Введение к работе
Актуальность проблемы.
С рождением лазерной техники появились принципиально новые возмозшости для проведения физических исследований. В последущей реализации этих возможностей можно условно выделить два направления. Первое - это открытие совершенно новых эффектов и явлений, связанных главным образом с высокими плотностями потоков и когерентностью электромагнитного излучения. Второе, внешне менее яркое, но, безусловно, существенное - стимулирование прогресса целого ряда научных направлений, успевших стать традиционными. К числу последних следует отнести изучение взаимодействия мощных световых потоков с жидкими и квазижидкими средами [1], включающее как объект моделирования подавляющее большинство биологических клеточных структур. Здесь лазер явился инструментом, обеспечившим изучение реакций биотканей на световое воздействие в диапазоне условий, существенно превышающем физиологические нормы. Такие исследования, безусловно, актуальны. Они позволяют получить дополнительную информацию о фундаментальных основах функционирования живых систем, недоступную для традиционных методов.
Поскольку подавляющему большинству биоструктур свойственны широкие спектральные полосы поглощения, основные механизмы взаимодействия с веществом лазерного излучения видимого и ИК диапазонов в этом случае не имеют вираженого резонансного характера. Повышение интенсивности излучения сопровождается такими фотостимулированными процессами, как быстрый нагрев среды, термодеструкция макромолекул, генерация акустических и ударных волн, оптические нелинейные явления и другими. Эти физические процессы обусловливают первичные возмущения нативного состояния; они лежат в основе многих сложных реакций биотканей на лазерное воздействие и являются объектом широкомасштабных исследований во всех странах, имеющих развитый научный потенциал [2-Ю].
Исследования первичных физических процессов при воздействии мощного лазерного излучения на биоструктуры, помимо самостоятельной ценности, способствуют формированию новых идей, а в некоторых случаях и научных направлений в смежных областях биофизики, биохимии
и других. Например, изучение воздействия интенсивного монохроматического излучения на ткани глазного дна способствовало открытию новых функций пигмента меланина в механизмах фоторецепции и биологической защиты [57]; обнаружено явление существенного повышения лучевой стойкости тканей сетчатки, как ответной реакции на облучение видимым светом [58,59]; получен ряд новых данных о стимулированных лазерным воздействием термоиндуцированных деструктивных процессах [60-63].
Актуальность указанных исследований обусловлена также целым рядом практических задач. В первую очередь здесь, по-видимому, следует отметить возникшую одновременно с появлением лазеров безотлагательную необходимость создания норм и правил безопасности их эксплуатации. Разработка соответствующих нормативных документов в 70-ые - начале 80-х годов [11,12] велась на основе упрощенных, зачастую умозрительных моделей взаимодействия излучения с живыми биологическими структурами и о использованием результатов, как правило, достаточно фрагментарных экспериментов на лабораторных животных. Уже первые углубленные исследования [2] показали, что реакции отдельных органов и организма в целом на воздействие не имеющего аналогов в природе по всем основным параметрам - мощности, спектральной яркости, направленности и т.д. лазерного излучения чрезвычайно сложны, а, следовательно, нормы безопасности должны иметь строгое научное обоснование. В частности, предельно допустимые уровни (ЦДУ) облучения человека, устанавливаемые современными [13,14,15] и вышеупомянутыми [12] нормативными документами в отдельных случаях отличаются более чем на 2 порядка. Отметим, что при этом целый ряд фундаментальных проблем взаимодействия лазерного излучения с биообъектами остается нерешенным, несмотря на значительный объем исследований, проводимых в последние годы во всех развитых странах. Актуальность таких исследований была и продолжает оставаться высокой в связи с периодическим появлением лазеров новых типов и с постоянным расширением применений лазерных установок в промышленной технологии, медицине, научных исследованиях и других областях. В рамках известной общеевропейской научно - технической прграмма "Эврика" (Разработка высоких технологий и систем на их основе) проект ЕИ-643 - "Безопасность применения лазеров" объединяет рекордное количество участников (90 организаций из II стран), намного опережая по этому показателю все действующие проекты.
