Взаимодействие лазерного излучения с тканями

Лазерное излучение при взаимодействии с тканями может вызывать несколько типов эффектов, зависящих от длины волны, плотности мощности, времени экспозиции и оптических свойств тканей. Основные типы взаимодействия включают:

  • Поглощение — основа большинства биофизических эффектов; энергия фотонов передаётся молекулам ткани, вызывая нагрев, фотохимические реакции или ионизацию.
  • Рассеяние — изменение направления распространения света в ткани без потери энергии; влияет на глубину проникновения.
  • Преломление — изменение траектории света на границах между различными тканевыми структурами.
  • Отражение — часть излучения возвращается обратно на границе воздух–ткань или ткань–ткань.
  • Проникновение — характеризуется глубиной, на которую распространяется свет, прежде чем будет рассеян или поглощён.

Зависимость взаимодействия от длины волны

Биологические ткани обладают избирательным поглощением в зависимости от длины волны. Основные хромофоры:

  • Вода — доминирующий компонент тканей, особенно сильно поглощает ИК-излучение (длины волн > 1400 нм).
  • Гемоглобин — поглощает в синем и зелёном диапазонах (400–600 нм).
  • Меланин — эффективен в УФ и видимом диапазонах (200–800 нм).
  • Белки и нуклеиновые кислоты — поглощают в УФ-диапазоне (200–300 нм).

Длина волны определяет:

  • Глубину проникновения (например, 1064 нм Nd:YAG проникает глубже, чем 532 нм).
  • Механизм воздействия (тепловой, фотохимический, механический).

Механизмы воздействия лазера на ткани

1. Фототермическое воздействие

Происходит при поглощении света и преобразовании его в тепло, что вызывает повышение температуры ткани. Зависит от:

  • Плотности энергии (J/см²),
  • Времени импульса,
  • Теплопроводности ткани.

Диапазоны температур и эффектов:

  • 37–42 °C — гипертермия (усиление метаболизма);
  • 42–60 °C — обратимые повреждения (коагуляция белков);
  • 60–100 °C — необратимая коагуляция, некроз;

  • 100 °C — испарение воды, карбонизация;

  • 300 °C — плазменные эффекты, взрывное разрушение.

Примеры:

  • Коагуляция сосудов в дерматологии (лазеры 532 нм и 1064 нм),
  • Абляция тканей при хирургии (CO₂-лазер 10,6 мкм).

2. Фотоабляция

Абляция — это испарение материала без существенного теплового повреждения окружающих тканей. Обычно наблюдается при использовании коротковолнового УФ-излучения (например, эксимерные лазеры на 193 нм).

Особенности:

  • Высокая пространственная точность,
  • Отсутствие карбонизации,
  • Низкая глубина проникновения,
  • Используется в офтальмологии (LASIK) и дерматологии.

3. Фотохимическое воздействие

Основано на индуцировании химических реакций под действием света. Выделяют:

  • Прямая фотохимия — фотолиз молекул, активация биологических процессов (например, активация витамина D).

  • Фотодинамический эффект — используется в терапии опухолей; включает:

    1. Введение фотосенсибилизатора;
    2. Облучение определённой длиной волны;
    3. Генерацию активных форм кислорода (О²⁻, ¹O₂), вызывающих гибель клеток.

Часто применяются лазеры в диапазоне 630–690 нм (оптимальное проникновение и возбуждение сенсибилизаторов).

4. Фотомеханическое воздействие

Связано с кратковременными высокоэнергетическими импульсами (нс и меньше), вызывающими образование акустических волн, кавитации и микровзрывов. Механизм включает:

  • Резкое локальное нагревание,
  • Вспенивание и образование пузырьков,
  • Разрушение ткани за счёт механического давления.

Используется при:

  • Лазерной литотрипсии (разрушение камней в почках),
  • Тату-удалении (наносекундные лазеры),
  • Лазерной кератомии в офтальмологии.

5. Фотоплазменное воздействие

При экстремально высоких плотностях энергии (десятки ГВт/см²) происходит ионизация ткани, образование плазмы и искрового разряда. Это сопровождается:

  • Световым излучением,
  • Ударной волной,
  • Резким испарением ткани.

Применяется в:

  • Прецизионной нейрохирургии,
  • Микрохирургии глаза,
  • Промежуточных стадиях фотодеструкции.

Энергетические и временные параметры лазерного воздействия

Плотность энергии (энергетическая экспозиция):

$H = \frac{E}{S} \quad \text{[Дж/см²]}$ где E — энергия импульса, S — площадь пятна излучения.

Плотность мощности:

$I = \frac{P}{S} \quad \text{[Вт/см²]}$

Временные режимы:

  • Непрерывный — постоянное излучение, подходит для нагрева и коагуляции.
  • Импульсный (мс–нс) — ограничение теплового повреждения, точность.
  • Сверхкороткий (пс–фс) — минимизация фототермических эффектов, микроразрушения.

Биофизические особенности тканевого взаимодействия

Коэффициенты поглощения и рассеяния

Оптические свойства тканей характеризуются:

  • Коэффициентом поглощения μa [см⁻¹],
  • Коэффициентом рассеяния μs [см⁻¹],
  • Анизотропией рассеяния g (среднее косинусное значение угла рассеяния).

Глубина проникновения:

$\delta = \frac{1}{\mu_{eff}} \quad \text{где} \quad \mu_{eff} = \sqrt{3\mu_a(\mu_a + \mu'_s)}$

Термическая диффузия:

Зависит от теплопроводности κ, теплоёмкости C и плотности ρ ткани: $D = \frac{\kappa}{\rho C}$

Время тепловой релаксации: $\tau = \frac{d^2}{4D}$ где d — характерный размер облучённой зоны. Это время определяет, за какой срок нагрев распространяется вне очага воздействия.

Клинические применения на основе типов взаимодействия

  • Офтальмология — LASIK, фоторетинокоагуляция, фемтосекундная хирургия.
  • Онкология — фотодинамическая терапия, селективная абляция опухолей.
  • Дерматология — удаление сосудистых патологий, пигментации, эпиляция.
  • Стоматология — стерилизация каналов, абляция эмали.
  • Хирургия мягких тканей — резекция, коагуляция, вапоризация.

Особенности выбора лазера

Выбор лазера определяется:

  • Типом ткани (оптические свойства),
  • Глубиной воздействия,
  • Необходимым эффектом (коагуляция, резка, абляция, разрушение),
  • Безопасностью и минимальной инвазивностью.

Критические параметры:

  • Длина волны,
  • Мощность/энергия,
  • Время воздействия (импульсная структура),
  • Размер пятна.

Таким образом, при планировании лазерного лечения или диагностики необходимо учитывать сложный комплекс взаимодействий между лазерным излучением и биотканью, что требует междисциплинарных знаний в физике, биологии и медицине.

Оглавление