Лазер и его действие на живые ткани

студента группы М-31

специальность 050201

Математика

Салимова Юриса

Галиулловича

Введение

Краткое описание устройства лазера

Физико-химические основы взаимодействия низкоэнергетического лазерного излучения с биообъектом

Механизм терапевтического действия низкоэнергетического лазерного излучения

Показания для лазерной терапии при различных заболеваниях (обзор)

Лазерная рефлексотерапия

Современные источники излучения и аппаратура для низкоинтенсивной лазерной терапии

Заключение

Список литературы

Введение

В настоящее время в большинстве стран мира наблюдается интенсивное внедрение лазерного излучения в биологических исследованиях и в практической медицине. Уникальные свойства лазерного луча открыли широкие возможности его применения в различных областях: хирургии, терапии и диагностике. Клинические наблюдения показали эффективность лазера ультрафиолетового, видимого и инфракрасного спектров для местного применения на патологический очаг и для воздействия на весь организм.

В России лазеры применяются в биологии и медицине уже более 30 лет. Исторически сложилось так, что приоритет в раскрытии механизмов и в биологическом применении находится в странах бывшего СССР.

За последние 15 лет механизмы действия во многом раскрыты и уточнены. Воздействие низкоинтенсивных лазеров приводит к быстрому стиханию острых воспалительных явлений, стимулирует репаративные (восстановительные) процессы, улучшает микроциркуляцию тканей, нормализует общий иммунитет, повышает резистентность (устойчивость) организма.

В настоящее время доказано, что низкоинтенсивное лазерное излучение обладает выраженным терапевтическим действием.

Лазер или оптический квантовый генератор - это техническое устройство, испускающее свет в узком спектральном диапазоне в виде направленного сфокусированного, высококогерентного монохроматического, поляризованного пучка электромагнитных волн.

В зависимости от характера взаимодействия лазерного света с биологическими тканями различают три вида фотобиологических эффектов:

1) Фотодеструктивное воздействие, при котором тепловой, гидродинамический, фотохимический эффекты света вызывают деструкцию тканей. Этот вид лазерного взаимодействия использует в лазерной хирургии.

2) Фотофизическое и фотохимическое воздействие, при котором поглощенный биотканями свет возбуждает в них атомы и молекулы, вызывает фотохимические и фотофизические реакции. На этом виде взаимодействия основывается применение лазерного излучения как терапевтического.

3) Невозмущающее воздействие, когда биосубстанция не меняет своих свойств, в процессе взаимодействия со светом. Это такие эффекты, как рассеивание, отражение и проникновение. Этот вид используют для диагностики (например - лазерная спектроскопия) .

Фотобиологические эффекты зависят от параметров лазерного излучения: длинны волны, интенсивности потока световой энергии, времени воздействия на биоткани.

В лазеротерапии применяются световые потоки низкой интенсивности, не более 100 мВт/см кв., что сопоставимо с интенсивностью излучения Солнца на поверхности Земли в ясный день. Поэтому такой вид лазерного воздействия называют низкоинтенсивным лазерным излучением (НИЛИ) , в англоязычной литературе Low Level Laser Therapy (LLLT) .

Одной из важных характеристик лазерного излучения является его спектральная характеристика или длинна волны. Как уже говорилось, фотобиологической активностью обладает свет в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра. Фотобиологические процессы достаточно разнообразны и специфичны. Их насчитывается в настоящее время несколько десятков.

В основе их лежат фотофизические и фотохимические реакции, возникающие в организме при воздействии света. Фотофизические реакции обусловлены преимущественно нагреванием объекта до различной степени (в пределах 0.1-0.3 С) и распространением тепла в биотканях. Разница температуры более выражена не биологических мембранах. что ведет к оттоку ионов Na+ и K+, раскрытию белковых каналов и увеличению транспорта молекул и ионов. Фотохимические реакции обусловлены возбуждением электронов в атомах, поглощающего свет вещества. На молекулярном уровне это выражается в виде фотоионизации вещества, его восстановления или фотоокисления, фотодиссоциации молекул, в их перестройке - фотоизомеризации.

Уже первые исследования показали, что лазерная радиация избирательно поглощается содержащимися в клетках пигментными веществами. Пигмент меланин поглощает свет наиболее активно в фиолетовой области, порфирин и его производные - красный, так оксигемоглобин поглощает в диапазоне 542 и 546 nm, восстановленный гемоглобин в диапазоне 556 nm, а фермент каталаза - 628 nm. Учитывая ключевую роль каталазы во многих звеньях энергообразования, можно понять широкий лечебный диапазон гелий - неонового лазера (ГНЛ) и его универсальное нормализующее воздействие на биологические процессы в организме.

Поглощение лазерной энергии происходит и различными молекулярными образованиями не имеющими специфических пигментов и фотобиологических мишеней. Вода поглощает видимый свет и красную часть спектра. Это меняет у мембран структурную организацию водного слоя и изменяет функцию термолабильных каналов мембран.

В биологических структурах организма существуют собственные электромагнитные поля и свободные заряды, которые перераспределяются под влиянием фотонов излучения ГНЛ, что ведет к прямой "энергетической подкачке" облучаемого организма.

Первичные химические реакции сопровождаются появлением свободных радикалов, в небольшом количестве, которые в свою очередь запускают процессы окисления биосубстратов, имеющих цепной характер. Этот момент позволяет понять переключающий (тригеррный) механизм многократного усиления первичного эффекта НИЛИ.

Таким образом, в основе механизма воздействия на ткани, маломощных лазеров в видимой и инфракрасной областях лежат процессы, происходящие на клеточном и молекулярном уровнях.

Низкоинтенсивное лазерное излучение стимулирует метаболическую активность клетки. Стимуляция биосинтетических процессов может быть одним из важных моментов, определяющих действие низкоинтенсивного излучения лазера на важнейшие функции клеток и тканей, процессы жизнедеятельности и регенерации (восстановления) .

