Лазерное излучение и биологические ткани
Помимо теплового, свет производит другие эффекты (фотоэлектрический, биостимулирующий и т. д.), однако при большой мощности источника излучения тепловые эффекты преобладают. Узконаправленный лазерный луч, который практически не рассеивается, позволяет создать высокую плотность мощности светового пучка (мощность, приходящаяся на единицу площади). Поэтому лазерное излучение создает столь значительный тепловой эффект, что происходит коагуляция, выпаривание (вапоризация) или обугливание (карбонизация) биологической ткани. И все же это не значит, что лазерный луч является слепой разрушительной силой. Как мы сейчас убедимся, с помощью лазера можно достичь высокой селективности (избирательности) воздействия на ткани.
Основной принцип фотобиологии заключается в том, что свет действует на биологический объект лишь в том случае, если объект поглощает свет. Нет поглощения — нет эффекта. В коже свет поглощается особыми веществами — хромофорами. Каждый хромофор поглощает в определенном диапазоне длин волн. Основным хромофором волос и кожи является меланин, который поглощает в УФ-диапазоне, а также в видимой области с максимальным поглощением в диапазоне 350-700 нм. Красная граница спектра поглощения меланина доходит до инфракрасной области (1200 нм). Конкурентом меланина является гемоглобин, который поглощает в УФ-области, а в видимой области имеет максимумы поглощения в диапазонах 450-500 и 500-600 нм. Белки, некоторые аминокислоты и нуклеиновые кислоты поглощают в УФ-диапазоне.
Преобразование энергии лазерного луча в тепловую энергию может происходить только в том случае, если излучение поглощается. Поэтому если какой-то участок кожи содержит хромофор, поглощающий при данной длине волны, а окружающие участки его не содержат, то нагревается только та область, где присутствует хромофор. Однако вследствие переноса тепла происходит нагревание пограничных областей, даже если они не содержат или почти не содержат хромофоров. Поэтому тепловое действие лазерного луча распределяется на следующие тепловые зоны:
1-ая зона максимального теплового эффекта, где поглощается основная часть излучения (испарение, обугливание);
2-ая зона теплового эффекта, который вызван небольшой частью излучения, проникшего в ткань глубже (коагуляция, высушивание);
3-ья зона теплового эффекта, который возникает вследствие переноса тепла из более нагретого участка в более холодные участки (биостимулирующее действие).
Величина третьей зоны (зоны биостимуляции) определяется мощностью излучения, теплопроводностью ткани, а также величиной, которая называется временем тепловой релаксации. При снижении мощности излучения зона разрушения ткани (1-я зона) уменьшается, а зона биостимуляции и других эффектов (3-я зона) увеличивается.
Время тепловой релаксации — это показатель скорости остывания того или иного вещества (насколько быстро происходит выравнивание температур между нагретым веществом и его окружением). Представим себе, что мы прикладываем к ткани тепловое воздействие в течение определенного времени. Максимальная температура, которую нам удастся создать таким образом, будет определяться скоростью перераспределения тепла между данным участком и окружающими тканями. При фиксированной мощности излучения увеличение продолжительности импульса не приведет к повышению температуры участками-мишени, но увеличит нагрев окружающих тканей. Поэтому продолжительность импульса должна быть равной или меньшей, чем время тепловой релаксации участка-мишени.
Итак, степень нагрева выбранного участка под действием лазерного излучения будет определяться мощностью излучения, а степень нагрева (и следовательно, степень теплового повреждения) пограничных областей будет зависеть как от мощности и продолжительности лазерного импульса, так и от теплопроводности и времени тепловой релаксации ткани.
Чтобы разрушить волосяной фолликул с помощью лазерного луча, нужно выбрать хромофор, который поглощает излучение в красном диапазоне (именно оно глубже всего проникает в кожу) и сосредоточен преимущественно в волосе. Этим условиям удовлетворяет меланин. Он поглощает свет вплоть до инфракрасной области, и его содержание в волосяном стержне обычно выше, чем в окружающей коже. Вместо меланина можно выбрать какой-нибудь экзогенный хромофор (краситель), который будет избирательно прокрашивать волос.
Лазерное излучение, поглощенное меланином волоса, вызывает нагрев волосяного стержня, от которого нагревается прилегающий к нему фолликулярный эпителий. Дальше тепло распространяется на кожу вследствие теплопроводности. Так как у кожи время тепловой релаксации меньше, чем у волоса, нагрев кожи будет всегда существенно ниже из-за быстрого рассеивания тепла. Исходя из времени тепловой релаксации, подбирают продолжительность лазерного импульса. Увеличивая мощность излучения и укорачивая продолжительность импульса, можно сократить зону пограничного нагрева, а значит, предотвратить тепловое повреждение (ожог) прилегающей кожи. Для ускорения отвода тепла от кожи в настоящее время применяют различные вещества, прозрачные для лазерного луча и обладающие высокой теплопроводностью (кусочки льда, гели, искусственный сапфир). Эта методика называется селективным фототермолизом. Она позволяет добиться высокой избирательности воздействия, практически исключая возможность теплового повреждения кожи. Однако полностью исключить риск ожога кожи не удается.
