Seminarium 3 L

Seminarium 3
Pola i promieniowanie elektromagnetyczne.
Spis treści
1.
Pole elektryczne....................................................................................................................................... 2
2.
Przepływ prądu elektrycznego przez organizm. Elektryczny model tkanki. ............................................ 7
3.
Przykłady zastosowania prądu elektrycznego w medycynie. ................................................................ 13
4.
Porażenie prądem elektrycznym. .......................................................................................................... 17
5.
Pole magnetyczne.................................................................................................................................. 19
6.
Medyczne zastosowania pól magnetycznych. ....................................................................................... 24
7.
Promieniowanie elektromagnetyczne. .................................................................................................. 28
8.
Zastosowanie medyczne wybranych zakresów widma promieniowania elektromagnetyczngo.……….31
9.
Właściwości promieniowania laserowego. ........................................................................................... 33
10. Zastosowanie laserów w diagnostyce i terapii. ..................................................................................... 37
1
1. Pole elektryczne.
Rys. 1.1 Oddziaływanie pomiędzy ładunkami jedno- i różnoimiennymi: A) siła oddziaływania dwóch
ładunków punktowych, B) kierunek i zwrot wektora natężenia pola elektrycznego E; q - ładunek
źródłowy, q0 - ładunek próbny.
•
Prawo Coulomba.
Wzajemne oddziaływanie pomiędzy ładunkami punktowymi q i q0 znajdującymi się w próżni
w odległości r od siebie opisuje prawo Coulomba:
=
(1.1)
gdzie: ε0 - przenikalność elektryczna próżni.
[F] = N
2
•
Natężenie i potencjał pola elektrycznego.
Wartość natężenia pola elektrycznego:
=
=
(1.2)
[E] = V/m
Energia potencjalna oddziaływania dwóch ładunków q i q0 znajdujących się w odległości r od siebie
w próżni:
=
(1.3)
Ep→ 0 dla r → ∞.
[Ep] = J
Potencjał pola elektrycznego:
=
=
(1.4)
[V] = V
Pole elektryczne jest polem zachowawczym, co oznacza iż praca wykonywana przy przemieszczaniu
ładunku w polu elektrycznym, nie zależy od drogi, a tylko od wielkości ładunku i różnicy
potencjałów w punktach początkowym i końcowym ∆V = Vk - Vp, zwanej napięciem U:
=
−
=
−
=
(1.5)
gdzie: p - punkt początkowy, z którego przemieszczany jest ładunek; k - punkt końcowy,
w którym umieszczany jest ładunek.
[W] = J
3
•
Dipol elektryczny.
Układ dwóch ładunków punktowych o przeciwnych znakach i jednakowych wartościach,
znajdujących się w określonej od siebie odległości r. Dla dipola elektrycznego definiuje się
elektryczny moment dipolowy p (wielkość wektorowa), którego wartość określa iloczyn ładunku Q
i odległości r. Przykładem dipola elektrycznego są cząsteczki wody (p ~ 6*10-30 C*m).
Rys. 1.2 Dipol elektryczny.
•
Kondensator.
Kondensatorem nazywamy element elektryczny składający się z dwóch przewodników,
znajdujących się w pewnej odległości d od siebie, pomiędzy którymi umieszczony jest dielektryk
(wyj. kondensator próżniowy). Pojemność elektryczna kondensatora C = Q/U jest wyrażona
w faradach i zależy od rozmiarów kondensatora oraz własności wypełniającego go dielektryka.
4
Rys. 1.3 Płaski kondensator próżniowy; gdzie: E - wektor natężenia pola elektrycznego,
Q - ładunek elektryczny zgromadzony na okładkach kondensatora; S - powierzchnia okładki,
d - odległość między okładkami kondensatora.
Pojemność elektryczna płaskiego kondensatora próżniowego:
=
∙
(1.6)
[C]= F (Farad)
Pojemność elektryczna płaskiego kondensatora wypełnionego dielektrykiem (izolatorem):
=
∙
∙
(1.7)
gdzie: C - pojemność elektryczna kondensatora, ε0 - przenikalność elektryczna próżni, εr względna przenikalność elektryczna (np. dla wody w temperaturze pokojowej εr = 80).
