Основи біофізики та біомеханіки. Лекція 3 Поглинання світла речовиною. Використання в медицині Лектор: доктор фіз. -мат. наук, професор Рожицький Миколайович
Взаємодія світла з речовиною. Поглинання світла – послаблення інтенсивності світла при проходженні його через будь-яку речовину внаслідок перетворення світлової енергії у другі види енергії. Поглинання світла відбувається унаслідок його непружнього зіткнення з молекулою (атомом), що призводить до передачі енергії речовині та є випадковою подією. Вірогідність поглинання кванта світла зразком речовини товщиною l можна оцінити величиною де T=I/I 0 – коефіцієнт пропускання. Закон поглинання світла речовиною – закон Бугера. де dx – тонкий шар речовини; di/i – послаблення світла (доля поглинених квантів). звідки отримуємо закон Бугера Коефіцієнт kλ називають натуральним показником поглинання. Його величина обернена відстані, на якому інтенсивність світла ослаблюється у результаті поглинання в середовищі в е раз. Даний коефіцієнт різний для різних довжин хвиль і його величина залежить від природи речовини.
Взаємодія світла з речовиною. Поглинання світла Івід Іпад Іпогл Іпр Закон Бугера-Ламберта-Бера відкрито французьким ученим П. Бугером в 1729 р. докладно розглянуто німецьким ученим І. Г. Ламбертом в 1760 р. та по відношенню до концентрації перевірено на досліді німецьким ученим А. Бером в 1852 р. Закон Бугера-Ламберта-Бера: інтенсивність Бугера-Ламберта-Бера світла, що вийшла зі слою речовини товщиною l після поглинання дорівнює χλ – натуральний молярний показник поглинання; l – товщина шару; с – концентрація речовини в кюветі. ε – молярний показник поглинання, що характеризує поглинальну властивість молекул речовини Із даного закону випливає, що хоч абсолютна кількість поглиненої світової енергії прямо пропорційна інтенсивності (потужності) світового потоку, що падає на об'єкт, процент поглиненого світла від неї не залежить. Так, коефіцієнт поглинання (І0 -І)/І0 показує процент поглиненого світла, а коефіцієнт пропускання (І/І0) – процент світла, що пройшло. Оптична густина D розчину
Взаємодія світла з речовиною. Поглинання світла Закон Бугера-Ламберта-Бера використовують для фотометричного визначення концентрації пофарбованих речовин. Для цього безпосередньо міряють потоки падаючого та того, що пройшов наскрізь речовини монохроматичного світла – концентраційна колориметрія. Але визначення таким чином коефіцієнта пропускання Т є незручним, оскільки отримана залежність є нелінійною (а). Тому в кількісному аналізі використовують оптичну густину D (б).
Взаємодія світла з речовиною. Поглинання світла Закон Бугера-Ламберта-Бера виконується не завжди. Він справедливий при наступних припущеннях: 1. використовується монохроматичне світло; 2. молекули розчиненої речовини в розчині поширюються (розподілені) рівномірно; 3. при зміні концентрації характер взаємодії між розчиненими молекулами не змінюється; 4. в процесі вимірювань не відбуваються хімічні перетворення молекул під дією світла; 5. Інтенсивність падаючого світла повинна бути достатньо низька (щоб концентрація незбудженних молекул практично не зменшувалася в ході вимірювань).
Розсіяння світла – явище у результаті якого світовий промінь, що розповсюджується в середовищі, відхиляється у будь-які напрямки. Необхідною умовою для виникнення розсіяння світла є наявність оптичних неоднорідностей. Розрізняють два типи таких неоднорідностей. Розсіяння світла Неоднорідності Дрібні чужорідні частинки в однорідній прозорій речовині Оптичні неоднорідності, що виникають в чистій речовині у наслідок статистичного відхилення молекул від рівномірного розподілення Зменшення інтенсивності світла внаслідок розсіяння можна описати у вигляді де m – показник розсіяння (натуральний). При спільній дії поглинання та розсіяння світла послаблення інтенсивності також є показниковою функцією де μ = m + kλ - показник ослаблення (натуральний).