Риск повышается в следующих случаях:
- при увеличении содержания меланина в окружающей фолликул коже;
- при увеличении плотности волос и толщины волосяного стержня;
- при возрастании энергии импульса и мощности излучения;
- при увеличении продолжительности импульса.
Это говорит о том, что в каждом конкретном случае необходимо подбирать энергию излучения и продолжительность импульса исходя из индивидуальных особенностей кожи и волос пациента. При этом успех эпиляции полностью определяется выбором источника излучения, его технических характеристик и режима его работы. На сегодня разработано несколько технологий световой эпиляции, обладающих разными физическими характеристиками и спектрами воздействия.
Основные сведения о лазерах: принцип работы и характеристики лазерного излучения
Лазеры – источники высококогерентного и интенсивного монохроматического излучения. Излучение генерируется за счет возбуждения активной среды (обычно газ или полупроводниковый элемент), заключенной в резонаторе. Лазерный резонатор представляет собой полое тело цилиндрической формы, изнутри покрытое отражающим слоем. Один из торцов резонатора закрыт частично отражающим зеркалом, противоположный – полностью отражающим. При накачке световые волны перемещаются внутри резонатора до тех пор, пока не станут достаточно интенсивными, чтобы пройти через частично прозрачное зеркало.
Лазерное излучение относится к вынужденному, также его называют стимулированным. Сфера применения лазеров широка и постоянно растет, на сегодняшний день лазерные источники применяются в медицине, машинном зрении, в лазерной сварке, маркировке изделий и т. д.
Основные параметры и характеристики лазерного излучения
Диаметр пучка. За диаметр пучка принимается диаметр сечения пучка лазерного излучения на выходном торце резонатора. Способов измерения диаметра пучка достаточно много, от способа зависят и единицы измерения. Если пучок принимается за Гауссов, диаметр будет измеряться по уровню интенсивности 1/e 2 : это расстояние между такими двумя точками одномерного распределения интенсивности излучения, значение интенсивности которых в 0.135 раз меньше пика интенсивности.
Отклонение пучка. Несмотря на то, что лазерные пучки принимаются за параллельные, некоторый угол расходимости все же присутствует. Эта характеристика показывает, на какую величину отклоняется пучок от оптической апертуры по ходу распространения и измеряется в угловых единицах (радианах). В лазерных диодах угол расходимости определяется сразу двумя значениями – так проявляется астигматизм. В этом случае направление угла расходимости нужно проверять и уточнять в зависимости от конкретной схемы. На рис. 1 показана общая конфигурация лазерного диода и проявление расходимости лазерного пучка по ходу удаления экрана от источника излучения.
Рисунок 1. Общая структура полупроводникового слоя диода: профиль пучков, излучаемых такими диодами, чаще всего эллиптический
Угол веерного пучка. Обычно за веерный угол принимается угол отклонения пучка в определенной плоскости от нормали направления распространения. На рис. 2 показан вид веерного пучка лазерного диода и приведен его расчет.
Рисунок 2. Веерный угол пучка излучения лазерного диода
Выходная мощность. Выходная мощность определяется как максимальная зарегистрированная мощность, которую имеет лазерный пучок сразу после выхода из резонатора, до прохождения через какую-либо направляющую или фильтрующую оптику. Погрешность составляет порядка 10%, поэтому в паспорте приборов указываются доверительные интервалы. Профиль распределения интенсивности выходного излучения в основном характеризуется функцией Гаусса, максимум которой приходится на центр кривой, совпадающей с максимумом выходной мощности.
Класс. Диапазон мощностей лазерных источников невероятно широк. По этой причине была разработана классификация источников по силе воздействия на человека. В таблице приведена классификация лазерных источников, предложенная Центром по контролю приборов и радиационной безопасности (CDRH).
Класс
Описание
Не представляют опасности для человека.
ЛАЗЕРЫ: ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
В данной статье можно ознакомиться с посланием Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека No 01/8042-8-32 от 28.07.2008 » Об использовании источников лазерного излучения в театрально-зрелищных мероприятиях».
В случае работы с приборами, оснащенными излучателями лазерного типа, следует применять такие правила:
• доверять работу и право обслуживать лазерное оборудование исключительно специалистам с высоким уровнем квалификации;
• ни в коем случае не направлять лазерный луч в глаза людей, поскольку излучение исходящее от него может выжечь сетчатку, непоправимо уничтожив зрение;
• не наводить луч лазерного излучателя на предметы черных цветов, поскольку это приводит к воспламенению;
• категорически нельзя пытаться обслуживать или ремонтировать самостоятельно приборы, имеющие функцию блокировки работы прибора, которая выполняется несанкционированно;
• на всех приборах в обязательном порядке должен быть нанесен соответствующий знак, предупреждающий об опасности для здоровья, которую наносят лазерные установки 3а и 3b типа.
Стоит отметить, что все установки, в которых применяется лазер класса 3, чрезвычайно опасны, хотя и применяются, например, в шоу-программах.