5
Rys. 1.4 Dielektryk (izolator) w polu elektrycznym.
Energia potencjalna zgromadzona w kondensatorze:
=
!
"#
=
#$
(1.8)
"
[Ep] = J
6
2. Przepływ prądu elektrycznego przez organizm. Elektryczny model tkanki.
•
Własności przewodzące materiałów.
Rys. 2.1 Mikroskopowa interpretacja przewodnictwa ciał stałych - układ poziomów
energetycznych: 1) ∆E = 0 - przewodnik; 0 < ∆E < 2 eV - półprzewodnik (np. Si - 1.1 eV; Ge - 0.72
eV); 3) ∆E > 2 eV - izolator.
Opór właściwy:
Wielkość charakteryzująca materiały pod względem ich zdolności do przewodzenia prądu
elektrycznego. Jednostką oporu właściwego (ρ) jest (Ω⋅m). Odwrotnością oporu właściwego jest
przewodność właściwa (σ).
%=
&
'
(2.1)
&
[σ] = ( (Simens/metr) = Ω∙(
- przewodniki→ (ρ < 10-6 Ω⋅m); ∆E = 0
- półprzewodniki → (ρ ≥ 10-6 Ω⋅m); 0 < ∆E < 2 eV
- izolatory (dielektryki)→(ρ > 1010 Ω⋅m); ∆E > 2 eV
7
Tabela 2.1 Własności elektryczne różnych substancji.
Opór właściwy ρ
Materiał
Właściwości elektryczne
o
(przy 37 C) Ω⋅m
-8
przewodnik (I rodzaju)
-3
przewodnik (II rodzaju)
Miedź
1.7 ⋅ 10
Krew, płyny ustrojowe
2.7 ⋅ 10
Tkanka tłuszczowa
~20
izolator
Skóra (zrogowaciały naskórek)
~10
izolator
Kość
2⋅ 10
izolator
-1
German
•
2
4,6 ⋅ 10
półprzewodnik
Prąd elektryczny.
Prądem elektrycznym nazywamy uporządkowany ruch ładunków elektrycznych w polu
elektrycznym. Wielkością opisującą prąd elektryczny jest natężenie prądu elektrycznego I, będące
miarą ładunku przepływającego w jednostce czasu przez przekrój poprzeczny przewodnika:
)=
(2.2)
*
gdzie: q - ładunek elektryczny, t - czas.
[I] = A (Amper)
Rys. 2.2 Rodzaje prądów elektrycznych.
8
•
Prąd stały (DC)
Rys. 2.3 Schematyczny obwód prądu stałego, gdzie źródłem zasilania jest bateria. I - kierunek
przepływu prądu, R - opornik.
Prawo Ohma:
$
+ = = const
(2.3)
,
gdzie: U - napięcie (V), I - natężenie (A), R - opór (Ω).
dla odcinka przewodnika:
+=
'-
(2.4)
gdzie: ρ - opór właściwy (Ω⋅m), l - długość przewodnika (m), S - powierzchnia przekroju
poprzecznego przewodnika (m2).
9
•
Przewodnictwo jonowe.
Rys. 2.4 Dysocjacja cząsteczki w rozpuszczalniku polarnym oraz otoczki hydratacyjne jonów.
Postać prawa Ohma wiążąca gęstość prądu j obu rodzajów jonów, z przewodnością właściwą
elektrolitu σ i wartością natężenia pola elektrycznego E:
. = %
(2.5)
[j] = A/m2
Przykładem przewodników jonowych są płyny ustrojowe.
•
Prąd zmienny (AC)
Rys. 2.5 Obwód elektryczny prądu AC. Źródło zasilania zmienne w czasie (~); połączenie szeregowe
elekmentów R i C. Kierunek prądu I określony dla wybranej chwili czasowej, C - kondensator.
