4 курс / Дерматовенерология / Эффективная_лазерная_терапия_Том_1_Основы_лазерной_терапии_С_В_Москвин

ОСНОВЫ ЛАЗЕРНОЙ ТЕРАПИИ

ФИЗИЧЕСКИЕ И БИОФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

ЛАЗЕРНОЙ ТЕРАПИИ

Для правильного и эффективного использования лазерного света в биологических и медицинских исследованиях, а также в клинической практике, понимания происходящих процессов при взаимодействии лазерного излучения с биотканями, а также грамотного использования лазерной аппаратуры неизбежно приходится сталкиваться с физическими терминами, ссылаться на те или иные физические явления и законы. Попытаемся в сжатой форме изложить физический смысл основных терминов и определений, имеющих отношение к нашей теме.

Вводные определения

Волна – возмущение (изменение состояния среды или поля), распространяющееся в пространстве с конечной скоростью.

Математическое описание (для синусоидальных или гармонических колебаний):

I = I0 · sin(ωt + φ0),

где I – амплитуда волны; I0 – максимальная амплитуда; ω = 2πν – циклическая частота колебаний; t – время; φ0 – начальная фаза колебаний; sin(t) – тригоно-

метрическая функция, sin(t) = cos(t ± π/2), π = 3,1415926.

Характеризуется следующими параметрами.

Частотаколебаний(ν, f, F) – физическаявеличина, равнаячислуколебаний, совершаемыхзаоднусекунду. ЕдиницаизмерениявСИ– Герц[Гц] или[1/с–1].

Периодколебаний(T) – расстояниемеждудвумяближайшимиточкамиволны одинаковой амплитуды, колеблющимися в одной фазе. Величина, обратно пропорциональная частоте. Единица измерения в СИ – секунда [с].

Длина волны (λ) – расстояние, на которое распространяется волна за один период колебаний. В оптическом диапазоне более удобная единица, чем частота, с которой длина волны связана соотношением:

λ = c/ν,

где с – скорость света, равная 3·108 м/с. Единица измерения в СИ – метр [м].

На практике чаще используют микрометр [мкм] – 10–6 метра и нанометр [нм] – 10–9 метра.

Фаза колебаний (φ) – аргумент функции, описывающей гармонические колебания, состояниеколебательногопроцессавопределённыймоментвремени, φ = ωt + φ0, безразмерная величина.

30

Рекомендовано к покупке и прочтению разделом по дерматологии сайта https://meduniver.com/

Часть I. Базовые вопросы лазерной терапии

Законы излучения электромагнитных волн

Электромагнитная волна – переменное электромагнитное поле, периодическое изменение его напряжённости (рис. 1.18).

Рис. 1.18. Электромагнитная волна

Электромагнитное излучение (ЭМИ) – распространяющаяся электромаг-

нитная волна.

Свет (оптическое излучение) – электромагнитное излучение в оптическом диапазоне длин волн от 1 до 30000 нм (0,001–30 мкм) (рис. 1.19).

Рис. 1.19. Шкала электромагнитных волн

Характеризуют следующие параметры.

Спектр оптический – распределениепочастотам(длинамволн) интенсивностиоптическогоЭМИ, испускаемогоисточникомсвета(спектриспускания), или интенсивности поглощения света при его прохождении через вещество (спектрпоглощения). Взависимостиотдлины волны частьоптическогоспектра условно разделяют на поддиапазоны [Физические величины…, 1991]:

–ультрафиолетовый: коротковолновый – 190–280 нм (область С, или UVC), средневолновый – 280–315 нм (область В, или UVВ), длинноволновый – 315–400 нм (область А, или UVА);

–видимый: фиолетовый – 400–450 нм, синий – 450–480 нм, голубой – 480–510 нм, зелёный – 510–575 нм, жёлтый – 575–585 нм, оранжевый –

585–620 нм, красный – 620–760 нм;

31

ОСНОВЫ ЛАЗЕРНОЙ ТЕРАПИИ

– инфракрасный: от 760 нм до 30 000 нм (30 мкм), иногда условно выделяют ближнюю и дальнюю области.

