Medical-and-biological aspects of laser influence

Abstract

The distributions of reflection and admission coefficients of a different wave-length radiation by the biological tissues were experimentally studied. A physical basis of the methods of approach to an optimum selection of the laser sources and the conditions of its practical application to solution of the fundamental and applied problems of the medical-and-biological investigations was given.

Full Text

Введение. В настоящее время широкое развитие получила лазерная медицина, в основе которой лежит эффективное использование уникальных свойств лазерного излучения, таких как высокие монохроматичность, направленность, яркость, в хирургии, терапии, диагностике [1, 2]. В медикобиологических исследованиях важное место также отводится изучению влияния лазерного излучения на наследственность растений с целью повышения урожайности сельскохозяйственных культур [3]. В лазерной терапии, диагностике, селекции растений преимущественно используется излучение гелийнеонового лазера (длина волны излучения 0,633 мкм — красная область спектра) низкой интенсивности ∼ 10−1 Вт/см2 , сопоставимой с интенсивностью излучения Солнца во всей его широкой области спектра на поверхности Земли в ясный солнечный день. Вместе с тем имеются также примеры успешного практического применения излучения аргонового лазера (длина волны излучения 0,488 и 0,515 мкм — сине-зеленая область спектра), в частности для лечения сосудистой патологии. Основу последнего составляет избирательный характер поглощения гемоглобином крови излучения сине-зеленой области спектра. Выбор гелий-неонового лазера в качестве основного инструмента в медико-биологических исследованиях с использованием лазерного излучения обосновывается наибольшей глубиной проникновения излучения красной и ближней инфракрасной областей спектра в биологические ткани. Однако при этом несколько в стороне остается вопрос: насколько оправданным является такой выбор с точки зрения эффективности взаимодействия излучения данных областей спектра с биологическими тканями? Целью данной работы является экспериментальное изучение характера распределения коэффициентов отражения и пропускания излучения различных длин волн биологическими тканями и физическое обоснование подходов к оптимизации выбора лазерных источников и условий их практического применения в медико-биологических исследованиях. 119 Д. М. Г у р е е в Материалы и методики эксперимента. В качестве исследуемых биологических тканей использовались срезы большинства плодовых и овощных культур, разнообразные ягодные и зерновые культуры, кисть руки человека, а также разновидности почв (чернозем, песок, глина и их смеси), вода. Коэффициенты отражения измерялись на фотометре отражения ФО-1 в диапазоне длин волн излучения 0,364–0,927 мкм. Оптическая схема фотометра отражения приведена на рис. 1. Принцип её работы состоит в следующем. Излучение от источника света 1 (галогенной лампы КГМ 6,3-15) попадает на конденсор 2, который переносит изображение источника в плоскость полевой диафрагмы 3. Полевая диафрагма 3 устраняет влияние бликов колбы источника света. После полевой диафрагмы 3 световой пучок проходит сменную диафрагму 4, изображение которой с помощью объектива 5 и зеркала 10 переносится в плоскость измеряемого образца 11. В зависимости от размера измеряемого образца диаметр светового пятна в его плоскости может изменяться и принимать значения 30, 18 и 12 мм. Зеркало 10, расположенное внутри фотометрического шара 8, может поворачиваться вокруг оси и занимать три фиксированных положения: 1) калибровка-1 — световой поток отражается от плоской поверхности зеркала на внутреннюю стенку шара; 2) калибровка-2 — световой поток отражается от сферической поверхности зеркала на внутреннюю стенку шара; 3) измерение — световой поток отражается плоской поверхностью зеркала в плоскость измеряемого образца 11 или светоловушку 12. Рис. 1. Оптическая схема фотометра отражения ФО-1: 1 — источник света; 2 — конденсор; 3 — полевая диафрагма; 4 — сменные диафрагмы; 5 — объектив; 6 — светофильтры; 7, 11 — измеряемые образцы; 8 — фотометрический шар; 9 — экран; 10, 13 — зеркала; 12 — светоловушка; 14, 17 — молочные стёкла; 15, 16 — приёмники излучения 120 Медико-биологические аспекты лазерного воздействия Свет, рассеянный в шаре, поступает на приемники излучения 15, 16 через окна, закрытые молочными стеклами 14, 17. В качестве приемников излучения служат фотоумножитель ФЭУ-4 и фотодиод ФД-24К для областей спектра 0,364–0,750 мкм и 0,750–0,927 мкм соответственно. В случае измерения коэффициента пропускания диффузно рассеивающих образцов 7 вводится экран 