Дипломная (вкр): Медицинское действие поляризованного света на клетку

Рисунок 9 -Двойное лучепреломление (модель)

Поляризованный свет можно получить из естественного с помощью поляризаторов - анизотропных кристаллов, пропускающих свет только в одном направлении (исландский шпат, кварц, турмалин).Поляризатор, анализирующий в какой плоскости поляризован свет, называется анализатором (рисунок 10).

(1)

Закон Малюса: интенсивность света, прошедшего через анализатор, прямо пропорциональна произведению интенсивности падающего плоско поляризованного света на квадрат косинуса угла  между главными плоскостями поляризатора и анализатора [1].

Рисунок 10 -Поляризатор и анализатор

.3 Развитие терапии поляризованным некогерентным светом

Использование светотерапии в медицине имеет длинную историю. Первым источником света, который применялся в фотомедицине, был естественный солнечный свет. Его использовали в лечебных целях ещё в Древнем Египте. В 1893 году датский врач Нильс РибергФинсен создал один из первых приборов, излучающий технически синтезированный "солнечный свет". В конце XIX века он открыл в Копенгагене Институт светолечения, где исцелялись различные заболевания. Нильс Риберг Финсен открыл эффект разрушения микроорганизмов ультрафиолетовым излучением и научно обосновал метод его лечебного применения. Его работы получили признание ученого мира того времени, и в 1903 году он третьим из числа врачей и физиологов был удостоен Нобелевской премии в области Медицины. Доктор Финсен считается основоположником светотерапии (рисунок 11).

Рисунок 11 - Нильс Риберг Финсен

За научными успехами Н.Финзена пристально следили российские ученые. Первая экспериментальная работа по светолечению в России была выполнена доктором МХА А.В.Кондратьевым в 1880 г. («О влиянии различного освещения на течение искусственного гнилостного раздражения у животных»). Автор установил неодинаковое влияние на микроорганизмы различных видов оптического излучения [4].

В начальный период развития фотомедицины в современной светотерапии главным образом использовалась инфракрасная и ультрафиолетовая части спектра. В начале 1980-х годов исследовательская группа учёных создала источник света, который первоначально был основан на низкоэнергетической лазерной терапии, но при этом работал почти во всём диапазоне излучения в видимой области спектра и частично в диапазоне инфракрасного излучения. В 1981 году впервые венгерскими учеными, занимавшимися лазером, было установлено, что биологическая активность лазерного излучения обусловлена прежде всего поляризацией. На основании полученных данных был предложен и научно-обоснован новый вид светотерапии - поляризованный свет, представляющий полихроматическое некогерентное излучение низкой интенсивности. Для практического воплощения этого нового метода фототерапии в тех же годах в Швейцарии был создан аппарат "Биоптрон", генерирующий видимую и инфракрасную часть спектра солнечного света [5].

2. Действие поляризованного света на биоткань

2.1 Взаимодействие поляризованного света с биотканями

Биологические ткани являются оптически неоднородными поглощающими средами со средним показателем преломления большим, чем у воздуха, поэтому на границе раздела биообъект - воздух часть излучения отражается, а остальная часть проникает в биоткань. Хорошо известно, что основным источником рассеяния света в биотканях является различие в значениях показателей преломления различных компонент биотканей, т.е. между митохондриями, ядром, другими компонентами и цитоплазмой клеток, или внутритканевой жидкостью и структурными элементами соединительной (фиброзной) ткани (коллагеновыми и эластиновыми волокнами) [6].

С оптической точки зрения, биоткани (включая и биожидкости: кровь, лимфу и пр.) можно разделить на два больших класса:

сильно рассеивающие (оптически мутные), такие как кожа, мышцы, хрящ, мозг, стенка сосуда, кровь, склера;

слабо рассеивающие (прозрачные), такие как ткани переднего отрезка глаза (роговица, хрусталик).

Каждая ткань в силу своей биологической природы неоднородна, имеет сложную микроструктуру. Поэтому воздействие излучения на ткани для разных тканей и длин волн излучения различается количественно и качественно [7].

