Биологическое действие лазерного излучения

При взаимодействии лазерного излучения с веществом и с биологическими объектами возникают эффекты, обусловленные характерными свойствами этого излучения. Рассмотрим каждый из них в отдельности.

Термический эффект. При поглощении лазерного излучения веществом значительная часть энергии электромагнитного поля переходит в теплоту. В биологической ткани поглощение происходит избирательно, так как входящие в состав тканей клетки, ферменты, гормоны и пигменты имеют различные показатели поглощения и отражения света. Так, хрусталик почти совсем не поглощает свет в видимой области, а максимум поглощения света меланином в пигменте кожи приходится на красный диапазон спектра (0,65—0,75 мкм), т. е. па диапазон излучения наиболее распространенных лазеров. Коэффициент отражения светлой кожи человека — примерно 35—40%, а у темной кожи африканцев значительно меньше. Термический эффект лазерного излучения зависит как от интенсивности светового потока, так и от степени его поглощения тканью.

Поражение ткани при мощном лазерном облучении сходно с ожогом, возникающим под действием токов высокой частоты, но только с более резкой границей пораженного участка. Это объясняется направленностью светового пучка и кратковременностью лазерного импульса, под действием которого тепло не успевает распространиться за пределы пораженного участка. Наиболее чувствительны к повышению температуры ферменты, которые при термическом ударе разрушаются первыми. Поскольку они служат ускорителями биохимических реакций, то при разрушении ферментов эти реакции затормаживаются, а это может приводить к гибели клеток. Вследствие термического эффекта происходит коагуляция белков, образование тромбов в венах, а при достаточной интенсивности облучения ткани разрушаются, что используют в лазерной хирургии.

Ударный эффект. В месте падения лазерного луча в ткани возникает тепловое объемное расширение, вследствие чего появляются механические напряжения. Кроме того, испарение частиц ткани в облучаемой области по закону сохранения импульса приводит к появлению импульса, направленного противоположно скорости испаряемых частиц, т. е. по ходу лазерного луча, а следовательно, к возникновению давления. В жидких компонентах клеток и тканей под действием резко возрастающего давления образуется ударная волна, распространяющаяся со сверхзвуковой скоростью. При попадании лазерного луча на кожный покров ткани оно не обязательно вызывает повреждение кожи, если мощность излучения и его термический эффект не слишком велики, но ударная волна, распространяясь во внутренних тканях, может повреждать их без каких-либо внешних проявлений. Так, наблюдалась гибель морских свинок при облучении головы излучением с энергией 100 Дж. Было обнаружено, что внутри черепа в объеме примерно 1 мм³ вещество мозга нагревалось примерно до 500°С, ткань переходила в газообразное состояние, и внутри черепа развивалось давление до 20 атм, что и приводило к гибели животного.

Электрические явления. При попадании атомов и молекул в электромагнитное поле под действием электрической составляющей волны образуются электрические диполи, это приводит к изменению электрических параметров вещества, а также к деформации тел пропорционально квадрату напряженности поля Е². Это явление называют электрострикцией. Например, при облучении печени хомяков и морских свинок лазерным излучением с энергией 250 Дж удельное сопротивление печени вблизи от места облучения снижалось в 4 раза, а диэлектрическая проницаемость увеличивалась в 8 раз. Уменьшение электросопротивления можно объяснить тем, что при достаточно больших напряженностях электрического поля происходит ионизация атомов и валентные электроны переходят в свободное состояние. Ионизация нарушает также химические связи в молекулах, что приводит к изменению хода биологических процессов в связи с образованием свободных радикалов. Так, под действием лазерного излучения в водных растворах, всегда имеющихся в биологических тканях, образуются радикалы ОН~ и НО₂~, обладающие высокой реакционной способностью. Свободные радикалы образуются не только при лазерном облучении, но и при естественном обмене веществ, и, по представлениям ряда ученых, с ним связаны различные патологические процессы в организме животных. Предполагается, что они обусловливают химические мутации, возникновение некоторых форм рака, биологическое старение. Поэтому появление дополнительных свободных радикалов при лазерном облучении считается нежелательным эффектом.