6 курс / Медицинская реабилитация, ЛФК, Спортивная медицина / Физиотерапия, лазерная терапия / Эффективная_лазерная_терапия_Том_1_Основы_лазерной_терапии_С_В_Москвин

ОСНОВЫ ЛАЗЕРНОЙ ТЕРАПИИ

отдлиныволныдляразличныхволокон. Потеривсамомволокнеопределяютсяматериаломсердечникаидлиной волныпроходящегочерезнегосвета. Для количественнойоценкипотерьотрасстоянияиспользуетсяудельноезатухание оптического сигнала (В), выраженное в дБ/км:

где l – длина волокна (в километрах); lg – десятичный логарифм; Рвх, Рвых – мощность излучения на входе и выходе волокна.

Для кварцевого волокна поглощение на нескольких десятках сантиметров (обычная длина световодов, применяемых в лазерной терапии) в ближней ИК-области незначительно, основные потери происходят на изломах и других механических повреждениях. Совершенно иная ситуация с полимерным (PMMA) волокном, котороевсёчащеиспользуютвмедицинеиз-задешевизны ипростотыработысним. Такоеволокносовершеннонепропускаетлазерный свет с длиной волны 890–904 нм, уже на 1–2 мм волокна происходит потеря почти 100% энергии! Т. е. для световодного инструмента необходимо использовать только кварцевое волокно. Для одноразовых стерильных световодов, применяемыхвметодикевнутривенноголазерногоосвечиваниякрови, наоборот, полимерноеволокнонамногопредпочтительнее, посколькувметодикеиспользуетсятольковидимыйсветинетвероятностипопаданияосколковстекла в вену, которые могут появиться при нарушении технологии полировки торцов, как это может произойти при использовании кварцевого волокна. Не говоря уж о существенной разнице в цене: полимерное волокно и световоды из них(КИВЛ-01 поТУ9444-005-72085060-2008) стоятвнесколькораздешевле.

Для диодных лазеров потери в волокне в наибольшей степени определяются числовой апертурой из-за высокой расходимости излучения, т. е. самой сложной проблемой является именно ввод лазерного излучения в волокно [Марсагишвили Л. и др., 1997].

Изменение ширины спектральной линии происходит из-за различия фазовой скорости (поскольку показатель преломления n сердечника волокна не равен 1), однако оно пренебрежимо мало на обычно используемых длинах световодов, существенное расширение наблюдается только через несколько десятков километров.

Для оценки изменения коэффициента поляризации лазерного излучения после прохождения через световод нами был поставлен соответствующий эксперимент. Анализатор – плёночный, интерференционный. Лазер ИЛПН-108 (λ = 850 нм; Рср = 30 мВт; начальный Kп = 88%). Использовали три партии отрезков световодов различной длины с диаметром сердечника ≈ 400 мкм. При длине более 50 см коэффициент поляризации измеряли при свёрнутом световоде. Результаты представлены на рис. 1.32. Необходимо отметить два факта: во-первых, поляризация излучения уменьшается при прохождении через световод достаточно плавно; во-вторых, увеличение разброса данных при

50

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

Часть I. Базовые вопросы лазерной терапии

Рис. 1.32. Изменение коэффициента поляризации в зависимости от длины световода (3 образца)

большей длине волокна и анализ наличия дефектов показали, что от качества световода падение Kп зависит значительно больше, чем от его длины.

Полученные нами данные совпадают с предварительной оценкой М.И. Джибладзе с соавт. (1974). Ими же с помощью интерференционного методаЮнгабылиполученызависимостиизменениямодулякомплекснойстепени когерентности лазерного излучения, прошедшего по волокну, от длины световода при различных его диаметрах(рис. 1.33). Путём фотометрирования интерферограммбылиизмереныинтенсивностисветавсоседнихмаксимумах

Рис. 1.33. Изменение модуля комплексной степени когерентности лазерного излучения, прошедшего по волокну, от длины световода при его диаметрах 0,97 мм (•), 0,48 мм (o), 0,23 мм (х) (Джибладзе М.И. и др., 1974)

