Вступ
Розвиток лазерної техніки дозволив сформувати великий науково-технічний напрямок – взаємодії когерентного монохроматичного електромагнітного випромінювання з біологічними системами – лазерної медицини. Дослідження випромінювання лазера проводилися за такими напрямками, як виявлення процесів, що відбуваються в біологічній системі, та дослідження останньої під впливом випромінювання лазера; використання лазерів у медицині для діагностики та терапевтики; встановлення ступеня безпечності впливу його випромінювання на здоров’я людини.
Сьогодні лазери успішно застосовуються в таких сферах, як хірургія, онкологія, офтальмологія, терапія, стоматологія, урологія, гінекологія, щелепно-лицева хірургія, нейрохірургія, ендоскопія, фізіотерапія. Відкриття лазерного фотогідравлічного ефекту дало широкий спектр можливостей для пластичної хірургії. В онкології для лікування ран, виразок, шкіряних захворювань застосовують низькоінтенсивне лазерне випромінювання . В офтальмології за допомогою лазерів проводять такі лікування, як відшарування сітчатки, діабет (крововилив судин, що живлять сітчатку), глаукома, приварювання сітчатки та ін. При великих тривалостях (секунди, мілісекунди) і малих рівнях потужності в імпульсі випромінювання проводить коагулюючу дію . Разом із тепловою коагулюючою дією в офтальмології використовується руйнуючий ефект лазерного випромінювання, що має місце при фокусуванні надкоротких і надпотужних імпульсів, які проявляються в ефекті мікровибуху. Такий режим використовується в офтальмологічній установці “Ятаган-1” для пробивання каналів у тканинах ока при лікуванні глаукоми. У 1984 році завершилась розробка офтальмологічної лазерної установки "Якорь-1" на базі неперервного ІАГ: Nd3+ лазера з перетворенням випромінювання в другу гармоніку з =0,532 мкм та імпульсивного лазера на неодимовому склі з модуляцією добротності =1,06 мкм. Чисто зелене випромінювання мінімально пошкоджує нервову тканину. Крім того, в зоні лазерної обробки зеленим світлом відбувається більш ефективне проростання кровоносних судин, що дозволяє здійснювати більш ранню та більш ефективну обробку очного дна.
Застосування лазерів у медецині
Механізми дії лазерного випромінювання (ЛВ) на біологічні об'єкти вивчені ще недостатньо повно. Часто ще можна зустріти протиріччя в питаннях механізмів і наслідків дії ЛВ на біооб'єкти (насамперед, в ролі когерентності, монохроматичності, поляризованості ЛВ, щодо механізмів дії тощо).
Під біологічною дією ЛВ розуміють сукупність структурних, функціональних, біофізичних і біохімічних змін, що виникають в живому організмі в результаті його опромінення лазерними променями.
Дослідження процесів, що лежать в основі змін, які відбуваються під дією ЛВ в клітинах і тканинах біооб'єктів, вимагає застосування кількісних методів з залученням фізико-математичного апарата. Необхідність доповнення традиційних біологічних методів (анатомічних, гістологічних, фізіологічних описів тощо) фізичними означає те, що фізика повинна надати біологічним методам теоретичне, фізико-математичне, біофізичне, біохімічне обгрунтування одержуваних результатів досліджень. Таким чином, аналіз механізмів біологічної дії ЛВ потрібно будувати на поєднанні методів біології і фізики. В механізмі біологічної дії низько енергетичного лазерного випромінювання НЕЛВ є декілька послідовних фаз. Перша з них – поглинання енергії ЛВ біооб'єктом як фізичним тілом. В цій фазі всі процеси строго підкоряються фізичним законам. У відповідності з законами квантової оптики на атомно-молекулярному рівні відбуваються такі реакції:
1)поглинання світла (ЛВ) тканинними фотоакцепторами;
2)виникнення внутрішнього фотоефекту і його прояви (фотопровідність, фото-е.р.с. і фотодіелектричний ефект);
3)електролітична дисоціація іонів (руйнування слабких міжмолекулярних зв'язків);
4)електронне збудження атомів і молекул, на які подіяло ЛВ;
5)міграція енергії електронного збудження;
6)первинний фотофізичний акт;
7)поява первинних фотопродуктів.