Согласно мощности излучения, которое выделяется прибором, они делятся на:
• Класс 3A: меньше 4.99 мВт;
• Класс 3B: 4.99 — 500 мВт;
• Класс 4: свыше 500 мВт.
Классификация лазерных установок, которая принята в мировом пространстве
В современном мире принято разделение установок, в которых применяется лазерный луч, по степени безопасности на:
1. класс 1 — это, как правило, маломощное лазерное оборудование, которое полностью безопасно для зрения человека; излучение опасности не несет при прямом воздействии на организм, однако, в ряде стран мира к нему относят то оборудование, лазер которого мощен, но надежно защищен от выхода луча за границы корпуса;
2. класс 2 – более мощные лазерные приборы, которые могут нанести вред зрению человека, но только, если смотреть прямо на него долгое время; крайне не рекомендуется использовать видимые лазеры с мощностью до 1 милливатта на уровне глаз;
3. класс 2а – дополнительный вариант, принятый лишь в некоторых странах мира, к которому относятся лазерные установки, закрепленные под углом, исключающим попадание луча в глаза человека;
4. класс 3а – лазерные установки, характеризующиеся видимым лазерным излучением, которая опасности при кратковременном зрительном контакте или наблюдении через оптику, не несет; мощность их составляет пять милливатт, поэтому на эксплуатацию требуется соответствующее разрешение; 2 и 3а – международные классы, которые равны 2 российскому классу;
5. класс 3b – имеют мощность свыше 5 милливатт и наносят вред, если допускать прямое воздействие на глаз человека; если удалиться от объекта излучения на 13 сантиметров и смотреть на него не больше 10 секунд, то возможно наблюдать излучение рассеянного типа;
6. класс 4 – лазеры, лазерные установки и системы высокой мощности, которые могут нанести непоправимый вред зрению человека даже при воздействии краткосрочными, менее 25 миллисекундными, импульсами; особо опасно воздействие не только прямого, но и отраженного диффузно или зеркально луча; оборудование данного класса стопроцентно принесет вред здоровью, оставив ожоги на кожных покровах и глазах человека, а также, воспламенит горючие материалы.
Что такое лазерное излучение?
Среди всех источников света именно лазерные выделяются существенными преимуществами. Лазерный луч является уникальным источником света: он почти не рассеивается, работает на значительные расстояния, характеризуется большой теплотой и т.д. По мощности излучения лазеры превосходят даже солнечную энергию.
В чём заключается принцип работы лазера?
Строение лазера типично. Он состоит из трубки, в которую помещён твердый кристалл. Чаще всего в качестве него выступает рубин. Обе стороны её закрыты зеркалами, одно из которых прозрачное, а второе – полупрозрачное.
При воздействии на кристалл электрической обмотки, его атомы генерируют световые волны. Они начинают перемещаться между зеркалами и происходит это до тех пор, пока их интенсивности не будет достаточно для прохождения через полупрозрачное зеркало. Так возникает лазерное излучение.
Характеристики лазерного излучения
Лазерный луч обладает такими свойствами, которые позволяют получать излучение с высокой интенсивностью в очень ограниченном пространстве.
Лазерное излучение представлено широким спектральным диапазоном, начиная от ультрафиолетовой и вплоть до далекой инфракрасной области.
Что касается расходимости луча, то оно очень слабо выраженное, ведь распространение лазерного излучения происходит вдоль оси резонатора.
Данный вид излучения характеризуется способностью достигать высоких температур. Это связано с высокой плотностью энергии и монохроматичностью излучения.
Все вышеприведённые особенности лазерного луча приводят к тому, что излучение может фокусироваться на маленькой точке в то время, как энергия в ней будет иметь очень высокую плотность.
В чём заключается опасность лазерного излучения?
Потенциальная опасность от лазерного излучения приходится на ткани, попадающие под его воздействие. Так как у человека главными поглотителями излучения являются глаза и кожные покровы, поэтому в первую очередь стоит рассматривать потенциальный вред на данные органы.
Такие части глаза, как роговица и хрусталик, являются очень чувствительными к излучениям. При продолжительном воздействии на глаз лазерного излучения могут произойти изменения необратимого характера. Хрусталик может помутнеть, а повреждённые клетки сетчатки не восстанавливаются.
Результат воздействия лазерного излучения на кожные покровы напрямую зависит от количества поглощенной энергии. Это может быть как лёгкое раздражение, покраснение, так и ожоги различной степени тяжести.
Виды воздействия лазерного излучения на человека
Работа лазерных установок напрямую связана с выделением лазерного излучения, которое может оказывать различное воздействие на организм человека:
- термическое – выделения большого количества тепла происходит за короткое время;
- энергетическое – повышаются показатели электрического поля;
- фотохимическое — ряд красителей теряют цвет;
- механическое – в облучаемых тканях возникают колебания (ультразвуковые);
- электрострикция – молекулы, подверженные излучению, деформируются в электрическом поле;
- в клетке возникает микроволновое электромагнитное поле.
Эксплуатация лазеров связана с возникновением ряда других опасностей, таких как выделение вредных химических веществ, шум, вибрация, электромагнитные поля, ионизирующие излучения и др.