Оптические свойства ткани

Оптические свойства ткани. Физический механизм действия лазерного излучения на живую ткань включает в себя непосредственное действие температурного фактора, возникновение ударной волны в облучённых тканях, изменение электрического поля в коже, вторично возникающие физико-химические изменения в коже. Световая и тепловая энергия лазерного излучения переходит в химическую, электрическую и другие её формы.

Путь механизма считается естественным. При попадании лазерного луча на ткань может наблюдаться 3 процесса отражение, поглощение и или пропускание. Только незначительный процент излучения отражается непосредственно от поверхности. Проникающие в ткань лучи частично поглощаются, частично рассеиваются и частично пропускаются.

Рис.1. Оптические свойства слоя материи. Падающий лучевой поток Фо разделяется на три части отражённая часть RФ, поглощённая часть АФ и пропущенная часть ТФ RФ АФ ТФ 1 4, стр. 66 . Рис. 2. Оптические свойства лазерного луча на коже 4, стр. 66 . В зависимости от длины волны падающего излучения отражается до 60 излучения. Рассеяние зависит от негомогенных структур ткани и определяется разными показателями преломления у разных ячеек и разницей между ячейками и окружающей их средой.

Волны с длинной волны л много большей, чем диаметр ячейки ? 10 мкм рассеивается ячеистыми структурами лишь в незначительной степени. Но т.к. электромагнитный спектр широко используемых лазеров простирается от ИК 1 мм - 0,78 мкм до УФ 0,38 - 0,1 мкм диапазона длин волн, то мы практически всегда имеем дело с рассеиванием. Для л 1 мкм на основе закона Бугера-Ламберта-Бера можно рассчитать глубину проникновения излучения д. Интенсивность I излучения, прошедшего через слой толщиной d определяется соотношением I Ioe-бd, где Iо - интенсивность при входе в вещество и б - коэффициент поглощения.

При применении монохроматического излучения длины волны л для б справедливо следующее отношение б 4рnk л, причём показатели преломления n и поглощения k являются постоянными для данной среды. Закон Бугера-Ламберта-Бера справедлив в том случае, когда поглощение намного превышает рассеяние. Глубина проникновения излучения д характеризует ту глубину, на которой излучение при проникновении в вещество уменьшается в е ? 2,71 раз и вычисляется по формуле д 1 б. Наилучшим образом соотношение поглощения и рассеивания описано в теории Кубелки-Мунка. Уравнение, описывающие распространение излучения в средах с учётом поглощения и рассеивания имеет вид dq r, z dz -г Lc r, z , где q - плотность мощности излучения Вт см2 коллимированного лазерного луча в месте r вектор места в направлении z, г - коэффициент ослабления сумма коэффициентов рассеяния см -1 и поглощения см -1 , Lc - падающая часть коллимированного лазерного луча. Табл. 1. Взаимодействие некоторых лазеров с биологической тканью считать воду эрзацем кожи 4, стр. 68 л, нм тип лазера б, см -1 среднее проникновение, см вода кровь вода кровь 10 600 СО2 1000 1000 0,001 0,001 1 064 ИАГ Nd 0,1 4 10 0.2 488 514 аргоновый 0,001 330 1000 0,003 Рассеяние на биологической ткани зависит от длины волны лазерного излучения.

Излучение эксимерного лазера УФ диапазона 193, 248, 308 и 351 мкм, а также ИК излучение 2,9 мкм ИАГ Er-лазера и 10,6 мкм СО2-лазера имеют глубину проникновения от 1 до 20 мкм. Здесь рассеяние играет подчинённую роль. Для света с л 450 - 590 нм, что соответствует линиям аргона, глубина проникновения составляет в среднем 0,5 - 2,5 мм. Как поглощение, так и рассеяние играет здесь значительную роль. Лазерный луч этой длины волны хоть и остаётся в ткани коллимированным в её центре, но он окружён зоной с высоким рассеянием.

От 15 до 40 падающего пучка света рассеивается.

В области спектра между 590 и 1500 нм доминирует рассеяние.