Влазернойтерапиизадействуютпокалишьнебольшиеучасткиоптического диапазона ЭМИ. В настоящее время обсуждается вопрос о специфичности илиотсутствиитаковойпривыборедлиныволны. Однако, понашемумнению, в силу термодинамического характера механизма биологического действия НИЛИнетспецифическихакцепторов, «мишеней» сосвоимиособымисвойствами, и «специфичности» в этом смысле. С другой стороны, разные клеткии тканиорганизмачеловекаимеютсущественноразличающиесякоэффициенты поглощения ЭМИ в широком диапазоне, не только оптическом (касается и лазерногосвета). Следовательно, длякаждойметодикиЛТнеобходимоподбиратьНИЛИсоптимальнойдлинойволны, ипонимать, почемувыбранименно этот спектральный диапазон.

Тепловое излучение (излучение чёрного тела) – электромагнитное излу-

чение в оптическом диапазоне длин волн любого физического тела, обладающего конечной температурой, отличной от абсолютного 0 °К (–273 °С), спектр которого зависит от значения этой температуры (рис. 1.20). Тепловое излучение происходит вследствие нерегулярного торможения свободных электронов и характеризуется спектром различных длин волн в соответствии с вышеописанными законами. Тело остывает, т. е. теряет энергию, излучая

Рекомендовано к покупке и прочтению разделом по дерматологии сайта https://meduniver.com/

Часть I. Базовые вопросы лазерной терапии

Рис. 1.21. Солнечный спектр вне атмосферы (а) и у поверхности Земли (б)

испусканию и поглощению света, упрямым образом не укладывался в рамки волновых представлений. Так, несмотря на все усилия теоретиков, закон распределенияэнергиивспектреабсолютночёрноготела, выведенныйнаоснове волновойтеории, оказывалсяврезкомнесогласиисопытом. Тольков1901 году М. Планк сформулировал совпадающий с экспериментальной практикой закон, в основу которого легло допущение прерывистого характера испускания и поглощения света веществом, конечными порциями – квантами света, которые чаще называют фотонами [Блохинцев Д.И., 1949].

Квант– минимальнаяпорцияэнергии(Е) электромагнитногополяизлучения, равная hν, где h – постоянная Планка, равная 6,62·10–34 Дж·с; ν – частота излучения. Имеет импульс: р = Е/с. Напоминаем, что λ = c/ν (длина волны). Энергия такого кванта пропорциональна частоте колебаний света.

Фотон – квант электромагнитного поля или излучения оптического диапазона, нейтральная элементарная частица с нулевой массой покоя и спином, равным 1.

Спин – собственный момент импульса (движения) элементарной частицы или системы, образованной из этих частиц (например, атомного ядра), имеет квантовую природу и не связан с движением частицы в пространстве.

Закон Планка – описывает поглощение и испускание энергии электромагнитного излучения телами, находящимися в равновесном состоянии.

где π = 3,1415926; h – постоянная Планка, равная 6,62·10–34 Дж·с; с – скорость света, равная3·108 м/с; λ– длинаволныизлучения; k – постояннаяБольцмана, равная 1,38·10–23 Дж/К; Т – температура тела по Кельвину (в °К).

Это явление, которое назвали люминесценцией, оказалось обусловлено излучением электромагнитных волн вследствие перехода связанных в атомах и молекулах электронов с высокого на более низкий энергетический уровень.

33

ОСНОВЫ ЛАЗЕРНОЙ ТЕРАПИИ

Люминесценция – неравновесное излучение света телами, избыточное над их тепловым излучением и имеющее длительность после прекращения действия возбудителя, во много раз превышающую период световых волн. По длительности условно подразделяют на флуоресценцию (кратковременное свечение – 10–9 с) и фосфоресценцию (длительное свечение – от нескольких микросекунд (10–6 с) до нескольких суток). Примером люминесцентного излучения является свет ультрафиолетовых ламп, светодиодов и лазеров, применяемыхвфизиотерапии. Спектрболееузкий, чемпритепловомизлучении, что определяется как самой системой «электрон–атом», так и способом возбуждения вещества (рис. 1.22). Особенностью люминесцентного излучения такжеявляетсянекотораяпериодическаяповторяемостьспектральныхлиний.

