Лазерне випромінювання в біологічних дослідженнях.

Введення

В даний час в більшості країн світу спостерігається інтенсивне впровадження лазерного випромінювання в біологічних дослідженнях і в практичній медицині. Унікальні властивості лазерного променя відкрили широкі можливості його застосування в різних галузях: хірургії, терапії та діагностиці. Клінічні спостереження показали ефективність лазера ультрафіолетового, видимого та інфрачервоного спектрів для місцевого застосування на патологічний осередок і для дії на весь організм.

У Росії лазери застосовуються в біології та медицині вже понад 30 років. Історично склалося так, що пріоритет у розкритті механізмів і в біологічному застосуванні знаходиться в країнах колишнього СРСР.

За останні 15 років механізми дії багато в чому розкриті і уточнено. Вплив низькоінтенсивних лазерів призводить до швидкого стихання гострих запальних явищ, стимулює репаративні (відновлювальні) процеси, покращує мікроциркуляцію тканин, нормалізує загальний імунітет, підвищує резистентність (стійкість) організму.

В даний час доведено, що низькоінтенсивне лазерне випромінювання володіє вираженою терапевтичною дією.

Лазер або оптичний квантовий генератор - це технічний пристрій, що випромінює світло у вузькому спектральному діапазоні у вигляді спрямованого сфокусованого, висококогерентного монохроматичного, поляризованого пучка електромагнітних хвиль.

Залежно від характеру взаємодії лазерного світла з біологічними тканинами розрізняють три види фотобіологіческіх ефектів:

1) Фотодеструктівное вплив, при якому тепловий, гідродинамічний, фотохімічний ефекти світла викликають деструкцію тканин. Цей вид взаємодії лазерного використовує в лазерної хірургії.

2) фотофізичний і фотохімічні вплив, при якому поглинений біотканямі світло порушує в них атоми і молекули, викликає фотохімічні і фотофізичний реакції. На цьому виді взаємодії грунтується застосування лазерного випромінювання як терапевтичного.

3) Невозмущающее вплив, коли біосубстанція не змінює своїх властивостей, в процесі взаємодії зі світлом. Це такі ефекти, як розсіювання, відбиття та проникнення. Цей вид використовують для діагностики (наприклад - лазерна спектроскопія).

Фотобіологіческіе ефекти залежать від параметрів лазерного випромінювання: довгі хвилі, інтенсивності потоку світлової енергії, часу впливу на біоткані.

У лазеротерапії застосовуються світлові потоки низької інтенсивності, не більше 100 мВт/см кв., Що можна порівняти з інтенсивністю випромінювання Сонця на поверхні Землі в ясний день. Тому такий вид лазерної дії називають низькоінтенсивних лазерним випромінюванням (Нілі), в англомовній літературі Low Level Laser Therapy (LLLT).

Однією з важливих характеристик лазерного випромінювання є його спектральна характеристика або довжина хвилі. Як вже говорилося, фотобіологіческой активністю має світло в ультрафіолетової, видимої та інфрачервоній частинах спектра. Фотобіологіческіе процеси досить різноманітні і специфічні. Їх налічується в даний час кілька десятків.

В основі їх лежать фотофізичний і фотохімічні реакції, що виникають в організмі при дії світла. Фотофізичний реакції обумовлені переважно нагріванням об'єкта до різного ступеня (в межах 0.1-0.3 С) і розповсюдженням тепла в біотканях. Різниця температури більш виражена не біологічних мембранах. що веде до відтоку іонів Na + і K +, розкриттю білкових каналів і збільшення транспорту молекул та іонів. Фотохімічні реакції зумовлені збудженням електронів в атомах, що поглинає світло речовини. На молекулярному рівні це виражається у вигляді фотоіонізації речовини, його відновлення або фотоокісленія, Фотоліз молекул, в їх перебудови - фотоізомерізаціі.

Вже перші дослідження показали, що лазерна радіація вибірково поглинається що містяться в клітинах пігментними речовинами. Пігмент меланін поглинає світло найбільш активно в фіолетовою області, порфіринів і його похідні - червоний, так оксигемоглобіну поглинає в діапазоні 542 та 546 nm, відновлений гемоглобін в діапазоні 556 nm, а фермент каталаза - 628 nm. З огляду на ключову роль каталази в багатьох ланках енергоутворення, можна зрозуміти широкий лікувальний діапазон гелій - неонового лазера (ГНЛ) і його універсальне нормалізує вплив на біологічні процеси в організмі.