51

ОСНОВЫ ЛАЗЕРНОЙ ТЕРАПИИ

(Imax) и минимумах (Imin) интерференционных картин, а также интенсивности I1 и I2 каждого из двух интерферирующих пучков в отдельности. Модуль комплексной степени когерентности (|γ|) связан с этими параметрами формулой:

где V = (Imax – Imin)/(Imax + Imin) – видность интерференционных полос. ЗаконпоглощенияБугера– соотношение, определяющееослаблениеинтен-

сивностипараллельногомонохроматическоголучасветаприраспространении его в поглощающем веществе:

I = I0 · e–αl,

где I0 и I – начальная и конечная интенсивность света; е – основание натуральных логарифмов; α – показатель (коэффициент) поглощения; l – толщина слоя вещества. Физический смысл α – расстояние, на котором интенсивность излучения ослабевает в е (2,71) раз. Коэффициент поглощения зависит от поглощающего вещества и длины волны падающего излучения (λ), поэтому более правильно обозначать его как αλ.

Электрон-вольт (эВ) – внесистемная единица энергии, используемая в атомной и ядерной физике, 1 эВ (1,62 · 10–19 Дж) равен энергии, которую приобретает частица, обладающая зарядом, равным заряду электрона, при прохождении в электрическом поле с разностью потенциалов 1 В. Обычно к этой единице измерения прибегают при описании процессов ионизации (отрыва электрона от атома).

Эйнштейн (Э) – единица энергии потока электромагнитного излучения, применяемая иногда в фотохимии. Один моль вещества содержит 6,02 · 1023 частиц – число Авогадро (NA), а 1 Э – энергия квантов монохроматического излучения, число которых равно NA. Размер зависит от длины волны излучения.

Синглетное состояние – электронно-возбуждённое состояние атома или молекулы с антипараллельным расположением спинов электронов. Длительность нахождения в этом состоянии равна 10–9–10–8 с.

Триплетное состояние – электронно-возбуждённое состояние атома или молекулы с параллельным расположением спинов электронов. Длительность нахождения в этом состоянии от 10–4 до нескольких секунд. Описание этих состояний используется в так называемой «синглетно-кислородной» модели биологического действия НИЛИ, не нашедшей своего подтверждения.

Экситон – электрически нейтральная квазичастица (квант возбуждения, распространяющийся в системе), которая может быть представлена в виде связанного состояния электрона и дырки.

Квазичастицы– отдельные(квантованные) элементарныевозбуждения, на которыеможноразложитьслабовозбуждённоесостояниесистемы, состоящей из многих частиц. Концепция квазичастиц используется исключительно для удобства описания процессов в различных средах.

52

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

Часть I. Базовые вопросы лазерной терапии

Солитон– нелинейнаяуединённаяволнаввидеимпульса, способногораспространятьсябезизмененияформыибезпотерь(илиприобретения) энергии, былаоткрытаДж. РасселомвсерединеXIX векаиприобрелановуюжизньпод именемсолитонавсередине1960-хгг., когдавыяснилось, чтотакиеволны(по крайней мере, некоторые из них) способны сохранять свою структуру после нелинейного взаимодействия с себе подобными, т. е. в определённом смысле вести себя, как частицы [Лонгрен К., Скотт Э., 1981]. К лазерной терапии никакого отношения не имеет, термин используется только разного рода шарлатанами с целью «наукообразия» своей деятельности [Москвин С.В., 2014].

Фракталы (фрактальные структуры) – сомоподобные структуры, ис-

следуемые теорией динамических систем и организующиеся таким образом, что результат их упорядочивания влияет на начальные условия развития нелинейным образом – «осознанный хаос» [Пайтген Х.-О., Рихтер П.Х., 1993]. Понятие часто используется в современной теории развития и организации биологических систем и некоторыми исследователями, которые изучают механизмы биологического действия НИЛИ.

Жидкие кристаллы – устойчивое состояниенекоторых веществ, в которых обнаруживаютсяструктурныесвойства, промежуточныемеждутвёрдымкристаллом и жидкостью. Образуются в органических веществах с продолговатой формой молекул в определённом интервале температур. В биообъекте жидкокристаллическими структурами являются клеточные мембраны, молекулы фосфолипидов, холестерина, биологические жидкости, в т. ч. внутриклеточная. Данное понятие используется в одной из моделей первичного взаимодействия НИЛИ с различными биологическими структурами.

