Название работы	Кол-во страниц	Размер
Николай Васильевич Максименко Доктор физ мат наук Профессор Кафедра...	1	204.84kb.
Учебная программа для специальности 1-31 03 01 Математика	1	52.82kb.
В. П. Пьянков тексты лекций по элементарной математике	6	446.67kb.
Техника вычислений процессов взаимодействия элементарных частиц	1	104.56kb.
Методические указания для проведения практических занятий по курсу...	1	187.38kb.
Учебная программа для студентов 3 курса очного отделения специальности...	1	193.43kb.
Конспект лекций для студентов специальности «Информатика»	9	1614.17kb.
Конспект лекций для студентов специальности асу пермь, 2001г	18	1797.76kb.
Курс лекций Минск 2007 (075. 8) Ббк 65. 01	37	4487.72kb.
Сотрудничество Речицкого районного лицея с ггу им. Ф. Скорины как...	1	66.13kb.
Конспект лекций по курсу «Организация ЭВМ и систем» для студентов...	37	3287.39kb.
Программа по биологии Введение	1	38.7kb.
Викторина для любознательных: «Занимательная биология»	1	9.92kb.

Монохромотичность. Ширина спектра лазерного излучения характеризуется чрезвычайно узкой полосой, недоступной для получения в других генераторах светового излучения, которая лимитирована только длиной волны, генерируемой лазерным излучателем. Ширина спектра излучения ламп накаливания после пропускания через узкополосный светофильтр составляет 1-5 нм, в то время как в газовых лазерах она находится в пределах 0,0001 нм, в твердотельных—около 1нм и в полупроводниковых от 10 до 1 нм.

• Когерентность (пространственная когерентность) – это упорядоченность распределения фаз лазерного излучения в пространстве и времени. Степень когерентности зависит от качества монохроматичности и не может быть идеальной.

• Поляризованность. Лазерное излучение характеризуется энергетическим вектором, величина и направление которого в данной точке пространства регулярно меняется с течением времени, но всегда ориентировано перпендикулярно к направлению лазерного излучения.

• Высокая концентрация энергии, недостижимая при использовании других источников светового излучения.

В медицине лазеры получают все большее распространение. Здесь они могут использоваться либо для целей диагностики, либо для получения необратимых изменений в биомолекулах, клетках или тканях. В условиях роста стоимости лекарственных и лечебных услуг все больше внимания уделяется лечению больных с помощью современных лазерных технологий.

Лазеры используются в таких областях как хирургия (лазерная хирургия) и терапия. Однако развиваются также и некоторые диагностические методы основанные на использовании лазерного излучения (например, клиническое применение потоковых микрофлуорометров, доплеровская анемометрия кровотока, лазер ная флуоресценция, бронхоскопия для выявления легочных опухолей на их ранней стадии).

Для этих целей применяют в основном, два типа низкоэнергетических лазеров: газовые гелий—неоновые и твердотельные полупроводниковые. Гелий—неоновые лазеры производят с выходной мощностью до 2 мВт для внутрисосудистого облучения крови и лазерной рефлексотерапии и мощностью от 10 до 50 мВт, которые можно использовать не только для выше указанных целей, но, в основном, для лазерного воздействия на зоны различной площади. Выпускаются и портативные гелий—неоновые лазеры мощностью до 25 мВт.

Наиболее популярны полупроводниковые лазеры, работающие в инфракрасном спектре, которые используют как для облучения зон, так и для рефлексотерапии и внутрисосудистого облучения крови. Излучение этих лазеров в 2—4 раза глубже проникает в биоткани, что позволяет их использовать для чрезкожного воздействия на внутренние органы. Полупроводниковые лазеры портативны, стабильны в работе, безопасны, как для больных, так и медицинского персонала. В последнее время начал выпуск полупроводниковых лазеров, генераторы которых излучают в красной полосе спектра, эти лазеры могут составить серьезную конкуренцию газовым гелий—неоновым лазерам.

Характер действия лазерного излучения на объект во многом зависит от его длины волны и мощности. Длины волн медицинских лазеров располагаются в УФ, видимой и инфракрасной частях спектра. Так, для лазера на аргоне длина волны составляет 0,51 мкм, для гелий—неонового – 0,63 мкм, для лазера на аллюмо—итриевом гранате с неодимом – 1,06 мкм и для угликислого лазера—10,6 мкм. Мощность хирургических лазеров, работающих в непрерывном режиме генерации, колеблется от нескольких ватт до сотен ватт, терапевтических (низкоэнергитических, низкоинтенсивных ) – от нескольких до сотен милливатт. Импульсы низкоэнергетических лазеров, обладают, в зависимости от типа аппарата и длины волны излучения, мощностью от нескольких ватт до сотен ватт, однако их усредненная мощность за счет краткосрочности импульсов приравнивается к мощности лазеров, генерирующих непрерывное лазерное излучение.