ГНЛ приводит к увеличению содержания в ядрах клеток человека ДНК и РНК, что свидетельствует об интенсификации процессов транскрипции (делений) . Это первый этап процесса биосинтеза белков. В связи с этим возникает вопрос о запуске мутаций. Однако доказано, что частота хромосомных мутаций в клетках человека вызванных химическими мутагентами, при воздействии ГНЛ уменьшается. ГНЛ оказывает антимутагенный эффект, активизирует синтез ДНК и ускоряет восстановительные процессы в клетках подвергнутых потоку нейтронов или гамма - радиации. Это позволяет использовать лазерное излучение в онкологии, на вредных производствах, в военной медицине, как профилактический, так и лечебный фактор в комбинации с медикаментами.

НИЛИ стимулирует выработку универсального источника энергии АТФ (АТР) в митохондриях, ускоряет скорость его образования, повышает эффективность работы дыхательной цепи митохондрий. В то же время количество потребляемого кислорода уменьшается. Происходят перестройки в мембранах митохондрий. НИЛИ оказывает антиоксидантный эффект. Известно, что интенсивность свободнорадикального окисления в липидной фазе мембран мембран клеток определяется соотношением насыщенных и ненасыщенных липидов, вязкостью липидной компоненты мембран, которые меняются при лазерной терапии, что отражается на структурных перестройках в мембране, ее функциональном состоянии, активности мембраносвязанных ферментов.

Обобщая данные современных исследований можно сказать, что НИЛИ вызывает активацию энергосвязывающих процессов в патологически измененных тканях с нарушением метаболизма, повышение активности важнейших ферментов, снижение потребления кислорода тканями с повышением (фосфорилирующей) активности митохондрий, обогащением их энергией, усиление интенсивности гликолиза (образования гликогена) в тканях и другие. Вторичные эффекты представляют собой комплекс адаптационных и компенсаторных реакций возникающих в результате реализации первичных эффектов в тканях, органах и целостном живом организме.

Лазерное излучение устраняет дисбаланс в центральной нервной системе.

Однако, на что хочется обратить внимание, что в зависимости от дозы лазерного излучения можно получить как стимулирующий так и угнетающий эффекты, Это очень важно. Эти факты необходимо использовать при применении лазера у ослабленных больных, в педиатрии, при хронических заболеваниях.

Лазерная терапия может проводиться, как самостоятельный метод, так и в комплексе с медикаментозным лечением, в том числе гормональном и с методами физиотерапии. При этом необходимо иметь в виду, что в процессе лечения чувствительность организма к лекарственным средствам изменяется и появляется необходимость в уменьшении обычных дозировок иногда до 50%, а в ряде случаев и отказаться от них.

С учетом патогенетического механизма действия лазерного излучения на организм разработаны показания к лазеротерапии.

Внутренние болезни:

Ишемическая болезнь сердца, гипертоническая болезнь, хронические неспецифические заболевания легких, язвенная болезнь желудка и двенадцатиперстной кишки, дискинезия желчных путей, колиты, хронический панкреатит, острый и хронический (безкаменные) холециститы, спаечная болезнь.

Заболевания опорно-двигательного аппарата:

Остеохонроз позвоночника с корешковым синдромом, воспалительные заболевания костей и суставов обменной этиологии в стадии обострения, артриты и артрозы, заболевания и травматические повреждения мышечно-связочного аппарата (миозиты, тендовагиниты, бурситы) .

Заболевания нервной системы:

Невриты и невралгии периферических нервов, невралгия тройничного нерва, неврит лицевого нерва, сосудисто-мозговая недостаточность.

Заболевания мочеполовой системы:

Хронический сальпингоофорит, трубное бесплодие, хронический неспецифический простатит, уретрит, цистит, ослабление половой функции.

Заболевания ЛОР органов:

Хроническое воспаление придаточных пазух носа, фаринголарингиты, тонзиллиты, отиты, субатрофический и вазомоторный риниты.

Хирургические заболевания:

Послеоперационные и длительно не заживающие раны, трофические язвы, келлоидные рубцы (в подострой стадии) , травмы (механические, термические, химические) , остеомиелиты, трещины заднего прохода, гнойные абсцессы, маститы, сосудистые заболевания нижних конечностей.

Заболевания кожных покровов:

Зудящие дерматозы, трофические язвы различного генеза, воспалительные инфильтрата, фурункулы, экзема, нейродермиты, псориаз, атопический дерматит.

Стоматологические заболевания:

Стоматиты, гингивиты, альвеолиты, пульпиты, периодонтиты, парадонтоз, одонтогенные воспалительные процессы челюстно-лицевой области.

Лазерной терапии присущи черты патогенетически обоснованного метода. При ее применении важен учет не только общего состояния организма, специфики патологического процесса, его клинических проявлений, стадий и формы заболеваний, но и сопутствующие заболевания, возрастные и профессиональные особенности пациента. Наиболее результативно применение лазеротерапии в функционально обратимых фазах болезни, хотя новые методики находят свое применение и при более тяжелых проявлениях патологического процесса, при выраженных морфологических изменениях.

Допускается применение совместно с лазерной терапией и других физиотерапевтических факторов, лечебной физкультуры, массажа, не более 2-х факторов в один день. И как было сказано ранее комплексное применение лазерной терапии с медикаментозными препаратами значительно эффективнее, особенно в острых стадиях.

Суммарная эффективность лазерной терапии колеблется от 50 до 85 %, в отдельных случаях до 95 %.

Противопоказаниями к НИЛИ являются:

Абсолютные противопоказания:

заболевания крови, снижающие свертываемость крови, кровотечения.

Относительные противопоказания:

1) сердечно сосудистые заболевания в стадии декомпенсации;

2) церебральный склероз с выраженным нарушением мозгового кровообращения;

3) острые нарушения мозгового кровообращения;

4) заболевания легких с выраженной дыхательной недостаточностью;

5) печеночная и почечная недостаточность в стадии декомпесации;

6) злокачественные новообразования;

7) первая половина беременности;

8) активный туберкулез легких.