Релей установив, що при розсіянні в мутному середовищі на неоднорідностях, приблизно менших 0, 2λ (де λ – довжина хвилі світла), а також при молекулярному розсіянні інтенсивність розсіяного світла обернено пропорційна четвертому ступеню довжини хвилі. Розсіяння світла Це означає, що з білого світла речовиною, наприклад в точці Д, будуть переважно розсіюватися голубі та фіолетові промені (напрямок А), а червоні – проходити в напрямку Б падаючого світла. Менше розсіяння червоних променів використовують в сигналізації: розпізнавальні вогні на аеродромах, колір світлофору тощо. Інфрачервоні промені розсіюються гірше. Якщо завислі частинки великі у порівнянні з довжиною хвилі, то розсіяння не відповідає закону Релея. Рівняння буде мати вигляд Напрямок розсіяного світла, ступінь його поляризації, спектральний склад тощо, дають інформацію про параметри, що характеризують міжмолекулярні взаємодії, розмір макромолекул в розчині, частинок в колоїдних розчинах, емульсіях, аерозолях тощо. Методи вимірювання розсіяного світла з метою отримання такого роду даних називають нефелометрією, а відповідні прилади – нефелометрами.
Взаємодія світла з речовиною 1. Кожен електронний стан молекули характеризується конкретним значенням енергії: 2. В кожному електронному енергетичному стані молекула знаходиться певний час (середній час життя). Молекула може спонтанно або примусово переходити в інший енергетичний стан. Перехід у більш високий енергетичний стан можливий тільки при поглинанні електромагнітної енергії (енергії електромагнітної хвилі). Перехід у стан з меншою енергією може відбуватися спонтанно, або під впливом електромагнітної енергії. Такий перехід супроводжується виділенням енергії (квантів флуоресценції, фосфоресценції, теплової енергії).
Взаємодія світла з речовиною Світло являє собою поперечну електромагнітну хвилю, яка здійснює електричні і магнітні коливання у просторі та часі. Напруженість електричного поля хвилі описується рівнянням: E(t) = E 0 eiωt E 0 – амплітуда коливань електричної компоненти; ω – кругова частота ω = 2πν = 2πс/λ ; ν – частота коливань; λ – довжина хвилі; с – швидкість світла; t – час. Взаємодія світла з речовиною базується на наведенні (індукуванні) електричним полем світлової хвилі дипольних моментів в електронній структурі молекули: μінд = αЕ α – поляризовність; Е – напруженість електричного поля хвилі. Дипольний момент є орієнтованим відносно однієї з осей молекули і зображується у вигляді вектора в системі координат, яка задається положенням атомів в молекулі. Резонансна взаємодія молекулярних орбіталей молекули зі світовою хвилею здійснюється тільки тоді, коли виконується умова: Е = hν = Е 2 – Е 1
Типи електронних перходів Розрізняють молекулярні орбіталі та -типу. Орбіти обох типів можуть бути єднальними та (з об'єднанням атомів) та розпушуючі (з розділенням атомів). Поглинання світла супроводжується переходом зі зв’язуючої чи орбіталі на розпушуючу ( * чи *). У зв'язку з цим розрізняють - * та - * переходи. Електрони неподілених пар (наприклад 2 s 2 у азоту), що не приймають участі в утворенні хімічних зв'язків утворюють n-орбіталі, що не зв'язані. Енергія неподіленної парі електронів в молекулі дорівнює її енергії в ізольованому атомі. Незв'язані n-орбіталі локалізовані на окремих атомах, тоді як та -орбіталі звичайно розповсюджуються на два чи більше атома в молекулі. Як видно з рисунку рівень n незв’язуючої орбіталі розміщений вище рівнів зв'язуючих та -орбіталей. В головному стані , та n орбіталі звичайно зайняті електронами, а * та *-орбіталі вільні. Поглинання світла відбувається у результаті переходів з зайнятих орбіталей на вільні. Найбільшої енергії потребує - * перехід, характерний для насичених молекул та тим, що відповідає поглинанню у вакуумному УФ ( <200 нм). Переходи - * відбуваються в молекулах зі сполученими зв'язками та в ароматичних молекулах. Вони пов'язані з поглинанням у видимій області чи ближньому УФ. Переходи n- * та n- * відбуваються в молекулах, що містять гетероатоми (N, O, S тощо). Для біологічних макромолекул типовими є переходи в дальній УФ області спектру.
