Тепловий вплив лазерного випромінювання. Реакція біотканини на температуру

В залежності від потужності, лазерне випромінювання може викликати три різні ефекти в біологічній тканині. При малій і середній потужності будуть відбуватися хімічні та метаболічні реакції в клітинах тканини (біостимуляційні процеси). З ростом потужності випромінювання виникає термічний ефект, який широко використовують у хірургії для термічного випаровування тканини (лазер СО , імпульсний режим ІАГ:Nd) чи коагуляції (аргоновий лазер, постійний режим ІАГ:Nd). При екстремально високій потужності у випадку короткотривалих імпульсів тканина підлягає "мікровибуху" перед її термічним розкладом (ексимерні і барвникові лазери, ІАГ:Nd в режимі модульованої добротності).

Отже розрізняють три групи фотобіологічних ефектів при взаємодії лазерного випромінювання з біотканиною:

1) фотобіохімічні ефекти; 2) фототермічні ефекти; 3) фотоіонізаційні ефекти;

Розглянемо другу групу фотобіологічних ефектів. Друга група – термічні ефекти. Оптичне випромінювання перетворюється в тепло і викликає коагуляцію, випаровування або карбонізацію (обвуглення), в залежності від викликаної в тканині температури.

Під біостимуляційними ефектами розуміють такі, які, внаслідок освітлення лазерним випромінюванням, не викликають зростання місцевої температури тканини більше ніж на 1^оС. Ці ефекти спостерігаються у випадку освітлення лазерами малої і середньої потужності. Найбільшого зростання місцевої температури до 1.1^оС досягли при освітленні випромінюванням з довжиною хвилі 830 нм потужністю 60 мВт на протягом 4 хв.

З ростом потужності випромінювання більше ніж 60 мВт з’являється ефект дальшого невеликого росту температури, а з ним – явище термічної біостимуляції. Температура тканини, однак, і тоді не перевищує 42^оС. Рекомендовано в лазеротерапії не перевищувати постійну або середню потужність більше ніж 60 мВт.

Нагріваючи тканину світлом лазера до температури понад 60^оС на протязі кількох секунд, досягнуто ефекту коагуляції, тобто денатурація білка в тканині. При короткотривалій дії такої температури цей процес потенційно можна ще відвернути швидким охолодженням тканини. Між 60^оС і 100^оС відбувається процес випаровування води з поверхні тканини, і через певний час при подальшій дії лазера тканина висихає і скручується. При зростанні температури до 150^оС відбувається обвуглення (карбонізація), а коли температура зростає вище 300^оС тканина повністю випаровується.

Час освітлення лазерним випромінюванням є істотним змінним параметром, від якого залежить енергетична доза і її термічний вплив.

При густині потужності випромінювання більшій за 10⁶ Вт/см² і тривалості дії меншій за 10^-6 сек, спостерігається фотоіонізаційний ефект. Лазерне випромінювання з такою високою густиною потужності іонізує сильне електричне поле, яке приводить до дисоціації та іонізації матеріалу освітленої тканини. Світлова енергія перетворюється в кінетичну енергію, котра безпосередньо і легко розриває хімічні зв’язки між атомами органічних частинок. Цей процес є настільки швидким, що, незважаючи на високу локальну температуру в області освітлення, не відбувається передавання тепла на сусідні тканини. Розпад великих органічних ланцюгів на дрібні газові складові називається фотоабляцією або "мікровибухом" тканини. У випадку ще більших густин потужності випромінювання спостерігається фотофрагментація і фоторозрив тканини. Напруженість електричного поля у фотоіонізаційних процесах складає мільйони вольт на 1 см. Цього достатньо для відриву електронів від позитивно заряджених атомних ядер, що і викликає утворення плазми. Ударна хвиля плазми спричиняє механічне руйнування біологічного об’єкта. При опроміненні лазерним світлом відбувається, як відомо, перетворення його енергії в тепло. При цьому змінюється теплове випромінювання біотканин, відповідно до зміни температури. Реєстрація теплового випромінювання зі сторони, опроміненої лазером, не тільки дозволяє отримувати важливу інформацію про поглинуту світлову енергію та її просторово-часовий розподіл, про оптичні і теплофізичні властивості біотканини, але може служити ефективним методом контролю за лазерним впливом.