Рис. 1.22. Типовой спектр люминесценции

Физика твёрдого тела

Электрон – стабильная элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом qе = 1,6021892·10–19 Кл, массой покоя mе = 9,1·10–28 г.

Дырка – электронная вакансия в кристалле полупроводника, обладающая подвижностью, является положительно заряженным носителем тока в полупроводнике. Условное понятие, позволяющее в физике твёрдого тела описать некоторые явления, связанные с электропроводностью.

Металлы – вещества, проводящие электрический ток за счёт наличия свободных электронов.

Диэлектрики – вещества, практически не проводящие электрический ток. Полупроводники – вещества, обладающие электронной (n) и дырочной (р)

проводимостью и по значению электропроводности занимающие промежуточное положение между проводниками (металлами) и изоляторами (диэлектриками).

ЭффектКикоина–Носкова– возникновениеэлектрическогополявосвечиваемомполупроводнике, помещённомвсильноемагнитноеполе. Наблюдается

34

Рекомендовано к покупке и прочтению разделом по дерматологии сайта https://meduniver.com/

Часть I. Базовые вопросы лазерной терапии

прирезконеоднороднойконцентрациинеосновныхносителейтока, чтодостигается при освечивании мощным световым потоком. К лазерной терапии не имеет никакого отношения, вт. ч. ивобъясненииявленияусилениядействия НИЛИ в магнитном поле, поскольку условия возникновения этого эффекта настолько далеки от происходящего в живых клетках, что не имеет смысла всерьёз обсуждать этот вопрос. Термин приведён исключительно для того, чтобы каждый мог иметь собственное мнение относительно его упоминания некоторыми «специалистами».

Светоизлучающий диод – устройство на основе двух полупроводников с электроннойидырочнойпроводимостью. ВанглийскойлитературеLED – light emitting diode, в русском языке аналогичное сокращённое название – СИД. На границе между полупроводниками разного типа (полупроводниковый p–n-переход) при прохождении электрического тока генерируется оптическое излучение, которое некогерентно, однако имеет более узкий спектр (ширина которого обычно составляет 5–15 нм), чем у тепловых источников света. Светоизлучающие диоды имеют низкую стоимость, надёжны, работают в широком спектральном диапазоне (рис. 1.23) и достаточно активно применяются в медицине и косметологии. Однако эффективность их биологического (терапевтического) действия существенно ниже, чем у диодных лазеров, поэтому предполагать замену ими лазеров в лазерной терапии не приходится. В лазернойтерапии, поопределению, допускаетсяиспользоватьтольколазеры. Кроме того, СИД не могут работать в импульсном режиме, самом эффективном и наиболее распространённом в лазерной терапии. Тем не менее многочисленные попытки подмены существуют, когда под видом лазеров предлагают некогерентныеисточникисвета(мол, какаяразница?), нопрактическивсегдаэто заканчивается фиаско, поскольку дешёвые и почти бесполезные светодиоды не могут обеспечить должный лечебный эффект.

Рис. 1.23. Типовые спектральные зависимости светоизлучающих диодов

35

ОСНОВЫ ЛАЗЕРНОЙ ТЕРАПИИ

Свойства лазерного света

Лазер – квантовый усилитель или генератор когерентного электромагнитного излучения оптического диапазона (света).

Лазерное излучение – электромагнитное излучение оптического диапазона, обладающее такими свойствами, как когерентность, монохроматичность, поляризованность, что позволяет создать чрезвычайно высокую локальную концентрацию энергии и температурный градиент. В хирургии это свойство используется для избирательного удаления биотканей или новообразований,

вкосметологии– татуировок, вфотодинамическойтерапии– дляселективной активации накопленных в патологических клетках фотосенсибилизаторов,

влазерной терапии благодаря этому достигается максимальный отклик на освечивание биологической системы.

Когерентность (от латинского cohaerens – находящийся в связи, связанный) – согласованное протекание во времени нескольких колебательных волновых процессов одной частоты и поляризации, свойство двух или более колебательных волновых процессов, определяющее их способность при сложении взаимно усиливать или ослаблять друг друга. Тогда при их сложении

впространстве возникает интерференционная картина.