На клітинному рівні основними процесами, що запускають подальші біореакції, слід вважати:
1)зміну енергетичної активності клітинних мембран;
2)активацію ядерного апарату клітин і системи ДНК-РНК-білок;
3)активацію окислювально-відновлювальних, біосинтетичних процесів і основних ферментативних систем;
4)збільшення утворення макроергів (АТФ);
5)підсилення мітотичної активності клітин, що веде до активації їх проліферації.
На органному (тканинному) рівні під впливом НЕЛВ:
1)понижується рецепторна чутливість;
2)зменшується тривалість фаз запалення, інтерстиціальний набряк і напруга тканин;
3)підсилюється поглинання тканинами кисню;
4)підвищується швидкість кровотоку;
5)збільшується кількість функціонуючих судинних колатералей;
6)активізується транспорт речовин крізь судинну стінку.
Кінцевий фотобіологічний ефект впливу НЕЛВ – реактивність цілісного організму або комплексу органів чи систем.
На даний час впевнено можна стверджувати, що в основі дії ЛВ (інфрачервоних (ІЧ), видимих і ультрафіолетових променів) на організм лежать кінетичні, електричні, фотохімічні та фотофізичні процеси, які проходять в організмі при поглинанні ним енергії цих променів. Поглинання енергії діючого фізичного фактора (променів ЛВ) – це не тільки перша, але і основна стадія в складній сукупності реакцій, що виникають при дії ЛВ на організм.
При дії ЛВ світлового діапазону створюється світловий тиск в мільйони і атмосфер, але взаємодія ЛВ з будь-якою біотканиною починається з поглинання однієї частини потоку енергії ЛВ і відбивання другої її частини. Енергія відбивається від поверхні розділу різних середовищ. На межі двох середовищ (клітин, тканин) відбувається заломлення, розсіювання променів, випромінювання частинками тканини, виникають поляризаційні процеси, результатом яких є виникнення направлених електричних і магнітних полів.
Світлопоглинання являє собою молекулярний процес, тому дія ЛВ у багатому визначається взаємодією з хімічними компонентами біологічних тканин, максимум поглинання яких повинен співпадати з довжиною хвилі діючого ЛВ. Роль таких акцепторів, певно, можуть виконувати метаболіти живої клітини, які належать до однієї з регуляторних систем організму.
Дуже чутливі до ЛВ внутрішньоклітинні мембранні системи, що використовують для руйнування мітохондрій, ретикулума та інших органоїдів.
Під впливом ЛВ чи монохроматичного червоного світла виявлено зміну проникності мембран різних клітин по відношенню до потенціалоутворюючих іонів, зміну ліпідного складу мембран, рівня перекисного окислення в них, поверхнево-адгезійних властивостей клітинних мембран, концентрації універсального регулятора кліткового метаболізму – ЦАМФ, кількості рецепторів лімфоцитів і їх активності.
Аналіз даних досліджень дозволяє розглядати конформаційні перебудови біологічних систем як їх універсальну реакцію на дію НЕЛВ ІЧ і видимого діапазонів незалежно від наявності чи відсутності в цих системах специфічних акцепторів. Фотон квантового випромінювання поглинається тільки однією молекулою, яка стає збудженою і являє собою початкову точку взаємодії ЛВ з тканиною в складному ланцюгу найскладніших змін в структурних елементах клітини, її біофізичних і фізіологічних властивостях. Під дією ЛВ великої густини потужності може відбуватися іонізація атомів біотканини, хоча деякі автори вважають, що ЛВ, на відміну від рентгенівського і -випромінювання, не є іонізуючим.
Різниця взаємодії перш за все проявляється в глибині проникнення ЛВ в тканину, ступені пропускання і відбивання ЛВ цією тканиною, в механізмах і селективності поглинання енергії ЛВ і спричиняється різницею в морфологічних властивостях тканин, хімічному складі і біофізичних параметрах. Нижче ми більш докладно розглянемо деякі найбільш важливі і вивчені механізми біологічної дії ЛВ.
