речовиною з інверсною заселеністю енергетичних рівнів. Інверсія в речовині досягається застосуванням 1. потужного зовнішнього джерела енергії.
2. Спеціальних речовин, для яких легше отримати інверсну заселеність енергетичних рівнів. В їхніх атомах є так звані метастабільні енергетичні рівні, які також є вищими щодо основних рівнів, проте час перебування на них електронів відносно великий (10-2 - 10-4 с). Можливість існування таких рівнів зумовлена тим, що перехід електрона з такого рівня в основний стан із випромінюванням фотона малоймовірний (заборонений правилами переходу).
3. Пристосування, яке забезпечить багаторазове проходження фотонів через речовину з інверсною заселеністю енергетичних рівнів, викликаючи якомога більше індукованих переходів.
Усі ці спеціальні прийоми було об'єднано в пристрої, який має назву лазер.
Лазер – прилад для отримання потужного електромагнітного випромінювання в оптичному діапазоні довжин хвиль шляхом індукованих переходів у квантовій системі.
Активне середовище – це речовини, в яких створено інверсну заселеність енергетичних рівнів атомів. У ролі активних середовищ використовують кристали діелектриків, напівпровідники, рідинні розчини органічних барвників, газові суміші. Іноді їх називають робочою речовиною лазера.
Застосування люмінесценції. Існує два напрямки застосування люмінесценції:
1. люмінесцентний аналіз – метод визначення різних речовин за характерним для них свіченням. Дає змогу виявити речовини масою 10-10 г.
Існують люмінесцентний макроаналіз (дає змогу виявляти різні речовини в макрооб'єктах) і мікроаналіз (використовують люмінесцентний мікроскоп. У такому мікроскопі є 2 світлофільтри, перший – виділяє від джерела світла лише синьо-фіолетове або УФ світло, яке змушує досліджувані об'єкти світитися, а другий – перед об'єктивом, пропускає лише люмінесцентне свічення, яке й бачить дослідник).
2. Створення освітлювальної та реєструвальної апаратури (лампи денного світла, екран осцилографа).
3. Лазери. Прикладом індукованого випромінювання може слугувати лазерне випромінювання. (Нагадаємо, що індуковане випромінювання – таке випромінювання ЕМ хвиль, яке виникає при вимушеному переході атома зі збудженого стану в основний).
Якщо на атом, що перебуває в збудженому стані, подіяти фотоном енергії, то він поглинутися атомом уже не зможе (немає рівнів, на які може перейти електрон). У такому разі енергія зовнішнього фотона призводить до вимушеного переходу електрона на нижній енергетичний рівень, який для цього електрона буде основним. При такому переході утворюється 2 фотони. При цьому фотон, який з'явився внаслідок індукованого переходу, є точною копією фотона, що ініціював перехід атома зі збудженого стану в основний. Він має ту саму енергію і той самий напрямок, що й вторинний фотон.
Зважаючи, що в речовині багато атомів, за допомогою спеціальних прийомів можна отримати лавину однакових вторинних фотонів, і цим процесом можна керувати.
Ці спеціальні прийоми такі: 1. необхідно, щоб якомога більше атомів у речовині перебували у збудженому стані (тобто із заповненням переважно вищих енергетичних рівнів). Речовину, в якій більшість атомів перебуває у збудженому стані, називають речовиною з інверсною заселеністю енергетичних рівнів. Інверсія в речовині досягається застосуванням 1. потужного зовнішнього джерела енергії.
2. Спеціальних речовин, для яких легше отримати інверсну заселеність енергетичних рівнів. В їхніх атомах є так звані метастабільні енергетичні рівні, які також є вищими щодо основних рівнів, проте час перебування на них електронів відносно великий (10-2 - 10-4 с). Можливість існування таких рівнів зумовлена тим, що перехід електрона з такого рівня в основний стан із випромінюванням фотона малоймовірний (заборонений правилами переходу).
3. Пристосування, яке забезпечить багаторазове проходження фотонів через речовину з інверсною заселеністю енергетичних рівнів, викликаючи якомога більше індукованих переходів.
Усі ці спеціальні прийоми було об'єднано в пристрої, який має назву лазер.
Лазер – прилад для отримання потужного електромагнітного випромінювання в оптичному діапазоні довжин хвиль шляхом індукованих переходів у квантовій системі.
Активне середовище – це речовини, в яких створено інверсну заселеність енергетичних рівнів атомів. У ролі активних середовищ використовують кристали діелектриків, напівпровідники, рідинні розчини органічних барвників, газові суміші. Іноді їх називають робочою речовиною лазера.
Зображення
Інверсний стан речовини активного середовища створюють 2 шляхами. Перший з них – використовують речовини, атомам яких притаманні метастабільні рівні (це сприяє накопиченню електронів на цьому рівні). Другий – за допомогою зовнішніх факторів забезпечити максимальний перехід атомів на вищі енергетичні рівні.
Збудження активного середовища називають накачуванням (найчастіше оптичне накачування спеціальною газорозрядною лампою або за допомогою газового електричного розряду). Накачування забезпечує інверсну заселеність атомів і появу первинних фотонів. Внаслідок спонтанних переходів електронів на нижчі енергетичні рівні з'являються первинні фотони, під дією яких утворюються вторинні.