10
Opór pojemnościowy (reaktancja kondensatora):
+# =
&
/#
=
&
(2.6)
" 0#
gdy:
ω = 0 (DC) → RC =
∞
ω >> 1 (bardzo duża częstotliwość) → RC = 0
[RC] = Ω
Zawada (impedancja):
1 = 2+ " + +# "
(2.7)
[Z] = Ω
Rys. 2.6 Model elektryczny tkanki. R - opór płynu pozakomórkowego; S - opór cytoplazmy; C pojemność błony komórkowej; A, B - drogi przewodzenia prądu elektrycznego.
11
Całkowita impedancja Z modelu tkanki przedstawionego na Rys. 2.6:
14 = 25 " + 6"
&
8
&
= +
9
&
&
(2.8)
0#7
(2.9)
8:
Rys. 2.7. Zachowanie się komórki w polu elektrycznym o różnej częstotliwości.
Rys. 2.8. Zmierzona oporność jamy brzusznej w zależności od częstotliwości prądu elektrycznego.
12
3. Przykłady zastosowania prądu elektrycznego w medycynie.
•
Defibrylator.
Rys. 3.1 Zasada działania defibrylatora oraz dwie metody przeprowadzania zabiegu. Metoda
wykorzystująca impuls monopolarny: energia impulsu 300 J, przy założeniu oporu klatki piersiowej
50 Ω; czas trwania impulsu: kilka ms. Metoda wykorzystująca impuls bipolarny: energia impulsu
150 J, przy założeniu oporu klatki piersiowej 50 Ω; czas trwania impulsu: kilka ms. Po defibrylacji
należy przeprowadzić natychmiastową resuscytację krążeniowo - oddechową. Ri - opór obwodu
elektrycznego defibrylatora.
13
•
Nanoknife (IRE, Irreversible Electroporation).
Rys. 3.2 System do elektroporacji (generator impulsów elektrycznych wraz z komputerem do
kontroli parametrów zabiegu i elektrodami) oraz zmiany strukturalne błony komórkowej
w metodzie IRE. Urządzenie wytwarza serię impulsów elektrycznych o amplitudzie (100 ÷ 3000) V
i czasie trwania (20 ÷ 100) µs. Impulsy elektryczne są podawane za pośrednictwem igłowych
elektrod, umieszczanych wokół strefy ablacji pod kontrolą obrazu CT lub USG. Metoda nie
wykorzystuje efektów termicznych, dlatego nadaje się do leczenia trudno dostępnych miejsc
zlokalizowanych w okolicy naczyń krwionośnych i nerwów.
14
Elektrokoagulacja.
Rys. 3.3 Zabieg elektrokoagulacji zmiany skórnej (j1, j2 - gęstość prądu A/m2; S1, S2 - powierzchnia
m2), wykorzystujący działanie zmiennego prądu elektrycznego o częstotliwości z zakresu
radiowego (~ MHz). Przepływ prądu powoduje lokalnie wzrost temperatury tkanki (nawet do
200oC), prowadząc do koagulacji białek. Elektroda czynna jest umieszczana w okolicy patologicznej
zmiany. Zabieg jest prowadzony w znieczuleniu miejscowym i trwa od kilkunastu minut do ok. 1 h
w zależności od wielkości zmiany. Elektrokoagulacja jest wykorzystywana także do usuwania
zbędnego owłosienia, oraz do zamykania naczynek krwionośnych.
15
•
Diatermia.
Rys. 3.4 Zabieg diatermii. Widoczny lokalny wzrost temperatury tkanki.
Tabela 3.1 Typy diatermii.
Typ diatermii
Diatermia mikrofalowa
(powierzchniowa)
Diatermia krótkofalowa
(objętościowa)
Diatermia chirurgiczna
Częstotliwość [MHz]