Глубина проникновения составляет от 2 до 8 мм. Качество коллимированности излучения утрачивается - формируется конус диффузного рассеяния 4, стр. 65 - 69 . В то время как в УФ диапазоне поглощение зависит от содержания белка, в ИК диапазоне существенное значение имеет содержание воды, главной составляющей всех тканей. Кроме того, гемопротеины, пигменты и другие макромолекулы, такие как нуклеиновые кислоты поглощают лазерное излучение с различной интенсивностью в зависимости от длины волны.

Поглощение зависит полностью от того как свет данного лазера взаимодействует с хромофорами светопоглощающими веществами, находящимися в коже. Ими являются вода, меланин, гемоглобин и оксигемоглобин, бетта-каротин и коллаген. Главнейшими факторами являются меланин и оксигемоглобин 9 . Меланин, важнейший эпидермальный хромофор, поглощает во всей видимой области спектра до УФ области. В диапазоне от 600 до 1200 нм излучение глубже проникает в ткань, с минимальными потерями на рассеяние и поглощение.

Такие лазеры, как аргоновый лазер, лазеры на красителях, ИАГ Nd-лазер с удвоением частоты, ИАГ Nd-лазер, действуют преимущественно на гемоглобин, меланин и другие органические вещества, что является причиной коагуляционного эффекта 4, стр. 69 . Бетта-каротин и коллаген не влияют на выбор лазера для лечения кожи 9 . Количественными характеристиками процесса ослабления излучения являются пропускание Т и поглощение А, определяемые по формулам Т Ф Фо А lg Ф Фо lg 1 Т 4, стр. 69 . Термические свойства ткани Плотность энергии источника тепла q Вт м3 в облучаемом объёме ткани является функцией коэффициента поглощения б и общей плотности облучения L, которая состоит непосредственно из падающей части коллимированного лазерного луча Lc и из доли Ls, привходящей при рассеянии из окружающей ткани q r, t б Lc r, t Ls r, t , где r - радиус-вектор точки наблюдения, t - время.

Превращённая в тепло энергия света вызывает в облучённом объёме локальное повышение температуры. Если не происходит фазовых переходов преобразование твёрдых составных частей в жидкость или газ, испарение жидкостей, то Т увеличивается пропорционально плотности энергии.

Часть тепла отводится в зависимости от температурного градиента путём теплопроводности в более холодный окружающий участок. Из-за этого ограничивается максимальная достижимая температура облучённого участка при данной интенсивности излучения, т.е с определённой интенсивностью излучения связана определённая максимальная температура.

Напротив, для любой ткани существует специфический порог интенсивности, который необходимо перейти, чтобы достичь требуемой локальной температуры. Т.к. часть энергии из-за теплопроводности и других процессов транспортируется в соседние области, то нагревается не только облучённый объём, но и окружающие его участки. Также и локальным кровотоком in vivo тепло отводится от облучённой ткани. Рассмотрим процессы распределения энергии подробней 4, стр. 80 - 81 . Теплоёмкость Тепло переходит от более тёплых к более холодным участкам ткани.

Поток тепла dQ dt прямо пропорционален температурному градиенту, т.е. в одномерном случае в идеальном однородном образце ткани длинны ? и поперечного сечения S тепловая энергия dQ за время dt переходит с места с высокой температурой Т1 к месту с более низкой температурой Т2 в соответствии со следующей формулой dQ dt c S Т1 - Т2 Коэффициент пропорциональности с называется теплопроводностью Вт м К . Табл. 2. Теплопроводность различных материалов в Вт м К при нормальных условиях 4, стр. 81 материал теплопроводность с воздух 0,02 этанол 0,16 жировая ткань ? 0,3 ткань водосодержащая ? 0,5 вода 0,58 кровь 0,62 сталь 46,02 медь 418,00 Теплопроводность жидкостей и твёрдых тел практически не зависит от температуры.