Возможности лазерной терапии многократно возросли с внедрением в практику лазерных инструментов: световодов и специализированных световодных насадок.

Механизм взаимодействия лазерного излучения с биологическими тканями является предметом оживленной дискуссии с момента создания лазеров. Вопрос заключается в том, что брать за основу: уровень молекулы и ее структур как нижней ступени в иерархической системе жизнедеятельности многоклеточного организма, уровень клетки (ступень выше) , уровень ткани, органа, системы органов или весь организм (верхняя ступень). Все эти ступени связаны между собой анатомически и, еще в большей степени, функционально.

Известно, что количественные и качественные характеристики здоровья отдельно взятого человека определяются, в основном, состоянием его адаптационных механизмов, скоростью и адекватностью реакций. В организме многоклеточного животного, в частности человека, можно выделить следующие группы основных жизненно необходимых систем:

• 
  Энергетическая система, которая обеспечивает организм для движения, жизнедеятельности органов и систем, синтеза собственных тканей, деструкции и элиминации продуктов распада. Эта система сама по себе нуждается в крупных поступлениях внешних энергоносителей, энергетическая емкость которых для человека составляет в сутки в среднем 2500 ккал.
  
• 
  Система обеспечения физических и биохимических процессов, которая является основным потребителем поступающих энергоносителей, хотя часть энергии она получает в результате внутренних биохимических процессов.
  
• 
  Транспортная система, которая обеспечивает перемещение внутри организма энергоносителей, крови, лимфы, газов, продуктов метаболизма. Энергопотребление этой системы также очень значительно.
  
• 
  Система связи, которая обеспечивает формирование информации, ее передачу и восприятие, осуществляя управление механическими и биологическими процессами. Эта система работает с минимальной потребностью в энергии. Так, формирование и передача нервного импульса может потреблять всего несколько миллиджоулей.
  

Известно, что в организме человека имеется от 50 до 100 тысяч генов различных типов, каждый из которых вырабатывает до нескольких десятков биологически активных медиаторов. Весь этот ансамбль настроен для функционирования не только в нормальных, но и в эксримальных условиях, а нарушение его деятельности лежит в основе патогенеза того или другого заболевания и ведет к расстройству адаптации.

13.2 Фотобиологические эффекты воздействия лазерного излучения
Развитие и существование жизни на Земле органически связано с энергией Солнца, поступающей в биологические системы в виде трансформированных из света энергоносителей или непосредственно в виде света. Свет солнца обеспечивает энергетические потребности и превращается в материальные структуры биологических организмов.

При падении лазерного излучения на поверхность биологического объекта незначительная его часть отражается, а остальная проникает в глубжележащие ткани, где подвергается следующим превращениям. Основная часть лазерного излучения называется проникающей, которая рассеивается среди внутритканевых структур, при этом чем однороднее ткани, тем стабильнее коэффициент распределения излучения.

Поглощенные биотканью кванты света включаются в биологические процессы жизнедеятельности тканей, органов и систем макроорганизма. Известно, что биофизические и биохимические процессы в клетках и в неклеточных тканях и жидких средах протекают в виде двух фаз—быстрой и медленной. В медленной фазе происходит количественное накопление массы вещества и (или) энергии, в быстрой качественное изменение, а именно—для энергии изменение ее уровня, для вещества — изменение структуры и (или) массы. Быстрая фаза в короткий промежуток времени либо выделяет энергию, либо ее поглощает. Чередование фаз в норме, например при синтезе определенного вещества, протекает в виде регулярного ритмичного процесса. Патологический процесс нарушает ритмику метаболических процессов за счет повреждения информационных систем, возникает  энергетический голод. Отсюда следует, что дефицит энергии может быть устранен двумя путями: либо восстановление деятельности информационных систем, если они нарушены ( небольшие дозы энергии ), либо непосредственным включением энергии в метаболические процессы ( потребность энергии на несколько порядков больше).

Многолетний опыт специалистов по лазерной медицине по энергии, порядка 1—2 Дж на сеанс, оказывают выраженный клинический эффект. Этих доз, по-видимому, достаточно для коррекции деятельности информационных систем. Мы определяем это как первый уровень взаимодействия лазерного излучения с биотканью. Второй уровень - это использование организмом лазерной энергии непосредственно для реализации метаболических процессов, для чего потребность лазерной энергии намного больше.

