Отвод тепла кровотоком и другие механизмы

Отвод тепла кровотоком и другие механизмы. Тепловая энергия облучённого участка отводиться не только путём теплопроводности, но и через сосудистую систему.

Исходить можно из того, что кровь поступает в облучённый объём с нормальной артериальной температурой и сразу же нагревается до локальной температуры в капиллярной области.

Кровь, текущая по венам, транспортирует тепловую энергию, накопленную соответственно удельной теплоёмкости составных частей крови. Можно ли в конкретном случае пренебречь влиянием сосудов на температурное распределение, проще всего рассчитать, образуя обратное значение произведения величины кровотока хВ и плотности с ткани. Полученное таким образом время перфузии tВ указывает, за какое время заменяется вся кровь в единице объёма ткани.

Влияние, которым нельзя пренебрегать наблюдается тогда, когда время облучения порядка tВ или больше. Табл. 4 Интенсивность кровотока в различных тканях и органах человека в мл мин г 4, стр. 85 ткани или органы человека интенсивность кровотока хВ жировая ткань 0,012 - 0,015 мышца руки 0,02 - 0,07 кожа 0,15 - 0,5 мозг 0,46 - 1 почка 3,4 щитовидная железа 4 Перенос тепла кровотоком может стать доминирующим фактором при установлении стационарного температурного распределения, особенно при непрерывном облучении.

Влияние кровотока на стационарное температурное распределение имеет значение только в том случае, если протяжённость облучённой области больше, чем глубина термического проникновения dth dth ч tВ 1 2. Если же напротив облучённая область явно меньше dth, то перенос тепла определяется только коэффициентом теплопроводности. Впрочем, тепло от облучаемого объема может быть отведено путём метаболических процессов, испарения воды с поверхности и конвекции. Эти процессы играют большую роль в первую очередь при непрерывном лазерном облучении, т.к. соответствующие характерные времена относительно невелики 4, стр. 84 - 85 . Биологическое действие лазерного излучения Лазерное излучение является для любого живого организма непривычным искусственным раздражителем, не встречающимся в обычных условиях.

Воздействие лазерного излучения на биологический материал или реакция живой ткани на это излучение обусловлено взаимодействием фотонов и молекул или соединений молекул ткани.

Под биологическим действием лазерного излучения понимают совокупность структурных, функциональных и биохимических изменений, возникающих в живом организме в результате облучения монохроматическими лучами. Вызываемые лазером атомарные и молекулярные процессы и последующие биологические реакции выяснены ещё не полностью. Распад одних крупных молекул и синтез других, окисление тех или иных продуктов обмена и восстановление тканевых веществ, изменение скорости и появление новых реакций, нарушение привычной цепочки биопроцессов, сдвиги в кислотно-щелочном равновесии тканей и органов и многое другое составляет сущность биологического действия лазерного излучения. Изменения в биологическом материале могут быть от едва заметных до глубокого некроза с нарушением структуры и целостности тканей и органов.

Результаты воздействия лазерного излучения на живой организм определяются как физическими отражательная и поглощательная способность, теплоёмкость, теплопроводность, теплота парообразования, микроскопическая структура, механическая плотность тканей, акустические и механические свойства и биологическими величина потенциала кожи, пигментация, степень васкуляризации - степень насыщенности ткани сосудами, толщина кератинового слоя эпидермиса, плотность облучаемого патологического очага свойствами отдельных тканей организма, так и техническими характеристиками лазерного излучения энергия в импульсе, режим работы, плотность мощности, длина волны, монохроматичность, когерентность, поляризация, время облучения. Имеет значение и состояние организма в момент облучения 8 . При низких плотностях мощности и продолжительном времени экспозиции в биологических тканях доминируют фотохимические процессы, более высокие плотности мощности и более короткое время экспозиции - термические процессы, воздействие плотностей мощности больше 10 Вт см2 с ультракоротким временем экспозиции облучения наносекунды и короче - нелинейные эффекты 4, стр. 106 . Следует учитывать, что свойства тканей изменяются во время лазерного облучения и нагревания ткани.

Рис. 3. Изменение оптических, термических и механических свойств тканей во время лазерного облучения 4, стр. 93 . Для вызывания того или иного биологического эффекта учитывается сперва интенсивность излучения или плотность мощности q Вт см2 , которая определяет способность коагулировать, испарять или рассекать ткани и вычисляется по формуле q P S, где Р - плотность мощности Вт, q - сечение лазерного луча см2 . Доза излучения энергетическая или лучистая экспозиция, которая порой называется как полная удельная доза J Дж см2 , выражает количество энергии, полученное единичной площадью в течении одного импульса.

