Medsebojnega delovanja laserskega sevanja v bioloških sistemih - laser diagnostika v biologiji in medicini

Poglavje 1
PREGLED laserjev,
PODROČJA UPORABE V biologije in medicine
V tem poglavju je na kratko razpravljali splošne vzorce interakcije svetlobe z biološkimi lastnostmi laserskega sevanja sistemami- analiziranih in zlasti njegove interakcije s bioloških načelih obravnavanih obektami- lasersko terapijo, operacijo in diagnostiki- so najbolj tipični primeri teh aplikacij laserjev. predstavlja tudi informacije o načelih delovanja in parametri laserjev in laserskih sistemov. Na koncu smo razpravljali varnostna vprašanja pri delu z laserji.
Značilnosti interakcije laserskega sevanja
z biološkimi sistemi
Splošna načela in zakoni interakcije svetlobe s bioloških predmetov. Uporaba laserjev v biologiji in medicini temelji na uporabi številnih pojavov povezanih z različnimi manifestacije interakcije svetlobe z biološkimi predmeti [P. 1, str 26, str 33]. Lasersko sevanje, pa tudi navadne svetlobe se lahko odraža, absorbira, razpršene, ponovno sevanje biološkem okolju, in vsaka od teh procesov ima informacije o mikro- in makrostrukture tega okolja, gibanja in oblike njegovih posameznih komponent. Vidne in UV svetloba lahko photobiochemical dejanje. Očitne primeri tega so fotosinteze pri rastlinah in bakterije, kot tudi mehanizem [P. 1 - P. 3, 1]. Visoka svetlobna emisija UV, vidnih in infrardečih valovnih dolžin v območju biti destruktivni (destruktivno) učinek na bioloških predmetov. Potrebno intenzivnost se lahko ustvari le z laserji. Tam so, na primer, oči photocoagulator materiali na osnovi zmogljive ksenonske luči [P. 22, str 32].
Tako procesov, ki so značilni vrst interakcije laserskega sevanja z biološkimi objektov, lahko razdelimo v tri skupine. Prva kategorija vključuje vse non-moti interakcije (vsaj v napake merjenja nima znatnega vpliva na biološko objekta), drugi - procese, ki izkazujejo fotokemično ukrepanje, in tretji - procese, ki vodijo k fotorazgradnjo. Slika 1 prikazuje razvrstitev osnovnih načel laserskih aplikacij v biologije in medicine, ob upoštevanju te procesne skupino.
Ker imamo opravka z realnimi predmeti, poleg fizikalnih in kemijskih znaki, lasersko ukrepa je treba upoštevati njen vpliv na delovanje žive organizme [P. 34, 1]. Ego učinek s stopnjo homeostaze živega predmeta določi. Stopnja homeostaze značilna stanj in procesov, ki zagotavljajo odpornost na zunanje motnje, je odvisna od evolucijskega razvoja in je najnižja na najvišjih bioloških molekul in vretenčarjih. nizko intenzivnost svetlobe ne sproži prilagoditvene mehanizme biosistemske. Kot intenzivnost prvega rast vplivala na homeostazo živega sistema na lokalni ravni, nato vključiti splošno prilagodljivimi mehanizmi in regulativnih sistemov, je popolnoma nadaljnje zmanjšanje ne spopasti s popolno okrevanje in delno nepovratnih procesov, ki rastejo in vodijo do uničenja sistema. Vendar pa je lahko predmet še vedno šteje "živ". Pri visokih intenzivnosti uničenja so tako velike, da lahko objekt ni več mogoče obravnavati kot "živ".
Z vidika uporabe fizikalnih metod raziskovanja najbolj zanimivi so območje je zelo majhna in zelo visoke intenzivnosti. Prvi od teh je mogoče uporabiti nekaterih najbolj občutljivih fizikalnimi metodami, ki ne zahtevajo veliko svetilnost in zato, ne da bi prišlo izkrivljanje rezultatov meritev zaradi homeostaze žive organizme, tudi na lokalni ravni. Drugo področje je zanimivo, saj so rezultati meritev bodo izkrivljale tudi zaradi regulatornih mehanizmov bioloških sistemih, ker je že "brez življenja".

1. Razvrstitev osnovnih načel o uporabi laserjev v biologiji in medicini

Vendar pa je raziskovalec v tem primeru se ukvarja samo z organsko snovjo, struktura in lastnosti, ki ustrezajo času prenehanja življenja.
Za interakcijo svetlobe s bioloških predmetov je pomemben in trajanja izpostavljenosti. To se lahko manifestira gomeostaznaya narava žive organizme. Odvisno od valovne dolžine in intenzivnosti svetlobe praga trajanja obsevanje, ki morfološke spremembe začnejo pojavijo, so lahko zelo različni, za en in isti objekt. Tako je glede na frekvenco svetlobnih impulzov je možno resonančne pojave, je znano, da je obdobje nihanja bioloških sistemih photoresponse giblje od 10-8 do 10 +8 [P. 34, 1].