Поглинання лазерної енергії відбувається і різними молекулярними утвореннями що не мають специфічних пігментів і фотобіологіческіх мішеней. Вода поглинає видиме світло і червону частину спектру. Це змінює у мембран структурну організацію водного шару і змінює функцію термолабільних каналів мембран.

У біологічних структурах організму існують власні електромагнітні поля і вільні заряди, які перерозподіляються під впливом фотонів випромінювання ГНЛ, що веде до прямої "енергетичної підкачки" опромінюється організму.

Первинні хімічні реакції супроводжуються появою вільних радикалів, у невеликій кількості, які у свою чергу запускають процеси окислення біосубстратах, що мають ланцюговий характер. Цей момент дозволяє зрозуміти перемикаючий (трігеррний) механізм багаторазового посилення первинного ефекту Нілі.

Таким чином, в основі механізму впливу на тканині, малопотужних лазерів у видимій та інфрачервоній частинах лежать процеси, що відбуваються на клітинному і молекулярному рівнях.

Низькоінтенсивне лазерне випромінювання стимулює метаболічної активності клітини. Стимуляція біосинтетичних процесів може бути одним з важливих моментів, які визначають дію низькоінтенсивного випромінювання лазера на найважливіші функції клітин і тканин, процеси життєдіяльності і регенерації (відновлення).

ГНЛ призводить до збільшення вмісту в ядрах клітин людини ДНК і РНК, що свідчить про інтенсифікацію процесів транскрипції (ступенів). Це перший етап процесу біосинтезу білків. У зв'язку з цим виникає питання про запуск мутацій. Однак доведено, що частота хромосомних мутацій у клітинах людини викликаних хімічними мутагентамі, при дії ГНЛ зменшується. ГНЛ надає антимутагенних ефект, активізує синтез ДНК і прискорює відновні процеси в клітинах підданих потоку нейтронів або гамма - радіації. Це дозволяє використовувати лазерне випромінювання в онкології, на шкідливих виробництвах, у військовій медицині, як профілактичний, так і лікувальний фактор в комбінації з медикаментами.

Нілі стимулює вироблення універсального джерела енергії АТФ (АТР) в мітохондріях, прискорює швидкість його утворення, підвищує ефективність роботи дихального ланцюга мітохондрій. У той же час кількість споживаного кисню зменшується. Відбуваються перебудови в мембранах мітохондрій. Нілі надає антиоксидантний ефект. Відомо, що інтенсивність вільнорадикального окислення в ліпідної фазі мембран мембран клітин визначається співвідношенням насичених і ненасичених ліпідів, в'язкістю ліпідної компоненти мембран, які змінюються при лазерної терапії, що відбивається на структурні перебудови в мембрані, її функціональний стан, активності мембранозв'язаних ферментів.

Узагальнюючи дані сучасних досліджень можна сказати, що Нілі викликає активацію енергосвязивающіх процесів у патологічно змінених тканинах з порушенням метаболізму, підвищення активності найважливіших ферментів, зниження споживання кисню тканинами з підвищенням (фосфорилюється) активності мітохондрій, збагаченням їх енергією, посилення інтенсивності гліколізу (утворення глікогену) в тканинах та інші. Вторинні ефекти представляють собою комплекс адаптаційних і компенсаторних реакцій виникають у результаті реалізації первинних ефектів в тканинах, органах і цілісному живому організмі.

Лазерне випромінювання усуває дисбаланс в центральній нервовій системі.

Однак, на що хочеться звернути увагу, що залежно від дози лазерного випромінювання можна отримати як стимулюючий так і пригнічує ефекти, Це дуже важливо. Ці факти необхідно використовувати при застосуванні лазера в ослаблених хворих, в педіатрії, при хронічних захворюваннях.

Лазерна терапія може проводитися, як самостійний метод, так і в комплексі з медикаментозним лікуванням, у тому числі гормональному і з методами фізіотерапії. При цьому необхідно мати на увазі, що в процесі лікування чутливість організму до лікарських засобів змінюється і з'являється необхідність у зменшенні звичайних дозувань іноді до 50%, а в ряді випадків і відмовитися від них.

З урахуванням патогенетичного механізму дії лазерного випромінювання на організм розроблені показання до лазеротерапії.