Она вычисляется по следующей формуле J P T S, где Т - время экспозиции сек. Средняя энергетическая экспозиция Е Дж см2 отражает общее количество энергии, полученное всем участком кожи за всё время лечения.

Её вычисление производится по формуле Е Р N ф S, где N - число импульсов, ф - длительность импульса сек 9 . Цепь химических и биохимических процессов, возникающих в биологическом объекте под влиянием лазерного излучения, начинается с поглощения абсорбции световой энергии.

Одновременно с абсорбцией света происходит ряд других физических процессов - отражение энергии излучения от поверхности между двумя средами клетками, тканями, преломление излучения при прохождении границы раздела между двумя оптически разнородными средами, рассеивание излучения частицами ткани, люминесценция, поляризационные эффекты, в результате которых изменяется направленность электрического и магнитного полей и т.д. Значение каждого из этих процессов во взаимодействии лазерного луча с биологическими материалами весьма значительно и может меняться в зависимости от условий, но главным, определяющим процессом является всё же поглощение лазерного излучения.

Действительно, в соответствии с общими принципами фотобиологии эффект действия света, в том числе лазерного излучения, должен проявиться только при наличии в клетках соответствующих молекул, способных поглотить свет с используемыми длинами волн. Вследствие того, что биологическое действие лазерного излучения начинается только с поглощением кванта света, важнейшей характеристикой биологической системы является её спектр поглощения, обобщающий спектры поглощения молекул различных веществ входящих в эту систему.

Вследствие такой избирательности в поглощении света, действие лазерного излучения на ту или иную биологическую систему также избирательно направленно. Можно и искусственно добиться направленного действия излучения на выбранные биологические структуры, повысив их чувствительность к лучу лазера.

Это достигается с помощью красителей-сенсибилизаторов, которые селективно окрашивают различные внутриклеточные образования и даже молекулы и вместе с тем не являются токсичными для жизни клетки.

Наиболее часто используются следующие красители янус зелёный, крезил голубой, толуидин голубой, метиленовый голубой, акридин оранжевый, хинокрин гидрохлорид.

Особый интерес представляют два последних красителя, способных избирательно окрашивать соответственно ДНК и ядрышки. Такое окрашивание резко повышает избирательность действия на биологические структуры лазерного излучения, интенсивно поглощаемого этим красителем. Механизм сенсибилизирующего красителя объясняется возбуждением его молекул на срок от 10-8 до 10-9 сек в результате облучения. После этого молекулы красителя, отдавая поглощённую энергию излучения соседним молекулам, переводят их в реакционно способную форму 8 . Отдельно стоит упомянуть о разрушении при помощи лазера окрашенных злокачественных тканей или микроорганизмов.

О течении такого селективного процесса общепринятым является мнение, что в результате воздействия света краситель переходит в возбуждённое состояние. В присутствии кислорода в межклеточном пространстве, возбуждённый краситель передаёт свою энергию дикислороду, производя тем атомарный кислород.

Этот процесс приводит к быстрому и полностью необратимому разрушению субклеточных компонент, что нарушает клеточный метаболизм и приводит к гибели клетки. В настоящее время чаще всего используется фотосенсобилизатор производная гематопофурина HpD , который при активации превращается в эфир дегематопофурина DНЕ 9 . Наиболее важными механизмами биологического действия лазерного излучения на живую ткань являются специфические фотохимические и биохимические реакции, тепловой и ударный эффекты.

Высокая монохроматичность излучения лазера открывает возможность направленного его действия с помощью соответствующим образом подобранной л излучения на определённые, заранее выбранные биохимические реакции. На практике для целей направленного воздействия используются маломощные лазеры. Дело в том, что при повышении мощности лазерного излучения, вследствие изменения его спектрального состава при прохождении через живую ткань происходит настолько большое количество различных биохимических реакций, одновременно начавшихся и идущих параллельно, что, во-первых, создаёт большие трудности при изучении всех этих реакций по отдельности, и, во-вторых, эффекты от них часто совершенно противоположны в зависимости от мощности излучения.

Например, облучая экспериментальные опухоли излучениями различной мощности может вызвать как замедление, так и ускорение опухолевого роста. При больших мощностях лазерного излучения начинают проявляться так называемые нелинейные оптические эффекты фотоабляция, оптический пробой, плазма, которые могут усилить биологическое действие на биологическую ткань 8 . Основными факторами механизма терапевтического действия лазерного излучения являются 1 физический - он включает в себя непосредственное действие температурного фактора, за счет чего происходит коагуляция патологических очагов вторично возникающие физико-химические изменения в коже повышение температуры, активация химических процессов метаболизма 2 гуморальный - этот фактор заключается в неспецифическом действии лазерного излучения на активность ферментов как в очаге облучения кожи, так и в сыворотке крови, а также на повышение активности белкового обмена в сыворотке крови после облучения наблюдается изменение в показателях гемограммы увеличение белка, снижение холестерина, СОЭ, эозинофилов и процессов репаративной регенерации кожи 3 нейрорефлекторный - этот фактор проявляется в анальгезирующем и противозудном эффекте, изменении биоэлектрической активности коры головного мозга, изменении тонуса сосудов кожи и головного мозга, а также реакции внутренних органов изменение функционального состояния печени при облучении кожи. Кроме того, при облучении открытых поверхностей язвы, раны наблюдается непосредственное влияние лазерных лучей на нервные окончания, а также раздражение их продуктами обмена в облучённом участке.