При использовании лазеров в военной технике (лазерные дальномеры, целеуказатели, системы наведения и т.д.) облучение армейского персонала практически неизбежно [16]. Известны работы, проводимые в ряде стран [16,18,19] по созданию и принятию на вооружение пехотного антиперсонального лазерного оружия, непосредственно предназначенного для ослепления пилотов самолетов, водителей танков через смотровые щели, стрелков и других участников воеішнх действий. Четкое научное обоснование и определение ИДУ облучения людей в этой ситуации особенно важно для разработки и создания соответствующих средств защиты глаз.
Исследования механизмов взаимодействия мощного оптического излучения с биотканями безусловно актуальны и в сфере применения лазеров в медицине (офтальмология, микрохирургия и другие) [19,20]. Здесь одной из главных и во многих случаях до настоящего времени нерешенной проблемой является научно обоснованный выбор режимов лазерного воздействия (форма и длительность импульса, спектральный зостав излучения, размеры облучаемой области) в зависимости от вида л специфики патологии, свойств тканей облучаемых органов и многих других факторов. Детальное изучение процессов коагуляции и деструкции биотканей при лазерном воздействии, разработка на этой основе и использование адекватных математических моделей дают дополнительные возможности в поиске новых эффективных методов течения, обеспечивают существенное уменьшение объема дорогостоящих ісследований на лабораторных животных и создают научную базу для яггимизации технических характеристик проектируемых лазерных іедицинских установок.
Число публикаций, посвященных исследованиям первичных процессов і результатов воздействия лазерного излучения на ткани глаз, рогрессивно растет с момента рождения лазера до настоящего времени. : сожалению, в подавляющем большинстве случаев представляемые данные е поддаются систематизации и сопоставлению по ряду . причин, аких как отсутствие согласованных методик исследований и змерений; межвидовые и иные различия подопытных животных и как ледствие - реакций на световое воздействие; ориентация сследователей на получение качественных результатов, обусловленная ложностью исследуемого объекта, и множество других факторов, гдельные теоретические исследования, известные до начала настоящей аботы (например, - [6,22]), базировались, как правило, на
соОствэнном экспериментальном материале и могли быть использованы главным образом в методическом плане.
По-видимому, важнейшая практическая задача этих исследований, исключающая в принципе любые прямые эксперименты, - научно обоснованное предсказание результатов воздействия лазерного излучения на глаза человека. Она могла быть решена на основе методически согласованных комплексных исследований основных процессов, инициируемых лазерным изучением в тканях глаз кивотных и последующей экстраполяции результатов на человока с помощью моделей, основанных на глубоком понимании рассматриваемых процессов взаимодействия.
С учетом актуальности обсуждаемого направления исследований цель и основные задачи работы были определены следующим образом.
Цель и задачи работы.
Работа посвящена комплексному - теоретическому и экспериментальному - исследованию количественных характеристик нерезонансннг физических процессов в многослойных квазижидких средах типе биотканей глаз при воздействии одиночных импульсої высокоинтенсивного лазерного излучения длительностью 10"" -ІС I спектральном интервале 400-11000 нм, охватывающем диапазон работь большинства промышленных лазеров; разработке на этой основе математических моделей первичной деструкции сетчатки и роговицы глас человека в результате облучения; последующему использованш результатов исследований для определения безопасных услови! эксплуатации лазерной техники и в прикладных областях, связанных ( применением лазеров в медицине.
Объект исследований.
Объектом исследований являются ткани органа зрения, Многослойная структура с выраженным различием оптических спектральных и тешюфизических свойств по слоям требует реализацна наиболее общего подхода при проведении исследований. Разработанны< теоретические и экспериментальные методы затем могут быть использованы для изучения реакций на световое воздействие биообъектов имеющих более простое строение. Кроме того, выбор объекта бы. обусловлен ориентацией на использование результатов исследований дл.