Efekt terapeutyczny
433.92 ÷ 2425
podgrzewanie tkanek położonych
blisko powierzchni skóry
podgrzewanie głębiej położonych
tkanek
cięcie i koagulacja tkanek
27.12
0.5 ÷ 1.75
16
4. Porażenie prądem elektrycznym.
Następstwa porażenia prądem zależą od kilku czynników: drogi przepływu prądu, czasu działania
prądu, oporności - tzn. przez jaki materiał płynie prąd, czy jest to prąd stały czy zmienny,
częstotliwości prądu, natężenia i napięcia prądu, temperatury i wilgotności skóry. W ogólności
uznaje się, iż przepływ prądu elektrycznego o natężeniu > 20 mA, jeśli trwa dłużej niż kilkanaście
sekund jest niebezpieczny dla zdrowia, a > 70 mA - dla życia. W tym, prąd przemienny
o częstotliwości kilkudziesięciu Hz powoduje najgroźniejsze dla życia reakcje organizmu (Tabela
4.1). Zagrożeniem przy przepływie prądu stałego przez ciało ludzkie są wywoływane efekty cieplne.
Wydzielanie ciepła zachodzi głównie na skórze, której opór (przy założeniu, iż jest ona wilgotna pot) jest ~ kΩ. Dla suchej skóry opór elektryczny wzrasta, osiągając wartość ~ MΩ i podczas
porażenia prądem może dojść do jej zwęglenia. Prąd zmienny może także doprowadzić do
lokalnego podgrzania tkanki.
Rys. 4.1 Porażenie prądem elektrycznym. Wartości prądu rażeniowego dla U = 230 V oraz różnych
wartości oporu elektrycznego (1 kΩ, 3kΩ, 10 MΩ).
17
Tabela 4.1 Średnie wartości prądu powodujące określone skutki jego działania.
Natężenie prądu [mA]
1 ÷ 1.5
Prąd przemienny (f = 50 Hz)
Prąd stały
odczucie przepływu prądu
3÷6
skurcze mięśni i odczucie bólu
10 ÷ 15
silne skurcze mięśni i odczucia
bólowe (place, ramiona, plecy)
15 ÷ 25
bardzo silny skurcz i ból,
utrudniony oddech
>30
Natężenie
prądu [mA]
utrata przytomności i migotanie
komór sercowych
18
5÷8
odczucie przepływu prądu,
uczucie ciepła
20 ÷ 25
znaczne odczucie ciepła,
niebezpieczny dla zdrowia
5. Pole magnetyczne.
•
Przykłady źródeł pola magnetycznego.
Rys. 5.1 Pole magnetyczne wokół magnesu trwałego (A) i różnych typów przewodników z prądem
(B ÷ D).
Wyróżnia się biegunowość pola magnetycznego N i S (N – biegun północny, S - biegun południowy).
Bieguny magnetyczne (N, S) występują zawsze parami, nie da się ich rozdzielić. Wielkość pola
magnetycznego w danym punkcie tego pola określa się podając wartość natężenia pola
magnetycznego H (A/m). Wartość H w danym punkcie nie zależy od własności magnetycznych
ośrodka, w którym ten punkt się znajduje. W ośrodkach materialnych do opisu wielkości pola
magnetycznego stosuje się pojęcie indukcji magnetycznej B (T=Tesla), której wartość zależy od
własności magnetycznych ośrodka. Obydwie wielkości fizyczne są powiązane zależnością:
; = 6< < 7= = < 61 + χ7=
(5.1)
?∙(
gdzie: µ0 - przenikalność magnetyczna próżni (
@
), µr - względna przenikalność magnetyczna (zależy
od rodzaju materiału), χ - podatność magnetyczna.
19
•
Siła Lorentza.
Rys. 5.2 Reguła prawej dłoni pozwalająca wyznaczyć kierunek i zwrot siły Lorentza.
Wartość siły Lorentza:
4
= | |B;CDEφ
(5.2)
gdzie: q - ładunek elektryczny cząstki, v - prędkość cząstki, B - indukcja magnetyczna, φ - kąt
pomiędzy wektorem prędkości i wektorem indukcji pola magnetycznego.
[FB] = N
[q] = C (Coulomb)
[v] =m/s
[B] = T (jednostka, spoza układu SI – Gauss, 1 Gs = 10-4 T).
20
Rozważając sytuację przedstawioną na Rys. 5.2 dla jonu sodu poruszającego się z prędkością 0.25
m/s w obszarze jednorodnego, stałego pola magnetycznego o wartości indukcji magnetycznej 3 T
promień okręgu, po którym porusza się jon wynosi:
F=
(G H
4
=
I.K∙& L M ∙ ."N
&.O∙& LPQ ∙I
= 0.2 ∙ 10TU V = 20EV
(5.3)
gdzie: mj – masa jonu w kg.