9, который предохраняет приемники излучения от попадания на них рассеянного непосредственно образцами света. Для выделения узких участков спектра поочередно вводятся светофильтры 6. В состав фотометра отражения входят двенадцать светофильтров, из них один для ближней ультрафиолетовой области спектра (0,364 мкм), шесть для видимой области спектра (0,400; 0,457; 0,490; 0,520; 0,582; 0,620 мкм), четыре для ближней инфракрасной области спектра (0,750; 0,832; 0,874; 0,927 мкм) и один корригирующий светофильтр для приведения спектральной чувствительности фотоумножителя к относительной видности глаза. Зеркало 13 установлено для наблюдения за положением измеряемого образца. Для измерения коэффициентов пропускания использовались оптические схемы, приведенные на рис. 2 и 3. В схеме рис. 2 в качестве источника света 1 служила двухсотваттная вольфрамовая лампа накаливания, излучение которой фокусировалось линзой 2 с фокусным расстоянием 100 мм на входном отверстии болометрического приемника излучения ПИП-1 5 измерителя мощности ИМО-3 6. Непосредственно перед входным отверстием болометрического приемника излучения ПИП-1 5 располагались светофильтр 3 и измеряемый образец 4. Для перекрытия области спектра от ближней ультрафиолетовой до ближней инфракрасной было выбрано восемь светофильтров [4]: ПС11 (0,320 мкм), ФС6 (0,373 мкм), СС8 (0,410 мкм), ЗС8 (0,529 мкм), ЖС18 (0,600 мкм), ОС14 (0,620 мкм), КС15 (0,700 мкм), ИКС5 (1,240 мкм). В этой же схеме измерялись коэффициенты пропускания излучения полупроводникового лазера с длиной волны 0,630–0,680 мкм. В схеме рис. 3 в качестве источника света использовался гелий-неоновый лазер 1, излучение которого через объектив 2 вводилось в оптоволокно 3, транспортировалось по нему к измеряемому образцу 4 и регистрировалось с помощью фотодиода ФД-24 5 и вольтметра 6. Рис. 2. Оптическая схема измерения коэффициентов пропускания излучения в диапазоне длин волн от ближней ультрафиолетовой до ближней инфракрасной области спектра: 1 — источник света, 2 — фокусирующая линза, 3 — светофильтр, 4 — измеряемый образец, 5 — болометрический приемник излучения ПИП-1, 6 — измеритель мощности излучения ИМО-3 Рис. 3. Оптическая схема измерения коэффициентов пропускания излучения гелийнеонового лазера: 1 — гелий-неоновый лазер, 2 — объектив, 3 — оптоволокно, 4 — измеряемый образец, 5 — фотодиод ФД-24, 6 — вольтметр 121 Д. М. Г у р е е в Результаты и их обсуждение. Примеры полученных экспериментальных зависимостей коэффициентов отражения R от длины волны излучения λ приведены на рис. 4 и 5. Характерной особенностью данных зависимостей является возрастание коэффициентов отражения в диапазоне длин волн 0,364– 0,800 мкм и их последующее уменьшение при λ > 0,800 мкм. Выявленные закономерности являются общими, на что, в частности, указывает хорошее совпадение полученных нами результатов для кисти руки человека (рис. 6) с результатами для кожного покрова человека [5], приведенными на рис. 7. Столь же общими являются и зависимости коэффициентов пропускания T от длины волны излучения λ, приведенные на рис. 8 и 9. Эти зависимости указывают на то, что коротковолновое излучение глубже проникает в биологические ткани, но при этом и доля поглощения его оказывается больше. Последнее следует из сопоставительного анализа кривых отражения и пропускания. Особо обращает на себя внимание сине-зелёная область спектра, в которой регистрируется возрастание коэффициентов пропускания при одновременном замедлении в росте или даже уменьшении коэффициентов отражения. Для одних и тех же биологических тканей коэффициенты пропускания возрастают с увеличением мощности излучения (рис. 10) и уменьшением оптической плотности (разрыхлением) биологических тканей (рис. 11). Анализ особенностей поведения кривых отражения и пропускания позволяет предположить, что в их основе лежат глубокие физические причины, обусловленные влиянием излучения Солнца на биосферу Земли. Действительно, к настоящему времени собрано достаточное количество фактов [6–9], свидетельствующих о том, что любой живой организм, как и вся биосфера Земли в целом, по-своему служат избирательными резонаторами и трансформаторами солнечной активности. Жизнь на Земле возникла и развивалась благодаря солнечной энергии в течение нескольких миллиардов лет. Поэтому, как справедливо впервые отметил профессор А. Л. Чижевский, каждая живая клетка по существу представляет собой своеобразный трансформатор, преобразующий энергию Солнца в тепловую, механическую, электрическую, химическую и другие энергии. И именно спектр излучения Солнца, под действием которого сформировались устойчивые жизненные циклы клеток, должен проявляться в