определения безопасных уровней облучения людей, работающих с лазерами. Вероятность травмирования глаз максимальна вследствие фокусировки направленного излучения на сетчатку; при этом травма не сравнима по тяжести последствий с повреждением световым излучением любой другой открытой части тела.
Исследуемый спектральный диапазон (400-ПОООнм) в коротковолновой области определяется границей оптического пропускания структурных элементов оптической системы глаза [21]; в длинноволновой - наличием лазеров, обеспечивающих эксперимент и проверку результатов теоретических исследований (СО^-лазерн). Излучение видимого и ближнего ИК диапазона (от 400 до примерно 1200 нм)проникает через интраокулярные среды и воздействует на сетчатку и другие структурные элементы глазного дна. ИК излучение с длиной волны, большей 1500.нм, практически полностью поглощается роговицей. Таким образом рассматриваемый объект включает два типа структур, а исследования - два направления, объединенных сходными методическими приемами.
Рассматриваемый интервал длительностей импульсов охватывает подавляющее большинство режимов работы лазерных установок высокой мощности, используемых в промышленности, медицине и других областях.
Поскольку тепловое воздействии на ткани глаз лазерных импульсов длительностью Ю-6- 10"вс сопровождается гидродинамическими процессами - генерацией волн давления, двикением частиц, колебаниями плотности,- результата исследований для этого интервале экспозиций рассматрены отдельно.
При длительностях импульсов короче 10_8с и энергиях излучения, вызывающих начальную деструкцию биотканей, возрастает вероятность развития нелинейных процессов, таких как самофокусировка и оптический пробой, генерация гармоник, вынужденное рассеяние Мандельштама - Бриллюэна и других [5,64]. Эти процессы в биологических средах в работе не рассматриваются, они должны быть предметом самостоятельных исследований.
Ограничение длительности экспозиции величиной, не превышающей I с, позволяет при анализе механизмов воздействия излучения не /читывать влияние биохимических процессов адаптации и (или) восстановления живой системы в условиях воздействия нефизиологически интенсивного оптического излучения. Эти процессы появляются, как травило, при времени облучения порядка 10 с и более [2].
Общая характеристика работы.
Научная новизна.
Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые установлен и изучен ряд новых закономерностей термодеструкции сложных многослойных биоструктур типа тканей роговицы и глазного дна при облучении лазерами или иными монохроматическими, источниками высокой мощности, а именно:
1) Установлены основные закономерности распространения
гауссовых пучков излучения видимого и ближнего ИК диапазонов в
интраокуляршх средах. Рассчитаны наблюдаемые через оптические
приборы и действительные зависимости характера функций распределения
облученности сетчатки от параметров пучков. Определены условия, при
которых фокусировка излучения на сетчатку является предельно
острой, а опасность светового повреждения тканей максимальной.
-
Разработана физическая модель и методика расчета кинетики нагрева многослойных биоструктур импульсами монохроматического излучения длительностью 1СГе -1с. Здесь впервые наболее полно учитываются реальное строение отдельных слоев, их оптико-физические свойства, закономерности распространения излучения и преобразования его энергии в тепловую. Изучены основные закономерности эволюции температурного поля в тканях глазного дна и роговицы при воздействии излучения видимого и Ж диапазонов.
-
Проведены систематические экспериментальные исследования in vivo зависимости энергии излучения, вызывающей первичные повреждения сетчатки - №рР (пороговая энергия, определение на стр 35) от длины волны, длительности экспозиции и размеров облучаемой области. Определены соотношения лучевых стойкостей тканей сетчатки подопытных животных и человека.
4) Разработана физическая и математическая модель
термохимической деструкции биотканей при воздействии
монохроматического излучения видимого и ближнего ИК диапазонов.
