Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО «КубГУ»)

Физико-технический факультет

Кафедра физики и информационных систем

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

Специальность 200402.65 - Инженерное дело в медико-биологической практике

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОРГАНЫ ЗРЕНИЯ

Работу выполнил

Журавлёв Сергей Викторович

Научный руководитель

канд. пед. наук, доцент Л. Ф. Добро

Краснодар 2014

Реферат

Дипломная работа: 55 с., 9 рисунков, 14 таблиц, 30 формул, 18 источников.

БИОФИЗИКА, ЛАЗЕРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, ПАРАМЕТРЫ ИЗЛУЧЕНИЯ, ПРЕДЕЛЬНО ДОПУСТИМЫЕ УРОВНИ, ЛАЗЕРНО-ОПАСНАЯ ЗОНА, РАССЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ВОЗДЕЙСТВИЯ.

Целью дипломной работы является выявление и расчет параметров воздействия отраженного или рассеянного лазерного излучения на органы зрения персонала, обслуживающего лазерные установки. Данные расчеты учитывают технические характеристики лазерных установок, характер излучения и т.д.

В результате выполнения дипломной работы были получены математические расчеты параметров воздействия отраженного или рассеянного лазерного излучения на органы зрения. На основании расчетов были сделаны выводы о возможности и способах применения средств защиты для персонала. Данные расчеты в дальнейшем могут помочь в создании единого программного обеспечения, учитывающего параметры установок и дополнительных условий излучения, для быстрого расчета предельно допустимых уровней излучения, лазерно опасной зоны и рекомендациями по применению средств защиты.

Содержание

• Введение
• 1. Лазерное излучение
• 1.1 Свойства и основные характеристики лазерного излучения
• 1.2 Использование лазерного излучения в различных сферах
• 1.3 Применение лазерного излучения в медицине
• 2. Взаимодействие лазерного излучения с биотканями
• 2.1 Основные законы и модели взаимодействия лазерного излучения и тканей глаза
• 2.2 Глубина проникновения лазерного излучения
• 2.3 Опасность для органов зрения, возникающая при работе с лазерным излучением
• 3. Методика расчетов параметров лазерного излучения
• 3.1 Соотношения энергетических и пространственных параметров лазерного пучка
• 3.2 Параметры лазерного пучка, преобразованного оптической сиcтемой
• 3.3 Расчёт ПДУ лазерного излучения при воздействии на глаза
• 3.4 Расчет границы лазерно-опасной зоны
• 4. Расчет параметров и ПДУ лазерного излучения на органы зрения
• 4.1 Математический расчет параметров лазерного излучения на примере установки LS-2136LP компании "LOTIS TII"
• Заключение
• Список использованных источников

Введение

Современная промышленность активно использует последние достижения в физике и технике. Это в полной мере относится и к успехам науки в области лазерной физики и техники. Понятие "лазер" прочно вошло в современный обиход, хотя и прошло немного лет со дня создания первых лабораторных образцов этих приборов.

Уникальные свойства лазера способствуют выполнению большого количества операций над материалами, и в свою очередь, представляют высокую опасность поражения органов зрения человека. Лазерное излучение обладает высокой энергией, которая способна вызвать в тканях организма тепловые, фотохимические, ударно-акустические и другие эффекты. Высокая мощность лазерного излучения может привести к поражению ткани за короткий промежуток времени. Плотность энергии излучения достигает высоких, поражающих значений посредством малого размера пучка. Пучок, распространяясь изменяется незначительно в силу небольшой расходимости, соответственно, присутствует риск поражения даже на большом расстоянии. Причём, в случае распространения невидимого излучения, наличие опасности может быть неочевидно, и даже видимое излучение будет заметно в воздухе лишь при наличии взвешенных частиц. Характер повреждения биоткани зависит от параметров излучения, площади облученного участка, а также от биологических и физико-химических особенностей облучаемых тканей и органов. Человеку может угрожать опасное повышение внутриглазного давления, повреждение сред глаза. Например, лазерное излучение с длиной волны от 380 до 1400 нм наибольшую опасность несет для сетчатки глаза, а излучение с длиной волны от 180 до 380 нм и свыше 1400 нм - для передних сред глаза.

Согласно требованиям СанПиН 5804-91 «Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров» при работе с лазерным излучением предусмотрено использование защитных очков, лицевых щитков и насадок, защитной спецодежды, наличие предупреждающих надписей и опознавательных знаков, проведение медицинского осмотра персонала, применение средств дозиметрического контроля, наличие устройств сигнализации и блокировки, прерывающих работу излучателя в случае опасности. Все части лазерных технологических установок по возможности помещаются в защитный корпус (кожух).

В данной работе будет проведён расчёт ПДУ энергетической экспозиции рассеянного и отраженного лазерного излучения, рассчитаны границы ЛОЗ, будут даны рекомендации о средствах защиты глаз. Для того чтобы рассчитать эти условия безопасности могут быть используем параметры, указанные в технической документации лазеров: длина волны излучения, расходимость излучения, диаметр пучка на выходе из лазера, мощность (при непрерывном режиме работы), энергия в импульсе, частота следования и длительность импульсов (при импульсном режиме работы).

1. Лазерное излучение

1.1 Свойства и основные характеристики лазерного излучения

Лазер - это генератор оптических волн, использующий энергию индуцированно излучающих атомов или молекул в средах с инверсной заселенностью уровней энергии, обладающие свойством усиливать свет конкретных длин волн. Чтобы многократно усилить свет применяют оптический резонатор, который состоит из 2 зеркал. За счет различных способов накачки в активном элементе создается активная среда.

