|
E x( ) − E x( + dx) ε ε( )x − (x + dx) dε( )x
Q x( ) = = = − =εα α0 exp(− x), (22) dV dx dx
где Е – энергия излучения, V – объем ткани, подвергнутый воздействию излучения.
Рисунок 12. К описанию физической модели лазерной абляции.
Рисунок 13. К определению плотности поглощенной энергии при лазерном облучении тела.
Абляция происходит до той глубины hабл , в пределах которой объемная плотность энергии излучения, поглощенной в ткани, превышает критическое значение Q > Qкр , то есть выполняется соотношение
εα α0 exp(− x) > Qкр . (23)
Отсюда получим толщину удаленного слоя:
εα α0 exp(− hабл) = Qкр , (24)
1 εα0
hабл = ln . (25)
α Qкр
Полученная зависимость для физически значимых значений hабл ≥ 0 представлена на рисунке 14.
Рисунок 14. Расчетное определение зависимости толщины удаленного слоя при фотоабляции от плотности энергии падающего излучения.
Таким образом, пороговое значение плотности энергии излучения
Qкр ε0кр = = Q lкр опт( )λ . (26)
α
где lопт- глубина проникновения излучения в ткани.
В рассмотренной модели не был учтен ряд эффектов, влияющих на характер абляции. В частности, изменение поглощения при удалении части материала, изменение поглощения при большой интенсивности лазерного излучения. Влияние этих факторов до сих пор мало изучено.
Применения
Процесс фотоабляции представляется весьма привлекательным для использования в лазерной медицине, так как он позволяет осуществлять прецизионное удаление материала при совершенно незначительном термическом воздействии на окружающие ткани.
Процесс фотоабляции применяется в микрохирургических операциях, требующих ювелирного подхода, например, при коррекции формы роговицы или в ангиопластике (операциях на сосудах). Применяется излучение с плотностью энергии 0,1 – 10 Дж/см2 и длительности импульсов наносекундного и микросекундного диапазона.
Оптический пробой
Оптический пробой возникает при более высокой плотности мощности ~1011 Вт/см2. Из-за высокой напряженности поля происходит ионизация материи, что приводит к образованию плазмы и механических ударных волн. Оптический пробой может происходить в газах, жидкостях и твердых телах, в том числе в прозрачных средах, например, в воздухе.
Для оптического пробоя необходимы свободные электроны в зоне фокусировки лазерного пучка. Они могут быть генерированы, например, при многофотонной ионизации атомов и молекул. После образования свободных электронов происходит лавинообразное увеличение их количества при столкновении их с атомами и молекулами в поле действия излучения. При этом принципиально важна большая напряженность электромагнитного поля, а поглощение излучения в ткани для развития оптического пробоя не имеет значения. Вследствие лавинообразного увеличения количества свободных электронов и ионов происходит образование плазмы.
Плазма
Плазма может возникать не только путем оптического пробоя, но и тепловым способом, при нагревании поглощающей материи.
В обоих случаях возникающая плазма вызывает вторичные процессы.
Горячая плазма очень быстро расширяется, со скоростью, которая может в несколько раз превышать скорость звука в среде. Это расширение вызывает акустическую или ударную волну и тем самым приводит к механическому воздействию. Это явление используется в ряде медицинских технологий, например, для разрыва мембраны вторичной катаракты, для размельчения камней (литотрипсия).
Плазма излучает в видимом и ИК диапазоне.
Плазма экранирует поверхность от действующего лазерного излучения. Этим объясняется, в частности, насыщение интенсивности абляции при высокой плотности энергии.
Плазма разогревает поверхность облучаемой ткани, причем размеры области воздействия увеличиваются.
4. БИОФИЗИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С БИОТКАНЬЮ
Излучение хирургического лазера вызывает повреждение или гибель живой ткани, а при достаточно высокой плотности поглощенной энергии – абляцию ткани. Под термином «абляция» понимают удаление вещества с поверхности тела. В хирургии, подчеркнем, имеется в виду эффект, проявляющийся непосредственно в процессе лазерного воздействия. Например, не является абляцией ликвидация участков ткани при фотодинамической терапии.
Механизм абляции и его параметры определяются:
характеристиками излучения (длина волны, длительность воздействия, мощность, частотные характеристики и т. д.)
физическими и структурными свойствами ткани (соотношение жидкого и плотного компонентов, физико-химический состав, термическая чувствительность клеток и макромолекул, кровоснабжение ткани и т.д.)
оптическими и теплофизическими свойствами ткани (коэффициент отражения, поглощение и рассеяние в ткани, ее теплоемкость и теплопроводность)
Взаимодействие лазерного излучения с биотканью, в том числе ее абляция, является одной из фундаментальных и интенсивно изучаемых проблем, хотя и еще не вполне решенных.
Исследованию физических механизмов взаимодействия лазерного излучения с биотканью посвящено большое количество работ. Наиболее полная систематизация приведена в работах А.И.Неворотина. На основании многочисленных исследований взаимодействия излучения лазеров с биотканью могут быть выделены 4 механизма взаимодействия, которые различаются друг от друга особенностями протекания процессов. Эти механизмы могут быть рассмотрены (в зависимости от мощности воздействия), как выше порога абляции ткани, так и ниже. Мы будем называть эти режимы соответственно абляционный режим воздействия излучения и субабляционный режим. Оба эти режима эффективно применяются в современной лазерной хирургии.
Do'stlaringiz bilan baham: |