Предложена и реализована in vivo методика определения параметров
температурной зависимости константы скорости реакции термодеструкции
биотканей. Показано, что рассчитанные на этой основе зависимости
ИГрР от параметров излучения соответствуют экспериментальным данный
настоящей работы, а также результатам отечественных и зарубежных
исследований.
В пределах рассмотренных спектральных, временных и пространственных параметров излучения впервые реализована возможность в количественной форме экстраполировать на человека результаты проведенных на животных экспериментов по определеїшю лучевой стойкости тканей глаз.
5) Обнаружен неизвестный ранее эффект повышения лучевой стой
кости сетчатіш как ответной реакции на воздействие интенсивного
излучения видимого диапазона спектра. Исследованы кинетические
характеристики этого процесса.
6) Разработана методика расчета зависимости от времени
температуры, давления, плотности среды и скорости конвекции при
воздействии на многослойные биоструктуры импульсов излучения короче
Ю"6 с. Изучены зависимости указанных характеристик возмущенной
среды от параметров лазерного излучения. На этой основе поняты и
интерпретированы наблюдаемые в эксперименте закономерности, такие
как рост ffpP при уменьшении длительностей импульсов излучения от
I0"6 до примерно 10"яс (стр. 47, 52), "размерный эффект" (стр. 37,
41) и другие.
7) На основе результатов исследований разработана комплексная
математическая модель действия на ткани глаз направленных потоков
излучения с длительностью экспозиции 1-Ю"9с и длиной волны от 400
до 11000 нм при уровнях энергии порядка пороговых. Модель позволяет
рассчитать форму, размеры и локализацию области деструкции тканей в
результате воздействия видимого и ИК излучения с заданными
временными, спектральными, энергетическими и пространственными
характеристиками. Модель может быть использована для расчета
фотоповреждения любой сложной биологически структуры, если оптико-
физические свойства среды известны.
Практическая значимость работы-
Практическая значимость работы характеризуется следующими результатами.
а) Определены зависимости предельно допустимых уровней (ПДУ) однократного облучения глаз человека от параметров излучения.
На этой основе разработаны действующие в настоящее время в СНГ Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров (Раздел - III, Однократное воздействие на глаза колллимированного лазерного излучения) N 5804, утвержденные МЗ СССР 01.08.91.
б) Разработаны рекомендации по выбору режимов работы лазеров,
обеспечивающих максимальный лечебный эффект при минимальном риске
послеоперационных осложнений применительно к задачам лазерной
офтальмохирургии. Ряд этих рекомендаций является основой новых
эффективных методов лечебного воздействия на отдельные конкретные
формы интраокулярной патологии.
в) Разработан пакет прикладных программ с высоким уровнем
сервиса для лазерного офтальмохирурга, обеспечивающий возможность
моделирования на экране ПК ситуаций, характерных для лечебной
практики. Пакет может использоваться для выбора оптимальной
стратегии лазерного лечения с учетом индивидуальных особенностей
патологии, для автоматизации офтальмологических приборов нового
поколения и тренинга начинающих специалистов.
г) Использование методов моделирования на ПК результатов воздействия излучения на биоткани позволило ограничиться минимальным объемом экспериментальных работ с лабораторными животными, повысить эффективность и существенно сократить сроки исследований при решении прикладных задач, пречисленных в п.п. а)-в).
Результаты, представленные в лп. а-г, используются в ведущих офтальмологических клиниках Белоруссии и СНГ.
Рекомендации по выбору эффективных режимов облучения тканей и ряд новых технических решений для их реализации использованы для модернизации серийных и разработки новых лазерных офтальмологических приборов. В их числе офтальмокоагулятор 0К-2М, офтальмокомплексы "Лиман", "Ладога" (Конструкторское бюро точной механики, Москва; Загорский ОМЗ).