Однако в специализированных клиниках, оснащенных современной техникой и технологиями лазерная терапия используется и при вышеперечисленных заболеваниях.

Различают четыре основных способа доставки НИЛИ к пациенту:

1. Наружное или чрескожное воздействие: орган, сосуды, нервы, болевые зоны и точки облучаются через неповрежденную кожу в соответствующей области тела. Если патологический процесс локализован в поверхностных слоях кожи, то лазерное воздействие направленно непосредственно на него. Чрескожное воздействие основывается на том, что лазерное излучение ближней инфракрасной области хорошо проникает через ткани на глубину до 5-7 см. и достигает пораженного органа. Доставка излучения к поверхности кожи осуществляется либо непосредственно излучающей головкой, либо с помощью волоконного световода и световодной насадки.

2. Воздействие НИЛИ на точки акупунктуры. Показания для этого метода достаточно широки. Лазерная рефлексотерапия бескровна, безболезненна, комфортна. Возможно сочетание с различными медикаментами, диетой, фитотерапией и классической иглорефлексотерапией (чжень-цзю) . Используется классическая (китайская, европейская) рецептура (набор точек) . Многочисленными исследованиями доказано, что лазерная акупунктура влияет на различные многоуровневые рефлекторные и нейрогуморальные реакции организма. Стимулируется синтез гормонов, улучшается микроциркуляция в различных областях тела, увеличивается синтез простогландинов Е, F, эндорфинов, энкефалинов. Максимальный эффект достигается к 5-7 процедуре и держится значительно дольше, чем при иглорефлексотерапии. При лазерной акупунктуре возможно использование непрерывного излучения, но более эффективно импульсное излучение с применением различных частот для различной патологии. Доставка лазерного излучения к точке осуществляется либо световодным волокном, либо непосредственно излучающей головкой со специальной насадкой.

3. Внутриполостной путь. Подведение НИЛИ к патологическому очагу с помощью световолокна к слизистой оболочке. Осуществляется, либо через эндоскопическую аппаратуру, либо с помощью специальных насадок. При этом способе доставки НИЛИ с успехом используется как красное так и инфракрасное излучение.

4. Внутривенное лазерное облучение крови (ВЛОК) проводится путем пункции в локтевую вену или в подключичную вену, в условиях интенсивной терапии. В вену вводят тонкий световод, через который облучается протекающая по вене кровь. Для ВЛОК обычно используют лазерное излучение в красной области (632.8 nm) и в инфракрасной (1264 nm) .

Рассмотрим теперь более подробно устройство лазера и механизмы воздействия НИЛИ на человека в медицинской практике.

Краткое описание устройства лазера

Термин “лазер” (“laser” ) составлен из начальных букв пяти слов “Light amplification by stimulated emission of radiation” , что в переводе с английского означает “Усиление света путем его вынужденного излучения” . В сущности, лазер представляет собой источник света, в котором путем внешнего освещения достигается возбуждение атомов определенного вещества. И когда эти атомы под воздействием внешнего электромагнитного излучения возвращаются в исходное состояние, происходит вынужденное излучение света.

Принцип действия лазера сложен. Согласно планетарной модели строения атома, предложенной английским физиком Э. Резерфордом (1871-1937) , в атомах различных веществ электроны движутся вокруг ядра по определенным энергетическим орбитам. Каждой орбите соответствует определенное значение энергии электрона. В обычном, невозбужденном, состоянии электроны атома занимают более низкие энергетические уровни. Они способны только поглощать падающее на них излучение. В результате взаимодействия с излучением атом приобретает дополнительное количество энергии, и тогда один или несколько его электронов переходят в отдаленные от ядра орбиты. То есть на отдаленные от ядра орбиты, то есть на более высокие энергетические уровни. В таких случаях говорят. Что атом перешел в возбужденное состояние. Поглощение энергии происходит строго определенными порциями квантами. Избыточное количество энергии, полученное атомом, не может в нем оставаться бесконечно долго - атом стремится избавиться от излишка энергии.

Возбужденный атом при определенных условиях будет отдавать полученную энергию так же строго определенными порциями, в процессе его электроны возвращаются на прежние энергетические уровни. При этом образуются кванты света (фотоны) , энергия которых равна разности энергии двух уровней. Происходит самопроизвольное, или спонтанное излучение энергии. Возбужденные атомы способны излучать не только сами по себе, но и под действием падающего на них излучения, при этом излученный квант и квант, “породивший” его, похожи друг на друга. В результате индуцированное (вызванное) имеет ту же длину волны, что и вызвавшая его волна. Вероятность индуцированного излучения будет нарастать при увеличении количества электронов, перешедших на верхние энергетические уровни. Существуют так называемые инверсные системы атомов, где происходит накопление электронов преимущественно на более высоких энергетических уровнях. В них процессы излучения квантов преобладают над процессами поглощения.

Инверсные системы используются при создании оптических квантовых генераторов - лазеров. Подобную активную среду помещают в оптический резонатор, состоящий из двух параллельных высококачественных зеркал, размещенных по обе стороны от активной среды. Кванты излучения, попавшие в эту среду, многократно отражаясь от зеркал бесчисленное количество раз пересекают активную среду. При этом каждый квант вызывает появление одного или нескольких таких же квантов за счет излучения атомов, находящихся на более высоких уровнях.