Рисунок 1 - Схема устройства лазера

За счет перечисленных условий в лазере генерируется спектр, который показан на рисунке 2 (число мод лазера регулируется длиной резонатора):

Рисунок 2 - Спектр продольных мод лазера

Лазеры обладают высокой степенью монохроматичности, высокой степенью направленности и поляризованности излучения при значительной его интенсивности и яркости, высокой степенью временной и пространственной когерентности, могут перестраиваться по длинам волн, могут излучать световые импульсы рекордно короткой длительности, в отличие от тепловых источников света [1].

В течение всего времени развития лазерных технологий был создан большой перечень лазеров и лазерных систем, удовлетворяющих своими характеристиками потребности лазерной технологии, в том числе биотехнологии. В силу того, что сложность устройства биологических систем, существенное разнообразие в характере их взаимодействия со светом определяют необходимость использования многих видов лазерных установок в фотобиологии, а также стимулируют разработку новых лазерных средств, в том числе и средства доставки лазерного излучения к объекту исследования или воздействия.

Как и обычный свет, лазерное излучение, отражается, поглощается, переизлучается и рассеивается биологической средой. Все из перечисленных процессов несут информацию о микро и макроструктуре объекта, движении и форме отдельных его частей.

Монохроматичность представляет собой высокую спектральную плотность мощности лазерного излучения, или существенную временную когерентность излучения, обеспечивает: проведение спектрального анализа с разрешением, на несколько порядков превышающим разрешение традиционных спектрометров; высокую степень селективности возбуждения определённого сорта молекул в их смеси, что существенно для биотехнологий; реализацию интерферометрических и голографических способов диагностирования биообъектов.

В силу того, что лазерные лучи практически параллельны, то с увеличением расстояния световой пучок незначительно увеличивается в диаметре. Перечисленные свойства лазерного луча позволяет избирательно воздействовать на разные участки биологической ткани, создавая в малом пятне большую плотность энергии или мощности.

Лазерные установки делятся на следующие группы:

1) Лазеры с высокой мощностью на неодиме, оксиде углерода, углекислом газе, аргоне, рубине, парах металлов и др.;

2) Лазеры, с низкоэнергетическим излучением (гелий-кадмиевые, гелий-неоновые, на азоте, на красителях и др.), которые не оказывают ярко выраженного теплового воздействия на ткани организма.

В настоящее время существуют лазерные системы, генерирующие излучение в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра. Биологические эффекты, вызванные лазерным излучением зависят от длины волны и дозы светового излучения.

В офтальмологии зачастую используют: эксимерный лазер (с длиной волны 193 нм); аргоновый (488 нм и 514 нм); криптоновый (568 нм и 647 нм); гелий-неоновый лазер (630 нм); диодный (810 нм); ND:YAG-лазер с удвоением частоты (532 нм), а также генерирующий на длине волны 1,06 мкм; 10-углекислотный лазер (10,6 мкм). Область применения лазерного излучения в офтальмологии определяет длина волны [1].

Свои названия лазерные установки получают в соответствии с активной средой, и более развернутая классификация содержит твердотельные, газовые, полупроводниковые, жидкостные лазеры и другие. Перечень твердотельных лазеров включает в себя: неодимовый, рубиновый, александритовый, эрбиевый, гольмиевый; к газовым относятся: аргоновый, эксимерный, на парах меди; к жидкостным: лазеры, которые работают на растворах красителей и другие.

Революцию совершили появившиеся полупроводниковые лазеры по причине их экономичности за счет высокого КПД (до 60 - 80% в отличие от 10-30% при традиционных), малогабаритности и надежности. В то же время продолжают широко использоваться и другие виды лазеров.

Одним из важнейших свойств, для использования лазеров, является их особенность позволяющая формировать спекл-картину при отражении когерентного излучения от поверхности объекта. Свет, рассеянный поверхностью, состоит из хаотически расположенных светлых и тёмных пятен - спеклов. Спекл-картина формируется на основе сложной интерференции вторичных волн от незначительных рассеивающих центров, которые расположены на поверхности исследуемого объекта. Ввиду того, что исследуемые биологические объекты в подавляющем количестве имеют шероховатую поверхность и оптическую неоднородность, они всегда формируют спекл-картину и тем самым вносят искажения в конечные результаты исследования. В свою очередь, спекл-поле содержит информацию о свойствах исследуемой поверхности и приповерхностного слоя, что может быть использовано в диагностических целях.

В офтальмохирургии лазеры применяются в следующих направлениях:

- в хирургии катаракты: для разрушения катарактального скопления на хрусталике и дисцизии задней капсулы хрусталика при ее помутнении в послеоперационном периоде;

- в хирургии глаукомы: при выполнении лазерной гониопунктуры, трабекулопластики, эксимерлазерного удаления глубоких слоев склерального лоскута, при проведении процедуры непроникающей глубокой склерэктомии;

- в офтальмоонкохирургии: для удаления некоторых видов опухолей, расположенных внутри глаза.

Важнейшими свойствами, присущими лазерному излучению являются: монохроматичность, когерентность, направленность, поляризация.

Когерентность (от латинского cohaerens находящийся в связи, связанный) - согласованное протекание во времени нескольких колебательных волновых процессов одной частоты и поляризации; свойство двух или более колебательных волновых процессов, определяющее их способность при сложении взаимно усиливать или ослаблять друг друга. Когерентными колебания будут называться, если разность их фаз остается постоянной на протяжении временного отрезка и при суммировании колебаний получается колебание той же частоты. Простейший пример двух когерентных колебаний --два синусоидальных колебания одинаковой частоты [2].