В настоящее время завершена подготовка к серийному производству транссклеральных офтальмокоагуляторов "Склера" (Научно-инженерный центр ЛЭМТ, БЕЛОМО, Минск). Ведется проектирование и подготовка к серийному производству лазерного офтальмокоагулятора с регулируемым спектральным составом "Преобразование" (Научно-инженерный центр ЛЭМТ, Минск).
Развитый в работе комплексный экспериментально-аналитический подход и полученные результаты могут быть рекомендованы для дальнейшего использования при изучении процессов взаимодействия мощного оптического излучения с объектами, включая небиологические, имеющими сложную, оптически неоднородную, многослойную структуру.
-ю-
Диссертация содержит новые теоретические и экспериментальные результаты в области нерезонанспого взаилодействия интенсивного оптического излучения с конденсированныли средажи, использование которых позволило решить важные прикладные проблемы., такие как обеспечение безопасных условий эксплуатации лазерной техники и повышение эффективности использования лазеров в ледицине.
Апробашя роботы
Основные результаты работы представлены в 42 статьях и 13 изобретениях.
Материалы докладывались на следующих международных, всесоюзных и республиканских съездах, конференциях и школах:- Всесоюзные конференции Оптика лазеров (Ленинград, 1981,1987, Санкт-Петербург, 1993, 1995); I Всесоюзный Биофизический съезд (Москва, 1982); International Conferenoe and Sohool "Lasers and Applications" (Бухарест,1982); I Всесоюзный симпозиум по макроскопической кинетике и газодинамике (Черноголовка,1984); Международные и Всесоюзные конференции по когерентной и нелинейной оптике (Москва, 1985; Минск, 1988); First Symposium on Biological Effects, Hazards and Proteotion from Nonlonaizing Radiation in Outdoor Applications NIR0'87 (Стокгольм,1987); Всесоюзная конференция Применение лазеров внародном хазяйство (Шатура,1989); First Working Group of Experts on Battlefield Laser Weapons, The Round Table (International Committee of the Red Cross, Женева, 1990); International Conference Macroscopio and Microscopic Heat and Mass Transfer; (Белград,1992); Intenational Symposium on Biomedical Optice Europ'93, Europ'94(Будапешт, 1993; Лиль, 1994); III International Conferenoe of the International Society on Optics Within Life Science OWLS III (Токио, 1994); V Международная конференция. Применение лазеров в науке О ЖИВОМ LALS'94 (Минск, 1994); An International Symposium on Biomedical Optics BIOS'95 (Сан-Хосе, Калифорния, 1995), International Conferenoe Light and Biological Systems(Вроцлав, Польша 1995)и других.
На защиту выносятся следующие положения и результаты. 1. Фокусировка лазерного (гауссового) пучка на сетчатку в пятно минимального размера реализуются при аккомодации глаза на предметы, расположенные вблизи оси пучка на расстоянии в общем случае
-II-
существенно отличном от расстоянию до перетяжки. Эффект обусловлен хроматическими аберрациями оптической системы глаза.
Диаметр распределения интенсивности излучения на сетчатке по уровню єхр(-І) при предельно "острой" фокусировке излучения остается в интервале 7-20 мкм при изменении параметров гауссовых пучков в широких пределах: расходимость - Ю-^ + 10" рад, спектральный интервал - 40СЙ-7Ш нм, расстояние до перетяжки - I~1-f-o> м. Соответствующие диаметры распределений, регистрируемых через зрачок с помощью оптических приборов, составляют при этом 30 -40 мкм
2. Предсказанные в расчете зависимости лучевой стойкости тканей
глаз от параметров падающих лазерных пучков в диапазонах длин волн
400 ^' х ^ 11000 нм и длительностей экспозиций 10"8^ т < I с
соответствуют результатам последующих экспериментов.
Предложенная методика расчета энергетических характеристик лазерного излучения, вызывающего первичные (пороговые) необратимые нарушения структуры роговицы и сетчатки обеспечивает решение проблемы экстраполящш на человека результатов измерений лучевой стойкости тканей глаз животных в указанных интервалах хит.