Спектр поглинання Спектр (від лат. spectrum - представлення, образ, бачення). Спектром, в широкому значенні, називається сукупність усіх значень якої-небудь величини. Спектр поглинання — залежність інтенсивності поглиненого речовиною випромінювання (як електромагнітного, так і акустичного) від частоти. Він пов’язаний з енергетичними переходами в речовині. Спектр поглинання характеризується, коефіцієнтом поглинання, який залежить від частоти та визначається як обернена величина до відстані, на якому інтенсивність потоку, що пройшла знижується в e раз. Для різних матеріалів коефіцієнт поглинання та його залежність від довжини хвилі різні. Безперервні Лінійні Прикладом є сонячне світло. До складу спектру входять усі довжини хвиль. В спектрі немає розривів, він представляє собою суцільну кольорову лінію Даний спектр складається з кольорових ліній різної яскравості , що розділені темними широкими смугами. Даний тип спектрів є результатом дослідження атомів. Види спектрів Смугасті Складається з окремих смуг, що розділені темними проміжками. Даний тип спектрів є результатом дослідження молекул
Атомний спектр Атомними спектрами називають як спектри випромінювання, так і спектри поглинання, які виникають при квантових переходах між енергетичними рівнями вільних або слабовзаємодіючих атомів. Атомні спектри називаються оптичними, якщо вони лежать в ультафіолетовому (100 – 400 нм), видимому (400 – 760 нм) чи інфрачервоному (> 760 нм) діапазоні довжин хвиль. Стан атома з можливою мінімальною енергією називають головним. Якщо атом отримує енергію, то може відбутися перехід якого-небудь електрону на більш високий стабільний рівень – збуджена молекула. Збуджені атоми намагаються перейти в стан з найменшою енергією. Атомні спектри у результаті квантування енергії електронів складються з окремих ліній поглинання чи випромінювання. В спектрі можна виділити групи ліній, які називаються спектральними серіями. Кожна серія використовно до спектрів випромінювання відповідає переходам з різних рівнів на один і той же кінцевий. В УФ області знаходяться лінії Лаймана, які утворюються в результаті переходу з верхнії енергетичних рівнів на самий нижчий, головний. Частоти всіх ліній серії Лаймана можна записати через формулу У видимій та ближній УФ області спектру розміщена серія Бальмера, яка виникає внаслідок переходів з верхніх енергетичних рівнів на другий До ІЧ області відноситься серія Пашена, яка виникає при переходах з верхніх енергетичних рівнів на третій.
Атомний спектр Смугастий спектр N 2 Для атомного спектрального аналізу використовують як спектри випромінювання (емісійний спектральний аналіз), так і спектри поглинання (абсорбційний атомний спектральний аналіз). Емісійний аналіз часто служить для кількісного визначення мікроелементів в різних зразках, невеликої кількості атомів металів в консервованих продуктах тощо. Високочутливим та простим методом виявлення мікрокількостей лужних та лужноземельних металів є полум'яна фотометрія. За допомогою емісійного методу можливе здійснення якісного та кількісного визначення зразу декількох речовим в біологічному матеріалі.