Внутрішні хвороби:

Ішемічна хвороба серця, гіпертонічна хвороба, хронічні неспецифічні захворювання легень, виразкова хвороба шлунка та дванадцятипалої кишки, дискінезії жовчних шляхів, коліти, хронічний панкреатит, гострий і хронічний (безкам'яний) холецистити, спаєчна хвороба.

Захворювання опорно-рухового апарату:

Остеохонроз хребта з корінцевим синдромом, запальні захворювання кісток і суглобів обмінної етіології в стадії загострення, артрити і артроз, захворювання та травматичні пошкодження м'язово-зв'язкового апарату (міозити, тендовагініти, бурсити).

Захворювання нервової системи:

Неврити і невралгії периферичних нервів, невралгія трійчастого нерва, неврит лицьового нерва, судинно-мозкова недостатність.

Захворювання сечостатевої системи:

Хронічний сальпингоофорит, трубне безпліддя, хронічний неспецифічний простатит, уретрит, цистит, ослаблення статевої функції.

Захворювання ЛОР - органів:

Хронічне запалення придаткових пазух носа, фарінголарінгіти, тонзиліти, отити, субатрофіческій і вазомоторний риніти.

Хірургічні захворювання:

Післяопераційні і довгостроково не загоюються рани, трофічні виразки, келоїдні рубці (в підгострій стадії), травми (механічні, термічні, хімічні), остеомієліти, тріщини заднього проходу, гнійні абсцеси, мастити, судинні захворювання нижніх кінцівок.

Захворювання шкірних покривів:

Сверблячі дерматози, трофічні виразки різного генезу, запальні інфільтрату, фурункули, екзема, нейродерміт, псоріаз, атопічний дерматит.

Стоматологічні захворювання:

Стоматити, гінгівіти, альвеоліту, пульпіту, періодонтиту, парадонтоз, одонтогенні запальні процеси щелепно-лицевої області.

Лазерної терапії притаманні риси патогенетично обгрунтованого методу. При її застосуванні важливим є врахування не лише загального стану організму, специфіки патологічного процесу, його клінічних проявів, стадій та форми захворювань, але й супутні захворювання, вікові та професійні особливості пацієнта. Найбільш результативно використання лазеротерапії у функціонально оборотних фазах хвороби, хоча нові методики знаходять своє застосування і при більш важких проявах патологічного процесу, при виражених морфологічних змінах.

Допускається застосування спільно з лазерною терапією та інших фізіотерапевтичних факторів, лікувальної фізкультури, масажу, не більше 2-х факторів в один день. І, як було сказано раніше комплексне застосування лазерної терапії з медикаментозними препаратами значно ефективніше, особливо в гострих стадіях.

Сумарна ефективність лазерної терапії коливається від 50 до 85%, в окремих випадках до 95%.

Протипоказаннями до Нілі є:

Абсолютні протипоказання:

 захворювання крові, що знижують згортання крові, кровотечі.

Відносні протипоказання:

серцево - судинні захворювання в стадії декомпенсації;

церебральний склероз з вираженим порушенням мозкового кровообігу;

гострі порушення мозкового кровообігу;

захворювання легенів з вираженою дихальною недостатністю;

печінкова та ниркова недостатність у стадії декомпесаціі;

злоякісні новоутворення;

перша половина вагітності;

активний туберкульоз легенів.

Однак у спеціалізованих клініках, оснащених сучасною технікою і технологіями лазерна терапія використовується і при перерахованих вище захворюваннях.

Розрізняють чотири основних способи доставки Нілі до пацієнта:

Зовнішнє або черезшкірною вплив: орган, судини, нерви, больові зони і точки опромінюються через непошкоджену шкіру у відповідній області тіла. Якщо патологічний процес локалізований в поверхневих шарах шкіри, то лазерне вплив направлено безпосередньо на нього. Черезшкірною вплив грунтується на тому, що лазерне випромінювання ближній інфрачервоній області добре проникає через тканини на глибину до 5-7 см. і досягає ураженого органу. Доставка випромінювання до поверхні шкіри здійснюється або безпосередньо випромінюючої головкою, або за допомогою волоконного світловода і световодной насадки.