Absorpcija svetlobe je ena od značilnosti učinkovitosti interakcije svetlobe s obravnavanega biološko objekta. Absorpcijski spektri bioloških objektov glede na vrsto prevladujoče absorpcijskih centrov, tako imenovanih kromofori, in vodo, ki je v njej določena.

Sl. 1.1. Odvisnost frakcije svetlobno energijo DE / E absorbira krovenapolnenie biološko debelina tkivo 1 mm, valovni dolžini, [2]
Na različnih kromofori proteini so aminokislinski ostanki, ki absorbirajo v UV območju (A = 200-300 nm), nukleinska kislina absorbira tudi v tej regiji. Absorpcija vidne svetlobe zaradi biomolekul, kot so hemoglobin, klorofil, flavins, karotenoidi in phycobilins fitokroma [P. 71.
Kot primer, v sl. 1.1 prikazuje tipičen absorpcijski spekter debelino krovenapolnenie biološkem tkivu 1 mm [2]. Svetloba z valovno dolžino od 0.6-1.5 mikronov razmeroma slabo absorbira in prodre dovolj globoko v tkivo. Na primer, sevanje pri X = 1,06 mikronov prodre do globine 1 cm. Vendar pa je v 2-12 mikronov spektralnem območju absorpcijo vode, vsebovane v biološkem tkivu, svetloba prodre nekoliko globlje v tkivo. V območju valovnih 4-6 mikronov prodiranja globine velikostnega reda 100- 150 mikronov, 7-12 mikronov v primerljiva z valovno dolžino svetlobe. = 0.45-0.50 mikronov absorpcije krvnega hemoglobina je določena in v UV območju, številne biološke tkiva močno absorbira zaradi beljakovin, ki jih vsebuje.
Tabela 1.1
absorpcijski koeficienti nekaterih tkivih pri izbranih valovnih dolžin X [P. 26, str 32, 3)

Absorpcijski koeficienti nekaterih tkiv na izbranih valovnih dolžinah so prikazani v tabeli. 1.1, so v območju 10"1-104 cm-1.
Opozoriti je treba, da je sprednji del očesnega tkiva v vidnem območju je izredno pregleden in absorpcijo v njih je zelo majhna [P. 32, str 35, 4]. Hkrati je prenos spektra v kratkem valovne dolžine določi s svetlobnim sipanjem. Sipanje svetlobe bioloških predmetov - to je eden izmed najbolj značilnost teh pojavov. To je povezano s strukturo bioloških sistemih, ki so običajno sestavljene iz velikega števila naključno porazdeljene obsega razpršilnih centrov (razen za nekatere vrste tkiva, kot transparentno očesnim tkivom, pri katerem se struktura urejena (Ch. 2)).
Za mnoge vrste bioloških tkiv v UV in IR valovnih dolžin pretežni absorpcije in sipanja je pomemben v vidnem in bližnjem infrardečem regij: Za valovi 0,45-0,59 mikrometri absorpcijski valovni dolžini in sipanje zagotoviti približno enake prispevke k tkiva prepustnostjo in za 0,59-1,5 sipanje mikronov valovnih dolžin dominira nad absorpcije [5].
Pomembna optično značilnost je tudi biološko predmet odbojnost. Na primer, za večino notranjih organov živali odbojnost pri določenih valovnih dolžinah v vidnem in bližnjem infrardečem regije je 10-30%, človeške kože odraža v vidnem območju 10-60% od svetlobne energije, ter človeški fundusa Koeficient spreminja od 2 do 20 % pri valovni dolžini 0,4 do 1,0 mikronov [P. 26, str 35, 61. refleksija, ki sta lomnega količnika diskontinuitete povzroča na meji bioobject - zrak (Fresnelova refleksija, navadno 4-5%), od spredaj in zadaj iz globoke plasti tkiva. V tem primeru v globini 4-5 mm, ki je enaka približno treh optičnih debelin tkiva, A vzporednih laserski žarek daje kroglasto simetrična, blizu izotropna sevanju [5].
