Воздействие лазера на организм человека

как действует лазер на организм человека

Воздействие лазера на организм человекаЛазеры, или оптические квантовые генераторы, — это одно из самых замечательных и перспективных достижений науки и техники последних лет, одно из «чудес» XX века. У лазеров, несомненно, блестящее будущее, так как область их применения поистине безгранична: с помощью лазеров изучают плазму, ускоряют химические реакции, следят за движением искусственных спутников Земли, производят разнообразные научные исследования и многое, многое другое. Так, например, с помощью лазера было определено расстояние до Луны с точностью до 100 метров. Если обычная современная вычислительная машина может в секунду произвести несколько миллионов арифметических действий, то вычислительная машина с использованием луча лазера за ту же секунду может произвести несколько сотен или тысяч миллионов операций.

В настоящее время различают следующие типы лазеров:

  • твердотельные лазеры с твердым рабочим веществом (кристаллы искусственного рубина, неодимовые стекла, фтористый кальций, некоторые редкоземельные элементы и др.), обладающие большой мощностью излучения;
  • газовые лазеры, в которых в качестве активного вещества используются различные инертные газы (гелий, неон, аргон и др.); они менее мощные по сравнению со твердотельными лазерами;
  • полупроводниковые лазеры с использованием арсенида галлия и др., обладающие большим коэффициентом полезного действия и относительно большой удельной мощностью по сравнению с другими лазерами.

В настоящее время имеется много типов различных лазеров, предназначенных для научных исследований, для использования в области техники и промышленности. Созданы лазеры с различными специальными устройствами (приставками) в виде микроскопов, телевизоров и т. п. для биологических и медицинских целей. Сочетание лазера с микроскопом («лазерный микроскоп») позволяет облучать не только отдельные клетки, но даже и различные образования, находящиеся в них, как например, ядра и другие. В зависимости от материала, служащего активным веществом, меняется интенсивность излучения и длина волны. Большинство лазеров, применяемых в настоящее время, работает в красном и инфракрасном диапазоне светового спектра.

Импульсные лазеры, дающие кратковременные импульсы большой энергии, могут применяться в медицине, в основном, для одно- или многократного воздействия на различные патологические очаги, например, для «обстрела» опухолей и др. Менее мощные лазеры непрерывного действия предназначаются по преимуществу для производства различных оперативных вмешательств. В первом случае лазерный луч можно образно назвать «световой пулей», поражающей избранную цель, а во втором — «световым ножом» (или «световым скальпелем»).

Нефокусированный луч лазера обычно имеет ширину в 1-2 см, а с наведенным фокусом — от 1 до 0,01 мм и меньше. Благодаря этому возникла возможность концентрировать огромную световую энергию на площади в несколько микрон, то есть меньше поперечного сечения человеческого волоса, и достигать при этом очень высоких температур — до многих миллионов градусов! Именно благодаря такой способности концентрировать энергию на минимальной площади облучаемой поверхности лазеры и представляют огромный интерес для медицины. Интенсивность излучения лазеров определяется по величине энергии импульса, приходящейся на квадратный сантиметр, и выражается в джоулях (Дж/см2) или калориях, а для лазеров непрерывного действии в ваттах на см2. Энергия каждой вспышки лазера может колебаться от долей джоуля до 1000 джоулей и более. Сфокусированный пучок мощного лазера буквально не знает преград. Достаточно сказать, что луч лазера способен «просверливать», плавить и обращать в пар сталь, вольфрам, алмаз, корунд и все другие известные человечеству материалы. В настоящее время мощность оптических квантовых генераторов достигла колоссальной величины. В течение импульса продолжительностью в несколько наносекунд (10-11 сек) она превосходит 10 миллионов киловатт! За последние годы сконструированы лазеры, яркость излучения которых в миллион раз больше яркости солнца, а импульсная мощность превышает мощность крупных электростанций.

Общие принципы действия лазера на организм человека

В связи с появлением лазеров и возможностью их широкого применения в самых разнообразных областях науки и техники перед современной медициной встал ряд совершенно новых задач. Во-первых, возникла необходимость всесторонне изучить влияние лучей лазера на различные клетки, ткани, органы, системы человеческого организма и на весь организм в целом. Во-вторых, необходимо изучить возможность применения лучей лазера с лечебными целями в различных медицинских специальностях, таких как лазерная хирургия, лазеротерапия. И, наконец, в-третьих, требуется разработать профилактические и лечебные мероприятия против возможного вредного воздействия лучей лазера на организм человека. В решении всех этих сложных задач принимает участие целый ряд научных и медицинских учреждений.