Молекулярний спектр Молекулярні спектри (випромінювання та поглинання) виникають при квантових переходах молекул з одного енергетичного рівня на інший та складається із сукупності більш широких смуг. Складність молекулярних спектрів у порівнянні з атомарними обумовлена більшою різноманітністю рухів, і, як наслідок, енергетичних переходів в молекулах. Лінійчатий спектр
Безперервний спектрів
Мандельштама. Брюллюена Комбінаційне Розсіювання Спектральні методи дослідження Люмінесценція ІЧ-діапазон Поглинання Люмінесценція Видимий діапазон Поглинання Люмінесценція УФ-діапазон Поглинання Спектральні методи дослідження Релеєвське
Спектральний аналіз - метод визначення хімічного складу речовини за його спектром. Для спектрального аналізу певної речовини найбільш інформативним буде безпосередньо лінійний спектр. Головною властивістю лінійних спектрів є те, що, довжини хвиль (або частоти) лінійного спектру якоїнебудь речовини залежать лише від властивостей атомів цієї речовини, але зовсім не залежать від способу збудження світіння атомів. Атоми будь-якого хімічного елементу дають спектр, не схожий на спектри всіх інших елементів: вони здатні випромінювати строго-певний набір довжин хвиль. Спектральний аналіз можна проводити не лише за спектрами випромінювання, а й за спектрами поглинання. Типи основних спектральних методів визначення елементарного складу речовини атомноемісійний спектральний аналіз атомноабсорбційний аналіз атомнофлуоресцентний аналіз
Дисоціація Асоціація 1 2 3 4 Рідкий зразок Розпилення зразка Сухий аерозоль Випаровування Оптичне випромінювання Рекомбінація Атоми Іонізація Спектральний аналіз Молекули Іони 1 – розпилення; 2 – десольватація; 3 – переведення до летучого стану; 4 - збудження
Поглинання (абсорбція) Спектральний аналіз Збуджений стан Збудження випромінюванням Основний стан Флуоресценція Збуджений стан Збудження випромінюванням Випромінювальний перехід до основного стану Основний стан
Спектральний аналіз Метод аналізу Недоліки Достоїнства Атомно-емісійний спектральний висока вартість апаратури, аналіз витрата енергії, трудові витрати, тривалість аналізу одночасне кількісне визначення великого числа елементів в широкому інтервалі концентрацій Атомно-флуоресцентний спектральний аналіз висока вартість апаратури, витрата енергії, трудові витрати, тривалість аналізу, складність одночасного виявлення декількох елементів дуже низький рівень фону, висока селективність вимірювань, малі спектральні завади Атомно-абсорбційний спектральний аналіз висока вартість апаратури, витрата енергії, трудові витрати, тривалість аналізу, складність одночасного виявлення декількох елементів відносно висока селективність вимірювань
ЛАЗЕРИ ТА ЇХ ЗАСТОСУВАННЯ У МЕДИЦИНІ Лектор: доктор фіз. -мат. наук, професор Рожицький Миколайович
Лазер та лазерне випромінювання Басов Микола Генадійович (1922 – 2001) Прохоров Олександр Михайлович (1916 – 2002) Фізики М. Г. Басов та О. М. Прохоров разом з американським дослідником Ч. Таунсом в 1964 р. отримали Нобелівську премію. Лазер – це абревіатура, що складається з початкових літер англійської фрази «Light amplification by stimulated emission of radiation» . В перекладі це означає «підсилення світла за допомогою змушеного випромінювання» . «Змушене» випромінювання складається в тому, що воно проявляється після стимуляції атомів робочої речовини зовнішнім електромагнітним полем. За рахунок багаторазового відображення в системі дзеркал випромінювання підсилюється, і в сумі ми отримуємо явище, фізичні властивості якого не мають аналогів в природі. Лазерне випромінювання є світловим потоком в дуже вузькому спектральному діапазоні. Лазер = ОКГ – оптичний квантовий генератор
Лазер та лазерне випромінювання Перший працюючий лазер був зроблений Теодором Майманом в 1960 році в дослідницькій лабораторії компанії Х’юза (Hughes Aircraft), яка знаходилася в Малібу, штат Каліфорнія з залученням груп Таунса з Колумбійського Університету та Шалоу з компанії Bell laboratories. Теодор Майман 1927 — 2007 1. Робоче середовище 2. Енергія накачування лазеру 3. Непрозоре дзеркало 4. Напівпрозоре дзеркало 5. Лазерний промінь
Лазер та лазерне випромінювання В основі роботи лазерів лежить фізичний принцип – змушене випромінювання атомами речовини квантів електромагнітного випромінювання. Цей принцип визначив і назву пристрою. Головний елемент конструкції - активне, чи робоче, тіло. Робоче тіло розміщується в оптичному резонаторі, при циркуляції хвилі в якому її енергія експоненційно зростає завдяки механізму змушеного випромінювання. При цьому енергія накачування повинна перевищувати певний поріг, інакше втрати в резонаторі будуть перевищувати посилення та вихідна потужність буде занадто мала.