Оптичний резонатор – система з 2 дзеркал, що мають спільну оптичну вісь, яка слугує для фокусування вторинних фотонів. Для цього активне середовище поміщають між дзеркалами резонатора. Фотони рухаються вздовж його осі, багаторазово перетинаючи активне середовище внаслідок багаторазового відбиття від дзеркал. При цьому вони призводять до появи дедалі більшого числа індукованих фотонів і утворення інтенсивного, вузько спрямованого потоку фотонів (світлового променя), який при певній потужності пучка виходить із резонатора.
Шляхом зміни довжини резонатора та коефіцієнта відбиття дзеркал забезпечується отримання монохроматичного світлового випромінювання.
Залежно від природи активного середовища розрізняють такі типи лазерів: кристалічні, рідинні, напівпровідникові, хімічні, газові.
За режимом роботи: імпульсні та безперервної дії. Відрізняються також за формою, зовнішнім виглядом, розмірами, системою накачування тощо.
Прототип першого лазера було створено в 1954 році радянськими вченими Прохоровим, Басовим та американським ученим Таунсом. Активним середовищем був аміак. За це вони отримали в 1964 році Нобелівську премію.
У 1960 році запрацював перший рубіновий оптичний квантовий генератор. У ролі активного середовища використовувався рубін – оксид алюмінію з невеликими домішками хрому, які є активними елементами. Накачування здійснювалося за допомогою світла потужної імпульсної ксенонової лампи. Такий лазер випромінює червоне світло з λ = 0,69 мкм в імпульсному режимі.
Газові лазери використовуються найчастіше. Активне середовище – газ або суміш газів. До цього типу також належать лазери на парах металів - Pb, Cu, Au, Cr, Mn. Накачування здійснюється за допомогою електричного розряду та хімічних реакцій. Типовим представником газових лазерів є – гелій-неоновий лазер. (1960 р.)
Основний структурний елемент такого лазера– газорозрядна трубка з кварцу, заповнена гелієм і неоном у співвідношенні 10:1 та має 2 упаяні електроди, до яких під'єднано блок живлення. Резонатором слугують напівпрозоре плоске дзеркало та сферичне дзеркало. Накачування здійснюється електричним розрядом.
Вибір суміші гелію та неону зумовлений тим, що збуджені енергетичні рівні атомів гелію (E12, E13) близькі до основних, але вищих енергетичних рівнів неону (E4, E5) і наявністю в неону метастабільних рівнів.
Збудження активного середовища називають накачуванням (найчастіше оптичне накачування спеціальною газорозрядною лампою або за допомогою газового електричного розряду). Накачування забезпечує інверсну заселеність атомів і появу первинних фотонів. Внаслідок спонтанних переходів електронів на нижчі енергетичні рівні з'являються первинні фотони, під дією яких утворюються вторинні.
Оптичний резонатор – система з 2 дзеркал, що мають спільну оптичну вісь, яка слугує для фокусування вторинних фотонів. Для цього активне середовище поміщають між дзеркалами резонатора. Фотони рухаються вздовж його осі, багаторазово перетинаючи активне середовище внаслідок багаторазового відбиття від дзеркал. При цьому вони призводять до появи дедалі більшого числа індукованих фотонів і утворення інтенсивного, вузько спрямованого потоку фотонів (світлового променя), який при певній потужності пучка виходить із резонатора.
Шляхом зміни довжини резонатора та коефіцієнта відбиття дзеркал забезпечується отримання монохроматичного світлового випромінювання.
Залежно від природи активного середовища розрізняють такі типи лазерів: кристалічні, рідинні, напівпровідникові, хімічні, газові.
За режимом роботи: імпульсні та безперервної дії. Відрізняються також за формою, зовнішнім виглядом, розмірами, системою накачування тощо.
Прототип першого лазера було створено в 1954 році радянськими вченими Прохоровим, Басовим та американським ученим Таунсом. Активним середовищем був аміак. За це вони отримали в 1964 році Нобелівську премію.
У 1960 році запрацював перший рубіновий оптичний квантовий генератор. У ролі активного середовища використовувався рубін – оксид алюмінію з невеликими домішками хрому, які є активними елементами. Накачування здійснювалося за допомогою світла потужної імпульсної ксенонової лампи. Такий лазер випромінює червоне світло з λ = 0,69 мкм в імпульсному режимі.
Газові лазери використовуються найчастіше. Активне середовище – газ або суміш газів. До цього типу також належать лазери на парах металів - Pb, Cu, Au, Cr, Mn. Накачування здійснюється за допомогою електричного розряду та хімічних реакцій. Типовим представником газових лазерів є – гелій-неоновий лазер. (1960 р.)
Основний структурний елемент такого лазера– газорозрядна трубка з кварцу, заповнена гелієм і неоном у співвідношенні 10:1 та має 2 упаяні електроди, до яких під'єднано блок живлення. Резонатором слугують напівпрозоре плоске дзеркало та сферичне дзеркало. Накачування здійснюється електричним розрядом.
Вибір суміші гелію та неону зумовлений тим, що збуджені енергетичні рівні атомів гелію (E12, E13) близькі до основних, але вищих енергетичних рівнів неону (E4, E5) і наявністю в неону метастабільних рівнів.