Рассмотрим принцип работы лазера на кристалле рубина. Рубин - природный минерал кристаллического строения, исключительно твердый (почти как алмаз) . Внешние кристаллы рубина очень красивы. Их цвет зависит от содержания хрома имеет различные оттенки: от светло-розового до темно-красного. По химической структуре рубин - окись алюминия с примесью (0,5%) хрома. Атомы хрома - активное вещество рубинового кристалла. Именно они являются усилителями волн видимого света и источником лазерного излучения. Возможное энергетическое состояние ионов хрома можно представить в виде трех уровней (I, II и III) . Чтобы активизировать рубин и привести атомы хрома в “рабочее” состояние, на кристалл навивают спиральную лампу - накачку, работающую в импульсном режиме и дающую мощное зеленое излучение света. Эти “зеленые” кванты тотчас поглощаются электронами хрома, находящимися на нижнем энергетическом уровне (I) . Возбужденным электронам достаточно поглощенной энергии для перехода на верхний (III) энергетический уровень. Возвратиться в основное состояние электроны атомов хрома могут либо непосредственно с третьего уровня на первый, либо через промежуточный (II) уровень. Вероятность перехода их на второй уровень больше, чем на первый.

Большая часть поглощенной энергии переходит на промежуточный (II) уровень. При наличии достаточного интенсивного возбуждающего излучения представляется возможность получить на втором уровне больше электронов, чем осталось на основном. Если теперь осветить активизированный кристалл рубина слабым красным светом (этот фотон соответствует переходу со II в I основное состояние) , то “красные” кванты как бы подтолкнут возбужденные ионы хрома, и они со второго энергетического уровня перейдут на первый. Рубин при этом излучит красный свет. Так как кристалл рубина представляет собой стержень, торцевые поверхности которого изготавливаются в виде двух отражающих зеркал, то отразившись от торцов рубина, “красная” волна вновь пройдет через кристалл и на своем пути всякий раз будет вовлекать в процесс излучения все большее число новых частиц, находящихся на втором энергетическом уровне. Таким образом, в кристалле рубина непрерывно накапливается световая энергия, которая выходит через его границы через одну из торцевых полупрозрачных зеркальных поверхностей в виде испепеляющего красного луча в миллион раз превосходящего по яркости луч Солнца.

Помимо рубина, в качестве активного вещества применят и другие кристаллы, например, магния окись, топаз, уваровит, раствор неодима в стекле и т.д.

Удивительное свойство кристаллов преобразовывать свет известно еще в древней Индии. У индусов существовала легенда о камнях, сияющих ярче самого солнца. Она описана в романе “Лезвие бритвы” замечательного фантаста И. Ефремова. Действие происходило за тысячу лет до нашей эры. В одном из индийских храмов в руки воинов Александра Македонского попала таинственная корона, украшенная необычными, по-особому ограненными камнями. Согласно преданию монахов, ее передали людям боги. Надевать корону могли только святые. Ибо, если в яркий солнечный день она окажется на голове смертного, то человек погибнет от таинственного излучения. Считая себя непобедимым и бессмертным, Александр Македонский надел корону и вышел из храма на освещенную ярким полудневным солнцем площадь. Воины с ликованием встретили своего полководца, на голове которого блистала корона богов. Вдруг Александр Македонский пошатнулся и упал. Вскоре он занемог и умер.

Трудно предполагать, что было истинной причиной смерти полководца, но определенная ценность легенды состоит в том, что в ней, пожалуй, впервые было описано свойство кристаллов генерировать качественно новый вид излучения.

Существуют и газовые лазеры, в которых активным веществом являются газы (например, смесь аргона и кислорода, гелия и неона, окись углерода) , а также полупроводниковые лазеры. Имеются лазеры, в которых в качестве активного вещества используются жидкости. В зависимости от устройства лазера его излучение может происходить в виде молниеносных отдельных импульсов (“выстрелов” ) , либо непрерывно. Поэтому различают лазеры импульсного и непрерывного действия. К первым относится рубиновый лазер, а ко вторым - газовые. Полупроводниковые лазеры могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режиме.

Лазерное излучение имеет свои характеристические черты. Это когерентность, монохроматичность и направленность.

Монохроматический - значит одноцветный. Благодаря этому свойству луч лазера представляет собой колебания одной длины волны, например, обычный солнечный свет - это излучение широкого спектра, состоящее из волн различной длины и различного цвета. Лазеры имеют свою, строго определенную длину волны. Излучение гелий-неонового лазера красное, аргонового - зеленое, гелий кадмиевого - синее, неодимового невидимое (инфракрасное) .

Монохроматичность лазерного света придает ему уникальное свойство. Вызывает недоумение тот факт, что лазерный луч определенной энергии способен пробить стальную пластину, но на коже человека не оставляет почти никакого следа. Это объясняется избирательностью действия лазерного излучения. Цвет лазера вызывает изменения лишь в той среде, которая его поглощает, а степень поглощения зависит от оптических свойств материала. Обычно каждый материал максимально поглощает излучение лишь определенной длины волны.

Избирательное действие лазерных лучей наглядно демонстрирует опыт с двойным воздушным шаром. Если вложить зеленый резиновый шар внутрь шара из бесцветной резины, то получится двойной воздушный шар. При выстреле рубиновым лазером разрывается только внутренняя (зеленая) оболочка шара, которая хорошо поглощает красное лазерное излучение. Прозрачный наружный шар остается целым.

Красный свет рубинового лазера интенсивно поглощается зелеными растениями, разрушая их ткани. Наоборот, зеленое излучение аргонового лазера слабо абсорбируется листьями растений, но активно поглощается красными кровяными тельцами (эритроцитами) и быстро повреждает их.

Второй отличительной чертой лазерного излучения является его когерентность.

Когерентность, в переводе с английского языка (coherency) , означает связь, согласованность. А это значит, что в различных точках пространства в одно и то же время или в одной и той же точке в различные отрезки времени световые колебания координированы между собой. В обычных световых источниках кванты света выпускаются беспорядочно, хаотически, Несогласованно, то есть некогерентно. В лазере излучение носит вынужденный характер, поэтому генерация фотонов происходит согласованно и по направлению и по фазе. Когерентность лазерного излучения обусловливает его строгую направленность - распространение светового потока узким пучком в пределах очень маленького угла. Для света лазеров угол расходиомсти может быть меньше 0,01 минуты, а это значит, что лазерные лучи распространяются практически параллельно. Если сине-зеленый луч лазера направить на поверхность Луны, которая находится на расстоянии 400000 км. От Земли, то диаметр светового пятна на Луне будет не больше 3 км. То есть на дистанции 130 км. Лазерный луч расходится меньше, чем на 1 м. При использовании телескопов лазерный луч можно было бы увидеть на расстоянии 0,1 светового года (1 световой год =10 в 13 степени км.) .