Гелій-неоновий лазер Луч лазера може бути безперервним, з постійною амплітудою, чи імпульсним, досягаючим екстремально великих пікових потужностей. Гелій-неоновий лазер. Промінь в центрі — це не власне лазерний промінь, а електричний розряд, що породжує світіння, подібно тому, як це відбувається в неонових лампах. Промінь проектується на екран справа у вигляді красної крапки, що світиться.
Фізичні властивості ОКГ Монохроматичність – випромінювання електромагнітних коливань однієї довжини хвилі та частоти. Фізичні властивості ОКГ Поляризація – упорядкованість та орієнтація векторів напруженості електричних та магнітних полів світлової хвилі в площині, перпендикулярній світловому променю. Когерентність – всі електромагнітні коливання розповсюджуються в часі та просторі в фазі друг з другом Колімованість – світло розповсюджується вздовж прямої лінії з дуже малим «розходженням» .
Робоче тіло Довжина хвилі Джерело накачки Використання 632, 8 нм (543, 5 нм, 593, 9 нм, 611, 8 нм, 1, 1523 мкм, 1, 52 мкм, 3, 3913 мкм) Електричний заряд Інтерферометрія, голографія, спектроскопія тощо Аргоновий лазер 488, 0 нм, 514, 5 нм, (351 нм, 465, 8 нм, 472, 7 нм, 528, 7 нм) Електричний заряд Лікування сітківки ока, літографія Криптоновий 416 нм, 530, 9 нм, 568, 2 нм, 647, 1 лазер нм, 676. 4 нм, 752, 5 нм, 799, 3 нм Електричний заряд Наукові дослідження, лазерне шоу Ксеноновий лазер Газові лазери Гелійнеоновий лазер Безліч спектральних ліній по всьому видимому спектру та частково ІЧ і УФ Електричний заряд Наукові дослідження Азотний лазер 337, 1 нм Електричний заряд Накачування лазерів на барвниках, дослідження забрудненої атмосфери, наукові дослідження Лазер на фтористому водні 2, 7 – 2, 9 мкм (фтористий водень), 3, 6 – 4, 2 мкм (фторид дейтерію) Хімічна реакція горіння етилену та трьохфтористого азоту Лазерне озброєння Хімічний лазер на кисню та йоді 1, 315 мкм Хімічна реакція в полум'ї синглетного кисню та йоду. Наукові дослідження, лазерне озброєння. Вуглекислот ний лазер (СО 2) 10, 6 мкм, (9, 4 мкм) Поперечний (великі потужності) та повздовжній (малі потужності) електричний заряд Обробка матеріалів (зварювання, розрізання) , хірургія. Лазер на монооксиді вуглецю 2, 6 – 4 мкм, 4, 8 – 8, 3 мкм Електричний заряд Обробка матеріалів (гравіювання, зварювання), фотоакустична спектроскопія Ексимерний лазер 193 нм (Ar. F), 248 нм (Kr. F), 308 нм (Xe. Cl), 353 нм (Xe. F) Рекомбінація ексимерних молекул при ел. розряді Літографія, хірургія, корекція зору.
