ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2010, том 109, № 2, с. 284-289
== БИОМЕДИЦИНСКАЯ ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ
УДК 574:544.032.65:572
ДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ЖИВЫЕ СИСТЕМЫ: РОЛЬ КОГЕРЕНТНОСТИ СВЕТА
© 2010 г. С. С. Ульянов*, О. В. Ульянова**
* Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского, 410012 Саратов, Россия ** Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова, 410034 Саратов, Россия
Поступила в редакцию 11.02.2010 г.
Проанализировано влияние пространственной и временной когерентности, а также динамики спек-лов на организм животных. На основе теоретических и экспериментальных исследований установлено, что не существует никаких биофизических предпосылок для того, чтобы когерентность света могла бы оказывать влияние на живые системы различного уровня, а действие лазерного излучения могло бы являться специфическим. Медицинские аспекты действия лазера на человека при лечении широкого спектра заболеваний требуют дальнейшего тщательного изучения и возможно полного переосмысления.
ВВЕДЕНИЕ
Вскоре после изобретения лазеров их излучение стало широко использоваться в биологии и медицине. Как в России, так и за рубежом низкоинтенсивное лазерное излучение часто применяют в медицинской практике при лечении многих заболеваний [1]. Существует целое направление — фотодинамическая терапия, основанная на разрушении фотосенсибилизированных клеток, которая успешно применяется при лечении рака [2]. Получены данные о воздействии света лазера на различные уровни живых систем: молекулярный [3—6], клеточный [7—16] и даже генетический [17]. В экспериментальных и клинических исследованиях обнаружено улучшение микроциркуляции крови за счет вазодилятации, изменения аг-регационных и адгезивных свойств клеток крови, клеточной пролиферации, увеличение бактери-цидности. В литературе широко описано активирующее влияние лазерного излучения в дозах до 15 Дж/см2. Когерентный свет эффективен при лечении болезней органов дыхания, сердечно-сосудистой системы, органов кроветворения, эндокринной, нервной и иммунной систем. Благотворное воздействие лазерного излучения отмечается не только на отдельные системы, но также и на функционирование всего организма в целом.
Однако эффективность и результат применения лазеров с лечебной целью продолжает вызывать дискуссии в литературе. Несмотря на обилие работ, посвященных вопросам лазерной терапии и исследованиям механизмов влияния лазерного света на живые системы, роль когерентности света в процессах его взаимодействия с тканями к настоящему моменту времени, по сути, абсолютно не изучена. К настоящему времени остается открытым вопрос, является ли действие лазерно-
го излучения на живые системы специфическим. Как полагает большинство специалистов, работающих в области лазерной медицины, действие когерентного излучения, генерируемого лазером, отличается от действия низкокогерентного света, излучаемого в том же спектральном диапазоне светодиодами. Именно поэтому в медицине появились такие узкоспециализированные направления, как "лазерология" и собственно "лазерная медицина" [1].
Следует подчеркнуть, что важнейшее и практически единственное отличие лазерного излучения от некогерентного света состоит в его способности формировать спекл-поля1. Под спекл-по-лями [18] понимают случайное распределение интенсивности и фазы световых волн при дифракции излучения на случайно-неоднородных объектах. Если рассеяние света происходит внутри рассеивающих биотканей или бактериальных взвесей, то в этом случае говорят о формировании биоспеклов [19].
Важно отметить, чем выше уровень рассеяния в среде, тем мельче становятся спеклы внутри биологического образца (т.е. тем ниже становится степень пространственной когерентности излучения). Временная когерентнось нарушается, если свет проходит через среды, показатель преломления которых случайным образом флуктуирует во времени. Это происходит, когда на кожу человека или животных попадают спеклы, рассеянные от движущихся поверхностей, когда когерентное лазерное излучение рассеивается в пото-
1 Спекл-структуры могут формироваться и при дифракции низкокогерентного излучения в случайных средах. Однако такие спеклы сложно наблюдать или визуализировать из-за высокой частоты временных флуктуаций интенсивности рассеянного излучения.
ках крови, когда в установках для лазерной терапии используются многомодовые оптические волокна, незафиксированные в пространстве, и т.д.
Поскольку пространственно-временная когерентность света может оказаться чрезвычайно важной с точки зрения воздействия на живые системы, то при анализе эффектов лазерного излучения на функцию облучаемых клеток и тканей следует принимать во внимание не только фотобиологические аспекты данной проблемы [20, 21], но и когерентные свойства света. Однако до настоящего времени частичное изменение когерентности практически полностью игнорировалось в работах по изучению действия лазерного излучения на организм человека и животных.
Не принималось во внимание и то обстоятельство, что рассеяние света в биотканях является самосогласованным процессом: световое излучение влияет на живую систему, но, в свою очередь, и рассеивающая среда существенным образом изменяет когерентно-оптические свойства света, используемого для облучения.