Эффект Фредерикса – изменение направления оптической оси в жидкокристаллических системах под действием внешнего электромагнитного поля. К лазерной терапии отношения не имеет.

Магнитноеполе– этооднаизформэлектромагнитногополя, особаяформа взаимодействиямеждудвижущимисязаряженнымичастицамивпроводниках или нескомпенсированными молекулярными токами в постоянных магнитах. Графически изображают силовыми линиями, которые образуют в пространстве замкнутые линии. Биологические объекты практически прозрачны для магнитных полей [Соловьёва Г.Р., 1991]. Основной характеристикой магнитного поля является магнитная индукция. Единица измерения в СИ [ГОСТ 8.417-2002] – тесла [Тл]. В физиотерапии используются как самостоятельно, причём переменные и постоянные магнитные поля, так и в сочетанной методике магнитолазерной терапии, но в данном случае только постоянное магнитное поле.

Магнитная восприимчивость (χ) – величина, характеризующая связь намагниченности вещества с магнитным полем в этом веществе. Магнитная восприимчивость может быть как положительной, так и отрицательной. Отрицательной обладают диамагнетики, они намагничиваются против поля; положительной – парамагнетики и ферромагнетики, они намагничиваются

53

ОСНОВЫ ЛАЗЕРНОЙ ТЕРАПИИ

по полю. Магнитная восприимчивость диамагнетиков и парамагнетиков мала (~10–4–10–6). Безразмерная величина.

Магнитная проницаемость (μ) – величина, характеризующая изменение магнитной индукции среды при воздействии магнитного поля. Безразмерная величина. μ = 1 + χ.

Основы физики лазеров

Создание лазеров – один из наиболее значимых результатов практической реализациитеоретическойквантовоймеханики, которойпредшествоваловозникновение квантовой теории света.

Для объяснения основных квантово-оптических процессов воспользуемся планетарной моделью Э. Резерфорда, которая представляет атомы как кван- тово-механические системы, состоящие из ядра и вращающихся вокруг него электронов, занимающих строго определённое, дискретное энергетическое положение. Другимисловами, электронынемогутиметьлюбое, произвольное значение энергии, а только из того набора разрешённых состояний, который определяется конкретной системой, что следует из уравнений Шрёдингера и Дирака, а также подтверждено прямыми экспериментами. При этом все электроныимеютразличныезначенияквантовыхчисел: n, l, m, s (правило запрета Паули), т. е. нет двух абсолютно одинаковых электронов в одном атоме.

Переход из одного энергетического состояния в другое осуществляется скачком, приэтоммогутпроисходитьследующиепроцессы(рис. 1.34). Первый из них – поглощение света. Атом находится в основном, энергетически наиболее выгодном, а поэтому стабильном состоянии. В этом случае электроны располагаются на ближайших к ядру орбитах. При наличии светового потока один из электронов с энергией E1 может поглотить пролетающий фотон (hν) и перейти на более удалённую от ядра энергетическую орбиту E2 за счёт дополнительно приобретённой энергии. Это произойдёт только в том случае, если:

Рис. 1.34. Процессы взаимодействия света с веществом

54

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

Часть I. Базовые вопросы лазерной терапии

hν = E2 – E1.

Это и есть акт поглощения света веществом (рис. 1.34, а). Атом перейдёт в электронно-возбуждённое состояние с энергией E2. В квантовой электронике число атомов, обладающих данной энергией, называется населённостью уровня.

Атом не может постоянно находиться в возбуждённом состоянии, он стремится перейти в основное, отдавая в окружающую среду полученную ранее энергию в виде излучения фотона. Произойдёт акт спонтанного испускания (рис. 1.34, б), а электрон перейдёт на ближнюю к ядру орбиту E1.

При третьем типе взаимодействия (рис. 1.34, в) атом исходно находится в электронно-возбуждённомсостоянии после поглощения фотона. Попадая под действиесветовойволны, фотоныкоторойобладаютэнергией, равнойразнице энергий данного атома в возбуждённом и невозбуждённом состоянии (hν = E2 – E1), атом может перейти в основное состояние, испустив фотон, который по всем параметрам (частота, импульс, направление движения и др.) будет идентичен фотону, который стимулировал переход. Данный процесс называется вынужденным испусканием, а поток фотонов при этом усиливается. Следовательно, произойдёт усиление световой волны в результате вынужденного излучения. Так, собственно, и работает лазер.