Вплив Нілі на точки акупунктури. Показання для цього методу досить широкі. Лазерна рефлексотерапія безкровна, безболісна, комфортна. Можливо поєднання з різними медикаментами, дієтою, фітотерапією і класичної голкорефлексотерапією (чжень-цзю). Використовується класична (китайська, європейська) рецептура (набір точок). Численними дослідженнями доведено, що лазерна акупунктура впливає на різні багаторівневі рефлекторні та нейрогуморальні реакції організму. Стимульовано синтез гормонів, поліпшується мікроциркуляція в різних областях тіла, збільшується синтез простагландинів Е, F, ендорфінів, енкефалінів. Максимальний ефект досягається до 5-7 процедурою та утримується значно довше, ніж при голкорефлексотерапії. При лазерної акупунктури можливе використання безперервного випромінювання, але більш ефективно імпульсне випромінювання із застосуванням різних частот для різної патології. Доставка лазерного випромінювання до точки здійснюється або световодним волокном, або безпосередньо випромінюючої головкою зі спеціальною насадкою.

Внутрішньопорожнинний шлях. Підведення Нілі до патологічного вогнища за допомогою световолокна до слизової оболонки. Здійснюється, або через ендоскопічну апаратуру, або за допомогою спеціальних насадок. При цьому способі доставки Нілі з успіхом використовується як червоне так і інфрачервоне випромінювання.

Внутрішньовенне лазерне опромінення крові (ВЛОК) проводиться шляхом пункції в ліктьову вену або в підключичну вену, в умовах інтенсивної терапії. У вену вводять тонкий світловод, через який опромінюється що протікає по вені кров. Для ВЛОК зазвичай використовують лазерне випромінювання в червоній області (632.8 nm) і в інфрачервоній (1264 nm).

Розглянемо тепер більш детально пристрій лазера і механізми впливу Нілі на людину в медичній практиці.

Термін "лазер" ( "laser") складений з початкових літер п'яти слів "Light amplification by stimulated emission of radiation", що в перекладі з англійської означає "Посилення світла шляхом його вимушеного випромінювання". По суті, лазер являє собою джерело світла, в якому шляхом зовнішнього освітлення досягається збудження атомів певної речовини. І коли ці атоми під дією зовнішнього електромагнітного випромінювання повертаються в початковий стан, відбувається вимушене випромінювання світла.

Принцип дії лазера складний. Відповідно до планетарної моделі будови атома, запропонованої англійським фізиком Е. Резерфордом (1871-1937), в атомах різних речовин електрони рухаються навколо ядра з певних енергетичних орбітах. Кожній орбіті відповідає певне значення енергії електрона. У звичайному, не збудженому, стан електрони атома займають нижчі енергетичні рівні. Вони здатні тільки поглинати падаюче на них випромінювання. У результаті взаємодії з випромінюванням атом здобуває додаткову кількість енергії, і тоді один або декілька його електронів переходять у віддалені від ядра орбіти. Тобто на віддалені від ядра орбіти, тобто на більш високі енергетичні рівні. У таких випадках кажуть. Що атом перейшов в збуджений стан. Поглинання енергії відбувається строго визначеними порціями - квантами. Надмірна кількість енергії, отримане атомом, не може в ньому залишатися нескінченно довго - атом прагне позбутися від надлишку енергії.

Збуджений атом за певних умов буде віддавати отриману енергію так само строго визначеними порціями, в процесі його електрони повертаються на колишнє?? енергетичні рівні. При цьому утворюються кванти світла (фотони), енергія яких дорівнює різниці енергії двох рівнів. Відбувається мимовільне, або спонтанне випромінювання енергії. Збуджені атоми здатні випромінювати не тільки самі по собі, але й під дією падаючого на них випромінювання, при цьому випромінювань квант і квант, "породив" його, схожі один на одного. У результаті індуковане (викликане) має ту ж довжину хвилі, що і викликала його хвиля. Імовірність індукованого випромінювання буде наростати при збільшенні кількості електронів, що перейшли на верхні енергетичні рівні. Існують так звані інверсні системи атомів, де відбувається накопичення електронів переважно на більш високих енергетичних рівнях. У них процеси випромінювання квантів переважають над процесами поглинання.

Інверсні системи використовуються при створенні оптичних квантових генераторів - лазерів. Подібну активну середу поміщають в оптичний резонатор, що складається з двох паралельних високоякісних дзеркал, розміщених по обидва боки від активного середовища. Кванти випромінювання, що потрапили в цю середу, багато разів відбиваючись від дзеркал незліченну кількість разів перетинають активне середовище. При цьому кожен квант викликає поява одного або декількох таких же квантів за рахунок випромінювання атомів, що знаходяться на більш високих рівнях.