Poudariti je treba, da lahko narava razmislek, absorpcije, sipanja in fluorescence biološkega objekta učinkovito spremembo različnih umetnih pripomočkov. Na primer, lahko spremenite barvanje razmislek spektrov in absorpcijo. Takšni biološki predmeti imenovani občutljivi, t. E. njihova občutljivost na svetlobo spremenilo. Preobčutljivost biološki material se pogosto uporablja v študiji mehanizmov interakcij svetlobe s posameznimi sestavinami gradiva, kot tudi pri praktičnih biomedicine in diagnostiko za selektivno photodestruction nekaterih sestavin bioobject.
dotok krvi v mehkih bioloških tkiv lahko pomemben, do 40-krat, da bi povečali njihovo posredovanje zaradi stiskanja nizkoenergijske [7]. "Razsvetljenstvo" v živo
tkiva povezano s povečanjem njenega optičnega enotnosti zaradi zbijanjem razpršilnih centrov (kolagenskih vlaken iz mišičnega tkiva) in izpodrinejo kri iz stiskalnega prostora, s čimer se poveča lomni količnik osnovnega materiala, ki postane primerljiva z refrakcijskim pokazatelem mišičnem tkivu [4]. Uskladitev lomnih količnikov svetlobe sipanja centrov in osnovne snovi je mogoče doseči z uvedbo v tkivo zdravil. Ta "beljenje" oko beločnice opisano v [41.
emisijske lastnosti in zlasti njegove povezave z biološkimi sistemi. Tradicionalni fotobiologija uporabo konvencionalnih virov (toplotno) svetlobe precej uspešno razvili v preteklih letih (obstajajo dokazi, da je tudi v starem Egiptu in Indiji tisoč leti uporablja fototerapijo pomočjo sončne svetlobe in zdravila, narejena iz sadja in zelenjave) z dostop do praktično photomedicine na treh glavnih področjih: diagnostiko, terapijo in operacijo [P. 19, P. 22, str 34, 81. Veliko je bilo narejenega za razumevanje procesov fotosinteze rastlin in bakterij, ki pojasnjuje naravo, photoperiodic pojavov, itd Z uporabo teh virov svetlobe [P. 1, str 2, str 12, 1, 9]. Pojav popolnoma novo orodje - je laser postavljeno vseh teh študij in aplikacij na novo, višjo raven, spodbudil oblikovanje in uspešno rešitev problemov, ki prej ali ne dani ali posredno naslovljene.
Preden smo razpravljali značilnosti interakcije laserskega sevanja z biološkimi objekti in nove možnosti, ki jih ponuja v fotobiologija in photomedicine treba upoštevati lastnosti laserskega sevanja in njihove temeljne razlike od lastnosti sevanja termalne vire ne-koherentne svetlobe (žarnice, obločnice, sonce, in tako naprej. ).
Spomnimo, da je laserski optičnega oscilacijski nihanja z uporabo induktivno energija oddaja atomov ali molekul v okoljih z invertiranim populacijo lupin, ki imajo lastnost, da pomnožimo svetlobi pri določenih valovnih dolžinah [10- 13]. Kot povratne laserji uporabo ogledala, ki tvorijo optični resonator in zadostno število prehodov žarek skozi okrepitvijo medij, da vse izgube svetlobe v sistem
Bili so izravna s povečanjem aktivni medij. Sl. 1.2 shematsko prikazuje lasersko napravo, ki obsega odbojno zrcalo in aktivni element, ki se z različnimi metodami črpanje aktivno medij ustvarili.

Sl. 1.2. Shema lasersko napravo (na desni prikazuje porazdelitev intenzivnosti v laserski žarek)
Pod temi pogoji v pojavlja proizvodnja laser, je spekter, ki je prikazano na sl. 1,3 t. E. laserski oddaja več valovi različno pogostost in intenzivnost, tako imenovanega longidudinalnih laserjem.
Normalno (vročina), vir svetlobe je drugačen od laserja, tako da je glavni prispevek k emisijam prihaja spontanih prehodov, sistem ni inverzije in optični povratne informacije.

Sl. 1.3. Spekter vzdolžnih vrstah laserskih
Vse to vodi do velikih razlik v lastnostih laserskih in ne-laser svetlobnih virov. Laserski viri imajo visoko stopnjo monochromaticity (časovna usklajenost), prostorsko skladnost, usmerjenosti polarizacije, intenzivnosti in svetlost Ultrakratki impulzov in valovno dolžino emisije tunability.
Monochromaticity in visoke spektralne gostote moči (intenziteta) sevanja ali znacha-
vanje skladnosti laserskega časovnem sevanja zagotavljajo, najprej izvedbo spektralno analizo z ločljivostjo mnogih redov velikosti večja od ločljivosti konvencionalne spektrometrov- drugič, visoko stopnjo selektivnosti od tipa vzbujanja molekule v zmesi le-teh, ki je zelo pomembna predvsem v biologii- tretjič omogočajo, * izvajanje holografski in interferometričnega metod diagnostike bioloških predmetov.
Stopnja monochromaticity enorodovnega plin lasersko linewidth opredeljujejo Priprava FIV ta način, ki ga kvantnih nihanj, vibracij, akustičnega hrupa, nihanja povzročil v plazmi aktivne medija, in tako naprej. D. in sega od deset Hz do nekaj deset MHz [14].
