Fale elektromagnetyczne

Fale elektromagnetyczne,
zasada działania lasera,
wykorzystanie lasera w medycynie
Warszawa, 19 listopada 2007
Ruch falowy
• Ruch falowy jest bardzo
rozpowszechniony w przyrodzie: fale
mechaniczne, fale głosowe, fale
elektromagnetyczne
• Fale mechaniczne to inaczej fale
sprężyste bo rozchodzą się one w
ośrodkach sprężystych
Ruch falowy w ośrodkach
sprężystych
• Ruch falowy jest związany z dwoma
procesami: z transportem energii przez
ośrodek od cząstki do cząstki i z ruchem
drgającym poszczególnych cząstek
dookoła ich położenia równowagi. Nie jest
natomiast związany z ruchem materii jako
całości.
Równanie fali liniowej harmonicznej
 t x
y  A0 sin 2   
T  
y – wychylenie od położenia równowagi [m]
A0 – amplituda wychyleń z położenia równowagi [m]
t – czas [s]
T – okres [s]
x – odległość od źródła fali [m]
λ – długość fali [m]
f – częstotliwość [Hz]
ω – częstość kątowa [rad/s]
v – prędkość rozchodzenia się fali [m/s]
1 
f  
T 2
1
  vT  v
f
Fale elektromagnetyczne
• Powstanie fali elektromagnetycznej wymaga
istnienia zmiennego ruchu ładunków
(zmiennego prądu), lecz fala, która już powstała,
samej sobie zawdzięcza zdolność rozchodzenia
się w przestrzeni – w przypadku braku absorpcji
– na nieskończone odległości i w
nieograniczonym czasie.
• Na przykład fale świetlne docierają do nas od
gwiazd odległych o miliony lat świetlnych po
milionach lat świetlnych od chwili ich wysłania.
Fala elektromagnetyczna
• Fala elektromagnetyczna to
rozchodzące się w przestrzeni
zaburzenia w postaci zmiennych pól
elektrycznego i magnetycznego.
Fala elektromagnetyczna
• Z równań Maxwella wynika, że zarówno pole
elektryczne jak również i pole magnetyczne, czyli
fala elektromagnetyczna, rozchodzą się w próżni z
prędkością c równą:
c
1
 0 0
ε0 – przenikalność elektryczna próżni
µ0 - przenikalność magnetyczna próżni
Prędkość rozchodzenia się fali
elektromagnetycznej
• c = 2,9979·108 m/s ≈ 3·108 m/s
• Prędkość rozchodzenia się fali
elektromagnetycznej w próżni jest stała,
niezależna od częstotliwości i równa prędkości
rozchodzenia się światła w próżni.
• Światło jest jednym z rodzajów
promieniowania elektromagnetycznego.
Fale radiowe
Mikrofale
Promieniowanie widzialne
Fale radiowe ultrakrótkie
Fale radiowe krótkie
Fale radiowe średnie
Fale radiowe długie
Fale o częstotliwościach akustycznych
Widmo fal elektromagnetycznych
Podczerwień
Nad- Promienie Promienie γ
fiolet Röntgena
Widmo fal elektromagnetycznych
fale radiowe
• Fale radiowe długie – długość fali kilka
kilometrów, częstotliwość około 150 kHz
• Fale radiowe średnie – długość fali setki
metrów
• Fale radiowe krótkie – długość fali
dziesiątki metrów
• Fale ultrakrótkie – długość fali metry
decymetry
Widmo fal elektromagnetycznych
mikrofale
• Najkrótsze mikrofale nakładają się na
najdłuższe fale z zakresu podczerwieni to
znaczy z zakresu promieniowania
świetlnego rozciągającego się aż do
długofalowej granicy promieniowania
widzialnego.
Zakres promieniowania
widzialnego
• λ 380 – 780 nm
• Zakres promieniowania
widzialnego jest bardzo wąski,
ale bardzo istotny dla człowieka
Promieniowanie jonizujące
• Promieniowaniem niejonizującym nazywamy
promieniowanie elektromagnetyczne z zakresu
optycznej części widma tego promieniowania czyli
promieniowanie ultrafioletowe, światło i
promieniowanie podczerwone. Promieniowaniem
niejonizującym zajmuje się optyka.