Лазери на барвниках та парах металів Робоче тіло Лазер на барвниках Довжина хвилі Джерело накачки 390— 435 нм (Stilbene), 460— 515 нм (Кумарин 102), 570— 640 нм (Родамін 6 G) та інші Робоче тіло Довжина хвилі Інший лазер, імпульсна лампа Джерело накачки Використання Наукові дослідження, спектроскопія, косметична хірургія, розділення ізотопів. Використання Гелій-кадмієвий лазер на парах металів 440 нм, 325 нм Електричний розряд в суміші парів металу та гелію Поліграфія, УФ детектори валют, наукові дослідження. Гелій-ртутний лазер на парах металів 567 нм, 615 нм Електричний розряд в суміші парів металу та гелію Археологія, наукові дослідження, учбові лазери Гелій-селеновий лазер на парах металів До 24 смуг від червоного до УФ Електричний розряд в суміші парів металу та гелію Археологія, наукові дослідження, учбові лазери Лазери на парах міді 510, 6 нм, 578, 2 нм Електричний розряд Дерматологія, швидкісна фотографія, накачування лазерів на барвниках Лазери на парах золота 627 нм Електричний розряд Археологія, медицина
Робоче тіло Довжина хвилі Джерело накачки Використання 694, 3 нм Імпульсна лампа Голографія. Видалення татуювання Алюмо-ітрієві лазери з неодимовим легуванням Твердотільні лазери Рубіновий лазер 1, 064 мкм, (1, 32 мкм) Імпульсна лампа, лазерний діод Обробка матеріалів, лазерні дальноміри, хірургія, наукові дослідження, накачування ін. лазерів Лазер на фторидні ітрію-літію з неодимовим легуванням 1, 047 и 1, 053 мкм Імпульсна лампа, лазерний діод Накачування титан-сапфірових лазерів Лазер на ванадаті ітрію з неодимовим легуванням 1, 064 мкм Лазерні діоди Накачування титан-сапфірових лазерів Лазер на неодимовому склі ~1, 062 мкм (Силікатні скельця), ~1, 054 мкм (Фосфатні скельця) Імпульсна лампа, лазерний діод Тераватні лазери, Титан-сапфіровий лазер 650— 1100 нм Інший лазер Спектроскопія, лазерні дальноміри, наукові дослідження Алюмо-ітрієві лазери з тулієвим легуванням 2, 0 мкм Лазерні діоди Лазерні радари Алюмо-ітрієві лазери 1, 03 мкм з ітербієвим легуванням Імпульсна лампа, лазерний діод Обробка матеріалів, мультифотонна мікроскопія, дальноміри Алюмо-ітрієві лазери 2, 1 мкм з гольмієвим легуванням Лазерні діоди Медицина
Твердотільні лазери Робоче тіло Довжина хвилі Джерело накачки Використання Церій-легований літій -стронцій(або кальцій)-алюмофторидний лазер ~280– 316 нм Ексимерний лазер, лазер на парах ртуті Дослідження атмосфери, наукові розробки, лазерні дальноміри Александритовий лазер з хромовим легуванням Настроюється в діапазоні від 700 до 820 нм Імпульсна лампа, лазерні діоди Дерматологія, лазерні дальноміри Оптоволоконний лазер з ербієвим легуванням 1, 53– 1, 56 мкм Лазерні діоди Лазерні підсилювачі в оптоволоконних лініях зв'язку Лазери на фториді кальцію, що легований ураном 2, 5 мкм Імпульсна лампа
Напівпровідникові та інші типи лазерів Робоче тіло Напівпровідниковий лазерний діод Робоче тіло Довжина хвилі Джерело накачки Довжина залежить від Електричний струм матеріалу: 0, 4 мкм (Ga. N), 0, 63– 1, 55 мкм (Al. Ga. As), 3– 20 мкм (солі свинцю) Довжина хвилі Джерело накачки Використання Телекомунікації, голографія, лазерні покажчики цілі, лазерні принтери тощо Використання Лазер на вільних електронах Можуть випромінювати та настроюватися в широкому діапазоні спектру Пучок релятивістських електронів Дослідження атмосфери, мартеріалознавство, медицина, протиракетна оборона Псевдо-нікелевий самарієвий лазер Рентгенівське випромінювання 17, 3 нм Випромінювання в надгарячій плазмі самарія, що створюється подвійними імпульсами лазера на неодимовому склі Мікроскопи, голографія, дослідження ДНК, активності вірусів в клітинах, дію лікарських препаратів.