3. Воздействие на сетчатку видимого света высокой-,- но не вызыва
ющей повреждения, интенсивности вызывает кратковременное повышение
ее лучевой стойкости. Эффект должен учитываться при корректной
оценке степени опасности повреждения глаз лазерами, работающими в
спектральном диапазоне 400 - 600 нм.
4. Воздействие на ткани глаз лазерных импульсов длительностью 10"8
10"вс при облученности меньшей, примерно, I013 Вт/м2
сопровождается генерацией акустических колебаний. Возникающие при этом конвективные потоки способствуют охлаждению среды и снижению скорости термодеструкции тканей. Эффект проявляется наиболее ярко при предельно острых фокусировках лазерного излучения на облучаемую поверхность.
5. Процесс формирования поля температур в многослойных структурах
типа тканей глаз при импульсном лазерном облучении включает
следующие общие закономерности:
пространственное распределение температуры в тканях глазного дна, формируемое световым потоком, содержащим две спектральные линии \и Лг« эквивалентно распределению, возникающему при воздействии монохроматического излучения с длиной волны хэ, лежащей в интервале \< хэ< \ и определяемой сотношешіем интенсивностей компонент Р(\)/Р(\) (длительность экспозиции 1СГг- 1СГэс);
облучение глаз импульсами коллимированного монохроматического излучения длительностью порядка 10"гс в интервале длин волн 750 -850 нм сопровождается преимущественным нагревом сосудистой оболочки при минимальном повышении температуры в зоне сенсорной сетчатки.
. Предельно допустимые уровни облучения глаз человека однократными импульсами коллимированного лазерного излучения, включенные в нормативный документ СНГ по лазерной безопасности - "Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров ", утверзденные в 1991 г.
Применения результатов исследований в лазерной офтальмо-хирургии, в частности, - пакет прикладных программ врача -офтальмолога для ПК, позволяющий оптимизировать длительность экспозиции, энергетические и спектральные характеристик лазерного излучения при воздействия на конкретные формы глазной патологии; рекимы работы лазеров и технические средства их реализации, обеспечившие повышение эффективности лечения ряда глазных заболеваний, защищенные авторскими свидетельствами на изобретения, используемые в клинической практике и при разработке промышленных медицинских приборов.
Личный вклад автора.
Автором осуществлялся выбор направлений исследований,
зстановка и решение рассмотренных в диссертации задач. Автор
ілялся руководителем и непосредственным исполнителем представленных
настоящей работе исследований и разработок, выполненных в 1978 -
395 гг.
Основная часть экспериментальных исследований на животных юведена на базе НИИ им В.П. Филатова (г. Одесса) совместно с
сотрудниками Лаборатории лечебного применения лазеров этогс института. В работе принимали участие аспиранты автора В.Н. Глэзкое и А.П. Привалов.
Эксперименты с использованием приматов проведены в период дс 1991 г. на базе НИИ ЭП и Т (Государственный питомник обезьян), г.Сухуми при содействии сотрудников этого учреждения.
Теоретические исследования теплового воздействия ИК излученш на роговицу глаза выполнены совместно с А.С. Подольцевым, защитивши под руководством автора кандидатскую диссертацию.
A.M. Кирковским разработано програмное обеспечение для решенш большинства представленных в диссертации задач и усовершенствован! алгоритмы их решения.
Разработка пакета прикладных программ для лазерного офтальмо-хирурга выполнена совместно с доктором мед. наук А.В. Большуновш (НИИ ГБ РАМН, г. Москва) и откорректировна с учетом предложение профессора А.Д. Семенова (МНТК "Микрохирургия глаза", г. Москва)
В период проведения работы она координировалась чл. корр. АНБ профессором А.С. Рубановым
Структура и объем диссертации.