Visoka monochromaticity določa znatno spektralno gostoto sevanja. Na primer, za laser z izhodno močjo P = 1 W, 6V = l MHz, in polmera žarka W-2 mm in je A = 500 nm, spektralno nezgoda gostoto moči na območju enote je enako 2,6 X X107 W / (NM-cm2 ). Za primerjavo, podobno vrednost sončnega sevanja enaka 1,3 -10-4 W / (nm cm2).
Za impulzne laserje, širina linije je omejen TI trajanje impulza, 6V «1 / t&bdquo- in je lahko precej velik obseg za laserje s trajanjem kratkega pulza (6V »l GHz t&bdquo- = 10-c).
Odvisno od namena in posebnih pogojev merjenja za laserje, ki delujejo na več načinov, je mogoče zagotoviti drugo stopnjo monochromaticity. Po eni strani je ločen modni bistvu ohranja visoko monochromaticity (ozka širina 6V črta), in na drugi strani - načini postane veliko in območje traja dlje širina AvivNc / 2nL, kjer je n - število vzdolžnih vrstah, C / 2nL - razmik frekvence opredeljeno z dolžino optične votline nL, c - hitrosti svetlobe, A ^ - (. Slika 1.3) lomnega količnika aktivne medija.
Spremembe v stopnji monochromaticity se odražajo tudi na časovno usklajenost vira, tj. E. Njegova sposobnost oblikovati jasen vzorec interference na primeren čas zamude upogljivi svetlobnih žarkov. Udobno čas [skladnost označena dolžina skladnost
Za single-mode laserji lahko zelo velika skladnost dolžina - 3 -108-3 * 10? cm, ki je višja od tipičnih potrebe biološke in medicinske raziskave.

Laserji so značilne visoke stopnje polarizacije sevanja. To odraža lastnosti skladnost sevanja. Vendar pa lahko vrsta polarizaciji (ravnega, krožna, eliptična) z različnimi laserji drugačna. V večini primerov je to zaradi lastnosti optičnega resonatorja. Resonatorjev z Brewster razrešnice pomik cevjo ali notranjih prizme imeti stabilno linearno polarizacijo. .. Pri industrijskih laserjev z linearnim polarizacija stopnje polarizacije, torej je razmerje intenzitete svetlobe pri legah medsebojno ortogonalnih polarizacija Analizator / q: / x = 500: 1. Tako za laserje z nizko mase in tehničnih kvantnih fluktuacij komaj vodijo do depolarizacije [14].

Nadaljnji razred pogosto uporabljenih laserskih resonatorjev - je izotropne kristali. Na primer, da industrija proizvaja laser z notranjimi ogledala. Visoka kakovost ogledal takšna laserji zagotavlja idealno krožno sevanje polarizacije / c: /j.=l: 1. Vendar se stopnja polarizacije (azimut in eliptičnost) v teh laserjev je bolj občutljiv na motnje, kot v primeru močno anizotropnih votlin [14].
Prenos laserskega sevanja prek optičnih vlaken iz krožnega prereza povzroči depolarizacijo sevanja zaradi vzbujanja mnogih načinov valovodne. Odvisno od vrste dolžino vlaken in kjer skupna sevanje depolarizacija, variira od nekaj deset centimetrov do nekaj metrov. Sorazmerno velikih medicinske vlakna s premerom jedra od 400-1000 um imajo majhno dolžino depolarizacijo (nekaj deset centimetrov). Obstaja posebno Jednomodno vlakna anizotropne (npr z eliptičnim prečnim prerezom jedra), ki vzdržuje stanje polarizacije na razdalji nekaj sto metrov, vendar se bočne mere jedra teh vlaken so zelo majhne, ​​5-7 mm, tako da je problem vnosa sevanja.
Zelo visoka gostota lasersko sevanje omogoča, da se osredotoči na majhnem volumnu velike svetlobne energije, s čimer se povzroči multiphoton in drugih nelinearnih procesov v biološkem okolju, lokalno toplotno ogrevanje, hitro uparjanje in hidrodinamični porušitve r. D.
Smo že navedeno število primerov za ponazoritev laserske žarke na visoki intenzivnosti. Vendar pa je iz vidika ni intenzivnost uporabe in svetlost je najpomembnejši parameter katerega koli vira, vključno z laserjem. Svetlost je definiran kot moč na enoto površine in na enoto prostorskega kota ali jakosti na enoto prostorskega kota. Za krožnim prečnim prerezom s polmerom žarka w (0) 0 in divergenca polni svetlosti moč P

ali po (1.1) za laserske žarke B = P / X2 W / (cm2-sr), kjer cp - SR - enoto prostorskega kota a.
Intenzivnost, ki jih je mogoče dobiti v središču leče, je bolj, bolj svetlost žarka. Optična obdelava žarek s pomočjo sistema leč in ostalih optičnih elementov običajno ne more povečati svetlost, ker je kompresija žarek vedno spremlja povečanje njegove razhajanj.