Параметри лазерного випромінення 1. Інтенсивність лазерного випромінювання – визначає здатність лазера коагулювати, виправляти чи розсікати тканини. p=P/S, де р – густина потужності, (Вт/см 2); Р – потужність лазерного випромінювання, (Вт); S – площа лазерної дії, (см 2). 2. Доза випромінювання – кількість енергії, яку отримала одинична площа впродовж одного імпульсу. D=P*T/S, де D – доза опромінення, (Дж/см 2); Р – потужність лазерного випромінювання, (Вт); Т – час експозиції, (с); S – площа дії лазера, (см 2). 3. Енергетична експозиція – відображає загальну кількість енергії, яку отримала вся ділянка шкіри за час лікування. E=P*n*t/S, Е – середня енергетична експозиція, (Дж/см 2); Р – потужність лазерного випромінювання, (Вт); n – кількість імпульсів; T – тривалість впливу.
Параметри лазерного випромінення Глибина відносного проникнення лазерного випромінювання в біотканини в залежності від довжини світлової хвилі Для ближнього інфрачервого діапазону спектра біологічні тканини володіють найбільшою оптичною прозорістю. Таким чином, саме довжина хвилі лазерного випромінювання визначає, в першу чергу, глибину проникнення енергії в біологічну тканину.
Взаємодія лазерного випромінення з біологічною тканиною Випромінювач Відображення Заломлення та розсіяння Поглинання Наскрізне проходження Коефіцієнт відображення від шкіри (відношення відбитої потужності до падаючої) лежить в межах 10. . . 55% і залежить від спектру випромінювання. дуже незначна частина падаючої енергії (менше 1%) втрачається за рахунок заломлення з виходом назад з біотканини та наскрізного проходження крізь біотканину й тому також не приймає участі в біостимуляції. Поглинання енергії визначається взаємодією фотонів первинного монохроматичного, когерентного та поляризованого лазерного випромінювання з електронами біомолекул. При попаданні фотону на електрон енергія фотону поглинається електроном, який збільшує свою енергію шляхом переходу на більш високу орбіту. Потім електрон через проміжні орбіти повертається на вихідну орбіту з випромінюванням фотонів з різними енергіями (довжинами хвиль випромінювання) що дорівнюють різниці енергій електрону на проміжних орбітах.
Теплові межі біологічних реакцій t, ºC 500 Обвуглювання Випаровування 100 Коагуляція 80 Денатурація білка 60 40 36, 5 Температурна активація Реакції
Теплові межі біологічних реакцій Коагуляція (гематологія) — процес згортання крові. Під час руйнування стінки судини, тромбоцити збираються у місця травми та виділяють тромбопластин, який наряду з кальцієм, вітаміном К та протромбіном, сприяє перетворенню фібриногена в фібрин. Коагуляція відбувається за рахунок поглинання кров'ю лазерного випромінювання, її сильного нагрівання до кипіння та утворення тромбів. Таким чином, поглинаючою мішенню при коагуляції можуть бути гемоглобін чи водна складова крові. Це означає, що добре коагулювати біотканина буде випромінювання лазерів в області оранжевозеленого спектру та інфрачервоних лазерів.