Когерентность волны подразумевает, что в различных точках волны осцилляции происходят синхронно, другими словами разность фаз между двумя точками не связана со временем. Отсутствие когерентности означает, что разность фаз между двумя точками не постоянна, следовательно меняется с течением временем. Данная ситуация возникает, в том случае, если волна будет сгенерирована не единым источником излучения, а группой одинаковых, но независимых друг от друга излучателей.

Зачастую простые источники излучают некогерентные колебания, в свою очередь лазеры - когерентное. В силу данного свойства лазерное излучение максимально фокусируется, оно имеет способность к интерференции, менее подвержено расходимости, иимеет возможность получения большей плотности энергии пятна.

Монохроматичность (греч. monos - один, единственный + chroma - цвет, краска) - излучение одной определенной частоты или длины волны. Излучение условно можно принимать за монохроматическое, если оно относится к диапазону спектра 3-5 нм. Если в системе существует только один разрешённый электронный переход из возбуждённого в основное состояние, то создается монохроматическое излучение.

Поляризация - симметричность в распределении направления вектора напряженности электрического и магнитного полей в электромагнитной волне касаемо направления ее распространения. Волна будет называться поляризованной, в том случае, если две взаимно перпендикулярные составляющие вектора напряженности электрического поля совершают колебания с постоянной во времени разностью фаз. Неполяризованной - если изменения происходят хаотично. В продольной волне возникновени поляризации не возможно, так как возмущения в данном типе волн всегда совпадают с направлением распространения. Лазерное излучение является высокополяризованным светом (от 75 до 100 %).

Направленность (одно из наиболее важных свойств лазерного излучения) - способность излучения выходить из лазера в виде светового луча с очень низкой расходимостью. Данная черта является простейшим следствием из того, что активная среда размещена в резонаторе (например плоскопараллельный резонатор). В таком резонаторе поддерживаются только электромагнитные волны, распространяющиеся вдоль оси резонатора или в непосредственной близости к ней.

Главными характеристиками лазерного излучения: длина волны, частота, энергетические параметры. Данные характеристики являются биотропными, то есть определяют действие излучения на биообъекты.

Длина волны (л) представляет собой наименьшее расстояние между двумя соседними колеблющимися точками одной волны. Зачастую в медицине длину волны указывают в микрометрах (мкм) или нанометрах (нм). В зависимости от длины волны изменяется коэффициент отражения, глубина проникновения в ткани организма, поглощение и биологическое действие лазерного излучения.

Частота характеризует число колебаний, совершаемых за единицу времени, и является величиной обратной длине волны. Как правило, выражается в герцах (Гц). С возрастанием частоты увеличивается энергия кванта света. Различают: собственную частоту излучения (для отдельно взятого генератора лазерных колебаний неизменна); частоту модуляции (в медицинских лазерных установках может изменяться от 1 до 1000 Гц). Также высокую важность несут энергетические параметры лазерного облучения.

Принято выделять три основные физические характеристики дозирования: мощность излучения, энергия (доза) и плотность дозы.

Мощность излучения (потокизлучения, поток лучистой энергии, Р) -представляет собой полную энергию, которая переносится светом в единицу времени сквозь данную поверхность; средняя мощность электромагнитного излучения, которая переносится через какую-либо поверхность. Как правило, измеряется в Вт или кратных величинах.

Энергетическая экспозиция (доза излучения, H) - это энергетическая облученность лазером за определенный промежуток времени; мощность электромагнитной волны, которая излучается за единицу времени. Измеряется в [Дж] или [Вт * с]. Способность совершать работу является физическим смыслом энергии. Это характерно в том случае, когда работа вносит изменения в ткани фотонами. Биологический эффект светового облучения характеризует энергия. При этом возникает тот же биологический эффект (например загар), как и в случае с солнечным светом, можно достигнуть при невысокой мощности и длительности экспозиции или высокой мощности и небольшой экспозиции. Полученные эффекты будут идентичны, при одинаковой дозе [2].

Плотность дозы «D» - энергия, полученная на единицу площади воздействия. Единица измерения в СИ - [Дж/м²]. Также используется представление в единицах Дж/см², в силу того, что площади, на которые происходит воздействие, обычно исчисляются квадратными сантиметрами.

1.2 Использование лазерного излучения в различных сферах

Изобретение лазеров оказало высокое влияние на развитие различных областей науки и техники, где стало возможным использование лазеров для решения поставленных научных и технических задач. С появлением лазеров стало возможно значительное улучшение многих оптических приборов и систем, которые используются в качестве источника света, что привело к созданию принципиально новых устройств. Создание лазерных технологий в последние годы привели к появлению новых научных и технических направлений - голография, нелинейная и интегральная оптика, лазерная технология, лазерная химия, использование лазеров для управляемого термоядерного синтеза и т.д.

С изобретением лазеров произошел большой скачок в развитии нелинейной оптики, исследовании и использовании таких явлений, как генерация гармоник, самофокусировка световых пучков, многофотонного поглощения, различных типов рассеивания света, вызванных полем лазерного излучения.

Далее приведен перечень применений лазерных технологий в различных областях науки и техники, где уникальные свойства лазерного излучения обеспечили существенный прогресс или привели к принципиально новым научным и техническим решениям [1].

Применение лазеров в военном деле. В настоящее время сформировались главные направления внедрения лазерных технологий в военное дело. Основные направления:

1. Лазерная локация (наземная, бортовая, подводная);

2. Лазерная связь;

3. Лазерные навигационные системы;

4. Лазерное оружие;

5. Лазерные системы ПРО и ПКО, которые создаются в рамках стратегической оборонной инициативы - СОИ.

Поверхностная лазерная обработка. Лазерная закалка - увеличивает срок службы изделий, которые подвергаются высокому износу.

Лазерный отжиг - увеличивает пластичность и уменьшает твердость. Данный способ широко применяется в микроэлектронике для отжига дефектов в полупроводниках.