Nepremičnine tunability laser valovne dolžine, skupaj s svojimi izrednimi dvobarvni laserji se lahko uporablja kot ultra-visoke ločljivosti spektrometra. Načeloma vsak laserski omogoča frekvenčno nastavitev (valovne dolžine). Vendar pa je za nekatere laserji, morda diskretno z zelo ozkem območju v bližini diskretne valovne dolžine, in za drugo stalno v precej širokem razponu valovnih dolžin samo. Razpoložljivost nastavljivi laserjev v celotnem območju od UV do IR omogoča selektivno vzbujanje skoraj vsak biomolekule stanje in njenih posameznih fragmentov.
Pri razpravi lastnosti laserske svetlobe, je nemogoče, da ne bi opozoril na pomembno vlogo za nepremičnine - sposobnost za tvorbo peg vzorec, ko kaže s hrapavo površino. Ta površina razpršene svetlobe je sestavljen iz naključnih skupin temnih in svetlih točk (peg). Razlog za ta pojav je sestavljen iz visoko skladnostjo laserskega sevanja, in je posledica kompleksnega motenj sekundarnih valov od majhnih sipanja centrov na predmet površini. Ker je večina bioloških predmetov groba, imajo vedno, da tvorijo peg vzorec, in v tem smislu, da bi nekaj izkrivljanje rezultatov raziskav. Po drugi strani pa je polje peg nosi informacije o lastnostih površine biološkega objekt, ki se lahko uporabljajo, na primer, za diagnostične namene.
Če peg vzorec opazili pri dovolj oddaljeno od zaslona objekta, je povprečni premer zrn (peg), določene z dttMlw, kjer sem - razdalja od predmeta na zaslon, w - polmera laserskega žarka na predmetu [13].
Načela laserske diagnostike, najbolj tipičnih primerov. Ta knjiga je v celoti namenjen za laserske diagnostiko v biologiji in medicini. Naslednja poglavja bodo razpravljali o najbolj zanimivih načinov neinvazivne diagnostike, ocenili svoje možnosti in obete. Tukaj, v uvodnem poglavju, vendar so osnovna načela so opredeljeni in so nekatere od najbolj osupljivih primerov [P. 33]. Kot je že bilo navedeno, je diagnostične metode laserjem razdeljen na mikrodiagnosticheskie (na ravni atomov in molekul) in makrodiagnosticheskie (na ravni celic in organov). Mikrodiagnostika uporablja vsekakor linearnih in nelinearnih laserske spektroskopije in makrodiagnostika - metode elastično in quasielastic sipanja interferometrije in holografijo.
Običajno se spektralna analiza pogosto uporabljajo v biologiji za analizo, npr koncentracije v sledovih v študiji presnovi živih organizmov in toksikologijo. Vendar pa niso laserski svetlobni viri omogočajo kvečjemu zagotavljanje detekcijskega signala od 1010 atomov ali molekul ene vrste. Uporaba laserjev je mogoče uresničiti preobčutljivi metode za odkrivanje celo posameznih atomov ali molekul, za izvedbo atomske analizo neposredno z realnimi predmeti brez zatekanja k njihovi pripravi. En primer je način neposrednega resonančnega fotoionizacija, uspešno uporablja za določanje koncentracije aluminija v sledovih v človeške krvi [P. 42].
Kombinacija resonančnega fotoionizacija molekul s konvencionalnim masno spektrometrijo omogoča znatno izboljšanje občutljivosti in prejmejo za določanje prakso triptofana v vodi pri 10&ldquo-'14
Laserska spektroskopija izkaže za posebej učinkovite pri študiji onesnaževanja okolja (rastlinskih in živalskih vrst, živila ipd.) Strupene in patogenih snovi in ​​analizirajo načine njihovega prodiranja v človeško telo. Celo relativno enostavna analiza fluorescenca v kombinaciji s kromatografijo ob uporabi laserja je zelo občutljiva. Laserski fluorescenčno spektroskopijo z uporabo občutljivi patoloških tkiva, kot hematoporfirina derivata, je zelo učinkovit za zgodnje diagnosticiranje raka in drugih bolezni [P. 36].
Optoacoustic spektroskopija ima svoje posebne prednosti pri študiju bioloških predmetov, katere glavni sestoji v majhnem sipanja vpliva na rezultate meritev absorpcije spektrov, ki so zelo pomembni za nehomogene strukture bioloških 1h okoljih. 23, str 41]. Laserski vzbujanje zagotavlja tako visoko spektralno ločljivost tukaj, lokalno in daljinsko analizo, uporabo tehnologije vlaken.
toga focus močni laserski žarki se uporabljajo v številnih tehnik, ki izvajajo mikro-spektralno analizo bioloških predmetov. Laserski izbor mikroproba od površine bioobject z uparjenjem microvolume snovi (* 1 mikrona), čemur sledi masno analizo spektroskopsko tega para podlaga laserski Mikroanalitskem masne spektroskopije (Lamm postopek) in industrijske laser masni analizator [P. 42, str 47].