Однако вероятность поглощения фотона атомом, находящимся на нижнем уровне, равна вероятности того, что этот фотон вызовет вынужденное испускание в атоме, находящемся в возбуждённом состоянии. Для усиления света необходимо, чтобы в среде (веществе) было превышение населённости верхнего энергетического уровня (E2) над нижним (E1), говоря терминологией физиков, следует создать инверсную заселённость. Процесс её создания называется накачкой, а среда, в которой создана инверсная заселённость, называется активной. На самом деле в рассматриваемой двухуровневой энергетической схеме невозможно реализовать вынужденное усиление света, для этогоиспользуютсятрёхуровневыесхемы, когдаэлектронпопадаетнанижний уровеньтолькопослетого, какпобывалнапромежуточном– метастабильном

(рис. 1.34, г).

Вквантовомгенераторе(лазере) инверснаязаселённостьсоздаётсяспомощью различных источников (способов) накачки: оптический – мощная лам- па-вспышка или другой лазер; газовый разряд; инжекция носителей тока в р-n-переходахполупроводников(диодныелазеры); электронноевозбуждение– бомбардировка в вакууме полупроводника пучком электронов; тепловой – нагрев газа с его последующим резким охлаждением; химический – энергия химических реакций и некоторые другие.

Для того чтобы активная среда излучала когерентный монохроматический свет, необходимо ввести положительную обратную связь, т. е. часть излученной энергии направить обратно в оптическую среду для осуществления вынужденного излучения (генерации). Положительная обратная связь осуществляется при помощи оптических резонаторов, которые в простейшем ва-

55

Часть I. Базовые вопросы лазерной терапии

2

1

3

Рис. 1.36. Принципиальная схема устройства лазера

Лазерные аппараты, применяемые в медицине, кроме самих лазеров, содержат также: устройство для модуляции мощности излучения непрерывных лазеров или генератор для импульсных лазеров; таймер, задающий время работы (экспозицию); измеритель или индикатор мощности излучения (фотометр); инструменты для подведения излучения к объекту (световоды) и др.

Наиболее перспективными именно в лазерной терапии являются полупроводниковые инжекционные (диодные) лазеры. Малые габариты, низкие питающиенапряжения, широкийдиапазондлинволнизлученияимощностей, возможность работы в импульсном режиме, возможность прямой модуляции излучения, относительно низкая стоимость – всё это позволяет говорить о том, чтодиодныелазерывнеконкуренциивэтойобластимедицины. Поэтому подробнее остановимся на основных принципах их работы.

Чтобы понять, как функционирует лазерный диод, необходимо в общих чертах изложить физику полупроводников. Энергия электронов в одиночном атоме принимает строго определённые дискретные значения. В кристалле полупроводника энергетические уровни образуют энергетические зоны (рис. 1.37). В чистом, не содержащем каких-либо примесей полупроводнике выделяютдвезоны: такназываемуювалентнуюирасположеннуюнадней(по шкале энергий) зону проводимости. Электроны с энергией, соответствующей валентной зоне, принадлежат только атому кристалла, но, получив энергию, соответствующую зоне проводимости, становятся свободными и вызывают проводимость. Это может произойти при нагреве или за счёт энергии фотонов (в этом случае возникает внутренний фотоэффект). Между валентной зоной и зоной проводимости имеется промежуток запрещённых значений энергии, который называют запрещённой зоной, поэтому электрон не может плавно увеличивать свою энергию, а только скачком, размер которого больше энергии запрещённой зоны [Шуппе Г.Н., 1982]. При температуре полупроводника, равной абсолютному нулю, валентная зона должна быть полностью заполненаэлектронами, азонапроводимости– оставатьсяпустой. Вреальных условиях температура всегда выше абсолютного нуля, что приводит к тепловомувозбуждениюэлектронов, приэтомчастьихперескакиваетизвалентной зоны в зону проводимости. В результате этого процесса в зоне проводимости