Зображення
Співвідношення атомів гелію та неону підібрано так, щоб забезпечити інверсну заселеність атомів неону (активної речовини), тобто гелій є допоміжною речовиною.
При вмиканні джерела живлення в лазері відбувається електричний розряд, і газова суміш іонізується. Електрони, які при цьому з'являються, прискорюються електричним полем. Коли на своєму шляху вони зустрічають нові молекули, то передають їм енергію внаслідок електронного удару. У результаті цього електрони атомів гелію та неону переходять на високі енергетичні рівні. Крім того, електрони атомів неону переходять на вищі енергетичні рівні під дією непружних зіткнень з атомами гелію. Оскільки атоми гелію втрачають енергію, то переходять в основний стан без випромінювання енергії. Цей процес називають резонансною передачею енергії, і він можливий унаслідок збігу енергетичних рівнів підібраних атомів.
Також необхідне постійне розвантаження рівня , що досягається добором діаметра газорозрядної трубки, при якому електрони, розташовані на цьому рівні, передавали б енергію стінкам, а самі безвипромінювально переходили б на нижчі енергетичні рівні.
В атомі неону існують три робочі переходи: з рівня 5 на 3 (λ = 0,63 мкм, з 5 на нестійкий проміжний (між 5 і 4) рівень 6 ( λ = 3,39 мкм і з 4 на 3 (λ = 1,15 мкм). Шляхом підбору резонаторів підсилюють лише червоний колір (λ = 0,63 мкм), а інфрачервоні промені розсіюють.
Основні властивості лазерного випромінювання: когерентність, монохроматичність, поляризованість (кут Брюстера), висока потужність (при безперервній генерації – від 10-3 до 600кВт, при імпульсному режимі - від 108 до 1012Вт), вузька спрямованість пучка.
4. Первинні механізми та біологічна дія лазерного випромінювання.
Під біологічною дією розуміють сукупність структурних, функціональних, біофізичних і біохімічних змін, які виникають в організмі під дією лазерних променів.
Відповідно до законів квантової оптики на атомно-молекулярному рівні відбуваються: поглинання світла; виникнення внутрішнього фотоефекту, електрична дисоціація іонів, збудження атомів і молекул, міграція енергії збудження; поява первинних фотопродуктів.
На клітинному рівні: зміна активності клітинних мембран; активація ядерного апарату клітин і систем ДНК-РНК-білок; активація окисно-відновних реакцій, процесів фотосинтезу та різних ферментативних систем, посилення утворення макроергів – АТФ, посилення мітотичної активності клітин і активація їх проліферації.
На тканинному (організменному) рівні: зниження рецепторної чутливості, зниження тривалості фаз запального процесу, набряку й напруження тканин; посилення поглинання тканинами кисню, збільшення швидкості кровотоку, збільшення числа колатералей, що функціонують, активація транспорту речовин через судинну стінку.
Найчутливішими до дії ЛВ є мембрани клітин. Під впливом червоного кольору виявлено зміни проникності мембран для потенціалоутворювальних іонів, зміну ліпідного складу мембран, концентрації універсального регулятора клітинного метаболізму – цАМФ, числа рецепторів лімфоцитів тощо.
Біологічна дія залежить від поглиненої дози лазерного випромінювання, яка, у свою чергу, залежить від 1). умов застосування (інтенсивності, частоти, спектрального складу, режиму - імпульсного чи безперервного – імпульсний режим частіше характеризується механічною дією, а безперервний - тепловою, когерентності, монохроматичності, поляризованості) та 2). біофізичних особливостей тканини (відбивної та поглинальної здатності, теплоємності, акустичних і механічних властивостей). Найчастіше поглинається на глибині 2мм.
Дію будь-якого випромінювання на організм залежно від поглиненої дози можна подати таким чином:
1. високі дози - руйнівна дія; 2. середні дози – пригнічувальна дія; 3. малі дози – стимулювальна дія, 4. Дуже малі – відсутність дії.
Тому застосування має ґрунтуватися на таких основних принципах: 1. раціональний підбір потужності випромінювання залежно від завдань (достатність дії). 2. вибір раціонального способу впливу (застосовують такі способи: контактний, дистанційний, внутрішньосудинний, внутрішньопорожнинний, внутрішньоорганний для органів із порожнинами та для патологічних порожнин). 3. індивідуалізація (враховувати особливості пацієнта, зокрема ступінь пігментації його шкіри).
Лазерна діагностика: для діагностики використовуються ефекти дуже слабкого лазерного випромінювання. Ґрунтується на реєстрації слабких вторинних випромінювань, які виникають у тканинах під дією ЛВ. Наприклад, якщо у вену ввести гематопорфірин (фотосенсибілізатор), то через кілька днів здорові клітини від нього звільняються, а пухлинні – накопичують. Якщо на тканину подіяти синім ЛВ, то пухлина починає світитися.
Ангіоскопія для діагностики атеросклеротичного ураження судин. Бляшки містять забарвлені речовини – каротиноїди, під дією ЛВ вони флуоресціюють. У стоматології – для діагностики тріщин емалі зубів.
Отримання голографічних зображень внутрішніх органів, сформованих відбиттям лазерних променів з використанням світловодів.
Терапія: Дуже цінні властивості ЛВ для терапії та хірургії – дозованість і локальність дії ЛВ.