Dla porównania, średnica kanału jonowego jest < 0.5 nm a jego długość wynosi ok. 10 nm.
•
Własności magnetyczne materiałów.
Tabela. 5.1 Przykłady substancji o różnych własnościach magnetycznych.
µr
χ
Woda
<1
<0
Własności
magnetyczne
diamagnetyk
Powietrze
>1
>0
paramagnetyk
Żelazo krystaliczne
>>1
>>1
ferromagnetyk
Człowiek*
<1
<0
diamagnetyk
Materiał
*Tkanki ustroju ludzkiego to głównie diamagnetyki. Wiele struktur posiada jednak właściwości
paramagnetyczne (np. enzymy, hemoglobina krwi, wolne rodniki), dzięki czemu oddziaływanie
zewnętrznego pola magnetycznego może mieć wpływ na realizowane przez nie funkcje
biologiczne. W niektórych organizmach występują także substancje o własnościach
ferromagnetycznych, np. magnetyt w organellach zwanych magnetosomami.
21
•
Diamagnetyki i paramagnetyki.
Rys. 5.3 Zachowanie się diamagnetyka w polu magnetycznym.
Rys. 5.3 Zachowanie się paramagnetyka w polu magnetycznym.
Po umieszczeniu obu materiałów w niejednorodnym polu magnetycznym, obserwuje się ich różne
zachowanie, tj. diamagnetyki są wypychane z obszaru silniejszego pola do obszaru słabszego pola
magnetycznego, a paramagnetyki są wciągane do obszaru silniejszego pola magnetycznego.
22
•
Ferromagnetyki.
Rys. 5.5 Zachowanie się ferromagnetyka w polu magnetycznym.
Ferromagnetyki magnesują się zgodnie z kierunkiem pola magnesującego, ale ich własne pole
jest wielokrotnie większe od pola zewnętrznego. Powyżej pewnej temperatury, ferromagnetyk
traci swoje własności i staje się słabym paramagnetykiem.
•
Biomagnetyzm.
Tabela 5.2 Przykładowe wartości pola magnetycznego.
Źródło pola magnetycznego
B [T]
Najsłabsze pole mierzalne
8*10-15
Magneto-kardiogram
50*10-12
Magneto-encefalogram
<1*10-12
Magneto-miogram
10*10-12
Ziemskie pole magnetyczne
6.5*10-5
Magnesy nadprzewodzące
do 20
23
6. Medyczne zastosowania pól magnetycznych.
•
Magnetoterapia.
Rys. 6.1 Zestaw do magnetoterapii. W magnetoterapii wykorzystuje się niewielkie (0.1 ÷ 10) mT
wolnozmienne (f do 100 Hz) pola magnetyczne. Konkretne parametry pola magnetycznego, kształt
sygnału i czas zabiegu dobiera się odpowiednio do typu schorzenia. Przykładowo w przypadku
zapalenia stawów biodrowych i skokowych parametry stymulacji zostały dobrane następująco:
B =2.5 mT, f = 5 Hz, t = 10 min.
Rys. 6.2 Przykład zabiegu magnetoterapii w zogniskowanym polu magnetycznym (Focused
Magnetic Field) oraz mikroskopowy obraz krwi.
24
Tabela 6.1 Wpływ zabiegu magnetoterapii na organizm ludzki.