Действие поляризованного излучения на биологический материал обусловлено взаимодействием фотонов с молекулами и соединениями молекул ткани, последующими молекулярными процессами и биологическими реакциями. При попадании поляризованного света на поверхность биологической ткани могут наблюдаться следующие явления: поглощение, отражение, рассеяние и пропускание [8].

Характер воздействие поляризованного света на биоткань зависят:

от свойств излучения (длина волны , длительность облучения , частота повторения воздействия f);

от свойств биологической ткани.

При проникновении первичного электромагнитного излучения в биоткань его частота колебаний остается неизменной. Поэтому энергия кванта до момента взаимодействия с молекулами внутри биоткани по сравнению с энергией в свободном пространстве не изменяется. Однако, в связи с тем, что биоткань является оптически более плотной средой по сравнению со свободным пространством, скорость распространения в ней и длина волны внутри биоткани становится меньше, чем в свободном пространстве в несколько раз.

При падении электромагнитной волны от внешнего (первичного) излучателя на биоткань существует несколько видов взаимодействия излучения с биотканью: отражение от кожи, преломление, рассеяние, поглощение.

Рисунок 12 -Оптические эффекты, наблюдаемые в коже

Из них полезным лечебным фактором является лишь поглощение оптического излучения в биоткани (рисунок 12).

Отражением является процесс возвращения электромагнитного излучения поверхностью, на которую оно падает. Вообще, отражающая поверхность - это физическая граница двух сред с разными показателями преломления, например, таких как воздух и биоткань. Отражение от поверхности кожи является диффузным. Другими словами, если величина шероховатости отражающей поверхности сравнима или даже больше, чем длина волны излучения, имеет место диффузное отражение [9].Диффузное отражение является обычным явлением для всех тканей, поскольку ни одна из них не имеет сильно отполированной поверхности, как у оптических зеркал. Только в отдельных случаях, таких как увлажненные поверхности тканей, зеркальное отражение может быть больше, чем диффузное.

Коэффициент отражения равен отношению отраженной мощности к падающей. При этом отношение полезной мощности, проникающей в биоткань, к падающей на её поверхность , равно:

(2)

Для белой гладкой жирной и влажной молодой женской кожи значение достигает 0,55, а для сильнопигментированной (загорелой) сухой и морщинистой старческой кожи значение Kо - порядка 0,1. При этом потери мощности за счет отражения составляют 55% и 10% соответственно. Так, при = 0,5 отношение = 0,5. Отражение зависит от спектра излучения, а также от степени пигментации и морщинистости кожи, наличия жира и влаги, которые, в свою очередь, зависят от пола, возраста и цвета кожи (расы). В инфракрасном диапазоне кожа может отражать до 40% излучения, имеются некоторые различия, связанные с полом и возрастом больного, пигментацией его кожных покровов и др. Уменьшить отражение и тем самым повысить эффективность воздействия можно путем очистки зоны воздействия от жира и пота путем протирки спиртом или эфиром. Поэтому состояние кожных покровов желательно учитывать при назначении дозировки пациентам.

Преломление в биоткани происходит за счет изменения плотности среды при переходе луча из воздуха в оптически более плотную слоистую биоткань. Одним из эффектов является полное преломление небольшой части све-тового потока из-за изменения коэффициента преломления в разных слоях биоткани с выходом части мощности из биоткани обратно в верхнюю полусферу. Для обычных биотканей эта величина составляет единицы процентов и при определении дозировки ею можно полностью пренебречь. Преломление также происходит вследствие изменения скорости световой волны. Простое математическое отношение, описывающее преломление, известно как закон Снеллиуса:

,(3)

где  - угол падения;

 - угол преломления;

υ - скорость света в среде до отражающей поверхности;

υ′ - скорость света в среде поле отражающей поверхности;

Показатель преломления достаточно сильно зависит от длины волны излучения. Даже если бы эта зависимость была весьма слабой в видимом диапазоне, ее было бы необходимо учитывать для наилучшего предсказания результатов. Вообще, для многих типов тканей показатели преломления трудноизмеримы вследствие поглощения и рассеяния. Отражение от таких тканей должно быть получено опытным путем [9].