Лазерный отпуск - используется для локального увеличения пластичности, ударной вязкости.

Лазерная очистка - применяется для удаления различных загрязнений с поверхностей. Используется при очистке произведений искусства и памятников, металлов (в рамках технологических процессов производства), микроочистка в разных отраслях электроники [5].

Лазерное оплавление. Аморфизация поверхности сплава в условиях скоростного облучения (очень коротким импульсом или сканирующим лучом). При этом достигаются сверхвысокие скорости теплоотвода, которые обеспечивают так называемое «замораживание» расплава.

Лазерная наплавка - данный метод позволяет наносить износостойкие поверхностные слои. Лазерное восстановление имеет большую перспективу применения в ремонтном производстве для восстановления деталей, требующих высокую твердость и износостойкость поверхностного слоя.

Вакуумно-лазерное напыление - испарение в вакууме материалов при воздействии на него лазерного излучения и дальнейшее конденсирование на подложке продуктов испарения.

Ударное воздействие лазерного излучения - применяется для упрочнения поверхности, для образования р-n - переходов в полупроводниковых материалах.

Лазерная сварка - одно из перспективных направлений для промышленного применения. Сварное соединение образуется в результате нагревания и расплавления лазерным лучом участков в месте контакта (стыка) свариваемых частей.

Лазерная резка представляет собой сфокусированный лазерный луч, который несет в себе высокую энергию и способен разрезать практически все существующие материалы независимо от их теплофизических свойств. При этом получаются узкие разрезы с небольшой зоной термического влияния.

Лазерная маркировка и гравировка нашла широкое применение в промышленном производстве для кодирования произведенных образцов, нанесения различного рода надписей на приборные панели, клавиатурные поля, изготовление табличек и шильдов, измерительный инструмент; для отделки сувениров, при производстве ювелирных изделий.

1.3 Применение лазерного излучения в медицине

Несмотря на общую природу световых и радиоволн, многие годы оптика и радиоэлектроника развивались самостоятельно, независимо друг от друга. Казалось, что источники света - возбужденные частицы и генераторы радиоволн - имеют мало общего. Лишь с середины XX столетия появились работы по созданию молекулярных усилителей и генераторов радиоволн, которые положили начало новой самостоятельной области физики - квантовой электронике.

Современные направления медико-биологического применения лазеров могут быть разделены на две основные группы Первая - использование лазерного излучения в качестве инструмента исследования. В этом случае лазер играет роль уникального светового источника при спектральных исследованиях, лазерной микроскопии, голографии и др. Вторая группа - основные пути использования лазеров в качестве инструмента воздействия на биологические объекты. Можно выделить три типа такого воздействия [4].

Первый тип - воздействие на ткани патологического очага импульсным или непрерывным лазерным излучением при плотности мощности порядка 105 Вт/м2, недостаточной для глубокого обезвоживания, испарения тканей и возникновения в них дефекта. Этому типу воздействия соответствует, в частности, применение лазеров в дерматологии и онкологии для облучения патологических тканевых образований, которое приводит к их коагуляции. Второй тип - рассечение тканей, когда под влиянием излучения лазера непрерывного или частотно-периодического (импульсы, следующие с большой частотой) действия часть ткани испаряется и в ней возникает дефект. В этом случае плотность мощности излучения может превосходить используемую при коагуляции на два порядка (107 Вт/м2) и более. Этому типу воздействия соответствует применение лазеров в хирургии. Третий тип - влияние на ткани и органы низкоэнергетического излучения (единицы или десятки ватт на квадратный метр), обычно не вызывающего явных морфологических изменений, но приводящего к определенным биохимическим и физиологическим сдвигам в организме, т. е. воздействие физиотерапевтического типа. К этому типу следует отнести применение гелий-неонового лазера с целью биостимуляции при вяло текущих раневых процессах, трофических язвах и др.

Задача исследований механизма биологического действия лазерной радиации сводится к изучению тех процессов, которые лежат в основе интегральных эффектов, вызываемых облучением: коагуляции тканей, их рассечения, биостимуляционных сдвигов в организме.

Использование острой фокусировки при больших мощностях и энергиях облучения позволяет осуществлять испарение и разрез биоткани, что и обусловило применение лазера в хирургии.

Для объектов, малочувствительных к свету (злокачественные опухоли), возможно облучение мощным излучением на больших площадях.

Во всех случаях характер воздействия лазерного излучения на биологические ткани зависит от длины волны, плотности мощности и режима излучения - непрерывного или импульсного.

Излучение в красной и инфракрасной областях спектра при поглощении биотканями преобразуется в теплоту, которая может расходоваться на испарение вещества, генерацию акустических колебаний, вызывать биохимические реакции.

Излучение в видимой области спектра, помимо тепловых эффектов, обеспечивает условия для стимуляции фотохимических реакций. Так, применение низкоинтенсивного излучения гелий-неонового лазера (длина волны излучения 0,63 мкм) оказывает клинически достоверное действие, приводящее к ускорению заживления трофических и гнойных ран, язв и др. Однако механизм действия этого вида излучения до конца не изучен. Несомненно, что исследования в этом направлении будут способствовать более эффективному и осмысленному применению этого вида излучения в клинической практике. При средних уровнях мощностей в эффекте коагуляции, а при больших мощностях в эффекте испарения биоткани [3].

В импульсном режиме действие излучения на биологические объекты более сложно. Взаимодействие излучения с живой тканью здесь носит взрывной характер и сопровождается как тепловыми (коагуляция, испарение) эффектами, так и образованием в биоткани волн сжатия и разрежения, распространяющихся в глубину биоткани. При высоких плотностях мощности возможна ионизация атомов биоткани.