Obstajajo tudi neporušitvene metode microspectral analiza bioloških predmetov, na primer lasersko mikro fluorimetrija posamezna dnevna celice in organele [P. 7]. Prostorska in časovna ločljivost te metode je, v tem zaporedju, 0,3 in 0,2 um ni. To je lahko koristno pri kartiranju fluorescentnih genov. Za neposredno opazovanje primarne strukture DNA je lahko najbolj primerna kombinacija metoda, ki združuje selektivno lasersko ionizacijo kromoforskimi molekul z ionsko polja mikroskopijo. Izotopično selektivno detekcijo posameznih atomov lahko uporabimo za analizo metabolne poti živih organizmov in vivo *) vključno na celičnem nivoju.

* Vivo (lat.).

Laserski pulzi pikosekunde in sub-pikosekunde trajanja dalo najširšo vlogo za preučevanje primarnih procesov fotosinteze, vid in biokemične reakcije vključujejo hemoglobin, DNA in druge biološko pomembnih molekul [P. 1 - P. 3]. Ultrahitra procesi so značilni za biologije, in za isti objekt Times fotografiji fizikalne in fotokemičnih procesov lahko zavzame zelo širok spekter, na primer za hemoglobina 10-6- 10-16 z [P. 24]. Raziskave teh procesov zahteva uporabo impulzne laserje in novih metod spektroskopskih, vključno Raman spektroskopijo (RS) in pikosekunde do nanosekundnim razpone, hitro metode absorpcijo v času trajanja nanosekundo in pikosekunde do femtosekund fluorescenčno spektroskopijo [P. 1].
Razvila in smer v diagnostiki, kot laserski teledetekcijo bioloških predmetov (fitoplanktona] olja in vode, biološko aktivnih nečistoče v ozračju, pritalne vegetacije, itd), ki temelji na CD in fluorescenčno spektroskopijo [P. 16, str 17].
Biomedicinskih makrodiagnostiki temelji na uporabi visoko monokromatsko in skladnega lasersko svetlobo, ki omogoča merjenje položaj, hitrost, majhen premik in obliko različnih komponent bioloških predmetov. Upoštevajte, da je večina od teh primerov, načeloma ne more biti realizirana s pomočjo toplotnih virov svetlobe.
Eden od prvih zahtevkov laserjev učinkovitih v biomedicine citometrijo je pot leta, ko je laser uporabljen za pospešitev ločevanja posameznih testov in sesalskih celicah zaradi točno merjenje njihove optične lastnosti - značilnosti lasersko inducirane fluorescence [16]. prva generacija citometrijo laserji osnovi z Ar = 488 nm, so komercialno dostopne. Priprava za sprostitev drugo generacijo citometrijo temelji na krajši-valovno dolžino manj - CD laser = 441.6 nm.
Enako učinkovita uporaba laserjev - laserski anemometrije, ki temelji na merjenju nizkih hitrostih bioloških tekočin (npr pretok krvi v krvnih žilah, bakterijske gibljivost semenčic, in tako naprej.). Ta metoda temelji na merjenju frekvence premik Dopplerjev na emisije laserja, ki se pojavi, ko Nazaj trošenje svetlobe od gibljivih delcev velikosti mikronov.
Holografija in interferometrijo so močni diagnostičnih orodij na splošno in še zlasti Biomedical. Holografski metode zagotavljajo tridimenzionalne slike bioloških predmetov, se lahko preslikajo obrisi teh objektov, in njihova deformacija analizirati v realnem času. Te nove funkcije lahko vpliva na razvoj številnih vej medicine: ortopedija, radioloških, oftalmologija, urologije in otology. Velik potencial v tem smislu ima klasično interferometrije pomočjo laserske vire (na primer, kadar gre za ustvarjanje retinometer - naprave za določanje mrežnice ostrino vida) in peg interferometrije (na primer, da se ugotovi določeno hrapavost in strukturo bioloških tkiv).
Elastično sipanje z uporabo svetlobnega laserskega vira v kombinaciji s popolno analizo značilnosti polarizacije funkcije sipanja učinkovito omogoča šibko absorbirajoče študijo anizotropne dvokomponentno biološkega tkiva, na primer, [17] očesno tkivo. Elastični sipanje svetlobe je učinkovit tudi v številnih problemov imunologija, virologije in hematologije. V teh študijah je uporaba laserjev omogoča poenostavitev meritev in povečati njihovo zanesljivost.
Razpravljanje laser diagnosticirati problem, ne moremo dotakniti dveh drugih področjih biomedicinske laserskih aplikacij: lasersko terapijo in operacijo, če je to le zato, ker gre preglede je potrebno vedeti, kakšne so lahko posledice pride, če nivojev moči in doziranje laser osvetlitev, ki ustreza terapevtsko ali kirurško. Tako kot prej, se bo razstava v glavnem sledijo [P. 33].