Wskazania do wykonania
Działanie korzystne
Przeciwskazania
zabiegu
stany zwyrodnieniowe kości i
stawów
osteoporoza
stany pourazowe: złamania,
skręcenia, stłuczenia,
zwichnięcia
zaburzenia krążenia
zespoły bólowe ostre i
przewlekłe
oparzenia, owrzodzenia
redukcja stanów zapalnych
choroba nowotworowa
wzmaga tworzenie kostniny
pobudzenie regeneracji
tkanek i metabolizmu
gruźlica
cukrzyca
poprawa obrazu krwi –
obniżenie agregacji krwinek,
lepsze ukrwienie tkanek
działanie przeciwbólowe
ostre i przewlekłe choroby
zakaźne
pobudzanie procesów
oddychania komórkowego
ciężkie infekcje wirusowe,
bakteryjne i grzybiczne
choroba wieńcowa,
niewydolność nerek
Skutki biologiczne wywoływane ekspozycją w polach magnetycznych zależą od wielu parametrów
tj. amplitudy/wielkości stosowanego pola, częstotliwości i kształtu podawanego sygnału,
przebiegu czasowego sygnału, jak również od typu naświetlanej tkanki. Mechanizmy
oddziaływania pól magnetycznych na poziomie komórkowym nie są dokładnie poznane.
25
•
Hipertermia magnetyczna.
Rys. 6.3 Schemat ideowy hipertermii magnetycznej. Metoda polega na wprowadzeniu do
nowotworu poprzez układ krwionośny cząstek magnetycznych pokrytych odpowiednimi ligandami
(np. przeciwciała), aby selektywnie mogły się one przyłączać do komórek nowotworowych.
Następnie leczony obszar poddaje się ekspozycji w zmiennym polu magnetycznym (f ~ kHz), aby
uzyskać wzrost temperatury (43 ÷ 47) oC w obszarze guza. Cykl leczenia najczęściej obejmuje od
kilku do kilkunastu 30 minutowych zabiegów.
Rys. 6.4 Schemat struktury nanocząstki magnetycznej. Rozmiar do 100 nm.
26
•
Przezczaszkowa stymulacja magnetyczna (Transcranial Magnetic Stimulation).
Rys. 6.5 Schemat przezczaszkowej stymulacji magnetycznej wraz przykładowymi parametrami
stymulacji. Metoda jest stosowana do oceny pobudliwości korowej, funkcji ośrodkowych i
obwodowych dróg ruchowych. Na skórze głowy umieszcza się cewkę generującą impulsowe pole
magnetyczne, wywołujące przepływ indukowanego prądu elektrycznego w określonej części mózgu.
Pojedynczy zabieg trwa ok. 40 minut i jest powtarzany 5 x w tygodniu, zazwyczaj przez okres 2 ÷ 6
tygodni.
27
7. Promieniowanie elektromagnetyczne.
•
Fala elektromagnetyczna.
Rys. 7.1 Fala elektromagnetyczna o kierunku propagacji wzdłuż osi x.
Rys. 7.2 Parametry charakteryzujące falę elektromagnetyczną.
Energia fotonów:
=
WX
(7.1)
λ
gdzie: h - stała Plancka J⋅s, c - prędkość światła w próżni 3⋅108 m/s.
[E] = J lub eV.
28
•
Widmo promieniowania elektromagnetycznego.
Rys. 7.3 Schematyczne przedstawienie zakresów widma promieniowania elektromagnetycznego.
•
Współczynnik absorpcji swoistej (Specyfic Absorption Rate).
29
Rys. 7.4. Parametry charakteryzujące pole elektromagnetyczne oraz skutki jego działania na
organizm.
5Y+ =
X∆?
(7.2)
∆[
\
gdzie: c - ciepło właściwe (]∙ ^), ∆T - przyrost temperatury (K), ∆t - czas obserwacji (s).
[SAR] = W/kg.
Przykładem
urządzenia
wykorzystującego
promieniowanie
elektromagnetyczne
w zakresie radiowym są telefony komórkowe. Poniżej podano wartości SAR dla najbardziej
popularnych modeli telefonów komórkowych:
- Apple, iPhone - 0.62 W/kg
- LG, KS20 - 1.04 W/kg
- Sony Ericsson, W760i - 0.53 W/kg
Dopuszczalna wartość SAR dla telefonów komórkowych: w USA - 1.6 W/kg, w Europie - 2.0 W/kg.
30
8. Zastosowanie
medyczne
wybranych
zakresów
widma
promieniowania
elektromagnetycznego.
•
Termografia.