Таким образом, отличие в параметрах лазерного излучения ведет к отличию в механизме и результатах взаимодействия, обеспечивая лазерам широкое поле деятельности для решения различных медицинских задач.

В настоящее время лазеры применяют в таких областях медицины, как хирургия, онкология, офтальмология, терапия, гинекология, урология, нейрохирургия, а также с диагностической целью.

В хирургии лазерный луч нашел широкое применение в качестве универсального скальпеля, превосходящего по своим режущим и кровоостанавливающим свойствам электронож. Механизм взаимодействия лазерного скальпеля с биотканями характеризуется следующими особенностями [5].

Отсутствие прямого механического контакта инструмента с биотканью, устраняющее опасность инфицирования оперируемых органов и обеспечивающее проведение операции на свободном операционном поле.

Гемостатическое действие излучения, позволяющее получить практически бескровные разрезы, останавливать кровотечение из кровоточащих тканей.

Собственное стерилизующее действие излучения, являющееся активным средством борьбы с инфицированием ран, что предотвращает осложнения в послеоперационном периоде.

Возможность управления параметрами лазерного излучения, позволяющая получать различные эффекты при взаимодействии излучения с биотканями.

Минимальное воздействие на близлежащие ткани. Разнообразие проблем, существующих в хирургии, обусловило необходимость всестороннего изучения возможностей применения лазеров с различными параметрами и режимами излучения.

В хирургии в качестве светового скальпеля наиболее широкое применение нашли газовые углекислотные лазеры (длина волны излучения 10,6 мкм), работающие в импульсном и непрерывном режиме с мощностью излучения до 100 Вт.

Механизм действия излучения С02-лазера заключается в нагреве биоткани за счет сильного поглощения ею лазерного излучения. Глубина проникновения этого излучения не превышает 50 мкм. В зависимости от плотности мощности излучения его воздействие проявляется в эффектах разреза или поверхностной коагуляции биоткани.

Разрез ткани осуществляют сфокусированным лазерным лучом за счет послойного испарения ее. Объемная плотность мощности при этом достигает нескольких сотен киловатт на 1 см3. Поверхностная коагуляция тканей достигается воздействием на нее расфокусированным лазерным излучением при объемных плотностях порядка нескольких сотен ватт на 1 .

Карбонизированный каркас биоткани существует до температур 400-450 °С и при дальнейшем повышении температуры -- выгорает. При горении карбонизированного каркаса температура газообразных продуктов сгорания составляет 800-1000 °С [4].

Глубина разреза определяется скоростью перемещения границ слоя разрушения биоткани в глубь ее. При этом скорость перемещения указанной границы зависит от скорости перемещения точки фокусировки лазерного луча вдоль линии разреза. Чем ниже скорость перемещения точки фокусировки вдоль линии разреза, тем больше глубина разреза, и наоборот.

В отличие от излучения с = 10,6 мкм излучение АИГ-Nd-лазера обладает на порядок большей глубиной проникновения в биоткани, что, несомненно, является благоприятным фактором при коагуляции больших кровеносных сосудов при массивных кровотечениях, а также для разрушения глубоколежащих опухолей.

Таким образом, излучение АИГ-Nd-лазера обладает ярко выраженным коагулирующим (режущее действие излучения этого лазера значительно уступает таковому С02-лазера) действием, что и определяет его область практического применения.

2. Взаимодействие лазерного излучения с биотканями

2.1 Основные законы и модели взаимодействия лазерного излучения и тканей глаза

Ангиография - исследование сосудистой системы и гемодинамики глазного дна, важнейшее средство раннего диагностирования тяжелых патологий глаз и профилактики ранней слепоты.

Большое распространение для проведения исследования гемодинамики получили: флюоресцентная ангиография и ангиоскопия глазного дна. Этим методам присуще высокая информативность.

Флюоресцентная ангиография (ФАГ) с фоторегистрацией позволяет зафиксировать результаты исследования, в свою очередь, нарушая целостность динамической картины кровообращения [3].

Перед разработчиками аппаратов для исследования гемодинамики глазного дна, возникают следующие задачи:

1) выбор фотоприемника, который обладает высокой чувствительностью в видимом, ближнем инфракрасном диапазоне и даёт возможность оперативно регистрировать и воспроизводить в реальном времени динамическую картину кровообращения глазного дна;

2) выбор источника освещения глазного дна, излучающего в диапазонах возбуждения, и позволяющего более простым методом изменять длину волны лазерного излучения.

Как правило, источник освещения в требуемом диапазоне излучения должен имел достаточно узкую ширину спектра, наиболее приемлемо излучение на одной линии max поглощения соответствующего красителя. Использование источника с таким свойством исключает обширную засветку глаза.

Таким образом, выбранный фотоприемник должен обладать высокой чувствительностью в рабочем диапазоне. Это позволит снизить уровень освещенности глазного дна. В свою очередь, фотоприемник иметь достаточно высокую способность для передачи в мельчайших деталях картину глазного дна, и высокое отношение сигнал-шум для воспроизведения изображения глазного дна с требуемым контрастом [3].

С помощью ФАГ стало возможным изучение микроциркуляции глаза in vivo. Флюоресцеин, который вводится внутривенно, контрастирует сосуды переднего отдела глаза, хориоидеи и сетчатки. Это дает возможность зарегистрировать фотографически сосудистую структуру.