Она возрастает, например, у воды от 0,62 Вт м К при 37о С только до 0,64 Вт м К при 57о С. Что касается биоткани, то значения составляют 0,3 - 0,5 Вт м К в зависимости от содержания воды. Справедлива приближенная формула c 0,06 0,57w с, где с - плотность ткани кг м3 , w - содержание воды в ткани кг м3 . При превращении световой энергии в тепловую энергию ускоряется хаотическое движение атомов и молекул броуновское движение. Передача энергии путём теплопроводности осуществляется в направлении более низкой температуры, причём более быстрые молекулы в более тёплой зоне передают кинетическую энергию посредством столкновений более медленным молекулам в более холодной зоне ткани.

При этом они сами замедляются до тех пор, пока наконец не устанавливается равновесие 4, стр. 81 - 82 . Накопление тепла Способность ткани принимать и накапливать тепло описывается через удельную теплоёмкость м кДж кг К . Эта величина численно равна количеству тепла Q, которое приводит к повышению температуры единицы массы тела на 1 К. Справедлива приближённая формула м 1,55 2,8w с. Табл. 3 Удельная теплоёмкость некоторых материалов в кДж кг К 4, стр. 83 материал удельная теплоёмкость м медь 0,385 сталь 0,477 воздух 1,005 жировая ткань 1,93 этанол 2,43 кровь 3,22 вода 4,183 При температурах, которые приводят к фазовым переходам плавление, испарение, тепловое движение усиливается так, что сил взаимного притяжения уже не достаёт для удержания атомов и молекул твёрдые тела утрачивают внутреннюю упорядоченность в пользу свободного движения частиц жидкости в газообразном агрегатном состоянии все частицы движутся с большой скоростью независимо друг от друга.

Поскольку вся тепловая энергия используется для преодоления межмолекулярных сил, температура рассматриваемого объёма по достижении температуры фазового перехода остаётся постоянной даже при непрерывном поступлении тепла, пока не закончится смена фаз. В качестве меры для количества тепла, проникшего в объём ткани за определённое время после мгновенного повышения температуры поверхности тела применяется коэффициент проникновения тепла b Вт с-1 2 К м2 , объединяющий теплопроводность и удельную теплоёмкость b c с м -1 2. Динамическая характеристика образца ткани ч также обобщённо выражается через отношение теплопроводности и удельной теплоёмкости на единицу объёма ч c с м. Определённая таким образом температуропроводность одинакова для большинства тканей около 1,2 10-7 м2 с, т.к. понижение теплопроводности из-за незначительного содержания воды, как правило, компенсируется сопровождающимся понижением удельной теплоёмкости. Общая пространственная и временная характеристика температурного распределения в облучённом объёме ткани задаётся общим уравнением теплопроводности dT dt q с м c T с м, где d2 dx d2 dy d2 dz - оператор Лапласа.

Первое слагаемое описывает температурное изменение в рассматриваемом объёме, связанные с поглощением излучения.

Второе слагаемое соответствует температурному изменению, связанному с оттоком тепла в окружающую среду. Аналитическое решение уравнения для конкретных случаев может быть очень сложным.

Для практического расчёта временной характеристики распространения локального нагревания как параметр подходит время термической релаксации ф ф d2 с м с d2 ч. Значение ф можно наглядно интерпретировать следующим образом отрезок ткани в виде кубика с длинной кромки d, который на dT теплее своего окружения, по истечении времени t снова охладиться до правда несколько повышенной температуры окружающей среды, т.е. перепад температур выровнялся в пользу нагревания всей ткани.

Если на поверхность ткани подаётся короткий импульс тепла, то проходит время ф, пока не наступит заметного нагревания на глубине d d ч ф 1 2 4, стр. 82 - 84 . Исходя из принципа термической релаксации производится определение количества времени необходимого для разрушения ткани мишени и сохранения окружающих тканей. В этом случае термическая релаксация определяется количеством времени необходимого для отвода из облучаемой ткани 50 пикового количества тепла.

Каждый микроскопический хромофор и каждый сосуд имеют своё специфическое время термической релаксации.

Необходимо учитывать это время, поскольку иначе тепло будет расходиться в окружающих тканях, приводя к их повреждению и, возможно, образованию рубца 7, стр. 402 .