• Promieniowanie jonizujące to każde
promieniowanie zdolne do jonizowania atomów i
cząsteczek substancji na które oddziałuje.
• Promieniowanie bezpośrednio jonizujące to
strumienie naładowanych cząsteczek.
• Promieniowanie pośrednio jonizujące to rtg i
promienie γ.
Skutki promieniowania jonizującego
• Oparzenia, wypadanie włosów, zaćma,
uszkodzenie układów krwiotwórczego i
limfatycznego, astma, skrócenie czasu życia,
nowotwory, uszkodzenia genów.
• Skutki promieniowania zależą od:
pochłoniętej dawki, obszaru
napromieniowanego ciała, rozkładu dawki w
czasie, rodzaju promieniowania, koncentracji
tlenu, stanu biologicznego organizmu.
Promieniowanie rentgenowskie
• Promieniowanie rtg powstaje w procesie
hamowania wysokoenergetycznych
elektronów w lampie rentgenowskiej.
• Elektrony uzyskują duże energie
kinetyczne w silnym polu elektrycznym
między katodą i anodą.
• Oddziaływanie tych elektronów z anodą
powoduje powstanie promieniowania
rentgenowskiego.
Absorpcja promieniowania
• Natężenie I promieniowania rentgenowskiego
maleje wraz z głębokością wnikania w absorbent
I  I 0e
 d
• I0 – natężenie promieniowania padającego
• d – grubość absorbentu
• µ - współczynnik osłabienia
Promieniowanie rentgenowskie
• Efekty popromienne w tkankach zależą od
ilości energii pochłoniętej.
• Ze względów bezpieczeństwa ważne jest
określenie ilości energii zaabsorbowanej,
a nie rozproszonej.
• Energia pochłonięta przez tkanki jest
zależna od fotonów promieniowania.
• Kości pochłaniają promieniowanie rtg
znacznie bardziej niż tkanki miękkie.
Diagnostyka rentgenowska
• Różnice w pochłanianiu promieniowania przez
tkanki są podstawą obrazowania przy pomocy
promieniowania jonizującego.
• Promieniowanie rtg przechodzi przez badany
obiekt, w którym jest częściowo absorbowane.
Pozostałe promieniowanie pada na błonę
fotograficzną umieszczoną tuż za obiektem
prześwietlanym na której powstaje obraz.
• Miejsca na które padło promieniowanie o
mniejszym natężeniu są jaśniejsze. Odpowiada
to tkankom o większej absorpcji. Kości na
zdjęciach rtg są jaśniejsze od tkanek miękkich.
Zdjęcie rentgenowskie
Tomografia komputerowa
• Rentgenowska transmisyjna tomografia
komputerowa jest nieinwazyjną metoda
diagnostyczną, pozwalającą na obrazowanie
przestrzennego rozkładu narządów. Polega to
na wykonywaniu sekwencji zdjęć warstwowych
w płaszczyźnie prostopadłej do osi ciała. Cienki
poprzeczny przekrój ciała jest naświetlany pod
wieloma kątami wąską wiązką promieniowania
x. Przechodzące promieniowanie jest mierzone
przez licznik scyntylacyjny i następnie komputer
tworzy obraz prześwietlanej warstwy.
Tomografia komputerowa (CT)
Zdjęcia uzyskane techniką CT
WIELKOŚCI OPISUJĄCE
PROMIENIOWANIE
według http://samorzad.ftj.agh.edu.pl/energetyka/node/6
•
•
•
•
•
•
Aktywność
Dawka pochłonięta
Dawka równoważna
Dawka skuteczna (efektywna)
Dawka skuteczna obciążająca
Dawka skuteczna kolektywna
Aktywność
• Aktywność jest parametrem konkretnego źródła
promieniotwórczego. Opisuje ona ilość
rozpadów jakie zachodzą w danym materiale w
jednostce czasu. Jednostką aktywności
promieniotwórczej jest bekerel [Bq] (jednostka
układu SI). Starą jednostką jest kiur. 1Ci =
3,7*1010 Bq. Bekerel jest małą jednostką, która
mówi, że zachodzi jeden rozpad na sekundę.