Флюоресцеин представляет собой слабую двухосновную кислоту из группы ксантенов, которая используется в виде натриевой соли, хорошо растворимой в воде. Также присуще высокая эмиссионная способность, 95% поглощённого синего света преобразуется в свет флюоресценции. Введенные в кровь 80-85% флюоресцеина связываются с альбуминами плазмы. Но данные связи связи слабые и лабильные, в большой степени зависят от температуры и РН крови. Ввиду малого размера молекулы и невысокой молекулярной массы флюоресцеин с легкостью проникает через большинство биологических мембран посредством диффузии. Окрашивание кожи и слизистых оболочек достигает максимума через 10 мин после введения, освобождение тканей от флюоресцеина происходит в течение 24-48 ч. По результатам ФАГ проводят лазерную коагуляцию сетчатки.

Голография. Глаз представляет собой орган, который позволяет получать изображение его внутренних сред элементарным освещением извне, из-за того, что преломляющие среды глаза являются прозрачными для излучения видимого и ближнего инфракрасного диапазона спектра.

Еще не так давно перед методами оптической голографии в их применении в офтальмологии возникали трудности из-за невысокого качества конечных объемных изображений.

Сегодня с развитием новых методов динамической голографии, цифровой голографии, а также близкого к ней метода фазомодулированной спекл-интерферометрии описанные выше сложности практически устранены. Это дало почву для нового витка развития медицинского использования голографических методов.

Использование голографии в медицинских целях подразделяется на три группы:

--?классическая голография;

--?цифровая голография и ESPI;

--?создание голографических оптических элементов (ГОЭ), которые могут использоваться в медицинском оборудовании для формирования и преобразования оптических пучков.

Основы использования голографии в офтальмологии базируется на способности голограмм восстанавливать точное объемное изображение предмета. Процедура исследования глаза, при которой происходит подробное микроскопическое исследование, очень утомительна для пациента, более того, она сильно осложняется непроизвольной моторикой глаза. Полученную голограмму глаза, используют в дальнейшем для восстановления объемного изображения, которое будет являться точной копией оригинала. Таким образом, представляется возможным исследование оптическими методами и сохранение в истории болезни полученного изображения [4].

Рисунок 3 - Принципиальные схемы регистрации голограмм глаза (А) и восстановления голографического изображения (В). 1 - импульсный лазер, 2 - коллимирующая система, 3 - полупрозрачный делитель, 4 - голографическая пластина, 5 - глаз, 6 - голограмма, 7 - восстановленное изображение глаза, 8 - входной объектив диагностической системы

Получившаяся интерференционная картина в результате наложения объектной и опорной волн, регистрируется посредством голографического светочувствительного материала. Образовавшаяся в результате соответствующей обработки голограмма при освещении ее опорной волной восстанавливает в первом порядке дифракции объемное изображение объекта.

2.2 Глубина проникновения лазерного излучения

В медицинской практике для терапевтического воздействия лазерного излучения чаще всего применяют красный и инфракрасный спектр в диапазоне длин волн от 620 до 1300 нм.

Данный выбор обусловлен тем, что чем короче длина волны электромагнитного излучения, тем больше энергетическая мощность его квантов (фотонов). В свою очередь, излучение ультрафиолетовой области спектра более «жесткое», в то время как в инфракрасной области оптического спектра более «мягкое». Излучение в видимой области спектра представляется промежуточным между «жестким» и «мягким». Излучение в ультрафиолетовом диапазоне в большей степени поглощается нуклеиновыми кислотами, белками и липидами. Излучение видимой области в основном поглощается хроматофорными группами в белковых молекулах и частично кислородом, что в свою очередь влияет на процессы образования гемоглобина, меланина и ряда ферментов. В ближнем ИК-диапазоне излучение поглощается молекулами белка и кислородом, в дальнем диапазоне (от 3-2000 мкм) молекулами воды, кислорода и углекислоты [4].

Проникающая способность лазерного излучения в ткани от ультрафиолетового до оранжевого спектра увеличивается от 1 до 2,5 мм, в то время как в красном диапазоне проявляется резкое увеличение глубины проникновения до 20-30 мм. Проникающая способность достигает максимума в ближнем инфракрасном диапазоне при длине волны 950нм-до 70мм. В дальнем ИК-диапазоне спектра проницаемость существенно уменьшается. Это является следствием увеличения абсорбции электромагнитного излучения водой, которая содержится в поверхностном слои кожи. Из этого следует, что max оптическая проницаемость биологических тканей приходится на красный и ближний ИК-диапазоны.

Рисунок 4 - Глубина проникновения в ткани лазерного излучения различной длины волны

Необходимо учитывать энергетическую мощность фотонов, при поглощении их определенной длины волны. Понять природу и порядок фотохимических реакций, механизм стимулирующего и терапевтического действия лазерного света различных интенсивностей и определенных длин волн помогут следующие данные [5].

Энергии фотонов в единицах эВ (электрон-вольт) различных спектров следующие:

* азотный лазер ультрафиолетового спектра - 3,7 (л=337 нм);

* гелий-кадмиевый лазер фиолетового спектра - 2,8 (л=441,6 нм);

* на парах меди зелёного спектра - 2,5 (л=510 нм);

* гелий-неоновый лазер красного спектра -2,0 (л=632,8 нм);

* рубиновый лазер красного спектра - 1,8 (л=694 нм);

* арсенид-галлиевый лазер инфракрасного спектра - 1,4 (л=800-900 нм).

При облучении любой функциональной системы организма, которая действует на очень низком энергетическом уровне, включая клетки и ткани, завышенное количество подведенной энергии не усилит, а ослабит эту систему.

В терапии для получения биоактивизирующего эффекта (катализации) необходимо использовать короткие экспозиции, т.к. при их увеличении проявляется повреждающее (ингибирующее) воздействие. Следует учесть, что на практике прогнозировать эффект катализатора и ингибитора затруднительно. Именно по этой причине ультрафиолетовый и близкий к нему спектры предпочтительно применять как ингибитор в лечении воспалительных процессов в начальных стадиях [1].

