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:
1. Возникновение вентильной (барьерной) фото-ЭДС в зоне перехода.
2. Возникновение диффузной фото-ЭДС (эффект Дембера).
3. 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
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13