Закон Арндта-Шульца Для біофізичної оцінки реакцій, які відбуваються в біотканині, а також для якісної оцінки впливу сили стимулювання (дозування) лазерного випромінювання на вид біоефектів корисним є закон Арндта-Шульца. Ступінь стимулювання Норма Сила стимулювання В біологічних системах слабі стимули дають сильні реакції, середні – помірні реакції, помірно сильні трохи гальмують систему, а дуже сильні повністю блокують її.
1. Лазер для дерматології та епіляції 2. 3. 4. 5. 6. Поверхневе шліфування та полірування шкіри. Розгладжування зморшок на шкірі обличчя, шиї, рук. Видалення рубців, шрамів. Згладжування вугрових кратерів. Пігментні плями. Видалення бородавок та папілом. 1. 2. 3. 4. Мала вірогідність травми під час операції. Мінімальне теплове пошкодження та швидка регенерації шкірного покриву. Мінімальний ризик післяопераційних рецидивів у наслідок зараження. Швидке загоєння ран. До лікування Після лікування
Медичні лазери Las 50 – ІЧ терапевтичний лазер Набір зондів для лазерної установки Maestro – ІЧ терапевтичний лазер Maestro в комплексі зі сканером
Медичні лазери Оптичне волокно – зручний спосіб доставки випромінювання. В теперішній час хірургія все більше становиться ендоскопічною та малоінвазивною. Порожнинні операції з відкритим доступом уступають місце ендоскопічним та лапароскопіченим через природні канали чи проколи. В лазерній техніці найкращим для хірургії є використання тонкого кварцового оптичного волокна для доставки лазерного випромінювання до об'єкта впливу. Оптичне волокно для хірургічних лазерів добре сполучається з суттєвими ендоскопами, що мають для цього спеціальні канали Головними характеристиками оптичного волокна є його оптична прозорість, стійкість та мінімальний радіус вигину (звичайно 25 - 50 мм). Відомо, що прозорість кварцового скла різко зменшується при збільшенні довжини хвилі більше 2, 5 мкм, що не дозволяє його використовувати для таких інфрачервоних лазерів, як ербієвий (2, 94 мкм) та СО 2 -лазер (10, 6 мкм). Для цих довжин хвиль припускалися інші типи оптоволокна на основі сапфіру, халькогенідів тощо, але чи вони були хімічно та механічно неміцні, або токсичними, що поки представляють проблему для їх практичного використання. Стійкість кварцового волокна дуже висока: воно витримує середню потужність випромінювання до 1 - 2 к. Вт. Але пікова потужність не може перевищувати 2 - 5 МВт, що не дозволяє його широко застосування для доставки випромінювання потужних наносекундних імпульсів лазерів з модуляцією добротності (Qswitched).
Лазерна система Fidelis Використовується для шліфування шкіри, хірургії м'яких та твердих тканин Медичні лазери Технічні характеристики лазерної системи ER: YAG: Довжина хвилі: 2940 нм Частота: от 5 до 50 Гц Потужність: 15 Вт Лазерна система Fidelis Використовується для лазерного безаблаційного омолодження, коагуляції судин, епіляції, видалення судинних утворень, модифікація рубцевої тканини, видалення пігментних утворень, видалення татуювань. Технічні характеристики лазерної системи ER: YAG: Довжина хвилі: 1064 нм Частота: от 0, 5 до 7 Гц Потужність: 25 Вт
Офтальмологічні лазери Фотокоагулятор 532 нм Vitra (532 нм) Фотокоагулятор VIRIDIS (532 нм та 532 нм+810 нм) Фотодеструктор Optimis II (Nd: YAG 1064 нм)
Лазерне шоу Використання лазерів в якості світового супроводження музичних творів
Скачать презентацию Основи біофізики та біомеханіки Лекція 3 Поглинання світла
Lecture 3_1 ( поглинання+лазери).ppt