Ограниченное применение в терапии коротковолнового лазерного излучения ультрафиолетового и фиолетово-синего спектров объясняется возможностью нарушения сильных внутримолекулярных связей.

По сравнению с коротковолновым лазерным излучением энергетическая мощность фотонов лазерного красного и инфракрасного диапазонов значительно меньше и процессы ингибирования развиваются не так стремительно. А так как в основе терапевтического эффекта лежит возможность активации ферментов, как ключевого звена биостимуляции, спектр применения и действия красного и инфракрасного спектра значительно выше.

2.3 Опасность для органов зрения, возникающая при работе с лазерным излучением

Появившись, лазерные технологии, повсеместно закрепились практически во всех сферах деятельности. Лазерное направление бурно развивается, продолжая получать все новые применения. Уникальные свойства лазера способствуют выполнению большого количества операций над материалами, и в свою очередь, представляют высокую опасность поражения органов зрения человека.

Высокая мощность лазерного излучения может привести к поражению ткани за короткий промежуток времени. Небольшой размер пучка излучения локализует всю энергию на участке. В силу небольшой расходимости излучения остается опасность поражения при распространении пучка даже на большом расстоянии. В зависимости от условий облучения персонал, работающий с лазерной установкой, может получить ожог кожи, опасное повышение внутриглазного давления, повреждение сетчатки глаза. Биологический эффект взаимодействия лазерного излучения с организмом определяется механизмами воздействия излучения на ткани и зависят от диапазона спектра излучения, длительности воздействия, длительности отдельных импульсов, частоты следования импульсов, площади облучаемого участка, в том числе, от биологических и физико-химических особенностей облучаемых тканей и органов [5].

В свою очередь, правила эксплуатации лазеров предусматривают использование защитных очков, лицевых щитков и насадок, защитной спецодежды, наличие предупреждающих надписей и опознавательных знаков, проведение медицинского осмотра персонала, применение средств дозиметрического контроля и различных блокираторов, превращающих работу излучателя в случае опасности. Однако лазерные системы содержат помимо самого генератор квантового излучения и защитного корпуса, часто имеют место, направляющие зеркала, призмы, линзы, световоды. Ввиду этого не исключена опасность случайного отражения и распространения пучка излучения далеко в сторону от установки. При этом наличие опасности от невидимого излучения может быть неочевидно.

Во время эксплуатации лазерных установок на персонал, обслуживающий данную технику, воздействуют следующие опасные и вредные факторы:

- лазерное излучение (прямое, отраженное и рассеянное);

- сопутствующие ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучения от источников накачки, плазменного факела и материалов мишени;

- высокое напряжение в цепях управления и источниках электропитания;

- электромагнитное излучение от рентгеновского до радиочастотного диапазона, которое может возникать от элементов лазерной установки;

- повышенная температура поверхностей обрабатываемого изделия; высокое напряжение в цепях управления и источниках электропитания;

- шум;

- вибрация;

- продукты взаимодействия лазерного излучения с обрабатываемыми материалами;

- токсические газы и пары от лазерных систем с прокачкой, систем охлаждения и др.;

- опасность взрыва в системах накачки лазеров;

- напряженность анализаторных функций (зрение, слух).

При эксплуатации и разработке лазерных изделий необходимо учитывать также возможность взрывов и пожаров при попадании лазерного излучения на горючие материалы.

Средства защиты призваны снижать уровни лазерного излучения, которое воздействует на человека, до величин ниже значений ПДУ. Средства защиты от лазерного излучения делятся на коллективные и индивидуальные. В каждом определенном случае выбор средства защиты происходит с учетом требований безопасности для данного процесса. Средства защиты глаз и лица, защитные очки, щитки, насадки, средства защиты рук, специальная одежда - все это средства индивидуальной защиты персонала от лазерного излучения [6].

При их подборе учитывается:

- рабочая длина волны излучения;

- оптическая плотность светофильтра.

Оптическая плотность светофильтров, которые используются в защитных очках, щитках и насадках, для диапазонов лазерного излучения I и III должна удовлетворять требованиям:

либо (1)

а для диапазона II:

или , (2)

где H_max, E_max, W_max, P_max - максимальные значения энергетическихпараметров лазерного излучения в рабочей зоне, H_ndy, E_ndy, W_ndy, P_ndy - предельно допустимые уровни энергетических параметров при хроническом облучении.

3. Методика расчетов параметров лазерного излучения

3.1 Соотношения энергетических и пространственных параметров лазерного пучка

В реальности лазерные пучки способны иметь различную геометрическую структуру и распределение интенсивности в сечении. Известно огромное количество промышленно выпускаемых лазеров, работающих в одномодовом режиме, то есть излучающих на основной поперечной моде. Распределение интенсивности по сечению таких пучков с возможно хорошей точностью аппроксимировать функцией Гаусса. В многомодовом режиме работы интенсивность в сечении пучка распространена случайным образом (для импульсных лазерных установок). Для удобства в дальнейшем будем считать, что при функционировании лазера в многомодовом режиме распределение интенсивности равномерно по сечению лазерного пучка. В технической документации установок обычно указываются длина волны излучения, мощность (при непрерывном режиме), энергия в импульсе (при импульсном режиме), расходимость излучения, диаметр пучка на выходе лазера, частота следования и длительность импульсов [7].