Колебания называются полностью когерентными, если разность их фазΔφ в точке наблюдения остаётся постоянной во времени. Колебания называют частичнокогерентными, еслиразностьихфазменяетсядостаточномедленно.

В другой терминологии когерентность – это распространение в одном направлении фотонов, имеющих одну энергию, а свет, состоящий из таких фотонов, называют когерентным.

Различают пространственную и временнýю когерентность.

Пространственная когерентность относится к волновым полям, изме-

ряемым в один и тот же момент времени в двух разных точках пространства. Если за время наблюдения, равное двум периодам колебаний, фаза изменится не более чем на π, то поля называют когерентными. Расстояние, на котором сохраняется когерентность, называют длиной когерентности (lк), т. е. на этом расстоянии наблюдаются интерференционные эффекты.

Временнáя когерентность описывает поведение волн в течение времени, относится к одной точке поля, но в различные моменты времени, и тесно связана с понятием монохроматичности. Характеризуется таким параметром,

как время когерентности:

τк ≈ 1/δν,

где δν – ширина спектральной линии (Гц).

Более удобно и временнýю когерентность характеризовать через длину когерентности:

lк = с/δν.

36

Рекомендовано к покупке и прочтению разделом по дерматологии сайта https://meduniver.com/

Часть I. Базовые вопросы лазерной терапии

Пространственная когерентность определяется, в первую очередь, геометрическими размерами источника излучения, временнáя – спектральным составом излучения, т. е. зависимостью энергии излучения от длины волны и ширины спектральной линии.

Большинство лазеров, применяемых в современной лазерной терапии, – диодные, которые имеют относительно малую длину когерентности. Для импульсных диодных лазеров lк составляетдоли миллиметра. Другими словами, нанебольшомрасстоянииотбиологическогообъектасветовоеполеведётсебя как уже почти некогерентный источник. В данном контексте подразумевается пространственная когерентность, тогда как временнáя (ширина спектра) не меняется до полного поглощения света. Это объясняет очень многие эффекты терапевтического действия лазеров, например, их высокую эффективность на большой глубине при воздействии на проекцию внутренних органов.

Интерференция света – явление, возникающее при наложении двух или нескольких когерентных световых волн, линейно поляризованных в одной плоскости, состоящеев устойчивом во времени усилении или ослаблении интенсивности результирующей световой волны в зависимости от соотношения между фазами этих волн.

Монохроматичность(дословно– одноцветность) – излучениеоднойопределённойчастотыилидлиныволны, болеекорректно– светспредельномалой шириной спектра. Условно за монохроматичное можно принимать излучение с шириной спектра менее 3 нм. Именно такой показатель имеют импульсные диодные лазеры, у современных одномодовых непрерывных лазеров ширина спектра излучения чаще всего не более 0,1 нм.

Поляризация – симметрия (или нарушение симметрии) в распределении ориентации вектора напряжённости электрического и магнитного полей в электромагнитнойволнеотносительнонаправленияеёраспространения. Если две взаимно перпендикулярные составляющие вектора напряжённости электрическогополя(E) совершаютколебанияспостояннойвовремениразностью фаз, товолнаназываетсяполяризованной. Еслиизмененияпроисходятхаотично (при распространении электромагнитных волн в анизотропных средах, отражении, преломлении, рассеянииидр.), товолнаявляетсянеполяризованной.

37

ОСНОВЫ ЛАЗЕРНОЙ ТЕРАПИИ

Рис. 1.25. Разновидности поляризации:

а – линейная, б – круговая, в – эллиптическая (частичная)

Вовторомслучаеволнезаданначальныйимпульс, отклоняющийеёколебания от заданного направления, и мы видим, что она как бы вращается вдоль оси распространения, «ввинчивается» в пространство. Тогда говорят о круговой поляризации (рис. 1.25, б). В общем случае в излучении (волновом поле) можно найти все типы волн, и такой самый распространённый вариант называют

эллиптической (частичной) поляризацией (рис. 1.25, в).

Состояние поляризации описывают параметром, называемым степенью поляризации (Сп) и равным отношению разности интенсивности двух выделенных opтогональных составляющих к сумме их интенсивностей:

Cп = ТE − ТМ, ТE + ТМ

где ТЕ – интенсивность в плоскости распространения электрической составляющей, ТМ – интенсивность в плоскости распространения магнитной составляющей электромагнитной волны. На практике чаще используют такую величину, как коэффициент поляризации Kп = Сп·100%.