Використовують низькоінтенсивне ЛВ (0,1-1 Вт/см2).
Таке ЛВ має протизапальну, нормалізувальну мікроциркуляцію, протинабрякову, тромболітичну, аналгетичну, десенсибілізувальну дію. Також лазерне випромінювання сприяє збільшенню рівня кисню в тканинах, стимуляції регенерації тканин, посиленню метаболізму, імунологічних процесів.
Найчастіше застосовують у комплексі з іншими методами терапії. Наприклад, у поєднанні з лікарськими препаратами ЛВ дає змогу знизити дози ліків, оскільки саме діє на стимуляцію клітинних процесів + концентрують ліки в хворій зоні (імовірно за рахунок поліпшення мікроциркуляції в органі). Вважають найефективнішою дію на БАТ (з урахуванням власної частоти коливань біологічних структур. Наприклад, для терапії органів кровообігу необхідно використовувати імпульсний режим із частотою серцевих скорочень, а для купірування болю – 20000Гц тощо.)
Магнітолазеротерапія застосовується для лікування опіків, стенокардії.
Лазерна хірургія. При інтенсивності ЛВ, що дорівнює 5-10 Вт/см2, більша частина енергії ЛВ перетворюється на теплову. Нагрівання тканини від 37 до 600 не спричиняє структурних змін у тканині, від 60 до 100 - призводить до фотокоагуляції, закипання води, переходу її в пару та розриву клітини. Після перевищення температури 300-4000 тканина чорніє, обвуглюється і починає димити. Понад 500 – тканина горить і випаровується (фотоабляція, фоторуйнування).
Нагрівання матеріалу відбувається швидко, тепло не передається на сусідні ділянки і концентрується в зоні опромінення. Це дає змогу використовувати вибухову хвилю для руйнування пухлин. Найбільше руйнуються пігментовані клітини, оскільки характеризуються максимальним коефіцієнтом поглинання. Тому часто в патологічні тканини перед їх руйнуванням уводять барвники, що збільшують поглинальну здатність цих тканин.
Часто використовують світловоди, які дають змогу робити операції за допомогою лазерів без розрізу.
Лазерний скальпель:
1. безкровний розріз через фотокоагуляцію;
2. надійність у роботі (не зламається об кісточку).
3. прозорий, що розширює поле зору хірурга,
4. абсолютна стерильність (промінь + убиває мікроби внаслідок високої температури).
5. локальність.
6. аналгетичний ефект. Рана швидко загоюється. Особливо застосовують в офтальмології – лазерна мікрохірургія ока (приварюють відшаровану сітківку, руйнують внутрішньоочні пухлини, глаукому, забезпечуючи відтік внутрішньоочної рідини через мікроотвір).
5. Радіоспектроскопія. ЕПР. ЯМР. ЯМР-томографія.
Індуковані випромінювання також можуть виникати при переході електронів між енергетичними підрівнями, а також мікрочастинками ядер (протонами, нейтронами) між їхніми енергетичними рівнями. Для того щоб здійснити такі переходи, необхідно:
1. створити в атомах ці енергетичні підрівні;
2. викликати перехід мікрочастинок з нижніх енергетичних підрівнів на вищі підрівні.
З вищих підрівнів мікрочастинки можуть переходити в основний стан мимовільно з випромінюванням енергії, кількість якої дорівнює різниці енергії між підрівнями. Проте індукований перехід супроводжуватиметься потужнішим випромінюванням, оскільки випромінювані фотони однаково спрямовані і їх випромінювання відбувається одночасно. Тому можливий наступний крок:
3. викликати зворотний перехід мікрочастинок на основний енергетичний рівень.
Енергетичні підрівні електронів в атомах отримують поміщенням їх у постійне магнітне поле. При цьому відбувається так зване розщеплення Зеємана. Розщеплюються на підрівні енергетичні рівні лише тих електронів, які мають власний магнітний момент. Різниця енергій між підрівнями: ΔE = gμБB→ , де g множник Ланде (для кожного виду атомів свій), μБ - магнетон Бора (μБ = eh/(4πm)), B→ - магнітна індукція зовнішнього магнітного поля.
Перехід електронів з основного підрівня у звичайному стані малоймовірний. Для того щоб він відбувся, на атом із розщепленими підрівнями діють змінним електромагнітним полем радіодіапазону, спрямованим перпендикулярно щодо постійного магнітного поля. Такий діапазон частот зумовлений величиною різниці енергій між підрівнями. Він перебуває в радіодіапазоні. Причому для кожного виду атомів ця частота має своє значення. Воно має збігатися з частотою енергії переходу і тому називається резонансною частотою. Отже: ω = gE.
Те, що було вище сказано про електрони, характерне і для мікрочастинок ядра. Різниця полягає в тому, що саме мікрочастинки ядра повинні мати власний магнітний момент (це буває в ядрах з непарним числом протонів, нейтронів або протонів і нейтронів. Ядра з парним числом протонів і нейтронів магнітного моменту не мають), різниця енергій між підрівнями обчислюється за формулою: ΔE = gμЯB→ , ця різниця значно менша, ніж різниця для електронів, відповідно частота змінного електромагнітного поля, яке викликатиме переходи між підрівнями, хоча й перебуває в радіодіапазоні, але менша за величиною (для протонів близько 43 МГц).