Если мы попробуем сконцентрировать с помощью собирающей линзы свет обыкновенной электролампочки. То не сможем получить точечное пятно. Это связано с тем, что преломляющая способность волн различной длины, из которых состоит свет, различно, и лучи волн с одинаковой длиной собираются в отдельный фокус. Поэтому пятно получается размытым. Уникальное свойство лазерного излучения (монохроматичность и малая расходимость) позволяют с помощью системы линз сфокусировать его на очень малую площадь. Эта площадь может быть уменьшена настолько, что по размерам будет равна длине волны фокусируемого света. Так, для рубинового лазера наименьший диаметр светового пятна составляет примерно 0,7 мкм. Таким образом можно создать чрезвычайно высокую плотность излучения. То есть максимально сконцентрировать энергию. Лазер с энергией в 100 джоулей дает такие же вспышки, как и электрическая лампочка мощность в 100 ватт при горении в течение одних суток. Однако, вспышка лазера длится миллионные доли секунды и, следовательно, та же энергия оказывается спрессованной в миллион раз. Вот почему в узком спектральном диапазоне яркость вспышки мощных лазеров может превышать яркость Солнца в биллионы раз. С помощью лазеров можно достигнуть плотности энергии излучения около 10 в 15 степени ватт на метр квадратный, в то время, как плотность излучения Солнца составляет только порядка 10 в 7 степени ватт на метр квадратный. Благодаря такой огромной плотности энергии в месте фокусировки пучка мгновенно испаряется любое вещество.

Поистине был прав известный французский физик Луи де Бройль(р. 1892 г.) , который сказал: “Лазеру уготовано большое будущее. Трудно предугадать, где и как он будет применяться, но я думаю, что лазер - это целая техническая эпоха” . Но по сведениям зарубежной печати, уже в 1965 году в США в разработках, производстве и применении всех типов лазеров принимали участие 367 фирм, в 1966 году - 721, в 1967 году - 800. В настоящее время в этой области работают более 1000 фирм. В приведенную цифру не включено количество центров и лабораторий, занимающихся по заказу Министерства обороны США. Ныне в США выпускают около 2000 разновидностей промышленных моделей только газовых лазеров. В 1985 году выпуск лазеров в США достиг миллиона штук.

Лазеры широко используются в качестве измерительных приборов. С их помощью наблюдают за искусственными спутниками Земли. Для этой цели на искусственном спутнике помещают световой отражатель. Спутником освещают светом, идущим от лазера, и регистрируют отраженный свет. Таким образом определяют положение искусственных спутников Земли с точностью до 1,5-2 метра. С помощью лазера удалось измерить расстояние от Земли до Луны с точностью до 4 метров. Лазерный дальномер используют в системах посадки самолетов, в подводных системах обзора и даже как миниатюрный локатор для слепых. Лазер массой в 60 грамм монтируют в трость, которые используют незрячие. При появлении близкого препятствия ручка трости начинает слегка подпрыгивать.

Тот же принцип, что и при измерении расстояния, используется для изучения рельефов местности, оценки состояния морской поверхности.

Успешно используются лазеры в радиолокации, при этом значительно повышается точность определения скорости движущегося объекта и его местонахождение.

Лазеры применяют для измерения скорости вращения земли и при стыковки космических кораблей. Они незаменимы в вычислительной технике. В различных лабораториях мира ведутся интенсивные разработки телевизионных систем на основе лазеров. Одно из наиболее перспективных направлений исследований связано с использованием лазеров в системах цветного телевидения. По яркости изображения и качеству воспроизведения цвета цветные телевизоры с лазерными системами значительно превосходят современные электронно-лучевые аппараты.

Уникальные свойства лазерных лучей, позволяющие сфокусировать их на очень малую площадь поверхности (до 10 в минус 8 степени сантиметров квадратных) , сделали лазер незаменимым при изготовлении элементов микроэлектроники и выполнении операций, требующих высокой точности. Так, лазеры широко применяются при изготовлении и обработке деталей в часовой промышленности в Швейцарии. Сфокусированный лазерный луч мощных лазерных установок, имеющий огромную плотность энергии, используется для сварки, непрерывной резки металлов и обработки сверхтвердых материалов, в частности, алмаза и корунда.

Названные примеры далеко не полностью отражают те области науки и техники, где широко и успешно используются лазерные лучи. Но лазер приобрел не только технические профессии. Его чудодейственные лучи вернули здоровье тысячам людей. Однако, прежде чем лазер стали применять в клинике, необходимо было выяснить механизм биологического действия лазерного излучения, всесторонне исследовать явление лучей на различные клетки тканей системы человеческого организма и в отдельности, и на весь организм в целом.

Представляется интересным понять физико-химические аспекты воздействия лазерного излучения на человека.

Физико-химические основы взаимодействия низкоэнергетического лазерного излучения с биообъектом

Биомеханизм лазерной терапии весьма сложен и до конца не изучен. Воздействие на живой организм низкоэнергетическим лазерным излучением с лечебной целью относится к методам физической терапии. Однако, до сих пор еще не разработана общая теория физиотерапии. Попытки клиницистов создать рабочие схемы механизма терапевтического действия низкоэнергетического лазерного излучения сводятся в основном к систематизации изменений параметров гомеостаза, что, вероятно, является лишь следствием, при том неспецифическим, этого воздействия.