Розглянемо принцип роботи лазера на кристалі рубіна. Рубін - природний мінерал кристалічної будови, винятково твердий (майже як алмаз). Зовнішні кристали рубіна дуже красиві. Їх колір залежить від вмісту хрому має різні відтінки: від світло-рожевого до темно-червоного. По хімічній структурі рубін - окис алюмінію з домішкою (0,5%) хрому. Атоми хрому - активна речовина рубінового кристала. Саме вони є підсилювачами хвиль видимого світла і джерелом лазерного випромінювання. Можливе енергетичний стан іонів хрому можна представити у вигляді трьох рівнів (I, II і III). Щоб активізувати рубін і привести атоми хрому в "робочий" стан, на кристал навіває спіральну лампу - накачування, що працює в імпульсному режимі і дає потужний зелене випромінювання світла. Ці "зелені" зараз кванти поглинаються електронами хрому, що знаходяться на нижньому енергетичному рівні (I). Порушеною електронам досить поглиненої енергії для переходу на верхній (III) енергетичний рівень. Повернутися в основний стан, електрони атомів хрому можуть або безпосередньо з третього рівня на перший, або через проміжний (II) рівень. Імовірність переходу їх на другий рівень більше, ніж на перший.

Більша частина поглиненої енергії переходить на проміжний (II) рівень. За наявності достатнього інтенсивного збудливого випромінювання представляється можливість отримати на другому рівні більше електронів, ніж залишилося на основному. Якщо тепер висвітлити активізований кристал рубіна слабким червоним світлом (цей фотон відповідає переходу з II в I основне стан), то "червоні" кванти як би підштовхнуть збуджені іони хрому, і вони з другого енергетичного рівня перейдуть на першому. Рубін при цьому випроменить червоне світло. Так як кристал рубіна являє собою стрижень, торцеві поверхні якого виготовляються у вигляді двох що відображають дзеркал, то відбившись від торців рубіна, "червона" хвиля знову пройде через кристал і на своєму шляху кожного разу буде залучати до процесу випромінювання все більше число нових частинок, що знаходяться на другому енергетичному рівні. Таким чином, у кристалі рубіна безперервно накопичується світлова енергія, яка виходить через його межі через одну з торцевих напівпрозорих дзеркальних поверхонь у вигляді спопеляючого червоного променя в мільйон разів перевершує по яскравості промінь Сонця.

Крім рубіна, як активної речовини застосують і інші кристали, наприклад, магнію окис, топаз, уваровіт, розчин неодіма у склі і т.д.

Дивна властивість кристалів перетворювати світло відомо ще в стародавньої Індії. В індусів існувала легенда про камені, що сяють яскравіше самого сонця. Вона описана в романі "Лезо бритви" чудового фантаста І. Єфремова. Дія відбувалася за тисячі років до нашої ери. В одному з індійських храмів в руки воїнів Олександра Македонського потрапила таємнича корона, прикрашена незвичайними, по-особливому ограновані камені. За легендою монахів, її передали людям боги. Одягати корону могли тільки святі. Бо, якщо в яскравий сонячний день вона опиниться на голові смертного, то людина загине від таємничого випромінювання. Вважаючи себе непереможним і безсмертним, Олександр Македонський надів корону і вийшов із храму на освітлений яскравим полудневним сонцем площу. Воїни з радістю зустріли свого полководця, на голові якого блищала корона богів. Раптом Олександр Македонський похитнувся і впав. Незабаром він занедужав і помер.

Важко припускати, що було справжньою причиною смерті керівника, і певна цінність легенди полягає в тому, що в ній, мабуть, вперше було описано властивість кристалів генерувати якісно новий вид випромінювання.

Існують і газові лазери, в яких активною речовиною є гази (наприклад, суміш аргону і кисню, гелію і неону, окис вуглецю), а також напівпровідникові лазери. Є лазери, в яких як активної речовини використовуються рідини. Залежно від пристрою лазера його випромінювання може відбуватися у вигляді окремих блискавичних імпульсів ( "пострілів"), або безперервно. Тому розрізняють лазери імпульсної і безперервної дії. До першого належить рубіновий лазер, а до других - газові. Напівпровідникові лазери можуть працювати як в імпульсному, так і у безперервному режимі.

Лазерне випромінювання має свої характерні риси. Це когерентність, монохроматичністю і спрямованість.

Монохроматичний - значить одноколірний. Завдяки цій властивості промінь лазера являє собою коливання однієї довжини хвилі, наприклад, звичайний сонячне світло - це випромінювання широкого спектра, що складається з хвиль різної довжини і різного кольору. Лазери мають свою, строго певну довжину хвилі. Випромінювання гелій-неонового лазера - червоне, аргонового - зелене, гелій кадмієвого - синє, неодимовий - невидиме (інфрачервоне).

Монохроматичністю лазерного світла надає йому унікальну властивість. Викликає здивування той факт, що лазерний промінь певної енергії здатний пробити сталеву пластину, але на шкірі людини не залишає майже ніякого сліду. Це пояснюється вибірковість дії лазерного випромінювання. Колір лазера викликає зміни лише в тому середовищі, яке його поглинає, а ступінь поглинання залежить від оптичних властивостей матеріалу. Зазвичай кожен матеріал максимально поглинає випромінювання лише певної довжини хвилі.

Виборче дію лазерних променів наочно демонструє досвід з подвійним повітряною кулею. Якщо вкласти зелений гумовий шар всередину кулі з безбарвної гуми, то вийде подвійний повітряна куля. При пострілі рубіновим лазером розривається тільки внутрішня (зелена) оболонка кулі, яка добре поглинає червоне лазерне випромінювання. Прозорий зовнішній шар залишається цілим.

Червоне світло рубінового лазера інтенсивно поглинається зеленими рослинами, руйнуючи їх тканини. Навпаки, зелене випромінювання аргонового лазера слабо абсорбується листям рослин, але активно поглинається червоні кров'яні тільця (еритроцити) і швидко пошкоджує їх.

Другою відмітною рисою лазерного випромінювання є його когерентність.

Когерентність, в перекладі з англійської мови (coherency), означає зв'язок, узгодженість. А це означає, що в різних точках простору в один і той же час або в одній і тій же точці в різні відрізки часу світлові коливання координовані між собою. У звичайних світлових джерелах кванти світла випускаються безладно, хаотично, неузгодженим, тобто некогерентного. У лазері випромінювання має вимушений характер, тому генерація фотонів відбувається злагоджено і по напрямку і по фазі. Когерентність лазерного випромінювання зумовлює його строгу спрямованість - поширення світлового потоку вузьким пучком в межах дуже маленького кута. Для світла лазерів кут расходіомсті може бути менше 0,01 хвилини, а це означає, що лазерні промені поширюються практично паралельно. Якщо синьо-зелений промінь лазера направити на поверхню Місяця, яка знаходиться на відстані 400000 км. Від Землі, то діаметр світлової плями на Місяці буде не більше 3 км. Тобто на дистанції 130 км. Лазерний промінь розходиться менше, ніж на 1 м. При використанні телескопів лазерний промінь можна було б побачити на відстані 0,1 світлового року (1 світловий рік = 10 в 13 ступені км.).

Якщо ми спробуємо сконцентрувати за допомогою збирає лінзи світло звичайної електролампочки. То не зможемо отримати точкове пляма. Це пов'язано з тим, що переломлюються здатність хвиль різної довжини, з яких складається світ, по-різному, і промені хвиль з однаковою довжиною збираються в окремий фокус. Тому пляма виходить розмитим. Унікальна властивість лазерного випромінювання (монохроматичністю і мала розбіжність) дозволяють за допомогою системи лінз сфокусувати його на дуже малу площу. Ця площа може бути зменшена настільки, що за розмірами буде дорівнює довжині хвилі фокусованої світла. Так, для рубінового лазера найменший діаметр світлового плями складає приблизно 0,7 мкм. Таким чином можна створити надзвичайно високу щільність випромінення. Тобто максимально сконцентрувати енергію. Лазер з енергією в 100 джоулів дає такі ж спалаху, як і електрична лампочка потужність в 100 ват при горінні протягом однієї доби. Однак, спалах лазера триває мільйонні частки секунди і, отже, та сама енергія виявляється спресованої в мільйон разів. Ось чому у вузькому спектральному діапазоні яскравість спалаху потужних лазерів може перевищувати яскравість Сонця в більйон раз. За допомогою лазерів можна досягти щільності енергії випромінювання близько 10 в 15 ступені ват на метр квадратний, в той час, як щільність випромінювання Сонця складає лише близько 10 в 7 ступеня ват на метр квадратний. Завдяки такої величезної щільності енергії в місці фокусування пучка миттєво випаровується будь-яка речовина.