Зазначені явища для електронів та ядер називаються відповідно:
Електронний парамагнітний резонанс – явище вибіркового (резонансного) поглинання атомами парамагнетиків, електрони яких мають власний магнітний момент і перебувають у постійному магнітному полі, енергії змінного електромагнітного поля радіочастотного діапазону.
Ядерний магнітний резонанс – явище вибіркового (резонансного) поглинання атомами, ядра яких мають власний магнітний момент і перебувають у постійному магнітному полі, енергії змінного електромагнітного поля радіочастотного діапазону.
Зазначені процеси (пов'язані з вимушеними переходами мікрочастинок між енергетичними рівнями, викликаними електромагнітним випромінюванням радіодіапазону) розглядаються в галузі фізики, яка називається радіоспектроскопією.
Для того щоб здійснити радіоспектроскопію, використовують радіоспектрометр. Досліджувану речовину поміщають між полюсами постійного магніту (досягають розщеплення рівнів на підрівні). Потім діють змінним електромагнітним полем радіодіапазону, плавно змінюючи його частоту. Реєструють інтенсивність змінного електромагнітного випромінювання радіодіапазону, що пройшло через речовину, яке пройшло через речовину. На резонансній частоті інтенсивність такого випромінювання падає, оскільки ці хвилі поглинаються, забезпечуючи перехід електрона на вищий підрівень.
Резонансна частота залежить, насамперед, від виду атомів, з яких складається речовина, а також від кількості та виду атомів, з якими даний атом зв'язаний у складну сполуку, оскільки атоми в речовині взаємодіють між собою електричними та магнітними полями. Тому за допомогою радіоспектроскопії за спектрами поглинання радіохвиль можна досліджувати якісно і кількісно хімічний склад речовин. Зокрема, метод електронного парамагнітного резонансу та ядерного магнітного резонансу відіграв велику роль у вивченні хімічного складу та біофізичних особливостей нативних біомембран, оскільки для цього мембрану не треба руйнувати, а достатньо ввести парамагнітну мітку до складу білків і ліпідів.
За допомогою методу ЕПР уперше було досліджено механізми дії іонізувальних (радіоактивних) випромінювань на живі організми. Вивчаючи магнітне поле, ми з Вами з'ясували, що живі організми складаються здебільшого з діамагнетиків. Тобто ці речовини не поглинатимуть електромагнітне випромінювання радіодіапазону, що використовується в ЕПР. Під дією радіації відбувається утворення збуджених молекул, іонів і вільних радикалів, які мають парамагнітні властивості. У результаті для їх якісного і кількісного вивчення можливе застосування методу ЕПР.
Особливого значення набув метод ЯМР у медицині. У 1952 р. Перселл і Блох отримали Нобелівську премію з медицини, створивши перший ЯМР - томограф. ЯМР томографія - це неінвазивний діагностичний метод дослідження внутрішнього стану організму, що ґрунтується на явищі ядерного магнітного резонансу. Основним сигналом при цьому є, здебільшого, протонний резонанс молекул води, вміст якої в організмі найбільший. Також діагностичною ознакою є час згасання сигналу внаслідок процесів релаксації. В останні роки запропоновано називати метод просто магнітно-резонансною томографією, щоб не травмувати психіку пацієнта словом «ядерний».
Суть методу така сама, як в ЯМР-радіоспектроскопії. Тіло пацієнта поміщають у постійне магнітне поле (розщеплення енергетичних підрівнів). Діють змінним електромагнітним випромінюванням (вимушений перехід протонів ядер на вищі енергетичні рівні). Але відмінність у тому, що аналізують спектри випромінювання, які виникають при переході з вищих енергетичних рівнів на нижчі, причому, щоб отримати потужний сигнал випромінювання, напрямок постійного поля змінюють на протилежний. У такому разі протонами синхронно випромінюється енергія переходу, що сприяє формуванню потужнішого сигналу.
У різних тканинах вміст води неоднаковий. Тому й сигнал, який реєструватиметься від них, буде різним за інтенсивністю. Так, повітря і тверді тканини не дають ЯМР-сигналу (тому кістки, легені, просвіт кишківника та ін. виглядатимуть на томограмах темними), а м'які тканини залежно від вмісту води – більш або менш світлими. Це дає змогу отримувати контрастні зображення структури внутрішніх органів.
В ЯМР томографії отримують зображення поперечних перерізів тіла людини із заданим кроком вимірювань. Щоб сформувати зображення одного поперечного перерізу, здійснюють накопичення ЯМР сигналів від даного шару, отриманих під різними кутами щодо випромінювача-приймача ЕМ хвиль. Потім відповідні комп'ютерні програми інтегрують їх, формуючи одне зображення. У результаті такий метод має високу роздільну здатність.
Переваги:
1). неінвазивний;
2). безпечний, оскільки не застосовується радіоактивне випромінювання. Тому можна багаторазово досліджувати стан дітей та інших вікових груп, а також вагітних, спостерігаючи динаміку стану в часі або одужання в процесі терапії.
3). висока роздільна здатність (особливо при використанні контрастних речовин).
Недоліки:
1. не можна застосовувати, якщо в організмі є феромагнетики (в т.ч. кардіостимулятори, хірургічні затискачі, металеві пломби), що може спотворити ЯМР-сигнали або спричинити порушення стану пацієнта.