Как уже отмечалось, в настоящее время преобладает эмпирический подход к разработке новых методов лазерной терапии. Это связано с отставанием теоретического и экспериментального обоснования механизма взаимодействия лазерного излучения с биообъектом, с недостаточным знанием клиницистами основ физики и биофизики. Лишь опираясь на физико-химические явления и соответствующие их законы и понятия. Можно с определенной долей достоверности построить теоретическую модель этого механизма и определить основные направления экспериментального ее подтверждения, что позволит более полно обосновать патогеническую направленность лазерной терапии и оптимальные дозы воздействия при той или иной патологии.

Во всех фотобиологических процессах энергия света необходима для преодоления активационных барьеров химических превращений. Эти процессы включают следующие стадии: поглощение света тканевым фото сенсибилизатором и образование электронно-возбужденных состояний миграции энергии электронного возбуждения, первичный фотофизический акт и появление первичных фото продуктов промежуточной стадии, включающей перенос заряда, образование первичных стабильных химических продуктов, физиолого-биохимические процессы, конечный фотобиологический эффект.

При воздействии лазерным лучом на биообъект часть излучения в соответствии со свойствами облучаемой поверхности отражается, другая часть поглощается. Первыми на пути проникновения лазерного излучения в биообъект лежат кожные покровы. Коэффициент отражения кожей электромагнитных волн оптического диапазона достигает 43-55% и зависит от различных причин: охлаждение участка воздействия снижает значение коэффициента отражения на 10-15%; у женщин он на 5-7% выше, чем у мужчин, у лиц старше 60 лет, ниже по сравнению с молодыми: увеличение угла падения луча ведет к возрастанию коэффициента отражения в десятки раз. Существенное влияние на коэффициент отражения оказывает цвет кожных покровов: чем темнее, тем этот параметр ниже; так на пигментированные участки он составляет 6-8%.

Глубина проникновения низкоэнергетического лазерного излучения в биообъект зависит, в первую очередь, от длины электромагнитной волны. Экспериментальными исследованиями установлено, что проникающая способность излучения от ультрафиолетового до оранжевого диапазона постепенно увеличивается от 1-20 мкм до 2,5 мм, с резким увеличением глубины проникновения в красном диапазоне (до 20-30 мм) , с пиком проникающее способности в ближнем инфракрасном (при длине волны = 950 нм - до 70 мм) и резким снижением до долей миллиметра в дальнейшем инфракрасном диапазоне. Максимум пропускания кожей электромагнитного излучения находится в диапазоне длинных волн от 800 до 1200 нм.

Поглощение низкоэнергетического лазерного излучения зависит от свойств биологических тканей. Так в диапазоне длин от 600 до 1400 нм кожа поглощает 25-40% излучения, мышцы и кости - 30-80%, паренхиматозные органы (печень, почки, поджелудочная железа, селезенка, сердце) - до 100.

В механизме лечебного действия физических факторов имеются несколько последовательных фаз, и первая из них - поглощение энергии действующего фактора организмом как физическим телом. В этой фазе все процессы подчиняются физическим законам. При поглощении световой энергии возникают различные физические процессы, основными из которых являются внешний и внутренний фотоэффекты, электролитическая диссоциация молекул и различных комплексов.

При поглощении веществом кванта света один из электронов, находящийся на нижнем энергетическом уровне на связывающей орбитали, переходит на верхний энергетический уровень и переводит атом или молекулу в возбужденное (синглетное или триплетное) состояние. Во многих фотохимических процессах реализуется высокая реакционная способность триплетного состояния, что обусловлено его относительно большим временем жизни, а также бирадикальными свойствами.

При внешнем фотоэффекте электрон, поглотив фотон, покидает вещество. Однако, эти проявления при взаимодействии света с биообъектом выражены весьма незначительно, поскольку в полупроводниках и диэлектриках (ткани организма являются таковыми) электрон, захватив фотон, остается в веществе и переходит на более высокие энергетические уровни (в синглетное или триплетное состояние) . Это и есть внутренний фотоэффект, основными проявлениями которого являются изменения электропроводимости полупроводника под действием света (явление фотопроводимости) и возникновение разности потенциалов между различными участками освещаемого биообъекта (возникновение фотоэлектродвижущей силы фотоЭДС) . Эти явления обусловлены фоторождением носителей заряда - электронов проводимости и дырок. В результате перехода в возбужденное состояние части атомов или молекул облучаемого вещества происходит изменение диэлектрической проницаемости этого вещества (фотодиэлектрический эффект) .

Фотопроводимость бывает концентрационной, возникающей при изменении концентрации носителей заряда, и подвижной. Последняя возникает при поглощении фотонов с относительно низкой энергии и связана с переходами электронов в пределах зоны проводимости. При таких переходах число носителей не изменяется, но это изменяет их подвижность.

Внутренний фотоэффект, проявляющийся в возникновении фото-ЭДС, бывает несколько видов, основные из которых:

. Возникновение вентильной (барьерной) фото-ЭДС в зоне перехода.

. Возникновение диффузной фото-ЭДС (эффект Дембера) .

. Возникновение фото-ЭДС при освещение полупроводника, помещенного в магнитное поле (фотомагнитоэлектрический эффект) - эффект Кикоина-Носкова.

Последний заслуживает наибольшего внимания, поскольку при нем возникает наибольшая ЭДС в несколько десятков вольт, что в свою очередь является основой повышения терапевтической эффективности при магнитолазерной терапии.

Кроме указанных явлений, низкоэнергетическое лазерное воздействие нарушает слабые взаимодействия атомов и молекул облученного вещества (ионные, ион дипольные, водородные и гидрофобные связи, а также ван-дер-ваальсовые взаимодействия) , при этом появляются свободные ионы, т.е. происходит электролитическое диссоциация.

Дальнейшая миграция и трансформация энергии электронного возбуждения тканей биоообъекта при лазерном воздействии запускает ряд физико-химических процессов в организме. Пути реализации энергии атома или молекулы в синглетном состоянии таковы:

. Превращение в тепло.

. Испускание кванта флуоресценции.

. Фотохимическая реакция.

. Передача энергии другой молекуле.