Badanie termograficzne pozwala określić rozkład temperatury na powierzchni ciała ludzkiego
poprzez pomiar natężenia promieniowania cieplnego (termicznego) wysyłanego przez ciało.
Rozkład temperatury na powierzchni ciała wykazuje duże zróżnicowanie zależne od stanu
fizjologicznego badanej osoby. Stąd termografia jest wykorzystywana do diagnostyki różnych
schorzeń np. do oceny stanów zapalnych różnych okolic ciała czy do wczesnego wykrywania guzów
piersi.
Rys. 8.1 Diagnostyka nowotworów piersi.
Rys. 8.2 Stan zapalny kolana.
31
•
Mikrofale – metoda TRIMprobe (Tissue Resonance Interaction Methods).
Rys. 8.3 Metoda TRIMprobe. Układ pomiarowy składa się z sondy będącej emiterem fali
elektromagnetycznej
(f
=
465,
930
lub
1395
MHz),
odbiornika
promieniowania
elektromagnetycznego (analizator częstotliwości) oraz komputera (akwizycja i analiza danych
pomiarowych). Odbiornik promieniowania elektromagnetycznego jest umieszczony w odległości
ok. 150 cm od pacjenta. Metoda jest wykorzystywana w celu nieinwazyjnego diagnozowania raka
prostaty i pęcherza moczowego i opiera się na różnicy w absorpcji fali elektromagnetycznej
o zadanej częstotliwości przez tkankę zdrową i zmienioną chorobowo. Różnica w absorpcji
emitowanej fali elektromagnetycznej wynika z odmiennych własności elektrycznych (stałej
dielektrycznej, przewodności elektrycznej) obu typu tkanek.
32
9. Właściwości promieniowania laserowego.
Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) jest urządzeniem wykorzystującym
zjawisko emisji wymuszonej promieniowania elektromagnetycznego. Dzięki procesowi emisji
wymuszonej światło laserowe posiada unikalne własności, odróżniające je od klasycznych źródeł
promieniowania tj. monochromatyczność, spójność i naturalną kolimację (Rys. 9.1). Powstałe
fotony mają tą samą energię (długość fali), te same kierunki propagacji oraz dokładnie
skorelowane fazy drgań (spójność). Zwiększenie liczby fotonów pozwala osiągać duże natężenie
światła laserowego a z kolei krótkie czasy impulsów (nawet ~ 10-15 s) pozwalają uzyskać bardzo
dużą moc laserów w impulsie.
Tabela 9.1 Różne typy laserów i ich zastosowania w medycynie.
Substancja aktywna
λ [nm]
Zakres
Zastosowanie w medycynie
CO2
10600
IR
chirurgia, dermatologia,
okulistyka
1064
IR
chirurgia (tamowanie
krwawienia),
1320
IR
Nd: YAG + kryształ
potasowo-tytanowofosforowy (KTiPO4) - laser
zielony
532
VIS
okulistyka, dermatologia,
urologia
He-Ne
633
VIS
biostymulacja,
Jonowy (Ar+, Kr+)
465,8 ÷ 673,4
VIS
onkologia, okulistyka,
dermatologia
Półprzewodnikowy
630 ÷ 904
VIS, IR
biostymulacja
Ekscymerowy (XeF, XeCl,
KrF)
193 ÷ 351
UV
okulistyka
Nd: YAG
mikrochirurgia, kosmetologia
33
A)
Względna natężenie
1.00
0.75
Żarówka
wolframowa
0.50
0.25
Laser
argonowy
400
500
600
Laser
rubinowy
700
800
Długość fali [nm]
B)
C)
Rys.9.1 Własności światła laserowego: A) monochromatyczność, B) naturalna kolimacja,
C) spójność.
34
•
Prawo absorbcji.
) = ) exp6−αb7
(9.1)
gdzie: x - grubość absorbenta, I0 - natężenie promieniowania dla grubości absorbenta x = 0,
I - natężenie promieniowania po przejściu przez absorbent o grubości x ≠ 0, α - współczynnik
absorpcji.
Rys. 9.2 Zmiany współczynnika absorpcji dla różnych typów laserów dla kilku przykładowych
substancji.