Fizikalne in kemijske osnove lasersko terapijo so tipični primeri. Terapija laser temelji na biokemičnih nadzor procesov s pomočjo svetlobe, ki vznemirja biomolekulo. Vzbujena molekula ali sama sodeluje pri kemični reakciji, ali pa prenese svoj vzbujanje na drugo molekulo, ki sodeluje v kemijskih reakcij. Razlikovati enim fotona vzbujanje (nizka gostota svetlobe - linearna fotobiologija) in multiphoton (visoka gostota - nelinearna fotobiologija), ko lahko molekule absorbirajo več fotonov.
Eno-fotonov, photobiochemical procesi osnovno Photochemotherapy ali fototerapija neonatalne zlatenice (prebitek bilirubinemija), različne bolezni kože [8], in rakom [P. 36], je dobro znana v fotobiologija. rak Photochemotherapy uporabo hematoporfirina derivata (HpD) je klasičen primer. Pri dajanju GWP molekule kopičijo v celicah patoloških tkiv. Eden od možnih mehanizmov, povezanih z obravnavo je, kot sledi. Molekule GWP dobro vzbujen z vidno svetlobo in jo pošljejo preko kisikove molekule dražljaja trodelno državne prisotnih v tkivu. Po drugi strani pa so molekule kisika veseljem stanju singlet, ki je kemijsko aktiven in uničuje celice. Ta proces se imenuje fotodinamično učinek.
Obravnavani postopki so na voljo v relativno nizkih jakostih svetlobe (okoli 1 W / cm2), ki je na voljo iz virov zunaj lasersko svetlobo. Kljub temu je uporaba laserjev daje zelo velik nov zagon razvoju fotodinamične terapije, saj zaradi visoke spektralno intenzivnosti, prostorsko skladnost in nizko odmika sevanja je bilo mogoče zagotoviti pomemben vpliv selektivnost in učinkovito zagotavljanje sevanja do nedostopnih tkiva preko optičnih vlaken.
Terapija z rdečo svetlobo (>. = 632,8 nm) št - Ne lasersko se pogosto uporablja za zdravljenje venske s podaljšanim celjenje ran in ulkusov (npr [str 25]). Pogosto je terapevtski učinek rdeče laserske svetlobe, povezane z njegovo skladnost ali visoko polyarizovannostyo. Vendar pa so te navedbe predstavljeni vzdrži samo iz razloga, da je stopnja intenzivnosti vzbujanja v 1010raz molekul je, kadar se uporablja počasnejša od stopnje sprostitvi vzbujenega (skladnost mer izguba) v kondenzirani snovi pri normalni temperaturi. Dejansko se je terapevtski učinek opazili z viri svetlobe, ki niso laser na obsevanje na število valovnih dolžin v območju 400-850 nm, vendar laserji v skladu z zgoraj navedenih razlogov je bolj priročno orodje. Lokalne terapevtski učinek nizke intenzitete sevanja z valovnimi dolžinami ne - NE (X = 632,8 nm), je - Cd (X = 441,6 nm) in GaAs (A = 830 nm) laserski, očitno povezan z regulativnim delovanje teh svetlobnih valovnih dolžin od proliferativno aktivnost celic (hitrosti celičnega cikla), ko svetlobni deluje kot sprožilec celične regulator presnove [18, 19]. Photoacceptor nizke intenzivnosti dvobarvni laserske svetlobe v celici so endogene preobčutljivosti.
Našteti druge terapevtske uporabe nizka moč laserji [20]. V dermatologiji - zdravljenje nevrodermitisa, ekcem, rdeča ravno zoster, ponavljajoči se herpes, Lipoid nekrobioze, keloidov, lokalno srbenje kože, itd se terapija Laser uporablja v ortopediji, vključno z zamudo konsolidacije in nonunion, lažnimi zlomov, kot tudi. zdravljenje revmatoidnega artritisa. Nevropatologijo za uporabo pri zdravljenju številnih bolezni perifernega in centralnega živčnega sistema. Osteohondroze, trigeminalna nevralgija, multiple skleroze, itd V tem primeru je laserska uporablja refleksna (laseropuncture) obsevanje biološko aktivnih točk priporočene v ustreznem bolezni pri klasičnem akupunkture. Laserji uspešno uporablja v ginekologiji, zobozdravstvu [P. 31], pri zdravljenju kronične tonzilitis, vnetnih bolezni srednjega ušesa, nezadostne prekrvavitve okončin (z intravensko obsevanjem krvi) in tako naprej.
Multiphoton vzbujanje biomolekul je lahko opremljen s kratko laser impulzne energije je razmeroma majhna, vendar veliko maksimalno močjo.