. Обращение спина электрона и переход атома или молекулы в триплетное состояние.

Пути растраты энергии из триплетного состояния следующие:

1. Безизлучательный переход в основное состояние с обращением спина электрона.

2. Испускание кванта фосфоресценции.

3. Фотохимическая реакция.

4. Передача энергии возбуждения другой молекуле.

Миграция энергии электронного возбуждения по типу передачи энергии другой молекуле бывает нескольких видов и зависит от энергии взаимодействия между молекулами. Индуктивно-резонансный механизм миграции осуществляется при условии слабого взаимодействия между молекулами, когда расстояние между донором и акцептором в пределах 3-10 нм, а энергия взаимодействия равна примерно 10 в минус третьей степени электрон-вольт. Это связь двух осцилляторов через электромагнитное поле, генерируемое возбужденной молекулой донора, при этом сохраняется состояние спина электрона. Обменно-резонансный перенос энергии осуществляется при расстоянии между донором и акцептором 0,1-0,3 нм (длина химической связи) , при этом происходит обмен электронами между донором и акцептором, что приводит к обмену их спиновыми состояниями при сохранении суммарного спина системы. Экситонный механизм миграции энергии возбуждения возможен при значительной энергии взаимодействия между молекулами, происходит бездессипотивный перенос энергии. Возбуждение как “бежит” по верхним колебательным подуровням взаимодействующих молекул, не успевая локализовываться на каждом из них в отдельности. В каждой из молекул возбуждение пребывает в течение времени, намного меньше времени внутримолекулярной колебательной релаксации изолированной молекулы.

Исследуя оптические свойства молекулярных кристаллов А. С. Давыдов показал, что в регулярной совокупности тождественных хромофорных (светопоглощающих) групп между их возбужденными энергетическими условиями может происходить резонансная передача энергии возбуждения. Резонансное взаимодействие приводит к перераспределению интенсивностей спектральных полос вещества, в частности, спектра поглощения. При коллинеарном расположении диполей (в одну линию вдоль световой волны) полоса с большей длиной волны увеличивает свою плотность поглощения за счет снижения интенсивности поглощения коротковолновой полосы. Возникает гиперхромизм (усиление светопоглощения) в длинноволновой полосе. Это явление играет определенную роль в биомеханизме магнитолазерной терапии.

Образование электронных возбужденных состояний приводит к изменению энергетической активности клеточных мембран, к конформационным изменениям жидкокристаллических структур, к структурной альтерации жидких сред организма, к образованию продуктов фотолиза, к изменению pH среды, что в свою очередь является пусковым моментом целого комплекса биофизических и биохимических процессов.

Повышение энергетической активности биологических мембран, которые принимают прямое и очень важное участие во всех функциях клетки, приводит к изменению биоэлектрических процессов, к увеличению активности транспорта веществ через мембрану, идущего на направлении, противоположном градиенту химического и электрохимического потенциала, усиливает основные биоэнергетические процессы, в частности. Окислительное фофсфорилирование.

Влияние низкоэнергетического лазерного излучения на конформационные переходы макромолекул проблематично. Однако, сопоставление энергетической мощности фотонов даже красной и ближней инфракрасной части спектра электромагнитного излучения и энергии, необходимо для конформационных изменений многих биологических молекул, свидетельствующих о возможности этого процесса. Так 1Э для гелий-неонового лазера (длина волны =633 нм) равен примерно 194 кДж/моль, для полупроводникового инфракрасного лазера (длина волны =870 нм) 1Э - около 136 кДж/моль. В то же время для образования спирального участка биополимера из четырех звеньев необходимо около 11 кДж/моль, для конформационного перехода молекул ДНК из неустойчивой формы в устойчивую необходимо около 13 кДж/моль, а энергия внутреннего вращения пептидной связи равна около 84 кДж/моль. Даже с учетом диссипации энергии лазерного излучения на различных уровнях остаточной энергии будет, вероятно, достаточно для влияния на конформационные изменения макромолекул.

Что касается жидкокристаллических структур биообъектов, в первую очередь клеточных мембран, то в настоящее время доказано влияние световой энергии на конформационные переходы. Под действием низкоэнергетического лазерного излучения изменяется форма двойного липидного слоя клеточной мембраны, что приводит к переориентировке головок липидов. Поскольку вблизи t=+37 C двойной липидный слой находится в непосредственной близости к точке фазового перехода, т.е. в очень неустойчивом состоянии, поэтому дополнительная энергия, полученная при лазерном воздействии, инициирует фазовый переход клеточной мембраны.

Структурная альтерация вещества - это переход между структурно-неэквивалентными метастабильными состояниями с различными физико-химическими свойствами. Считается, что жидкости не обладают свойствами полиморфизма и не способны существовать в различных структурных формах при одинаковых химическом составе и внешних условиях. Однако в сложных многокомпонентных растворах, к которым относятся биологические жидкости, структурные эффекты играют важнейшую роль и приводит к исключительному многообразию структурных форм растворов.

В эксперименте с лиотропными жидкокристаллическими системами, которые по степени упорядоченности и структурной сложности приближаются к биологическим гуморальным средам и обладают уникальной чувствительностью к слабым внешним возмущениям различной физической природы, установлено, что воздействие низкоэнергетического лазерного воздействия гелий-неонового лазера (длина волны =633) индуцирует в этих системах структурно-оптические эффекты. Аналогичные результаты были получены и при лазерном облучении плазмы крови и синовиальной жидкости. Следовательно, биожидкости обладают структурной альтерацией, а структура биораствора может играть роль матрицы, на которой протекают все биохимические реакции. Накопление в биосистеме участков с измененной структурой вызывает неспецифическую модификацию энергетики и кинетики метаболических процессов, протекающих в водной матрице биожидкости, и последующие эффекты “биостимуляции” .