При вмиканні джерела живлення в лазері відбувається електричний розряд, і газова суміш іонізується. Електрони, які при цьому з'являються, прискорюються електричним полем. Коли на своєму шляху вони зустрічають нові молекули, то передають їм енергію внаслідок електронного удару. У результаті цього електрони атомів гелію та неону переходять на високі енергетичні рівні. Крім того, електрони атомів неону переходять на вищі енергетичні рівні під дією непружних зіткнень з атомами гелію. Оскільки атоми гелію втрачають енергію, то переходять в основний стан без випромінювання енергії. Цей процес називають резонансною передачею енергії, і він можливий унаслідок збігу енергетичних рівнів підібраних атомів.
Також необхідне постійне розвантаження рівня , що досягається добором діаметра газорозрядної трубки, при якому електрони, розташовані на цьому рівні, передавали б енергію стінкам, а самі безвипромінювально переходили б на нижчі енергетичні рівні.
В атомі неону існують три робочі переходи: з рівня 5 на 3 (λ = 0,63 мкм, з 5 на нестійкий проміжний (між 5 і 4) рівень 6 ( λ = 3,39 мкм і з 4 на 3 (λ = 1,15 мкм). Шляхом підбору резонаторів підсилюють лише червоний колір (λ = 0,63 мкм), а інфрачервоні промені розсіюють.
Основні властивості лазерного випромінювання: когерентність, монохроматичність, поляризованість (кут Брюстера), висока потужність (при безперервній генерації – від 10-3 до 600кВт, при імпульсному режимі - від 108 до 1012Вт), вузька спрямованість пучка.
4. Первинні механізми та біологічна дія лазерного випромінювання.
Під біологічною дією розуміють сукупність структурних, функціональних, біофізичних і біохімічних змін, які виникають в організмі під дією лазерних променів.
Відповідно до законів квантової оптики на атомно-молекулярному рівні відбуваються: поглинання світла; виникнення внутрішнього фотоефекту, електрична дисоціація іонів, збудження атомів і молекул, міграція енергії збудження; поява первинних фотопродуктів.
На клітинному рівні: зміна активності клітинних мембран; активація ядерного апарату клітин і систем ДНК-РНК-білок; активація окисно-відновних реакцій, процесів фотосинтезу та різних ферментативних систем, посилення утворення макроергів – АТФ, посилення мітотичної активності клітин і активація їх проліферації.
На тканинному (організменному) рівні: зниження рецепторної чутливості, зниження тривалості фаз запального процесу, набряку й напруження тканин; посилення поглинання тканинами кисню, збільшення швидкості кровотоку, збільшення числа колатералей, що функціонують, активація транспорту речовин через судинну стінку.
Найчутливішими до дії ЛВ є мембрани клітин. Під впливом червоного кольору виявлено зміни проникності мембран для потенціалоутворювальних іонів, зміну ліпідного складу мембран, концентрації універсального регулятора клітинного метаболізму – цАМФ, числа рецепторів лімфоцитів тощо.
Біологічна дія залежить від поглиненої дози лазерного випромінювання, яка, у свою чергу, залежить від 1). умов застосування (інтенсивності, частоти, спектрального складу, режиму - імпульсного чи безперервного – імпульсний режим частіше характеризується механічною дією, а безперервний - тепловою, когерентності, монохроматичності, поляризованості) та 2). біофізичних особливостей тканини (відбивної та поглинальної здатності, теплоємності, акустичних і механічних властивостей). Найчастіше поглинається на глибині 2мм.
Дію будь-якого випромінювання на організм залежно від поглиненої дози можна подати таким чином:
1. високі дози - руйнівна дія; 2. середні дози – пригнічувальна дія; 3. малі дози – стимулювальна дія, 4. Дуже малі – відсутність дії.
Тому застосування має ґрунтуватися на таких основних принципах: 1. раціональний підбір потужності випромінювання залежно від завдань (достатність дії). 2. вибір раціонального способу впливу (застосовують такі способи: контактний, дистанційний, внутрішньосудинний, внутрішньопорожнинний, внутрішньоорганний для органів із порожнинами та для патологічних порожнин). 3. індивідуалізація (враховувати особливості пацієнта, зокрема ступінь пігментації його шкіри).
Лазерна діагностика: для діагностики використовуються ефекти дуже слабкого лазерного випромінювання. Ґрунтується на реєстрації слабких вторинних випромінювань, які виникають у тканинах під дією ЛВ. Наприклад, якщо у вену ввести гематопорфірин (фотосенсибілізатор), то через кілька днів здорові клітини від нього звільняються, а пухлинні – накопичують. Якщо на тканину подіяти синім ЛВ, то пухлина починає світитися.
Ангіоскопія для діагностики атеросклеротичного ураження судин. Бляшки містять забарвлені речовини – каротиноїди, під дією ЛВ вони флуоресціюють. У стоматології – для діагностики тріщин емалі зубів.
Отримання голографічних зображень внутрішніх органів, сформованих відбиттям лазерних променів з використанням світловодів.
Терапія: Дуже цінні властивості ЛВ для терапії та хірургії – дозованість і локальність дії ЛВ.
Використовують низькоінтенсивне ЛВ (0,1-1 Вт/см2).