Лазерные лучи также обладают противовоспалительным и противоалергенным действием. Это проявляется в увеличении количества бляшкообразующих клеток и трипановообразующих лимфоцитов, уменьшении межклеточного отёка, нормализации транскаппилярного обмена, что в целом значительно ослабляет воспалительную реакцию кожи 5 . При нагревании наиболее чувствительные к температуре компоненты клеток - ферменты - разрушаются первыми.

В результате биохимические реакции, протекающие в клетках, полностью затормаживаются, и клетка гибнет.

Поражение тканей вследствие облучения мощным лазером обычно сходно с тепловым ожогом, возникающим под влиянием токов высокой частоты диатермокоагуляция. Имеются и отличия строгая ограниченность участка повышения температуры при воздействии лазерного излучения и, как следствие, локализованность действия пузыри, возникающие в результате лазерного излучения, расположены в поверхностных тканях, в то время как пузыри, появляющиеся при тепловых ожогах, находятся гораздо глубже при лазерном ожоге имеет место избирательное повреждение пигментных структур и волосяных влагалищ, есть резко выраженные границы некротического процесса от окружающих неповреждённых тканей в отличии от общего выгорания и размытых границ ожога теплового температура снижается после окончания лазерного воздействия медленнее, чем после теплового после лазерного облучения наблюдается и более высокий темп регенерации.

При не слишком больших мощностях лазерного излучения тепловой эффект тоже носит избирательный характер 8 . Табл. 5. Эффекты на биоткани при температурном воздействии 4, стр. 92 температура о С эффект на биоткани 37 не имеется необратимых повреждений 40 - 45 активация ферментов, образование отёков, изменение мембран и, в зависимости от времени, смерть клеток 60 денатурация протеина, начало коагуляции и некрозы 80 денатурация коллагена, дефекты мембраны 100 обезвоживание 150 обугливание 300 выпаривание, газообразование Рис. 4. Влияние температуры и времени на необратимое изменение ткани 4, стр. 93 . Ударный эффект характеризуется повышением давления в биологических тканях, подвергнутых облучению.

Это повышение давления затем распространяется в тканях в виде упругих волн. Возникающие при этом интенсивные колебания могут явиться причиной деформации и повреждения облучённых тканей.

Повреждения, вызываемые упругой волной, могут быть удалены на значительное расстояние от точки непосредственного облучения.

Возможно несколько механизмов возникновения ударного эффекта под влиянием излучения лазера испарение и извержение частиц ткани с облучаемой поверхности приводит к возникновению давления отдачи тепловое объёмное расширение вследствие очень быстрого повышения температуры эффект электрострикции - деформация растяжение в электрическом поле волны оптическое давление света в результате передачи импульса лазерного излучения облучаемой ткани в случае мощного источника.

Причиной повреждения биотканей могут явиться и ультразвуковые волны частотой 2 104 - 1013 Гц, образующиеся в результате дополнительных колебаний молекул вещества под действием лазерного излучения.

Распространяясь в ткани, они могут вызвать возникновение в ней кавитации, представляющей собой процесс образования в толще внутриклеточной жидкости микроскопических полостей.

Результирующее спадение захлопывание этих полостей может привести к очень значительному повышению давления и повреждению вследствие этого прилежащих структур. Возникновение упругих волн и областей повышенного давления в замкнутом пространстве у животных и человека это глаза, череп, грудная клетка, мочевой пузырь и т.п. способно приводить к более глубоким повреждениям, чем в случае развития этих явлений в структурах без жёстких границ.

Тепловое объёмное расширение тканей внутри замкнутого пространства, особенно с образованием пара, не имеющего выхода, может приводить к кратковременному, но чрезвычайно высокому увеличению давления. Повторные облучения лазерным излучением приводят в ряде случаев к сенсибилизации кожи - повышению чувствительности к внешним факторам температурным, радиационным и т.д Иногда лазерное излучение, воздействуя на кожные покровы, вызывает общую ответную реакцию в организме в виде изменений со стороны органов дыхания, пищеварения, сердечно-сосудистой и эндокринной систем 8 .