Образование продуктов фотолиза (первичных фото продуктов и первичных стабильных химических продуктов) , изменение вследствие этих и других реакций pH внутреннего среды участка лазерного воздействия инициирует физиолого-биохимические процессы, запускает различные биологические реакции, многие из которых определены и детализированы клинико-экспериментальными исследованиями.

При изучении изменений содержания нуклеиновых кислот (ДНК, РНК) в ядрах клеток различных тканей человека под действием низкоэнергетического лазерного излучения определено достоверное увеличение биосинтеза этих кислот, а также увеличение митохондрий и рибосом, что свидетельствует об активизации ядерного аппарата, системы ДНК-РНК-белок и биосинтетических процессов в клетках.

Анализ фотоиндуцированных изменений активности ферментов дает ценную информацию о первичных биохимических механизмах стимулирующего действия излучения на функциональную активность клетки. Исследование активности НАДН- и НАД+ -глутаматдегидрогеназы, изоферментов аспрататаминотрасферазы, функционирующих на стыке обмена белков и углеводов, а также ферментов цикла трикарбоновых кислот, свидетельствуют об увеличении активности этих ферментов при воздействии стимулирующими дозами низкоэнергетического лазерного излучения, что в свою очередь активизирует окислительно-восстановительные процессы.

Дальнейшие исследования показали, что стимуляция биоэнергетических ферментов приводит к увеличению в тканях АТФ.

Имеется немало публикаций, указывающих на усиление кислородного обмена, увеличение поглощения кислорода тканями организма под воздействием низкоэнергетического лазерного излучения. С помощью полярографии в многочисленных прямых исследованиях на больных было показано увеличение напряжения кислорода в тканях под лазерным воздействием.

Различными методами исследования (рео- и фото плетизмографии, реовазографии, осциллографии и др.) было определено повышение скорости кровотока при воздействии на ткани низкоэнергетическим лазерным излучением, а витальная микроскопия позволила точно установить реализацию эффекта лазерного воздействия в различных отделах лазерного русла, показала, что в процессе облучения в патологической ткани увеличивается число функционирующих капилляров и новых коллатералей.

Воздействие лазерным излучением на поврежденную ткань приводит к уменьшению интерстициального и внутриклеточного отека, что связано с повышением кровотока в тканях, активации транспорта вещества через сосудистую стенку, а также с интенсивным формированием сосудов, особенно капилляров.

Многие исследователи указывают на укорочение фаз воспалительного процесса при лазерном облучении патологического очага; отмечено, в первую очередь, подавление экссудативной и инфильтрационной реакции.

Пролиферация клеток является одним из важнейших звеньев сложной цепи реакций, определяющих скорость роста и регенерации тканей, кроветворение, активность имунной системы и другие обще организменные процессы. Многочисленные экспериментальные исследования с различными культурами клеток, в том числе с клетками тканей эмбриона человека, убедительно свидетельствуют, что низкоэнергетическое лазерное излучение в пределах плотности потока мощности 0,1-100 мВт/см2 стимулирует митотическую активность клеток, а это является прямым адекватным показателем пролиферативной активности.

Лазерное воздействие понижает рецепторную чувствительность тканей, что является следствием уменьшения их отечности, а также прямого лазерного луча на нервные окончания.

Рассмотрим теперь более подробно механизм действия лазерного излучения.

Как много мы знаем и как мало мы понимаем...

А. Эйнштейн

Механизм терапевтического действия низкоэнергетического лазерного излучения

Недипломированный, нетитулованный, но всемирно известный и признананный русский ученый Н. В. Тимофеев-Ресовский считал глупыми претензии исследователей на то, что они изучают какие-то механизмы. Он говорил: “Вы получаете факты, вы получаете феноменологию. Механизм - продукт ваших мыслей. Вы факты связываете. Вот и все” . Однако, в современной научной литературе, особенно медицинской, термин “механизм действия” настолько прочно вошел в обиход, что, даже отдавая себе отчет в его неполной правомерности, мы не сочли необходимым отказаться от него. Основной закон фотобиологии гласит, что биологический эффект вызывает лишь излучение такой длины волны, при которой оно поглощается молекулами или фоторецепторами тех или иных структурных компонентов клеток. Однако, спектры поглощения различных макромолекул весьма разбросаны: так пептидные группы поглощают излучение электромагнитных волн с длиной волны =190нм, карбонильные группы 225 нм, триптофан - 220 и 280 нм, тирозин - 275 и 222 нм, фенилаланил - 258 нм, каталаза -628 нм, максимальная спектральная чувствительность молекул ДНК соответствует длинам волн 620 нм и 820 нм и т.д. В то же время биологические эффекты воздействия разного по длине волны низкоэнергетического лазерного излучения очень сходны и, как правило, объединяются термином “биостимуляция” .

Поиски фоторецепторов и фотоакцепторов ведутся давно. Данные современной физиологии отрицают наличие на коже человека и животных специфических фоторецепторов. В отношении акцепторов электромагнитного излучения оптического диапазона мнения ученых разделились: одни доказывают наличие специфических акцепторов строго определенных длин волн светового излучения, другие склонны к обобщению и считают неспецифическими фотоакцепторами две такие большие группы, как биополимеры (белки, ферменты, биологические мембраны, фосфолипиды, пигменты и др.) и биологические жидкости (лимфа, кровь, плазма, внутриклеточная вода) .

Экспериментальные м клинические исследования по определению специфических фотоакцепторов дают основания считать таковыми в красной области спектра каталазу, супероксиддисмутазу, цитохромоксидный комплекс ааз, молекулярный кислород с образованием синглетного кислорода. Максимум фотоиндуцированной биостимуляции электромагнитными волнами в красной (633 нм) , зеленой (500 нм) и фиолетовой (415 нм) области спектра дает основание думать о порфириновой природе первичного фотоакцептора в клетках. Однако, такое количество и разнообразие специфических акцепторов светового излучения вызывает сомнение в их строгой специфичности и первостепенной роли каждого в механизме терапевтического действия низкоэнергетического лазерного излучения.