Таке ЛВ має протизапальну, нормалізувальну мікроциркуляцію, протинабрякову, тромболітичну, аналгетичну, десенсибілізувальну дію. Також лазерне випромінювання сприяє збільшенню рівня кисню в тканинах, стимуляції регенерації тканин, посиленню метаболізму, імунологічних процесів.
Найчастіше застосовують у комплексі з іншими методами терапії. Наприклад, у поєднанні з лікарськими препаратами ЛВ дає змогу знизити дози ліків, оскільки саме діє на стимуляцію клітинних процесів + концентрують ліки в хворій зоні (імовірно за рахунок поліпшення мікроциркуляції в органі). Вважають найефективнішою дію на БАТ (з урахуванням власної частоти коливань біологічних структур. Наприклад, для терапії органів кровообігу необхідно використовувати імпульсний режим із частотою серцевих скорочень, а для купірування болю – 20000Гц тощо.)
Магнітолазеротерапія застосовується для лікування опіків, стенокардії.
Лазерна хірургія. При інтенсивності ЛВ, що дорівнює 5-10 Вт/см2, більша частина енергії ЛВ перетворюється на теплову. Нагрівання тканини від 37 до 600 не спричиняє структурних змін у тканині, від 60 до 100 - призводить до фотокоагуляції, закипання води, переходу її в пару та розриву клітини. Після перевищення температури 300-4000 тканина чорніє, обвуглюється і починає димити. Понад 500 – тканина горить і випаровується (фотоабляція, фоторуйнування).
Нагрівання матеріалу відбувається швидко, тепло не передається на сусідні ділянки і концентрується в зоні опромінення. Це дає змогу використовувати вибухову хвилю для руйнування пухлин. Найбільше руйнуються пігментовані клітини, оскільки характеризуються максимальним коефіцієнтом поглинання. Тому часто в патологічні тканини перед їх руйнуванням уводять барвники, що збільшують поглинальну здатність цих тканин.
Часто використовують світловоди, які дають змогу робити операції за допомогою лазерів без розрізу.
Лазерний скальпель:
1. безкровний розріз через фотокоагуляцію;
2. надійність у роботі (не зламається об кісточку).
3. прозорий, що розширює поле зору хірурга,
4. абсолютна стерильність (промінь + убиває мікроби внаслідок високої температури).
5. локальність.
6. аналгетичний ефект. Рана швидко загоюється. Особливо застосовують в офтальмології – лазерна мікрохірургія ока (приварюють відшаровану сітківку, руйнують внутрішньоочні пухлини, глаукому, забезпечуючи відтік внутрішньоочної рідини через мікроотвір).
5. Радіоспектроскопія. ЕПР. ЯМР. ЯМР-томографія.
Індуковані випромінювання також можуть виникати при переході електронів між енергетичними підрівнями, а також мікрочастинками ядер (протонами, нейтронами) між їхніми енергетичними рівнями. Для того щоб здійснити такі переходи, необхідно:
1. створити в атомах ці енергетичні підрівні;
2. викликати перехід мікрочастинок з нижніх енергетичних підрівнів на вищі підрівні.
З вищих підрівнів мікрочастинки можуть переходити в основний стан мимовільно з випромінюванням енергії, кількість якої дорівнює різниці енергії між підрівнями. Проте індукований перехід супроводжуватиметься потужнішим випромінюванням, оскільки випромінювані фотони однаково спрямовані і їх випромінювання відбувається одночасно. Тому можливий наступний крок:
3. викликати зворотний перехід мікрочастинок на основний енергетичний рівень.
Енергетичні підрівні електронів в атомах отримують поміщенням їх у постійне магнітне поле. При цьому відбувається так зване розщеплення Зеємана. Розщеплюються на підрівні енергетичні рівні лише тих електронів, які мають власний магнітний момент. Різниця енергій між підрівнями: ΔE = gμБB→ , де g множник Ланде (для кожного виду атомів свій), μБ - магнетон Бора (μБ = eh/(4πm)), B→ - магнітна індукція зовнішнього магнітного поля.
Перехід електронів з основного підрівня у звичайному стані малоймовірний. Для того щоб він відбувся, на атом із розщепленими підрівнями діють змінним електромагнітним полем радіодіапазону, спрямованим перпендикулярно щодо постійного магнітного поля. Такий діапазон частот зумовлений величиною різниці енергій між підрівнями. Він перебуває в радіодіапазоні. Причому для кожного виду атомів ця частота має своє значення. Воно має збігатися з частотою енергії переходу і тому називається резонансною частотою. Отже: ω = gE.
Те, що було вище сказано про електрони, характерне і для мікрочастинок ядра. Різниця полягає в тому, що саме мікрочастинки ядра повинні мати власний магнітний момент (це буває в ядрах з непарним числом протонів, нейтронів або протонів і нейтронів. Ядра з парним числом протонів і нейтронів магнітного моменту не мають), різниця енергій між підрівнями обчислюється за формулою: ΔE = gμЯB→ , ця різниця значно менша, ніж різниця для електронів, відповідно частота змінного електромагнітного поля, яке викликатиме переходи між підрівнями, хоча й перебуває в радіодіапазоні, але менша за величиною (для протонів близько 43 МГц).