Наиболее вероятной гипотезой, объясняющей воздействие лазерного излучения на биологические ткани, является рабочая гипотеза, предложенная В.Е. Илларионовым и называется им как концепция биоэлектрического триггера. Согласно этой гипотезе, лазерное излучение изменяет электрический статус клетки и тем самым включает триггер (переключатель ), который переводит биологическую систему из одного стационарного состояния функционирования в другой. Процесс переключения начинается с клетки и переходит на иерархически более высокие уровни: надклеточный, гипофиз, гипоталамус — кора головного мозга, а затем, в новом качестве, возвращается обратно. Фактически срабатывает прямая и обратная связь в информационной системе.

В мембранах клеток имеются системы гигантских по напряжению электрических диполей. Поступающая извне энергия в виде фотонов нарушает равновесие и освобождает заключенную в диполях электрическую энергию, которая используется для осуществления биохимических процессов. Следовательно, квант, отдавший свою энергию, превращается в энергию фотохимических процессов. Таким образом квант, действующий как триггер, включает в работу внутреннюю энергию биологических молекул организма. По-видимому, кванты лазерного света  заставляют работать биофизические и следующие за ними процессы не только с ускорением, но и с повышением коэффициента эффективности.

Перечислим основные эффекты сопровождающие воздействие лазерного излучения на биологические ткани:

1. 
   На атомно - молекулярном уровне:
   

• 
  поглощение кванта света тканевым фоторецептором;
  
• 
  возникновение фотопроводимости;
  
• 
  возникновение фотоэлектродвижущей силы;
  
• 
  возникновение электролитической диссоциации ионов;
  
• 
  образование электронного возбуждения;
  
• 
  миграция энергии электронного возбуждения;
  
• 
  первичный фотофизический акт;
  
• 
  появление первичных фотопродуктов.
  

2 На клеточном уровне:

• 
  изменение электрической активности мембран;
  
• 
  активация ядерного аппарата клеток системы ДНК-РНК-белок;
  
• 
  активация окислительно-восстановительных, биосинтетических и основных ферментных систем;
  
• 
  увеличение образования АТФ;
  
• 
  усиление митотической активности клеток и активация процессов репродукции.
  

3 На уровне органов:

• 
  уменьшение длительности фаз воспаления;
  
• 
  уменьшение степени отека и напряжения тканей;
  
• 
  понижение чувствительности рецепторов;
  
• 
  увеличение поглощения тканями кислорода;
  
• 
  повышение скорости кровотока;
  
• 
  закрытие шунтов и увеличение количества новых сосудистых образований;
  
• 
  активация транспорта продуктов метаболизма.
  

4 Клинические эффекты на уровне целостного организма:

• 
  противовоспалительный;
  

• 
  противоотечный;
  
• 
  обезболивающий;
  
• 
  генераторный;
  
• 
  имунокоррегирующий;
  
• 
  улучшающий региональное кровообращение;
  
• 
  бактерицидный и бактериостатический.
  

13.3 Биологическое использование лазеров
По механизму воздействия современные методы медико-биологического использования лазеров могут быть разделены на три основные направления:

• 
  воздействие на ткани патологического очага импульсным или непрерывным лазерным излучением при плотности мощности, недостаточной для глубокого обезвоживания, испарения тканей и возникновения в них дефекта. Этому типу воздействия соответствует применение лазеров в дерматологии и онкологии для облучения патологических тканевых образований, которое приводит к их коагуляции;
  
• 
  рассечение тканей, когда под влиянием излучения лазера непрерывного или частотно-периодического действия часть ткани испаряется и в ней возникает дефект. В этом случае плотность мощности излучения может превосходить используемую при коагуляции на два порядка и более. Этому типу воздействия соответствует хирургическое применение лазеров;
  
• 
  влияние на ткани и органы низкоэнергетического излучения, обычно не вызывающего явных морфологических изменений, но приводящего к определенным биохимическим и физиологическим сдвигам в организме, т.е. воздействие типа физиотерапевтического. Сюда же следует включить применение гелий-неонового лазера в целях биостимуляции при вяло текущих раневых процессах, трофических язв и др.
  

Несмотря на всю условность разделения понятно, что при рассечении тканей наблюдается одновременно гибель части клеток, рассечение и коагуляция тканей сопровождается определенными физиолого-биохимическими изменениями. Задача исследований по механизму биологического действия лазерной радиации сводится к изучению тех процессов, которые лежат в основе интегральных эффектов, вызываемых облучением — коагуляции тканей, их испарения, биостимуляционных сдвигов в организме.


