Термическое действие ЛИ

Энергия ЛИ может преобразовываться следующим образом:

Gереизлучение и рассеяние (резонансное, комбинированное, Рэлея, в результате флюоресценции и фосфоросценции);

поглощение и превращение в тепло;

возбуждение молекул и активация химических реакций.

При облучении ткани при достаточной плотности мощности возникает ожог. Дальнейшее увеличение плотности энергии приводит к усилению повреждения. Это линейное соответствие между облученностью и поражением сохраняется до момента закипания жидкой фазы с последующим взрывообразным испарением. Это все относится к физике процесса. Далее вмешивается биология (ответная реакция организма).

Нахождение теплового действия на биоткань состоит из следующих задач:

описание распределения энергии ЛИ; получение абсорбционных характеристик материала; анализ распределения температур;

Анализ развивающихся биологических изменений.

Для вычисления температуры необходимо знать теплофизические свойства материала и различные механизмы переноса тепла. При коротких лазерных импульсах основным из них является диффузия тепла, или теплопроводность. При большой длительности облучения (напри-мер, минуты) приобретает значение охлаждение тканей за счет циркуляции крови и испарения.

При очень коротких фi, когда теплопроводностью можно пренебречь за время фi:

где ср — удельная теплоемкость при постоянном давлении.

Из выражения (5.3) можно найти температуру. Если скачок температуры велик, то возможно возникновение высокого давления, вызванного термическим расширением материала ткани.

При больших фi, например при воздействии лазером с непрерывным режимом воздействия, нагревание ткани идет медленно и параллельно ему идет термическое расширение материала. Возникающее давление незначительно, и им можно пренебречь. Скорость роста температуры в этом случае определяется уравнением:

Определить температурные профили можно аналитически для ряда случаев. Для коротких длительностей фi:

Или.

(5.5).

где p — давление, v — удельный объем, vi — скорость частиц, x — коэффициент сдвиговой вязкости.

Наиболее важный результат теплового воздействия ЛИ — ускорение протекания биохимических реакций. Для рассмотрения этого вопроса обратимся к уравнению химической кинетики для простейшего случая одноударных процессов:

(5.7).

где f — исходное количество облучаемого материала, df — изменение этого количества за время dt, К' - коэффициент скорости реакции, определяемый как.

Здесь k — постоянная Больцмана, Т — абсолютная температура, h — постоянная Планка, H — изменение свободной энергии, S — изменение энтропии, R — универсальная газовая постоянная. Экспоненциальная зависимость коэффициента К' приводит к тому, что многие биологические эффекты приобретают критическую температуру. Например, для белка существует температура коагуляции (~45 °С) идеатурации белка (~55 °С). Следовательно, зная распределение температуры в объекте, можно определить размеры области термического повреждения материала (например, зону коагуляции ткани).

Можно предположить, что температурный профиль в тканях с разным µ различен, как будет различен и термический эффект. На рис. 5.11 показан результат расчета температуры для двух тканей: одна — опухолевая пигментиованная с µ2 = 10 см?1, вторая — здоровая с µ1 = 1 см?1. В рас-чете теплопроводностью пренебрегали, поскольку проникновение света в ткани большое, теплоемкость принимали равную теплоемкости воды. (5.8).

На рис. 5.11 кривая скорости коагуляции показана пунктиром. Она круче температурного профиля, то есть небольшие изменения температуры в облучаемой ткани (за с чет изменения µ, qS, фi) при ведут к существенным сдвигам в скорости коагуляции вещества. Так как скорость коагуляции чувствительна к малым изменениям показателя поглощения (изменение на 10% ведет к изменению скорости реакции почти на порядок), возможно селективное разрушение патологических очагов даже при небольших отличиях µ между ними и нормальной тканью. Однако в то же время экспоненциальная зависимость скорости коагуляции от температуры требует осторожности с дозировкой в процессе облучения, поскольку небольшие отклонения от требуемой плотности энергии (или плотности мощности), например за счет неоднородности лазерного пучка по сечению, могут привести к непредвиденной коагуляции здоровой ткани. Отметим наиболее характерные особенности облученных лазером тканей. В отличие от других термических повреждений ожог лазера имеет резкую границу (за счет малой длительности). Первоначально резкие границы в дальнейшем могут быть смазаны за счет развития вторичных процессов (воспаления, регенерации и др.). Наиболее интенсивные повреждения возникают вокруг пигментированных структур, которые являются центрами повышенного светопоглощения. При повышении qS термические повреждения приобретают качественно отличный характер. Последовательно могут возникать следующие эффекты: ускорение физиологических процессов при росте температуры; дегидрирование с обычно обратимым сморщиванием ткани; необратимая денатурация белка (и коагуляция);

• -взрывное испарение воды ткани с разрушением структуры ткани;
• -термолиз (обугливание);
• -испарение материала ткани (возгонка).