избирательном характере процессов взаимодействия световых потоков с биологическими тканями. Спектр излучения Солнца [10] приведен на рис. 12. Видно, что его максимум приходится на сине-зелёную область. Это в соответствии с законом смещения Вина [11] Tц λmax = b, где Tц — цветовая температура, λmax — длина волны, при которой наблюдается максимум спектра излучения, b ≈ hc/(4,965k) = 2,898 · 10−3 м·К — постоянная Вина; h = 6,626 · 10−34 Дж·с — постоянная Планка; c = 2,998 · 108 м/с — скорость света в вакууме; k = 1,380 · 10−23 Дж/К — постоянная Больцмана, позволяет оценит цветовую температуру на поверхности Солнца ∼ 6 · 103 К (λmax ≈ 0,480 мкм). Отметим, что в отличие от спектра излучения Солнца максимум спектра излучения вольфрамовой лампы накаливания, использованной нами в схеме 122 Медико-биологические аспекты лазерного воздействия Рис. 4. Зависимости коэффициентов отражения R от длины волны излучения λ для кабачков (К), баклажанов (Б), помидоров (П), огурцов (О) Рис. 5. Зависимости коэффициентов отражения R от длины волны излучения λ для моркови (М), свеклы (С), картофеля (К), лука (Л), чеснока (Ч) Рис. 6. Зависимость коэффициента отражения R от длины волны излучения λ для кисти руки человека Рис. 7. Зависимость отражающей способности кожного покрова человека от длины волны излучения [5]: A — слабо пигментированная кожа, B — сильно пигментированная кожа Рис. 8. Зависимости коэффициентов пропускания T от длины волны излучения λ для свеклы толщиной 0,5 мм (1); 1,0 мм (2) и 1,5 мм (3) Рис. 9. Зависимости коэффициентов пропускания T от длины волны излучения λ для моркови толщиной 0,5 мм (1); 1,0 мм (2) и 1,5 мм (3) 123 Д. М. Г у р е е в Рис. 10. Зависимости коэффициентов пропускания T от толщины d картофеля для различных источнико света в красной области спектра: 1 — вольфрамовая лампа накаливания, 2 — полупроводниковый лазер, 3 — гелий-неоновый лазер Рис. 11. Зависимости коэффициентов пропускания T от толщины d картофеля и моркови для излучения гелий-неонового лазера: 1 — сырой картофель, 2 — печёный картофель, 3 — сырая морковь, 4 — подсушенная морковь, 5 — сухая морковь Рис. 12. Спектр излучения солнца [10] рис. 2, приходится на инфракрасную область (рис. 13). На рис. 13 наилучшее согласие экспериментальных данных с расчётным спектром излучения по формуле Планка [11], нормированной на единицу I= λ5 max exp λ5 exp hc bk hc λmax bk λ −1 −1 , достигается при Tц ≈ 3,6 · 103 К (λmax ≈ 0,800 мкм). В годы повышенной солнечной активности, сопровождаемой образованием на Солнце локальных участков с температурой, значительно превышающей 6 · 103 К, максимум спектра излучения Солнца смещается в коротковолновую область (рис. 14). Мощные потоки коротковолнового (ультрафиолетового и рентгеновского) излучения совместно с потоком заряженных и электрически нейтральных частиц на время выводят биосферу Земли из состояния равновесия. Эволюционный процесс развития под благотворным влиянием солнечной энергии прерывается всплеском энергетической актив124 Медико-биологические аспекты лазерного воздействия Рис. 13. Экспериментальный и рассчитанные по нормированной на единицу формуле Планка спектры излучения вольфрамовой лампы накаливания: 1 — Tц ≈ 3,6 · 103 K, λmax ≈ 0,800 мкм; 2 — Tц ≈ 3,2 · 103 K, λmax ≈ 0,900 мкм; 3 — Tц ≈ 2,9·103 K, λmax ≈ 1,000 мкм Рис. 14. Рассчитанные по приведённым в тексте формулам зависимости от температуры Солнца Tc длины волны λmax , соответствующей максимуму спектра излучения Солнца (1), средней температуры Земли Tз (2) и среднего радиуса земной орбиты R (3) ности, что, как установил профессор А. Л. Чижевский, может служить одной из причин возникновения стихийных бедствий: наводнений, засух, землетрясений, извержений вулканов, массовых нашествий вредных насекомых, эпидемий, эпизотий (эпидемических заболеваний животных), эпифитий (эпидемических заболеваний растений), обострений сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний и даже социальных конфликтов в обществе. Периодическое (с периодом ∼ 11,1 года) возрастание солнечной активности почти повсеместно приводит к особому изменению состава крови, к уменьшению в ней белых кровяных клеток — лейкоцитов и одновременному увеличению содержания в крови лимфоцитов, т. е. наблюдается такое изменение состава крови, как после радиоактивного облучения. Причём кровь сильнее реагирует на возрастание солнечной активности по мере приближения к полюсам Земли, где атмосфера становится особенно тонкой и проницаемой (возникают даже озоновые дыры) для солнечной радиации. Солнечное излучение лежит в основе реакции «Ф» в крови, суть которой состоит в выпадении белковых хлопьев в сыворотке крови под воздействием