Данная статья частично восполняет этот пробел. В работе проанализированы пространственные и временные масштабы когерентности био-спеклов, формирующихся в тканях животных. В результате сравнения этих масштабов с характерными размерами областей, в которых протекают биохимические реакции, и временем протекания этих реакций установлено, что когерентность света не может оказывать абсолютно никакого действия на организм животного.
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РОЛИ КОГЕРЕНТНОСТИ СВЕТА ПРИ ЕГО ДЕЙСТВИИ НА ЖИВЫЕ СИСТЕМЫ
Влияние продольной пространственной когерентности
Следует выделить три характерных пространственных масштаба в рассеянном излучении: длина продольной когерентности (которая обусловлена чисто временной когерентностью [22]), поперечный размер спеклов и продольный размер спеклов. Длина продольной когерентности определяется, главным образом, свойствами источника света; размеры спеклов — свойствами рассеивающей среды и условий ее освещения. Длина продольной когерентности /| для высококогерентных газовых лазеров теоретически может быть чрезвычайно велика и достигать многих километров. Но на практике она определяется половиной длины резонатора лазера; как правило, эта величина составляет от 15 до 30 см.
Для стандартных светодиодов типичное значение ширины полосы излучения АX составляет порядка 10 нм. В этом случае для красного света длина продольной когерентности равна
, X2 (650 нм)2 сп
/,, = — ~ ->-'— ~ 50 мкм.
11 АХ 10 нм
(1)
Таким образом, /| для любого типа квазимонохроматического излучения лежит в диапазоне от 50 мкм до 30 см.
Следует отметить [23], что характерный размер области взаимодействия молекул фотоиндуциро-ванного синглетного кислорода с отдельной клеткой составляет порядка 0.5 мкм. Однако по оценке, приведенной в работе [24], эта величина значительно меньше, порядка 0.06 мкм. Так или иначе, длина продольной когерентности как в случае высококогерентного света, так и в случае низкокогерентного излучения светодиодов не менее чем в 50 раз превышает размер области взаимодействия. Таким образом, степень пространственной когерентности света не может оказывать влияния на процессы, протекающие в живых системах. Иными словами, каждая отдельная клетка воспринимает свет как полностью пространственно-когерентное излучение.
Влияние размеров спеклов на процессы, протекающие в живых системах
Общеизвестно, что размеры спеклов (поперечные и продольные) примерно одинаковы для случаев рассеяния в случайных средах как когерентного, так и некогерентного света. Как показано в работе [23], при облучении низкоконцентрированных взвесей даже в ближней зоне дифракции поперечные и продольные размеры спеклов всегда превышают размер области взаимодействия. Излучение, дифрагированное в живых системах с высоким уровнем рассеяния, таких как ткани человека и животных (кожа, кровь [25]) и концентрированных бактериальных взвесях [23], превращается в полностью некогерентный свет уже при распространении в биосредах на расстояние порядка нескольких сотен микрометров.
Таким образом, изменение степени пространственной когерентности, обусловленное формированием спеклов, также не оказывает влияния на процессы взаимодействия излучения с живыми системами.
Влияние временной когерентности
Широко известно [26], что в фотобиологических процессах можно выделить три характерные фазы:
возбуждение молекул (в данном случае фото-сенсбилизация); характерный временной масштаб этой фазы составляет порядка 10-15 с,
тепловая релаксация с характерным временем 10-12 с,
флуоресценция с характерным временем 10-8 с. Это так называемое время жизни молекул в возбужденном состоянии.
Мпо, Гц
50 г
40
Мпо, Гц
50 г
(а)
40
(б)
• .•••»
40 (г)
50
40 (е)
50
*»
40 50
Мдо, Гц Мд0, Гц
Зависимости М1 после облучения животных динамическими спеклами от значений М1 до облучения. Концентрация рассеивающей взвеси 18% (а—в), 12% (г—е), 6% (ж—и), длительность облучения 5 (а, г, ж), 15 (б, д, з), 25 мин (в, е, и). Коэффициенты линейной регрессии Л = 0.988 (а), 0.914 (б), 0.989 (в), 1.039 (г), 0.982 (д), 0.95 (е), 0.905 (ж), 0.922 (з), 0.92 (и).
Очевидно, что временная когерентность может оказывать свое действие только на первом этапе, на котором происходят процессы первичного инициирования фотобиологических процессов. После того, как произошло поглощение квантов света, фотопроцессы начинают протекать самостоятельно, независимо от того присут-
ствует внешнее световое поле или нет. Сравним время когерентности света со временем поглощения квантов молекулой. Для высококогерентного света время когерентности хсоЬ составляет
ТсоЬ
0. 15 м 3 х 108 м
= 5 х 10
-10
Мпо, Гц 50 г
40
30 й1-30 50 г
40
(ж)
Мпо, Гц
50 г
30^
30
40 (и)
40
40
-1 30^
50 30
> •
50
Мдо, Гц
(з)
40
50
Мдо, Гц
Прод
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.