Динамика изменения свойств ткани и ее температуры при действии непрерывного мощного лазерного излучения

Динамика изменения свойств. Воздействие лазерного излучения приводит к повышению температуры тканей. По мере роста температуры в тканях протекают следующие процессы:

при 40-60 °С имеют место активация ферментов, образование отеков, изменение и, в зависимости от времени действия, гибель клеток, денатурация протеина, начало коагуляции и некрозы;

при 60-80°С – денатурация коллагена, дефекты мембраны;

при 100 °С – обезвоживание, выпаривание тканевой воды;

свыше 150 °С – обугливание;

свыше 300° С – выпаривание обезвоженной обугленной ткани, газообразование.

Динамика изменения температуры. Превращенная в тепло энергия излучения вызывает в облученной ткани локальное повышение температуры. Рассмотрим динамику этого процесса для случая, когда нагревание осуществляется непрерывным лазером с постоянной интенсивностью излучения. При этом скорость выделения тепла в облучаемом объеме биоткани определяется ее коэффициентом поглощения a и интенсивностью излучения: q = aI, Вт/см.

В общем случае можно выделить несколько фаз, которые схематически показаны на рис.

1 фаза. Сначала температура ткани повышается от 37 до 100°С. В этом диапазоне температур термодинамические свойства ткани остаются практически неизменными и происходит линейный рост температуры со временем (a = const и I = const).

2 фаза. При температуре 100 °С начинается выпаривание тканевой воды, и до окончания этого процесса температура остается постоянной.

3 фаза. После выпаривания воды температура вновь начинает расти, но медленнее, чем на участке 1, так как обезвоженная ткань поглощает энергию слабее нормальной.

4 фаза. При достижении температуры Т к 150 °С начинается процесс обугливания и, следовательно, «почернения» биоткани. При этом коэффициент поглощения a начинает расти. Поэтому наблюдается нелинейный, ускоряющийся со временем рост температуры.

5 фаза. При достижении температуры Т» 300° С начинается процесс испарения обезвоженной обугленной биоткани и рост температуры вновь прекращается. Именно в этот момент лазерный луч рассекает (удаляет) ткань, то есть становится скальпелем.

Абляция ткани под воздействием мощного импульсного лазерного излучения. При достаточно больших интенсивностях ЛИ и коротких длительностях импульса может реализоваться другой механизм рассечения или удаления биоткани. В этом случае мощность объемного теплового источника q = aI столь велика, что происходит очень быстрый нагрев тканевой жидкости до температуры Т > Т_кип. При этом возможно получение перегретого метастабильного состояния тканевой жидкости, когда она какое-то время не закипает даже при температуре, превышающей 100°С. Этот перегрев будет тем выше, чем больше интенсивность I (то есть мощность источника q). Затем происходит быстрое взрывное вскипание тканевой жидкости. При этом давление ее паров поднимается. Это приводит к тому, что выбрасывается «клеточный каркас» ткани, происходит явление абляции – быстрого взрывного удаления вещества. Обычно при реализации процесса абляции не происходит обугливания ткани.

«Взрывное» удаление биоткани при абляции приводит к генерации механических ударных волн.

При большой мощности коротких лазерных импульсов этот процесс может приводить к механическому повреждению биотканей в окрестностях зоны лазерного воздействия. Этот факт необходимо учитывать при выборе параметров импульсного лазерного излучения, например, при шлифовке кожи, сверлении зубов или при лазерной коррекции остроты зрения.