Dlatego używa się jej wielokrotności jak giga
bekerel [GBq] czy terabekerel [TBq], gdzie giga
to 109; tera - 1012.
Dawka pochłonięta
• Dawka pochłonięta D mówi o średniej energii,
jaką traci przechodzące przez pochłaniający je
ośrodek promieniowanie, przypadająca na
jednostkę masy. Ośrodkami pochłaniającymi
może być na przykład ludzkie ciało, ściana,
podłoga, woda. Ilość pochłoniętej energii zależy
od rodzaju ośrodka. Jednostką dawki
pochłoniętej jest grej [Gy], który wyraża się jako
dżul na kilogram J/kg, gdzie dżul jest jednostką
energii. Dawniej używało się jednostki rad [rd],
gdzie 1rd = 1cGy, centy c=10-2.
Równoważnik dawki
• Równoważnik dawki H jest to dawka pochłonięta w
tkance lub narządzie, która jednocześnie uwzględnia
rodzaj i energię promieniowania jonizującego. Określa
się ją wzorem:
• HT=wRD
• gdzie:
• D - dawka pochłonięta uśredniona w tkance lub
narządzie
• wR - współczynnik wagowy promieniowania,
charakterystyczny dla danego rodzaju promieniowania
• Jednostką dawki równoważnej jest Sievert [Sv]. Warto tu
zaznaczyć, że siwert jest jednostką wszystkich dawek
określających narażenie żywego organizmu. Widzimy że
współczynnik wR powoduje, że przy tej samej dawce
pochłoniętej dawki równoważne różnią się między sobą
w zależności od wartości, którą przyjmuje dla
rozpatrywanego promieniowania.
Dawka skuteczna
• Dawka skuteczna (efektywna) E jest to suma dawek
równoważnych pochodzących od zewnętrznego i
wewnętrznego narażenia uwzględniająca współczynniki
wagowe tkanek i narządów, obrazująca narażenie
całego ciała.
• E=w_{T1}H_{1}
• gdzie:
• wT1 - współczynnik wagowy narządu lub tkanki.
• Widzimy stąd, że dawka skuteczna pokazuje, że różne
tkanki posiadają różną promieniowrażliwość. Najbardziej
promieniowrażliwe są: szpik kostny czerwony oraz
gonady, najmniej np. skóra.
Dawka skuteczna obciążająca
• Dawka skuteczna obciążająca
definiowana jest przy napromienieniu
wewnętrznym, które spowodowane
zostało wchłonięciem długożyciowego
radionuklidu drogą pokarmową lub
oddechową. Określa się ją dla
zanikającego dla danego terenu skażenia
lub spożywanej skażonej żywności.
Jednostką jest tak jak poprzednio Siwert
[Sv].
Dawka skuteczna
• Dawka skuteczna kolektywna pokazuje
zagrożenie całej populacji, która poddana
została działaniu promieniowania.
Powstaje przy przemnożeniu liczby
członków grupy napromienionej przez
średnią dawkę efektywną, jaką ta grupa
otrzymała. Następnie sumuje się
wszystkie grupy napromienionej populacji.
Jednostką jest więc osobosiwert [osSv].