V teh dveh fazah vzbujanja trojček ravneh dovolj impulze s trajanjem nanosekunde, in za kratkotrajna ravni singlet zahtevajo trajanje v območju pikosekunde. Na primer, uporaba Dvofotonski vzbujanje elektronov stanj biomolekul raztopine za posledico tvorbo radikalov in disociacije topil molekul. Bistvena razlika takega fotoliza y radiolize je, da molekule topila disociira samo v bližini kromofor molekul, ki absorbirajo laserskih žarkov, in ne po vsej obsevanega volumna, kot je to primer pri y radiolize. Ta učinek se lahko uporablja z laserskim zdravljenjem raka, saj omogoča proizvodnjo vodnih radikalov, ki napadajo rakave celice.
Z odpravo singlet-triplet pretvorba kvantni vzbujanjem v primerjavi z enim celoten izboljšuje učinkovitost fotokemične reakcije. Na primer, prehod od najnižjega nivoja vzbujanja (1 W / cm2) do visoke intenzitete (10e W / cm2) poveča kvantni izkoristek photomodification porfirin v raztopini 100-krat. Podobni poskusi z GWP kažejo, da kot vzbujanje zagotavlja večjo citotoksični učinek kot nizko intenzivnostjo.
Opazili so Dvofotonski fotokemično reakcije v bioloških sistemih različnih ravneh organizacije (virusi, kvasovke in celic). Ta pristop je treba uporabiti v genskega inženiringa. Na primer, v in vivo študije, da se ugotovi različnih vrst poškodbe molekul nukleinske kisline (zlom in zamreženja), ki odpira možnost preučevanje prostorske strukture in funkcij kompleksnih biomolekul (proteinov, nukleinskih kislin) [P. 1).
Tako multiphoton vzbujanje biomolekul je temelj novega učinkovitega nelinearno fototerapije s kratkimi laserskih impulzov sposobne producirati znatne fotokemične učinkov pri tako nizkih povprečni intenzivnosti, ko so toplotni vplivi odsoten.
Osnove laserske kirurgije, so tipični primeri. Prednosti laserske kirurgije so dobro znani - to je brez dotika, daje absolutno sterilnost- selektivnost, ki omogoča izbor obsevanja valovne dolžine, da se uniči obolelo tkivo brez vpliva obkroža zdorovye- širok razpon intenzitete, ki omogoča, da se zagotovi želen učinek na biološko objekta: taljenje in izparevanju pri relativno majhen ogrevanje, hidrodinamični uničenje zaradi lokalnega intenzivne pulzirajoče toplote ali fotokemične razgradnje [P. 18 - SP 22, SP 26 - SP 30, SP 33, SP 37, 21]. Upoštevajte tudi brez prelivanja krvi laserske operacije, pa tudi prožnost pri mikrokirurgija tkiv in celic zaradi visoke stopnje žarka, ki se osredotoča in prag narave fotorazgradnjo.
Najpomembnejši dosežek lasersko operacijo je v oftalmologiji [P. 22, PA 32, PA 37, 22]. Ta operacija na steklaste, mrežnice zdravljenje fotokoagulacijo diabetične retinopatije, ločeno mrežnice varjenje, prebijanje lukenj, da se zagotovi normalno delovanje Schlemmovega kanala pri zdravljenju glavkoma in tako naprej.
Veliko možnosti so odprte v lasersko operacijo s pomočjo optičnih vlaken, ki lahko prenaša veliko moč. Na primer, uporaba optičnih katetrov omogoča lasersko angioplastiji - uničenje (ablacijo) Sklerotičan plakov v žilah [P. 26, 23- 26]. Za uparjevanje plošča zadošča za 1-40 za to obsevamo 3-4 vat argonskim laserjem. Najbolj obetavne za te namene se štejejo excimer laser (A = 200-300 nm), saj je destruktivno delovanje pulznim ultravijoličnega sevanja na tabli bistvu fotokemična naravo, pri čemer je zahtevana energija v bistvu manj, tako da se zmanjša tveganje poškodbe žilnih sten. Manjšo globino penetracije UV sevanja v tkivo omogoča tanek večslojnih kontrolo ablacija procesa.
V zadnjem času, UV excimer laserji, začne se uporabljajo pri zdravljenju različnih keratoze in tudi za popravljanje vidnih napak zaradi lamelnega roženice ablacijo tkiva.
Pomembne možnosti v biologiji naredi laser mikrokirurgiji živih celic. Kraj izpostavljenosti se lahko poveča na 0,01 mikronov. Široka paleta variacije trajanja laserskih dolžinah in pulznim lahko realizirati vsako vrsto fotorazgradnjo termične fotokemično multiphoton navzgor. Vse to daje nove možnosti v mikrokirurgiji kromosomov mitaticheskih organele in citoplazmo, ima dostop do genskega inženiringa.