ЛВ, як енергія, в організмі може бути переопромінено внаслідок флюоресценції або фосфоресценції резонансного комбінованого і релеєвського розсіювання, поглинуто і перетворено в тепло, витрачено на активацію хімічних реакцій, індукцію фотохімічних процесів, виникнення електрохімічних ефектів у вигляді зменшення вуглеводного опору, деполімерізації клітин, зміни електричних параметрів (збільшення діелектричної проникності, питомого опору тощо), утворення значної кількості вільних радикалів (особливо в пігментованих шарах епітелія) і наступної деструкції тканини.
Таким чином, вивчення біологічної дії, а також і практичне використання ЛВ в різних галузях біології і медицини, вимагає знань оптичних характеристик опромінюваних об'єктів і, в першу чергу, коефіцієнтів відбивання, поглинання і пропускання .
Здатність ІЧ і видимих променів проникати у глибину тканин залежить перш за все від їх оптичних властивостей, а також і від довжини хвилі падаючого ЛВ. Орієнтовну уяву про послаблення світлового потоку у таблиці в товщі шкіряного покрову дає діаграма.
Щодо поглинання хвиль видимого і ІЧ діапазонів ЛВ розглянемо табл. 16, з якої бачимо, що довгохвильове ІЧ-випромінювання найбільше поглинається в роговому шарі (епідермісі), на глибині менше 0,25 мм, в той час, коли видимі і крайні ІЧ - в дермі (саме шкірі) на глибині 0,5...2 мм, а в підшкірній (жировій) клітковині найкраще поглинаються крайні червоні (0,75 мкм).
Поглинання шкірою енергії променів ЛВ різною довжини, %.
| Довжина хвилі, нм | Шар шкіри (товщина шару в мм) | |||
| Роговий (0,3) | Мальпігіїв (0,5) | саме шкіра (2,0) | підшкірна клітковина (2,5) | |
| 200 | 81 | 8 | 11 | 0 |
| 280 уф | 85 | 6 | 9 | 0 |
| 300 | 66 | 18 | 16 | 0 |
| 400 | 20 | 23 | 56 | 1 |
| 550 вид | 13 | 10 | 72 | 5 |
| 750 | 22 | 13 | 44 | 20 |
| 1000 ІЧ | 29 | 6 | 48 | 17 |
| 1400 | 56 | 16 | 20 | 8 |
Таблиця 1б
| Глибина шару, мм | Е, %, при довжині хвилі, мкм | |||||
| 0,4 (сині | 0,55 (зелені) | 0,75 (крайні червоні) | Інфрачервоні хвилі | |||
| 1,0 | 1,4 | 3…6 | ||||
| <0,25 | 20 | 15 | 20 | 25 | 56 | 80 |
| 0,25...0,5 | 25 | 5 | 10 | 5 | 16 | 20 |
| 0,5...2 | 55 | 75 | 40 | 48 | 20 | - |
| >2(підшкірна клітковина) | | 5 | 30 | 22 | 8 | - |
Глибина проникнення видимих променів збільшується ( зменшується) при переході від фіолетових (ф) до червоних (ч) променів (рис. 3, криві 1а, 1б), максимально досягаючи у останніх 2...3 мм.
Зрозуміло, що зі зменшенням коефіцієнту поглинання збільшується коефіцієнт відбивання .
При вирішенні проблеми проникнення ЛВ в залежності від довжини його хвиль, а значить дії на елементи тканини (шкіри), які знаходяться на різній глибині, доцільно знати закономірності пропускання хвиль видимого і ІЧ спектрів ЛВ тканиною.
Лазерні діагностика і дослідження
Як зазначено вище, при дії ЛВ на біотканини може утворюватися вторинне випромінювання, незначна кількість якого залишає біотканину і може бути зареєстроване чутливими фотоелементами. Цей ефект може бути використаний для діагностики. Так, наприклад, після інтравенозного введення гематопорфирину (фотосенсибілізатора) на третю добу після введення здорові тканини від нього звільняються, а пухлинні його накопичують. Якщо на тканину подіяти синім ЛВ, то пухлинна тканина починає світитися - це і є вторинне випромінювання, за допомогою якого можлива діагностика атипової тканини, виявлення скопичення (популяцій) злоякісних клітин.
Непогані перспективи має використання ЛВ для ангіоскопії (методу судинної ендоскопії), що дозволяє діагностувати атеросклеротичні зміни судин. В основу цього методу покладено відмінність спектрів поглинання атеросклеротичної бляшки і неушкодженої судинної тканини. В процесі опромінення ЛВ бляшки, що вміщують у собі забарвлену речовину -каротиноіди, під впливом ЛВ флюоресціюють. Аналіз спектрів проводять за методами комп'ютерних технологій.