определенных реактивов. Установлена прямая зависимость реакции «Ф» от суточного хода Солнца, т. е. от интенсивности его излучения. Реакция «Ф» уменьшается во время солнечных затмений как полных, так и частичных. При этом кровь почти мгновенно реагирует на изменение интенсивности солнечного излучения при затмении. Таким образом, из анализа представленных результатов следует, что влияние световых потоков на биологические ткани в период их устойчивого развития, т. е. при нахождении биологической системы в равновесном состоянии, будет благотворным лишь при интенсивностях, сопоставимых с интенсивностью излучения спокойного Солнца в соответствующем интервале длин волн. Если же биологическая система по каким-либо причинам оказывается выведенной из состояния равновесия, то для возврата её в исходное равновесное состояние могут быть использованы световые потоки большей интенсивно125 Д. М. Г у р е е в сти и преимущественно сине-зеленой области спектра. При этом чем больше интенсивность используемого излучения, тем меньше должно быть время его благотворного воздействия для стимулирования механизма самовозврата биологической системы в состояние равновесия. Превышение данного времени воздействия чревато раскачиванием биологической системы, что может проявиться в ослаблении защитных функций организма. По этим причинам весьма проблематично использование лазерного излучения для повышения урожайности сельскохозяйственных культур только на этапе облучения их семян, тогда как в остальной период своего развития растения будут находиться под воздействием лишь солнечного света. Более того, при таком подходе лазерное излучение должно оказывать гнетущее воздействие на развитие растений, что, как правило, и подтверждается практикой возврата к исходной или даже снижения урожайности сельскохозяйственных культур уже во втором их поколении [3]. Можно также утверждать, что использование в лазерной терапии излучения гелий-неонового лазера не является оптимальным. Для целей терапии наибольшей эффективностью должны обладать лазеры, длины волн излучения которых приходятся на сине-зелёную область спектра. Как видно из данных таблицы, к числу таких лазеров, в частности, относятся компактные полупроводниковые лазеры ZnSe, CdS, ZnTe, из которых лазер CdS может работать при комнатной температуре, а также аргоновый лазер. С точки зрения перспектив развития биосферы Земли под воздействием излучения Солнца, которое неизбежно рано или поздно угаснет, но перед своим угасанием должно будет пройти этап вспышки, в соответствии с данными рис. 14 в медико-биологических исследованиях важное место должно быть отведено изучению длительного воздействия коротковолнового излучения на формирование новых устойчивых состояний биологических систем, их новых жизнестойких форм. При этом следует также иметь в виду, что с повышением Лазеры с длинами волн излучения от ближней ультрафиолетовой до ближней инфракрасной области спектра [5, 12] Тип лазера Тип рабочей среды Длина волны излучения, мкм Газовые Аргоновый лазер 0,488; 0,515 лазеры Гелий-неоновый лазер 0,633 Твердотельные Рубиновый лазер 0,694 лазеры Неодимовый лазер 1,060 ZnS-лазер 0,330 ZnO-лазер 0,370 ZnSe-лазер 0,460 CdS-лазер 0,490 Полупроводниковые ZnTe-лазер 0,530 лазеры CaSe-лазер 0,590 CdSe-лазер 0,675 CdTe-лазер 0,785 GaAs-лазер 0,840–0,950 InP-лазер 0,910 GaSb-лазер 1,550 InAs-лазер 3,100 126 Медико-биологические аспекты лазерного воздействия температуры Солнца средняя температура Земли будет повышаться как TЗ (℃) = TС (K) RС − 273, 2R где RС = 6,960 · 108 м — радиус Солнца, R = 1,496 · 1011 м — средний радиус земной орбиты, TС — температура Солнца в градусах Кельвина, TЗ — средняя температура Земли в градусах Цельсия. Чтобы средняя температура Земли с повышением температуры Солнца оставалась такой же, какой она является сейчас, ∼ 290 К или ∼ 17 ℃, необходимо, чтобы средний радиус земной орбиты возрастал как T 2 (K) R = RС С2 . 2TЗ (K) Осуществление этого на практике представляется столь же маловероятным, как и организация защиты биосферы Земли от воздействия коротковолнового излучения. А это означает, что биосфера Земли под воздействием коротковолнового излучения и температуры должна будет неизбежно эволюционировать в новое устойчивое состояние. Выводы. Таким образом, экспериментально изучены особенности взаимодействия световых потоков с биологическими тканями. На основе полученных результатов и современных представлений о влиянии Солнца на биосферу Земли дано физическое обоснование оптимального выбора лазерных источников и условий их практического применения для решения фундаментальных и прикладных задач медико-биологических исследований.