Основные пространственные параметры гауссова лазерного пучка - расходимость пучка и, рад; конфокальный параметр 2d_л, м; радиус перетяжки r_пер, м (рисунок 5). Под расходимостью лазерного излучения можно понимать разные характеристики. Пространственная расходимость - плоский или телесный угол на заданном уровне интенсивности, который устанавливается по отношению к её max значению. Также различают энергетическую расходимость, которая определяется по заданной доле энергии или мощности, заключенной внутри конуса расходимости. Диаметр d₀ лазерного пучка, связанный линейно с расходимостью, находится аналогично как диаметр поперечного сечения пучка лазерного луча, внутри которого проходит заданная доля энергии или мощности.

Рисунок 5 - Основные пространственные параметры гауссова пучка

Обозначим уровень ограничения пространственной расходимости через m, соответствующую ему расходимость и_m, рад; радиус сечения лазерного пучка - r_m, м. Уровень ограничения энергетической расходимости обозначим через n, энергетическую расходимость - и_n, рад; радиус сечения пучка - r_m, м. Чаще всего в настоящее время употребляются значения уровней ограничения т равные: 0,5; 1/е; 1/ (ограничение по интенсивности), а уровня ограничения п - 0,7 и 0,9 (ограничение по доле энергии). В дальнейших расчетах будем применять только уровень т ограничения расходимости и_m равный 1/поэтому для простоты при обозначении расходимости и радиуса сечения пучка индекс m будем опускать: и и r.

Распределение энергетической освещенности Е по сечению гауссова пучка описывается соотношением:

Е = Еmax exp(-2/) (3)

где Е - энергетическая освещенность в данной точке сечения пучка, Вт/; Е_maх - энергетическая освещенность на оси пучка; h - расстояние от оси пучка до данной точки, м; r -радиус сечения пучка при ограничении расходимости по уровню 1/, м. Из выражения (3) видно, что:

m = Е / Еmax exp(-2/) (4)

где r_m - радиус сечения пучка при ограничении по уровню т, м. Тогда:

= _m (5)

где через К обозначается коэффициент приведения.

Легко увидеть, что для гауссовых пучков существует простая связь между уровнями ограничения т и n: п =1-m.

Значения коэффициента приведения К в зависимости от уровней ограничения т или п приведены в таблице 1. Там же указаны формулы для нахождения численного значения радиуса пучка и расходимости к уровню ограничения по интенсивности 1/. Нетрудно увидеть, что:

и_m1K₁₌ и_m2K₂ (6)

Таблица 1 - Коэффициент приведения параметров лазерного излучения к уровню 1/е²

Распределение энергетической освещенности в сечении гауссова пучка лазера определяется следующим выражением:

 (7)

где Р - мощность непрерывного излучения, Вт.

Зависимость радиуса сечения пучка r от расстояния а вдоль оси пучка вычисляется по соотношению:

_; (8)

где а - расстояние от перетяжки до данного сечения пучка (для простоты а определяется далее от центра резонатора), м. Конфокальный параметр 2d_л возможно вычислить по паспортным данным лазерной установки:

(9)

Если в технической документации лазерной установки расходимость пучка задана на уровне 0,5, требуется привести ее значение к уровню 1/е² (по таблице 1).

С точки зрения обеспечения безопасности, достаточно рассчитать max энергетическую освещенность на оси пучка:

E_max = 2Р/р r².(10)

Для определения энергетической освещенности пучка лазерного луча с равномерным распределением интенсивности в сечении используется выражение:

Е_рав= Р/р r²(11)

3.2 Параметры лазерного пучка, преобразованного оптической сиcтемой

Зачастую во многих лазерных установках реализуется управление режимом излучения и взаимодействие пучка излучения с объектом с помощью оптической системы. Оптическая система используется также для уменьшения или увеличения диаметра пучка излучения, расходимости или фокусировки лазерного пучка и т.д. Вычисление нормируемых параметров излучения, минувшего оптическую сиcтему, происходит так же, как и для прямого лазерного облучения, но за исходные данные берутся параметры пучка, преобразованного оптической системой. Если известны параметры пучка лазера и оптической системы, то параметры преобразованного пучка вычисляются [9].

Так, при применении однокомпонентной оптической системы конфокальный параметр преобразованного гауссова пучка лазерного излучения , его мощность Р' и расходимость и' вычисляемые с помощью следующих выражений:

(12)

(13)

(14)

где d_Jl - 1/2 конфокального параметра лазерного излучения, м; - фокусное расстояние оптической системы, м; - коэф. пропускания оптической системы для длины волны л лазерного луча. Если оптическая система является многокомпонентной, то поочередно рассчитываются параметры пучка излучения после преобразования каждым звеном оптической системы. Зачастую происходит отражение пучка лазерного излучения от первой поверхности оптической системы (объектива, линзы, призмы и т.д.), также опасные отражения могут возникать и от поверхностей последующих элементов оптической системы. Возможные преобразования пучков излучения при отражении от сферических поверхностей представлены на рисунке 6. Пучок лазерного излучения преобразуется и приобретает новые пространственные параметры [10].

В первую очередь требуется рассчитать фокусное расстояние зеркальной поверхности:

для вогнутой: = r_сф /2 (15)

для выпуклой: = -r_сф /2(16)

Параметры исходного гауссова пучка находятся из выражений (7) - (10), а расходимость и конфокальный параметр отраженного излучения определяются также как при облучении прямым гауссовым пучком.

Рисунок 6 - Отражение гауссова пучка лазерного излучения от вогнутой (а) и выпуклой (б) сферических зеркальных поверхностей

Вычисление уровней облучения и лазерно опасной зоны, который создает пучок гауссово излучения отраженный от сферической поверхности, подобно вычислению прямого гауссова пучка: при этом за исходные данные берутся параметры отраженного пучка с учетом ослабления мощности при отражении. В большинстве случаев лазерно опасная зона, создаваемая при отражении лазерного излучения от сферической поверхности, шире и короче, чем лазерно опасная зона при прямом облучении [11].