Варті уваги наукові дослідження в галузі біофізичної генетики – дії фізичних факторів з точки зору енергетики. Результати пояснюються авторами з позиції висунутої ними гіпотези "ягрон" – ядерного генератора, у ролі якого виступає ядро клітини: ЛВ впливає на ендогенні, внутрішньоклітинні генератори і може запускати, стимулювати, коректувати або нормалізувати функції ендогенних ядерних генераторів. Все це відображається у зміні електричної поляризації клітинних ядер (ЕПКЯ). Метод оцінки ЕПКЯ є високоефективним і дозволяє визначити біологічний вік людини, ступінь стомленості, інтоксикації, наслідків стресів, що знайшло широке застосування в різних галузях медицини (кардіології, наркології, онкології, хірургії, стоматології, фізіотерапії, гігієні праці, спорті тощо) для визначення індивідуальних особливостей реакцій організму на зовнішні впливи, що є важливим для правильного дозування терапевтичних процедур, оцінки ефективності лікування, визначення потреби їх корекції. Метод - безболісний, безкровний і не травматичний, здійснюється за 5...10 хв (експрес-метод).
Зважуючи на те, що природа впливу НЕЛВ на організм до цього часу ще недостатньо з'ясована, можна чекати появи пропозицій нових методик діагностики за допомогою ЛВ.
Лазерна терапія ЛВ
Практикою доведено ефективність дії НЕЛВ на живий організм. Загальну уяву про механізми терапевтичної дії НЕЛВ, що грунтується на механізмах біофізичної, біохімічної та біологічної дій на тканини, органи, системи біооб'єктів, можна скласти за рис.8, 9.
Загальними протипоказаннями ЛВ з лікувальною метою є: злоякісні новоутворення; доброякісні новоутворення з схильністю до прогресування; легенево-серцева і серцево-судинна патологія в стадії декомпенсації; системні захворювання крові; печінкова і ниркова недостатності в стадії декомпенсації; тиреотоксикоз; гарячковий (лихоманковий) стан; різке загострення запальних процесів; активний туберкульозний процес; індивідуальна нестерпність.
На сьогодні вплив НЕЛВ з лікувальною ціллю застосовується в понад 30 медичних спеціальностях, а перелік захворювань, при яких лазерна терапія є ефективною, постійно поповнюється. Біомеханізм лазерної терапії оснований на тих біохімічних та біофізичних реакціях, що пов'язані з резонансним поглинанням ЛВ тканинами і руйнуванням слабких міжмолекулярних зв'язків (безпосередня дія енергії ЛВ).
Лазерна терапія ЛВ
Практикою доведено ефективність дії НЕЛВ на живий організм. Загальну уяву про механізми терапевтичної дії НЕЛВ, що грунтується на механізмах біофізичної, біохімічної та біологічної дій на тканини, органи, системи біооб'єктів, можна скласти за рис.8, 9.
Загальними протипоказаннями ЛВ з лікувальною метою є: злоякісні новоутворення; доброякісні новоутворення з схильністю до прогресування; легенево-серцева і серцево-судинна патологія в стадії декомпенсації; системні захворювання крові; печінкова і ниркова недостатності в стадії декомпенсації; тиреотоксикоз; гарячковий (лихоманковий) стан; різке загострення запальних процесів; активний туберкульозний процес; індивідуальна нестерпність.
На сьогодні вплив НЕЛВ з лікувальною ціллю застосовується в понад 30 медичних спеціальностях, а перелік захворювань, при яких лазерна терапія є ефективною, постійно поповнюється. Біомеханізм лазерної терапії оснований на тих біохімічних та біофізичних реакціях, що пов'язані з резонансним поглинанням ЛВ тканинами і руйнуванням слабких міжмолекулярних зв'язків (безпосередня дія енергії ЛВ).
Зміна енергетичних параметрів внутрішнього середовища організму, активізація процесів саморегуляції відбувається за рахунок енергетичної підкачки. Кінцевий фотобіологічний ефект відображається в клінічних показниках (рис.15, 16).