57

ОСНОВЫ ЛАЗЕРНОЙ ТЕРАПИИ

Рис. 1.37. Энергетическая схема полупроводника

появляется некоторое (относительно небольшое) количество электронов, а валентной зоне до её полного заполнения не будет хватать соответствующего числа электронов. Эту вакансию в валентной зоне представляют положительно заряженной частице и называют «дыркой». Квантовый переход электрона через запрещённую зону «снизу» «вверх» рассматривается как процесс генерации электронно-дырочной пары, при этом электроны сосредоточиваются у нижнего края зоны проводимости, а дырки – у верхнего края валентной зоны. Переходы через запрещённую зону возможны не только «снизу» «вверх», но и с верхнего энергетического уровня на нижний. Такой процесс называется рекомбинацией электрона и дырки [Грибковский В.П., 1988].

При освечивании полупроводника лазерным светом, энергия фотонов которого несколько превышает ширину запрещённой зоны, в кристалле полупроводника могут совершаться три типа взаимодействия излучения с веществом: поглощение, спонтанное испускание и вынужденное испускание света. Первый тип взаимодействия возможен при поглощении фотона электроном, находящимся вблизи верхнего края валентной зоны. При этом электрон со-

58

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

Часть I. Базовые вопросы лазерной терапии

вершит квантовый переход в зону проводимости. Спонтанное испускание света возможно при самопроизвольном возвращении электрона из зоны проводимости в валентную зону. Внешний свет может инициировать переход в валентнуюзонуэлектрона, находящегосявблизинижнегокраязоныпроводимости. Результатомэтого – третьего– типавзаимодействиясветасвеществом полупроводника будет рождение вторичного фотона, идентичного по своим параметрам и направлению движения фотону, инициировавшему переход.

Длягенерациилазерногоизлучениянеобходимосоздатьвполупроводнике инверсную заселённость «рабочих уровней» – достаточно высокую концентрацию электронов у нижнего края зоны проводимости, и соответственно, высокую концентрацию дырок у края валентной зоны. С этой целью можно использовать оптическую накачку, однако в полупроводниковых лазерах из чистого материала чаще применяется накачка электронным пучком.

Как уже отмечалось, в лазерной терапии используют инжекционные полупроводниковые (диодные) лазеры, у которых накачка осуществляется пропусканием прямого тока через p–n-переход лазерного диода, т. е. прямой инжекцией носителей.

Свойства полупроводников с примесями существенно отличаются от свойств чистых, беспримесных полупроводников. Это обусловлено следующим. Атомыоднихпримесейлегкоотдаютвзонупроводимостипоодномуиз своих электронов, такие примеси называют донорными, а полупроводники с такимипримесями– n-полупроводниками. Атомыдругихпримесей, напротив, захватываютпоодномуэлектронуизвалентнойзоны, такиепримесиявляются акцепторными, исоответствуютимp-полупроводники. Есливчастькристалла чистого полупроводника введены акцепторы, а в другую – доноры, то получится диод (устройство, проводящее электрический ток в одном направлении приложенияэлектрическогополяинепроводящеееговдругомнаправлении). Границу между p- и n-областями называют p–n-переходом.

Энергетический уровень (уровень Ферми, или «центр тяжести» энергетического распределения электронов) примесных атомов располагается внутри запрещённой зоны: у n-полупроводников – недалеко от нижнего края зоны проводимости, у p-полупроводников – вблизи верхнего края валентной зоны. Если приложить внешнее электрическое поле так, чтобы со стороны р-полу- проводника был «+», а со стороны n-полупроводника «–» (так называемое прямое смещение), то под действием электрического поля электроны из n-по- лупроводника, адыркиизp-полупроводникабудутперемещаться(инжектиро- ваться) в область p–n-перехода. При рекомбинации электронов и дырок будут генерироваться фотоны, а при наличии оптического резонатора возможна генерация лазерного излучения (рис. 1.37 и 1.38, б, в, г).

Зеркалами оптического резонатора таких лазеров являются сами грани кристалла, специально ориентированные перпендикулярно плоскости p–n- перехода. Эти грани идеально параллельны, так как получаются скалыванием кристалла вдоль кристаллической решетки в заданном направлении,

59