Skutki działania promieniowania jonizującego
• Promieniowanie oddziałując z ludzkim ciałem powoduje wzbudzenia
atomów i molekuł. Wzbudzone atomy i biologicznie czynne molekuły
mogą zmieniać swoje właściwości, a często stracić specyficzną
biologiczną czynność. Zmiany takie powodują zaburzenie funkcji
życiowych komórki a co często następuje również zaburzyć pracę całego
organizmu. Niebezpieczne są zmiany zachodzące w obrębie DNA
człowieka, które poprzez utratę funkcji niektórych genów mogą prowadzić
do zmian nowotworowych. Zmiany te w trakcie życia mogą występować
tylko u jednego osobnika, jeśli zmieniona została komórka organizmu nie
będąca komórką płciową lub dziedziczna, jeśli zmiana jest w obrębie
komórek płciowych. Jeżeli opisujemy skutki promieniowania w obrębie
komórki, których wystąpienie wiąże się z pewnym rozkładem
prawdopodobieństwa, tj. funkcji mówiącej jak bardzo możliwe jest
wystąpienie danego skutku, to są to skutki stochastyczne. Zakłada się tu,
że skutki te nie mają progu występowania, a wzrastają proporcjonalnie do
otrzymanej dawki. Gdy zniszczeniu ulegnie zbyt duża liczba komórek w
narządzie, to może on zostać pozbawiony swojej funkcji na stałe lub gdy
nie utraci zdolności do reprodukcji tylko przejściowo. Jeżeli wystąpią
nieodwracalne zmiany w ważnych narządach to może to doprowadzić do
śmierci osobnika. Efekty takie zazwyczaj posiadają pewien próg dawki po
którym występują i nazywany je deterministycznymi.
Skutki stochastyczne
• Nowotwory złośliwe: białaczki ( po około 4
latach od napromienia), rak płuc,
nowotwory kości, nowotwory skóry, raki
tarczycy,
• Skutki genetyczne: mutacje genowe,
aberracje chromosomowe.
Skutki deterministyczne
• Choroba popromienna (umownie przy dawkach powyżej 1 Gy) w
postaci:
– homepoetycznej wynika z zaburzenia pracy szpiku kostnego,
spadek ilości limfocytów oraz granulocytów. Obserwuje się
spadek krzepliwość krwi oraz odporności organizmu
– Jelitowa zniszczenie komórek macierzystych jelita, owrzodzenia,
perforacje jelita, krwawienie, zaburzenia wchłaniania (ok. 10 Gy)
ciężki stan.
– Mózgowa: powyżej 10 Gy uszkodzenie Centralnego Układu
Nerwowego, zaburzenia neurologiczne, śpiączka, ostatecznie
śmierć po kilku dniach.
– Molekularna: 500Gy natychmiastowa śmierć, uszkodzeniu
ulegają enzymy lub następuje uszkodzenie funkcji elektrycznych
serca przez indukcję ładunków.
• katarakta: chroniczne narażenie lub dawka jednorazowa.
• bezpłodność: dawka 2-3 Gy podana na gonady.
• zmiany skórne. źródła promieniowania jonizującego
DAWKI NAPROMIENIOWANIA
Laser
• Light Amplification by Stimulated Emission of
Radiation (wzmocnienie światła za pomocą
wymuszonej emisji promieniowania) – urządzenie
elektroniki kwantowej generujące spójną wiązkę
światła (spójna (koherentna) wiązka to wiązka fal
o tej samej częstotliwości (długości fali), w
przypadku światła widzialnego – o tej samej
barwie i stałej w czasie różnicy faz). Laser to
generator fal elektromagnetycznych z zakresu
ultrafioletu i podczerwieni.
• Zakres fal generowanych przez lasery zawierają
się w przedziale 0,2 do 10 µm.
Zasada działania lasera
Principal components:
1. Active laser medium
2. Laser pumping energy
3. Mirror (100%)
4. Mirror (99%)
5. Laser beam
Wymuszona emisja promieniowania
• W warunkach równowagi termodynamicznej występuje
emisja spontaniczna – promieniowanie niespójne o różnych
fazach. Największa liczba atomów znajduje się w stanie
podstawowym o energii E1, mniejsza w stanie wzbudzonym
E2>E1. Atomy te spontanicznie pozbywają się nadmiaru
energii równego E2 – E1. W ośrodkach aktywnych laserów ma
także miejsce emisja wymuszona. Jeżeli na atom w stanie E2
zostanie wyemitowany kwant o energii E2 – E1 to wyzwala on
z tego atomu taki sam kwant promieniowania spójnego,
poruszający się w identycznym kierunku.
Prawdopodobieństwo zajścia rozważanego zjawiska można
zwiększyć, wytwarzając w ośrodkach aktywnych laserów
inwersję obsadzeń. Jest to przewaga liczebna atomów, jonów
lub cząsteczek w wyższym stanie, uzyskana kosztem energii
dostarczonej do układu w procesie zwanym pompowaniem.
Właściwości promieniowania
laserowego
•
•
•
•
Światło spójne
Światło monochromatyczne
Znikoma rozbieżność kątowa
Duże powierzchniowe gęstości mocy promieniowania
(odparowanie tkanki, nie termiczne rozerwanie wiązań
chemicznych powstanie lotnych fragmentów (fotoablacja))
• Głębokość wnikania promieniowania laserowego do wnętrza
tkanek i skutki jego działania w określonym czasie zależą od
długości fali, gęstości mocy oraz rodzaju tkanki
Oddziaływanie promieniowania
laserowego na tkanki
• Promieniowanie laserowe: odbija się od
tkanek, rozprasza się, przenika (transmisja)
i ulega absorpcji.
• Przenikanie i absorpcja mają znaczenie
terapeutyczne.
• Transmisja i absorpcja wywołują w tkankach
efekty fotochemiczne, fototermiczne, oraz
fotojonizacyjne.
Efekty fotochemiczne
• Wzrost szybkości wymiany elektrolitów
między komórką a otoczeniem
• Działanie antymutagenne
• Przyspieszenie mitozy
• Zmiany struktur błon biologicznych
• Wzrost aktywności enzymów
• Zwiększenie syntesy ATP i DNA
Efekty biostymulacyjne
•
•
•
•
Poprawa mikrokrążenia krwi
Poprawienie angiogenezy
Działanie immunomodulacyjne
Wzrost amplitudy potencjałów
czynnościowych włókien nerwowych
• Zwiększenie stężenia hormonów kinin i
autokoidów
• Działanie hipokoagulacyjne
Zastosowanie laserów
• Metrologia – bardzo dokładne pomiary
przemieszczeń i prędkości na małych
dystansach, pomiary odległości na dużych
dystansach dalmierze, niwelatory,
pelengatory, dalmierze bombowe i
celowniki.
• Informatyka – nośniki pamięci.
• Obróbka metali – cięcie, spawanie,
obróbka powierzchniowa.
• Medycyna – chirurgia miękka, twarda, oka.
• Rehabilitacja.
Zastosowania laserów w medycynie i
stomatologii
• Wiązka promieniowania laserowego pełni rolę narzędzia
tnącego i koagulującego: przenikanie do chorych
obszarów bez uszkodzeń warstw zewnętrznych, cięcie
tkanek bez kontaktu z ich powierzchnią, skrócenie czasu
zabiegu, ograniczenie krwawienia, możliwość
operowania zainfekowanych tkanek, lepsze gojenie bo
gładkie powierzchnie cięć, zmniejszenie liczby zakażeń,
doskonalsze techniki endoskopowe
• W onkologii, dermatologii, ginekologii, chirurgia dużych
naczyń, usuwanie zatorów miażdżycowych, rozbijanie
kamieni w drogach moczowych
• Diagnostyka endoskopowa
• W stomatologii do znieczulania, leczenia błony śluzowej,
zatrzymywanie krwawienia, leczenie ubytków
próchniczych, stymulacja gojenia po ekstrakcji zębów
Obliczenie aplikowanej energii
promieniowania laserowego
P
timp
Pszcz
tzab
t
Biostymulacyjne działanie promieniowania zależy od ilości energii pochłoniętej przez
tkanki. Bezpośredni pomiar energii pochłoniętej jest niemożliwy. Oblicza się wartość
energii wyemitowanej. Na przykład: laser generuje impulsy prostokątne o amplitudzie
Pszcz z częstotliwością f i czasem trwania impulsu timp, czas zabiegu wynosi tzab.
Oblicz wartość energii wyemitowanej E dla Pszcz=30 W,
timp=200 ns, f = 1kHz
E = Pszcz· timp· f· tzab=30W·200·109s·103Hz·600s=3,6J