Необходимо отметить, что не бывает абсолютно деполяризованной волны (в литературе по оптике – естественный свет) и абсолютно поляризованной. Например, солнечный свет в значительной степени деполяризован вне атмосферы Земли, но пройдя через неё и претерпев рассеяние на молекулах кислорода, азота и т. д., становится поляризованным, иногда до 85% [ТверскойП.Н., 1962]. Современныелазерныедиодыимеюткоэффициентполяризацииизлучаемогосвета, близкийк100%, ноуимпульсныхроссийскихлазеров, к сожалению, этот показатель существенно ниже, в диапазоне 85–95%.

Направленность– следствиекогерентностилазерногоизлучения, когдафотоны обладают одним направлением распространения. Свет лазерных диодов расходится в стороны от точки свечения, и достаточно сильно, что, однако, не мешает называть их лазерами. Параллельный световой луч называют коллимированным. В лазерной терапии нет необходимости использовать узкий и параллельный пучок света, наоборот, эффективное применение ГНЛ всегда было сопряжено с проблемой расширения светового потока для обеспечения

38

Рекомендовано к покупке и прочтению разделом по дерматологии сайта https://meduniver.com/

Часть I. Базовые вопросы лазерной терапии

оптимальнойплотностимощностиизахватываниябольшейповерхности. Для этогоиспользовалилинзыиспециальныеустройства(сканеры), чтоусложняло процесс и приводило к удорожанию громоздкого оборудования. С лазерными диодами всё проще. При простом удалении лазерной головки от поверхности тела световое пятно расширяется, позволяя контролируемо регулировать его площадь. В ИК-диапазоне непосредственный визуальный контроль невозможен, поэтому используют зеркальные насадки, автоматически задающие площадь 1 см2.

Мощность – основная энергетическая характеристика электромагнитного излучения оптического диапазона. Единица измерения по ГОСТ 8.417-2002 – ватт [Вт]. На практике для непрерывных лазеров более удобно использовать производную единицу измерения – мВт (10–3 Вт), поскольку НИЛИ именно такого порядка мощностей применяют в лазерной терапии.

Плотность мощности – отношение мощности излучения к площади поверхности, по которой она распределена. Единица измерения по ГОСТ 8.417-2002 – ватт/м2 [Вт/м2]. Опятьжедлянепрерывныхлазеровзначительно удобнее нормировать в мВт/см2, такая производная величина и используется чаще всего. Поскольку площадь воздействия редко превышает несколько квадратныхсантиметров, масштабыпроизводимыхдействийилогикаметодик в этом случае более понятны, следовательно, снижается вероятность совершения ошибки при назначении и проведении процедур, что очень важно для качественного и безопасного лечения.

Энергия– мощностьэлектромагнитногоизлучения, испускаемаявединицу времени. Единица измерения по ГОСТ 8.417-2002 – джоуль [Дж] или [Вт·с]. Ещё раз обращаем внимание на то, что эту величину часто ошибочно называют «доза». Нет такого понятия в единицах измерения для ЭМИ оптического диапазона, в т. ч. и лазерного света!

Энергетическая светимость – энергияизлучения, распределённаяпоплощади. Единицаизмерения– Дж/м2 [Дж/см2]. НО! Дляэффективнойметодики лазернойтерапииважнывсеперечисленныевышепараметры, которыенадо задавать отдельно, не связывая их в обобщённый показатель. Это заблуж-

дение необходимо забыть как можно быстрее, поскольку ошибочная терминология, кроме отсутствия информации о методике, создаёт также неблагоприятный психоэмоциональный фон (пресловутая «доза»), что однозначно негативно сказывается на эффективности лечения. В крайнем случае, если уж совсем необходимо, то называть обобщённый, итоговый параметр термином энергетическая плотность (ЭП), так ближе к стандартам и не нервирует пациентов.

ЭП = Pср t,

S

где Pср – средняя мощность; S – площадь поверхности, по которой распределена световая энергия; t – время воздействия (экспозиция).

39