При проникновении электромагнитной волны в биоткань происходит рассеяние луча вследствие взаимодействия первичных фотонов внешнего излучателя с электронами молекул и последующее излучение вторичных фотонов возбужденными (переведенными на более высокие орбиты) электронами этих молекул. Это приводит к конусообразному расширению луча в биоткани, обеспечивая воздействие на больший объем биоткани и к уменьшению плотности потока излучения с увеличением глубины проникновения. Кроме того возбужденные молекулы крови и лимфы по сосудам разносятся по всему организму, значительно увеличивая объем воздействия. Если частота волны равна естественной частоте колебаний частиц, происходит резонанс, сопровождающийся значительным поглощением. Рассеяние имеет место на частотах, не совпадающих с естественными частотами частиц.

Результирующее колебание называется вынужденным колебанием. Рассеянные фотоны постепенно удаляются от оси пучка, но в среднем они сохраняют ее направление и формируют ореол вокруг конуса основного пучка. Размер этого ореола и доля энергии, которая в нем содержится, в значительной степени зависят от оптических свойств биоткани и от поперечного диаметра пучка света.

Различают упругое и неупругое рассеяние, в зависимости от того, изменяется ли начальная энергия фотона во время процесса рассеяния [8,9].

Основным эффектом поглощения является взаимодействие энергии фотонов света и электромагнитных волн с клетками на атомно-молекулярном уровне.

Вследствие поглощения интенсивность падающей электромагнитной волны ослабляется при прохождении через среду. Поглощательная способность среды определяется как отношение поглощенной и падающей интенсивностей. Поглощение является следствием частичного перехода световой энергии в тепловое движение или колебания молекул поглощающего вещества. Полностью прозрачная среда не поглощает свет, то есть полная световая энергия, вошедшая в такую среду и вышедшая из нее одинаковы. Среди биологических тканей почти прозрачными для видимого света можно считать роговицу и хрусталик глаза. Структуры же, в которых падающее излучение практически полностью ослабляется, называют непрозрачными. Селективное (избирательное) поглощение это преимущественное поглощение определенных длин волн относительно других.

,(4)

где -толщина слоя вещества, через которое проходит свет, м;

 - интенсивность на расстоянии ,Вт/м²;

- падающая интенсивность, Вт/м²

 - коэффициент поглощения среды.

В биологических тканях поглощение в основном вызвано молекулами воды или макромолекулами. Если рассматривать биоткани в целом, например, кожу, стенку аорты и роговицу, то среди них, наиболее сильно поглощающей будет являться кожа, тогда как роговица почти совершенно прозрачна в видимом диапазоне спектра [9].

2.2 Механизм действия света видимого и ближнего ИК диапазонов на биологические объекты

Взаимодействие света и живой материи начинается с акта поглощения фотонов и перехода молекул в возбужденное состояние. Видимый свет - это электромагнитное излучение с длиной волны от 400 до 700 нм. Способность химического соединения поглощать свет зависит от характера распределения электронов вокруг атомных ядер в его молекуле. При поглощении молекулой фотона один из ее электронов переходит на более высокий энергетический уровень. Происходит это по закону «все или ничего»: чтобы перевести электрон на более высокий энергетический уровень, фотон должен обладать определенным минимальным количеством энергии. Молекула, поглотившая фотон, находится в высокоэнергетическом возбужденном состоянии, которое, как правило, нестабильно. Если отключить источник света, то «высокоэнергетические» электроны обычно быстро вновь переходят на свои низкоэнергетические орбитали; при этом молекула возвращается в исходное стабильное, так называемое основное состояние, высвобождая энергию возбуждения (в форме света или тепла). Величина энергии квантов возрастает от инфракрасного к ультрафиолетовому излучению.

Таблица 1 - Энергия фотонов

Все процессы перераспределения энергии электронного возбуждения, разыгрывающиеся начиная с поглощения кванта, называют фотофизическими процессами [10].

Видимое излучение близко по биологическому действию к инфракрасному излучению, но в связи с более короткой длиной волны оно обладает большей энергией для возникновения фотохимических реакций и меньшим тепловым воздействием (рисунок 14). После воздействия ИК и красного света наступает расширение сосудов и ускорение кровотока, повышается активность процессов обмена, ферментативных реакций и фагоцитоза.