научная статья по теме БИОФИЗИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ЖИВЫЕ СИСТЕМЫ. I. ВЛИЯНИЕ НА ЛАБОРАТОРНЫХ ЖИВОТНЫХ Физика

Текст научной статьи на тему «БИОФИЗИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ЖИВЫЕ СИСТЕМЫ. I. ВЛИЯНИЕ НА ЛАБОРАТОРНЫХ ЖИВОТНЫХ»

ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2009, том 107, № 6, с. 972-978

ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ ^^^^^^^^

В БИОМЕДИЦИНСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

УДК 535.8+535.212

БИОФИЗИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

НА ЖИВЫЕ СИСТЕМЫ. I. ВЛИЯНИЕ НА ЛАБОРАТОРНЫХ ЖИВОТНЫХ © 2009 г. О. В. Ульянова***, С. С. Ульянов**, Пенчен Ли***, Чиньминь Луо***

*Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова, Саратов, Россия **Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского, Саратов, Россия ***Университет науки и высоких технологий, Хуажонг, КНР Поступила в редакцию 17.03.2009 г.

Показано, что с учетом тенденций развития новых лазерных видеотехнологий изучение действия лазерного света на человека и животных является важной и актуальной экологической проблемой. Представлены результаты исследований влияния когерентного (лазерного) и частично-когерентного излучений на организм белых крыс. Результаты, полученные на этой модели, могут быть экстраполированы на человека. Для биотестирования были использованы методы допплеровской диагностики высокого пространственного разрешения и анализа контраста лазерных спеклов. Установлено, что временная когерентность света не влияет на церебральный кровоток и не вызывает достоверных изменений в состоянии микроциркуляции крови кожных покровов. Также достоверно показано, что ни монохроматическое, ни квазимонохроматическое излучение лазеров не изменяет устойчивость живых систем. Продемонстрировано, что применение лазерных источников в новых видеотехнологиях не влияет на микроциркуляцию крови отдельных органов.

РАСЯ: 87.50.Hj

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы в литературе большое внимание уделяется анализу негативного влияния на живые системы излучения сотовых телефонов, акустических полей и электромагнитных волн, возникающих при генерации электроэнергии [1], влияния электромагнитных волн длинноволнового и коротковолнового диапазонов на растения [2], а также изучению влияния на живые системы таких антропогенных факторов, как электромагнитное и низкоинтенсивное неионизирующее излучения [3].

Вскоре после изобретения лазеров их излучение стало широко использоваться в биологии и медицине. Существует целое направление — фотодинамическая терапия, основанная на разрушении фотосенсибилизированных клеток, которая успешно применяется при лечении рака [4]. Одно из первых упоминаний об исследовании воздействия низкоинтенсивных лазеров на живые системы относится к концу 60-х годов XX века. При этом следует заметить, что использование света в терапии имеет давнюю предысторию. Например, воздействие света сине-зеленой области спектра дает положительные результаты при лечении билирубинемии у новорожденных. Фотохимическая терапия псориаза и других пролифе-ративных заболеваний также давно эффективно используется в клинической практике. Однако с появлением источников когерентного излучения

"Лазерная терапия" и "Лазерология" выделились из светотерапии в самостоятельные и быстрораз-вивающиеся области медицины.

Важно подчеркнуть, что существует ряд уникальных эффектов, сопровождающих процессы распространения лазерного излучения в биологических объектах. Свет лазера отличается от остального оптического излучения высокой степенью монохроматичности и пространственной когерентности. При этом если рассеяние лазерного излучения происходит на случайном объекте, то структура рассеянной волны приобретает пятнистый характер. Иными словами, внутри рассеивающей среды формируются спеклы [5]. Если рассеивающей средой является биологический объект, то говорят, что формируются лазерные биоспеклы [6]. В способности образовывать спекл-поля в биологических объектах состоит существенное отличие лазеров от всех остальных (некогерентных) источников оптического излу-1

чения . Если рассеяние лазерного излучения происходит на движущихся рассеивателях (например, бактериальных клетках, участвующих в броуновском движении), то очертания и форма спеклов непрерывно видоизменяются, а реализа-

1 Строго говоря, спеклы могут формироваться и при дифракции некогерентного света в случайных средах. Более подробно этот вопрос рассмотрен во второй части данной статьи.

ции спекл-поля постоянно сменяют одна другую; при этом интенсивность рассеянного поля флуктуирует во времени в любой точке пространства. Это называется динамикой биоспеклов.

Важно отметить, чем выше уровень рассеяния в среде, тем мельче становятся спеклы внутри биологического образца (т.е. тем меньше становится степень пространственной когерентности излучения). При этом спекл-структура формируется в биотканях даже в случае их облучения низкокогерентным светом. В классических работах, посвященных изучению биофизических механизмов фотодинамической терапии и анализу фотобиологических процессов [7—9], выявлены характерные временные масштабы протекания фотобиологических процессов. Считается, что механизмы лазерного воздействия на организм человека "запускаются" в результате облучения лазером хромофоров, входящих в состав клеток.