В основе воздействия лазера на различные биологические объекты лежит по существу весьма кратковременное (стотысячные доли секунды!) воздействие светового луча невиданной мощности в десятки и сотни киловатт. Глубина проникновения луча лазера в ткани регулируется путем фокусирования при помощи оптической системы и может доходить до 20-25 мм и больше. При воздействии луча лазера на ткани следует учитывать одно весьма важное обстоятельство. Если же световой пучок сфокусирован на определенную глубину облучаемого объекта, то уже на глубине в 3-4 мм можно получить такую интенсивность облучения, которая иногда даже превосходит его интенсивность на поверхности объекта.

Важно подчеркнуть, что благодаря молниеносной быстроте действия лучей лазера они не вызывают боли и других неприятных ощущений. Это свойство лучей лазера имеет огромное значение для хирургии, так как при кратковременных операциях с помощью лазера не требуется, как правило, какого-либо обезболивания, без чего в настоящее время не обходится ни одно хирургическое вмешательство.

Степень поглощения лучей лазера в значительной мере зависит от окраски объекта, который подвергается облучению. Больше всего лучи лазера поглощаются пигментированными тканями, красными кровяными шариками (эритроцитами) и т. и. Так, например, облучение лучами лазера дозой в миллиджоуль ведет к гибели красных кровяных шариков, но не влияет ни на форму, ни на движение белых кровяных шариков (лейкоцитов). С целью повысить степень (коэффициент) поглощения энергии излучения лазера и, следовательно, усилить его действие иногда прибегают к искусственному окрашиванию тканей путем применения различных красителей: например, раствора туши, метиленовой синьки и др.

Воздействуя лучом лазера, например, на окрашенную опухоль, можно добиться разрушения опухолевой ткани без повреждения соседних здоровых и неокрашенных тканей. Поглощение лазерного пучка увеличивается при гиперкератозе и гемосидерозе кожи и т. д. Общее поглощение энергии излучения лазера зависит также от глубины его проникновении в разные ткани и их оптических свойств. Так, например, кожа мыши поглощает до 40 процентов этой энергии, а кожа с подлежащими мышцами уже до 80 процентов.

В силу новизны в этом сложном вопросе много неясного и он еще далек от своего разрешения. Все же есть основания полагать, что в механизме биологического действия лучей лазера имеют значение весьма разнообразные факторы. Прежде всего следует иметь в виду, конечно, воздействие высокой температуры как самого луча лазера, так и температуры, развивающейся в клетках и тканях в результате поглощения энергии излучений и достигающей нескольких десятков и даже сотен градусов. В результате теплового воздействия лучей лазера в тканях возникают своеобразные изменения, напоминающие тепловые (термические) ожоги разных степеней, например, коагуляция (свертывание) белков.

Немаловажную роль играет воздействие на клетки и ткани ядовитых веществ (эндотоксинов), возникающих в них в результате действия лучей лазера, вызывающих прогрессирующее омертвение (некроз) пораженных клеток после облучения. Необходимо также учитывать резкое снижение активности или изменение специфического действия ферментов, участвующих, например, в обмене веществ клеток опухолевой и других тканей. Помимо всего этого, определенное значение приписывают фотохимическим процессам, так называемому светогидравлическому эффекту, ионизации тканей, ультразвуковым колебаниям, возникновению электромагнитных полей и др.

Говоря о воздействии лучей лазера на биологические объекты, следует учесть одно весьма важное обстоятельство. Речь идет о том, что органы животного имеют весьма сложное устройство: они состоят из многих слоев клеток и тканей, имеющих разное строение, физиологические особенности, физико-химические свойства и мн. др. В частности, особое значение приобретают разные оптические свойства тканей и промежуточных слоев, то есть их способность отражать или поглощать лучи лазера. Неудивительно поэтому, что при воздействии излучений лазера на ткани и органы, то есть на многослойную биологическую систему, в самих слоях и на границе между ними возникают и развиваются многочисленные и самые разнообразные реакции. Сущность этих реакций пока еще во многом неизвестна и подлежит дальнейшему всестороннему изучению.