Воістину мав рацію відомий французький фізик Луї де Бройль (р.1892 р.), який сказав: "Лазер уготовано велике майбутнє. Важко передбачити, де і як він буде застосовуватися, але я думаю, що лазер - це ціла технічна епоха". Але за даними зарубіжної преси, вже у 1965 році в США в розробках, виробництві та застосуванні всіх типів лазерів брали участь 367 фірм, у 1966 році - 721, в 1967 році - 800. В даний час в цій галузі працюють понад 1000 фірм. У наведену цифру не включена кількість центрів і лабораторій, які працюють за замовленням Міністерства оборони США. Нині в США випускають близько 2000 різновидів промислових моделей тільки газових лазерів. У 1985 році випуск лазерів в США досяг мільйона штук.

Лазери широко використовуються в якості вимірювальних приладів. З їх допомогою спостерігають за штучними супутниками Землі. Для цієї мети на штучному супутнику поміщають світловий відбивач. Супутником висвітлюють світлом, що йде від лазера, і реєструють відображене світло. Таким чином визначають положення штучних супутників Землі з точністю до 1,5-2 метра. За допомогою лазера вдалося виміряти відстань від Землі до Місяця з точністю до 4 метрів. Лазерний далекомір використовують в системах посадки літаків, в підводних системах огляду і навіть як мініатюрний локатор для сліпих. Лазер масою в 60 грам монтують в тростину, які використовують незрячі. При появі близького перешкоди ручка тростини починає злегка підстрибувати.

Той же принцип, що й при вимірюванні відстані, використовується для вивчення рельєфів місцевості, оцінки стану морської поверхні.

Успішно використовуються лазери в радіолокації, при цьому значно підвищується точність визначення швидкості рухається, і його місцезнаходження.

Лазери застосовують для вимірювання швидкості обертання землі і при стикування космічних кораблів. Вони незамінні в обчислювальній техніці. В різних лабораторіях світу ведуться інтенсивні розробки телевізійних систем на основі лазерів. Одне з найбільш перспективних напрямків досліджень пов'язаний з використанням лазерів в системах кольорового телебачення. За яскравості зображення і якістю відтворення кольору кольорові телевізори з лазерними системами значно перевершують сучасні електронно-променеві апарати.

Унікальні властивості лазерних променів, що дозволяють сфокусувати їх на дуже малу площу поверхні (до 10 в мінус 8 ступеня сантиметрів квадратних), зробили лазер незамінним при виготовленні елементів мікроелектроніки та виконанні операцій, що вимагають високої точності. Так, лазери широко застосовуються при виготовленні та обробці деталей в часовий промисловості в Швейцарії. Сфокусований лазерний промінь потужних лазерних установок, що має величезну щільність енергії, використовується для зварювання, безперервної різання металів і обробки надтвердих матеріалів, зокрема, алмаза і корунду.

Названі приклади далеко не повністю відображають ті галузі науки і техніки, де широко і успішно використовуються лазерні промені. Але лазер придбав не тільки технічні професії. Його чудодійні промені повернули здоров'я тисячам людей. Однак, перш ніж лазер стали застосовувати в клініці, необхідно було з'ясувати механізм біологічної дії лазерного випромінювання, всебічно досліджувати явище променів на різні клітини тканин системи людського організму і окремо, і на весь організм в цілому.

Представляється цікавим зрозуміти фізико-хімічні аспекти впливу лазерного випромінювання на людину.

Фізико-хімічні основи взаємодії низькоенергетичне лазерного випромінювання з біооб'єктами

Біомеханізм лазерної терапії досить складний і до кінця не вивчений. Вплив на живий організм низькоенергетичне лазерним випромінюванням з лікувальною метою відноситься до методів фізичної терапії. Проте, до цих пір ще не розроблена загальна теорія фізіотерапії. Спроби клініцистів створити робочі схеми механізму терапевтичної дії низькоенергетичне лазерного випромінювання зводяться в основному до систематизації змін параметрів гомеостазу, що, ймовірно, є лише наслідком, при тому неспецифічним, цього впливу.

Як уже зазначалося, в даний час переважає емпіричний підхід до розробки нових методів лазерної терапії. Це пов'язано з відставанням теоретичного та експериментального обгрунтування механізму взаємодії лазерного випромінювання з біооб'єктами, з недостатнім знанням клініцистами основ фізики і біофізики. Лише спираючись на фізико-хімічні явища та відповідні їхні закони і поняття. Можна з певною долею вірогідності побудувати теоретичну модель цього механізму і визначити основні напрямки експериментального її підтвердження, що дозволить більш повно обгрунтувати патогеніческую спрямованість лазерної терапії та оптимальні дози впливу при тієї чи іншої патології.