35
Tabela 9.2 Orientacyjne wartości głębokości penetracji (GP) (mm) w tkance miękkiej, dla kilku
powszechnie stosowanych typów laserów.
Typ lasera
λ (nm)
GP (mm)
CO2
10600
~ 0.1
Nd:YAG
1064
~6
Ar+
488 ÷ 514,5
~2
Ekscymerowy
193 ÷ 351
~ 0.01
Zróżnicowane wartości głębokości penetracji światłem laserowym tłumaczy Rys. 9.2 np. światło
laserowe o długości fali λ = 10600 nm (IR) (laser CO2) powoduje wzbudzanie drgań molekuł H2O,
wzrost kT (oddziaływanie termiczne). Z kolei światło o długości fali λ = 1064 nm (laser Nd:YAG) nie
wzbudza H2O i jest słabo pochłaniane, stąd wysoka wartość GP. Promieniowanie z zakresu VIS (~
500 nm) (laser jonowy) jest silne pochłanianie przez hemoglobinę i melaninę. W przypadku lasera
ekscymerowego (zakres UV) ma miejsce inny mechanizm - fotoablacja tkanki.
36
10. Zastosowanie laserów w diagnostyce i terapii.
•
Leczenie prostaty.
Rys. 10.1 Laser zielony (λ = 532 nm) w zabiegu fotoselektywnej waporyzacji powiększonej prostaty.
Do zalet zabiegu przeprowadzonego z zastosowaniem lasera zielonego należą krótki czas zabiegu
(ok. 30 minut) oraz niewielkie ryzyko pojawienia się krwawienia śródoperacyjnego i wystąpienia
późniejszych powikłań. Zabieg wykonywany jest w znieczuleniu ogólnym z zastosowaniem
cytoskopu, który jest wprowadzany do pęcherza moczowego. Konstrukcja cytoskopu
(światłowodowy układ optyczny) umożliwia doprowadzenie światła laserowego w miejsce, gdzie
zlokalizowana jest przerośnięta tkanka. Po zabiegu pacjent opuszcza szpital zazwyczaj tego samego
dnia.
37
•
Laserowa korekta wzroku.
Rys. 10.2 Metoda laserowej korekty wady wzroku (LASIK, Laser-Assisted in situ Keratomileusis).
Zabieg zaczyna się odcięciem płatka rogówki i odsłonięciem wewnętrznej warstwy rogówki.
Następnie dokonuje się korekty promienia krzywizny rogówki za pomocą lasera ekscymerowego.
Po usunięciu odpowiedniej ilości tkanki w planowanych miejscach, z powrotem nasuwana jest
zewnętrzna warstwa rogówki. Metoda umożliwia szybkie gojenie się oka i w zasadzie
natychmiastową poprawę widzenia.
38
•
Diagnostyka nowotworów.
Rys. 10.3 Wizualizacja nowotworu układu oddechowego. Aparatura do detekcji fluorescencji
zmiany nowotworowej wcześniej oznaczonej barwnikiem porfirynowym silnie pochłaniającym
światło lasera o długości fali λ ~ 400 nm. Oświetlenie światłem białym, pozwala umieścić wziernik
endoskopowy wraz ze światłowodem (doprowadzenie światła lasera) w odpowiednim miejscu
w drogach oddechowych.
Wspomniane barwniki porfirynowe lub ich pochodne wykorzystuje się nie tylko do wizualizacji
nowotworów, ale także do ich leczenia (terapia fotodynamiczna). W terapii fotodynamicznej
barwniki te pełnią rolę fotouczulacza, który w wyniku absorbcji światła o określonej długości fali
ulega wzbudzeniu do wyższego poziomu energetycznego. Wzbudzona cząsteczka fotouczulacza
reaguje z tlenem znajdującym się w otoczeniu, prowadząc do utworzenia reaktywnej jego formy,
która jest toksyczna dla komórek (tzw. tlen singletowy). Selektywne wiązanie fotouczulacza
z komórkami nowotworowymi umożliwia zachodzenie procesu tylko w miejscu guza, minimalizując
skutki uboczne.
39