Зазначені явища для електронів та ядер називаються відповідно:
Електронний парамагнітний резонанс – явище вибіркового (резонансного) поглинання атомами парамагнетиків, електрони яких мають власний магнітний момент і перебувають у постійному магнітному полі, енергії змінного електромагнітного поля радіочастотного діапазону.
Ядерний магнітний резонанс – явище вибіркового (резонансного) поглинання атомами, ядра яких мають власний магнітний момент і перебувають у постійному магнітному полі, енергії змінного електромагнітного поля радіочастотного діапазону.
Зазначені процеси (пов'язані з вимушеними переходами мікрочастинок між енергетичними рівнями, викликаними електромагнітним випромінюванням радіодіапазону) розглядаються в галузі фізики, яка називається радіоспектроскопією.
Для того щоб здійснити радіоспектроскопію, використовують радіоспектрометр. Досліджувану речовину поміщають між полюсами постійного магніту (досягають розщеплення рівнів на підрівні). Потім діють змінним електромагнітним полем радіодіапазону, плавно змінюючи його частоту. Реєструють інтенсивність змінного електромагнітного випромінювання радіодіапазону, що пройшло через речовину, яке пройшло через речовину. На резонансній частоті інтенсивність такого випромінювання падає, оскільки ці хвилі поглинаються, забезпечуючи перехід електрона на вищий підрівень.
Резонансна частота залежить, насамперед, від виду атомів, з яких складається речовина, а також від кількості та виду атомів, з якими даний атом зв'язаний у складну сполуку, оскільки атоми в речовині взаємодіють між собою електричними та магнітними полями. Тому за допомогою радіоспектроскопії за спектрами поглинання радіохвиль можна досліджувати якісно і кількісно хімічний склад речовин. Зокрема, метод електронного парамагнітного резонансу та ядерного магнітного резонансу відіграв велику роль у вивченні хімічного складу та біофізичних особливостей нативних біомембран, оскільки для цього мембрану не треба руйнувати, а достатньо ввести парамагнітну мітку до складу білків і ліпідів.
За допомогою методу ЕПР уперше було досліджено механізми дії іонізувальних (радіоактивних) випромінювань на живі організми. Вивчаючи магнітне поле, ми з Вами з'ясували, що живі організми складаються здебільшого з діамагнетиків. Тобто ці речовини не поглинатимуть електромагнітне випромінювання радіодіапазону, що використовується в ЕПР. Під дією радіації відбувається утворення збуджених молекул, іонів і вільних радикалів, які мають парамагнітні властивості. У результаті для їх якісного і кількісного вивчення можливе застосування методу ЕПР.
Особливого значення набув метод ЯМР у медицині. У 1952 р. Перселл і Блох отримали Нобелівську премію з медицини, створивши перший ЯМР - томограф. ЯМР томографія - це неінвазивний діагностичний метод дослідження внутрішнього стану організму, що ґрунтується на явищі ядерного магнітного резонансу. Основним сигналом при цьому є, здебільшого, протонний резонанс молекул води, вміст якої в організмі найбільший. Також діагностичною ознакою є час згасання сигналу внаслідок процесів релаксації. В останні роки запропоновано називати метод просто магнітно-резонансною томографією, щоб не травмувати психіку пацієнта словом «ядерний».
Суть методу така сама, як в ЯМР-радіоспектроскопії. Тіло пацієнта поміщають у постійне магнітне поле (розщеплення енергетичних підрівнів). Діють змінним електромагнітним випромінюванням (вимушений перехід протонів ядер на вищі енергетичні рівні). Але відмінність у тому, що аналізують спектри випромінювання, які виникають при переході з вищих енергетичних рівнів на нижчі, причому, щоб отримати потужний сигнал випромінювання, напрямок постійного поля змінюють на протилежний. У такому разі протонами синхронно випромінюється енергія переходу, що сприяє формуванню потужнішого сигналу.
У різних тканинах вміст води неоднаковий. Тому й сигнал, який реєструватиметься від них, буде різним за інтенсивністю. Так, повітря і тверді тканини не дають ЯМР-сигналу (тому кістки, легені, просвіт кишківника та ін. виглядатимуть на томограмах темними), а м'які тканини залежно від вмісту води – більш або менш світлими. Це дає змогу отримувати контрастні зображення структури внутрішніх органів.
В ЯМР томографії отримують зображення поперечних перерізів тіла людини із заданим кроком вимірювань. Щоб сформувати зображення одного поперечного перерізу, здійснюють накопичення ЯМР сигналів від даного шару, отриманих під різними кутами щодо випромінювача-приймача ЕМ хвиль. Потім відповідні комп'ютерні програми інтегрують їх, формуючи одне зображення. У результаті такий метод має високу роздільну здатність.
Переваги:
1). неінвазивний;
2). безпечний, оскільки не застосовується радіоактивне випромінювання. Тому можна багаторазово досліджувати стан дітей та інших вікових груп, а також вагітних, спостерігаючи динаміку стану в часі або одужання в процесі терапії.
3). висока роздільна здатність (особливо при використанні контрастних речовин).
Недоліки:
1. не можна застосовувати, якщо в організмі є феромагнетики (в т.ч. кардіостимулятори, хірургічні затискачі, металеві пломби), що може спотворити ЯМР-сигнали або спричинити порушення стану пацієнта.