У всіх фотобіологіческіх процесах енергія світла необхідна для подолання активаційних бар'єрів хімічних перетворень. Ці процеси включають наступні стадії: поглинання світла тканинним фото сенсибілізатора та освіта електронно-збуджених станів міграції енергії електронного збудження, первинний фотофізичний акт і поява первинних фото продуктів проміжної стадії, що включає перенесення заряду, освіта первинних стабільних хімічних продуктів, фізіолого-біохімічні процеси, кінцевий фотобіологіческій ефект.

При дії лазерним променем на біооб'єктами частина випромінювання відповідно з властивостями опромінюваної поверхні відбивається, інша частина поглинається. Першими на шляху проникнення лазерного випромінювання в біооб'єктами лежать шкірні покриви. Коефіцієнт відображення шкірою електромагнітних хвиль оптичного діапазону досягає 43-55% і залежить від різних причин: охолодження ділянки впливу знижує значення коефіцієнта відбиття на 10-15%; у жінок він на 5-7% вище, ніж у чоловіків, у осіб старше 60 років , нижче в порівнянні з молодими: збільшення кута падіння променя веде до зростання коефіцієнта відображення в десятки разів. Істотний вплив на коефіцієнт відображення чинить колір шкірних покривів: чим темніше, тим цей параметр нижче; так на пігментовані ділянки він становить 6-8%.

Глибина проникнення низькоенергетичне лазерного випромінювання в біооб'ект залежить, в першу чергу, від довжини електромагнітної хвилі. Експериментальними дослідженнями встановлено, що проникаюча здатність випромінювання від ультрафіолетового до оранжевого діапазону поступово збільшується від 1-20 мкм до 2,5 мм, з різким збільшенням глибини проникнення в червоному діапазоні (до 20-30 мм), з піком проникаюче здібності в ближньому інфрачервоному ( при довжині хвилі = 950 нм - до 70 мм) і різким зниженням до часток міліметра надалі інфрачервоному діапазоні. Максимум пропускання шкірою електромагнітного випромінювання знаходиться в діапазоні довгих хвиль від 800 до 1200 нм.

Поглинання низькоенергетичне лазерного випромінювання залежить від властивостей біологічних тканин. Так в діапазоні довжин від 600 до 1400 нм шкіра поглинає 25-40% випромінювання, м'язи і кістки - 30-80%, паренхіматозні органи (печінка, нирки, підшлункова залоза, селезінка, серце) - до 100.

У механізмі лікувальної дії фізичних факторів є кілька послідовних фаз, і перша з них - поглинання енергії діючого фактора організмом як фізичним тілом. У цій фазі всі процеси підкоряються фізичним законам. При поглинанні світлової енергії виникають різні фізичні процеси, основними з яких є зовнішній і внутрішній фотоефекти, електролітична дисоціація молекул і різних комплексів.

При поглинанні речовиною кванта світла один з електронів, що знаходиться на нижньому енергетичному рівні на зв'язує орбіталі, переходить на верхній енергетичний рівень і переводить атом або молекулу в збуджений (синглетно або тріплетное) стан. У багатьох фотохімічних процесах реалізується висока реакційна здатність тріплетного стану, що обумовлено його відносно великим часом життя, а також бірадікальнимі властивостями.

При зовнішньому фотоефекті електрон, поглинувши фотон, залишає речовина. Однак, ці прояви при взаємодії світла з біооб'єктами виражені досить незначно, оскільки в напівпровідниках і діелектриках (тканини організму є такими) електрон, захопивши фотон, залишається в речовині і переходить на більш високі енергетичні рівні (в синглетно або тріплетное стан). Це і є внутрішній фотоефект, основними проявами якого є зміни електропровідності напівпровідника під дією світла (явище фотопровідності) і виникнення різниці потенціалів між різними ділянками освітлюваного біооб'єктами (виникнення фотоелектродвіжущей сили - фотоЕДС). Ці явища обумовлені фоторожденіем носіїв заряду - електронів провідності і дірок. В результаті переходу в збуджений стан частини атомів або молекул речовини, що опромінюється відбувається зміна діелектричної проникності цієї речовини (фотодіелектріческій ефект).

Фотопровідність буває концентраційної, що виникає при зміні концентрації носіїв заряду, і рухомий. Остання виникає при поглинанні фотонів з відносно низькою енергії і пов'язана з переходами електронів в межах зони провідності. За таких переходах