13.4 Способы применения лазерного излучения
Существуют несколько способов применения лазерного излучения в клинике:

• 
  дистанционный - излучатель (конец световода или насад распологается на расстоянии от облучаемого объекта;
  
• 
  контактный - излучатель (световод, насадка) находится на облучаемом объекте;
  
• 
  контактный с компрессией - излучатель (световод, насадка) плотно прижимают к облучаемому объекту и создают ту или иную степень давления на него;
  
• 
  контактно-зеркальный - при котором используют специальные отражатели, что позволяет максимально использовать энергию лазерного аппарата в процессе лечения и исключить воздействие этого физического фактора на медицинский персонал;
  
• 
  внутрисосудистый - световод находится в просвете артериального или венозного кровеносного сосуда;
  
• 
  внутриорганный - световод находится внутри просвета полого органа (сердце, пищевод, желудок, кишка, трахея, бронхи, желчный пузырь, желчные протоки , уретра, мочевой пузырь, матка);
  
• 
  внутриполостной - световод находится внутри естественной полости- грудной ( плевральной ), брюшной;
  
• 
  способ введения излучателя ( световода, насадки ) в патологическую полость, например кисту или абсцесс;
  
• 
  экстракорпоральный - облучение медикоментов, кровезаменителей, инфузионных сред, ауто- и донорской крови;
  

Дистанционный способ лазерной терапии рекомендуется для лечения заболеваний слизистых оболочек полости рта, кожных заболеваний, трофических язв и гнойных ран, нередко заболевания наружных половых органов.

При контактном способе практически вся лазерная энергия поглощается тканями объекта, в которых распространяется по законам нелинейной оптики вследствие их неоднородности, различного соотношения протеинов, жировой ткани, воды и электролитов. Этот способ применяют для лазерного воздействия на ткани и органы, располагающиеся глубже кожи, в том числе и на внутренние органы, а также на биологически активные точки. 3. При компрессии кожи излучателем ( насадкой, концом световода ) ткани уплотняются и становятся более проницаемыми для лазерного излучения, тем самым достигается более глубокое его проникновение, а также уменьшается степень дивергенции лазерного луча.

Литература

1. 
   Рубин, А.Б. Биофизика. Т.1. /Рубин А.Б. М.: Высшая школа, 1988
   
2. 
   Рубин А.Б. Биофизика. Т.2. /Рубин А.Б. М.: Высшая школа, 1989
   
3. 
   Черенкевич, С.Н. Транспорт веществ через биологические мембраны. /Черенкевич С.Н., Хмельницкий А.И. Минск.: БГУ, 2007; и соответствующие Презентации
   
4. 
   Черенкевич, С.Н. Физика биологических мембран. Электронный конспект лекций и Презентации. /Черенкевич С.Н. Минск.: БГУ, 2007.
   
5. 
   Волькенштейн, М.В. Биофизика. /Волькенштейн М.В. М.: Наука, 1981.
   
6. 
   Костюк, П.Г. Биофизика. /Костюк П.Г. Киев.: КГУ,1988
   
7. 
   Рубин, А.Б. Лекции по биофизике. /Рубин А.Б. М.: МГУ, 1994.
   
8. 
   Оглезнева, Н.Я. Медицинская и биологическая биофизика. /Оглезнева Н.Я. Омск, 1994.
   
9. 
   Рубин, Ф.Б. Биофизика. Т.1. Теоретическая биофизика. / Рубин Ф.Б. М.: Книжный дом «Университет», 1999.
   
10. 
    Мари, З. Биохимия человека. /Марри З. Москва.: Мир, 2001.
    

Учебное издание

Алешкевич Николай Александрович
Коваленко Дмитрий Леонидович

Гайшун Владимир Евгеньевич

ФИЗИКА БИОСИСТЕМ
ТЕКСТЫ лекций

для студентов специальности 1 – 31 04 01- 02 «Физика

(научно-производственная деятельность)»
Редактор В. И. Шкредова

Корректор В. В.

Лицензия № 02330/054981 от 14.05.09

Подписано в печать Формат 60х84 1/16. Бумага писчая № 1. Гарнитура «Таймс». Усл.печ. л. Уч.- изд.л. Тираж 50 экз.

Отпечатано учреждение образования

«Гомельский государственный университет

имени Франциска Скорины».

Лицензия № 02330/0150450 от 03.02.09

246019, г. Гомель, ул. Советская, 104

<< предыдущая страница