Наличие процессов рассеяния света в оптически мутных бактериальных взвесях является совершенно очевидным, а продолжительность и характер локального воздействия флуктуирующих спекл-полей на каждую клетку сопоставимы с характерными временными масштабами протекания фотохимических реакций (независимо от ее типа). Таким образом, все специфические механизмы взаимодействия лазерного излучения с живыми системами следует, по-видимому, связывать в первую очередь не со спектральными характеристиками биообъекта и длиной волны лазера, а именно с динамикой "короткоживущих" биоспеклов.

Большинство авторов, работающих в области лазерной терапии, склоняются к тому, что низкоинтенсивное лазерное излучение положительно влияет на организм. Общепризнано, что излучение гелий-неонового лазера (длина волны излучения 633 нм) стимулирует микроциркуляцию крови, увеличивая интенсивность кровотока. Однако до настоящего времени не было опубликовано работ с достоверно подтвержденными данными, посвященными вопросу, в какой мере главные свойства лазерного излучения (а именно его пространственная и временная когерентности) важны с точки зрения воздействия на организм человека и животных.

При этом следует отметить, что исследованию экологических аспектов антропогенного влияния лазерного излучения (т.е. когерентного электромагнитного излучения оптического диапазона) на живые системы не уделялось совершенно никакого внимания.

Между тем современные тенденции развития лазерной техники указывают на то, что в ближайшие годы влияние лазерных полей на живые системы возрастет многократно. Это прежде всего связано с достижениями в области разработки лазерных сканирующих и проекционных систем

формирования изображений [10, 11]. По-видимому, следует ожидать, что в ближайшие годы все традиционные дисплеи, основанные на использовании электронно-лучевых трубок, жидкокристаллические и плазменные мониторы будут полностью заменены на лазерные проекционные системы, которые войдут в состав компьютеров и телевизоров [12]. Как показывают несложные оценки, доза, получаемая пользователем за 8 ч работы с лазерным проекционным монитором компьютера, составит порядка 0.25 Дж/см2, а полученная энергия превысит уровень в 130 Дж, что значительно больше уровней, получаемых пациентами при лазерной терапии за весь курс лечения.

Как уже упоминалось, с точки зрения лазерной медицины при определенных условиях низкоинтенсивное лазерное излучение способно вызывать благоприятные изменения в различных системах организма человека. С точки зрения гигиены и санитарии лазерное излучение, напротив, может причинить вред человеку. Поэтому для предотвращения негативного действия лазеров устанавливаются санитарные нормы на допустимые уровни мощности и плотности мощности излучения [13]. Но так или иначе в обоих случаях предполагается, что низкоинтенсивное лазерное излучение принципиально влияет на устойчивость живых систем, вызывая в них необратимые изменения.

Данная статья посвящена изучению указанной проблемы в контексте факториальной экологии. Как известно, предметом изучения факториаль-ной экологии является устойчивость и толерантность живых систем при воздействии на нее различных антропогенных факторов [14], к числу которых следует отнести и лазерное излучение. Исследование влияния когерентного (лазерного) света на человека и животных является чрезвычайно актуальной задачей, особенно с учетом ближайших перспектив бурного развития лазерных видеотехнологий.

МЕТОДЫ И МАТЕРИАЛЫ

В данных исследованиях были использованы белые крысы — оптимальная модель человека, которая обычно используеся в медико-биологических экспериментах. При биотестировании в качестве сенсорного звена была выбрана капиллярная сеть микроциркуляторного русла кожного покрова как наиболее подвижная и чувствительная к действию лазерного света система. С целью выявления влияния лазерного излучения на состояние микроциркуляции крови проводили че-резкожное облучение белых крыс. Перед экспериментом с поверхности кожи удаляли волосяной покров. Облучение проводилось гелий-неоновыми лазерами ЛГН-207 мощностью 3 мВт на длине

волны 633 нм, полупроводниковыми лазерами (КЛМ-650, Оптроникс, Россия) мощностью 5 мВт на длине волны 650 нм, одномодовыми лазерами VICSEL (ULM Photonics, Германия) с регулируемой мощностью до 1.5 мВт на длине волны 850 нм и полупроводниковыми лазерами (КЛМ-980, Оптроникс, Россия) мощностью 5 мВт на длине волны 980 нм. Мощность излучения в установке регулировали дискретно и определяли числом включенных лазеров.

Поскольку охватить всю область возможных параметров облучения практически невозможно, то при проведении исследований использовали стохастические методы планирования эксперимента. Это означает, что мощность и длительность облучения выбирали случайным образом в диапазонах от 3 до 30 мВт и от 1 до 30 мин соответственно.

Исследовали степень влияния высококогерентного излучения на систему микроциркуляции крови лабораторных животных методами доп-плеровской диагностики высокого пространственного разрешения с селекцией по глубине залегания кровеносных сосудов

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком