Лекция 7 Лазер, томография

Кафедра медицинской и биологической физики
Тема: Лазеры. Томография.
Лекция 7.
для студентов 1 курса,
обучающихся
по специальности – Стоматология
Лектор: Рузанова Л.Н.
Красноярск 2015
План лекции
1. Модель атома Бора. Энергетические уровни.
2. Спонтанное и вынужденное излучение.
3. Оптические квантовые генераторы, виды и
применение в медицине.
4. Ядерный магнитный резонанс.
5. Магнитно-резонансная томография, ее применение в
диагностике.
Модель атома Резерфорда
Размеры атома
10 10 м
Размеры ядра
10 15 м
Постулаты Бора
• Атом
обладает
стационарными
состояниями,
находясь в которых, он не излучает и не поглощает
энергию.
• При переходе из одного стационарного состояния в
другое атом излучает
(или поглощает) фотон,
энергия
которого
равна
разности
энергий
стационарных состояний.
• Состояние с минимальной энергией называется
основным.
• Все остальные возможные состояния называют
возбужденными.
Атом Бора
Время жизни атома в основном состоянии не ограничено.
Время жизни атома в возбужденном состоянии
8
10 с .
Энергетический спектр атома
• Атомы могут находиться лишь в состояниях с
дискретными (определенными) значениями энергии.
• Совокупность
возможных
значений
энергии,
которыми обладает или может обладать
атом
называется энергетический спектр атома.
Спонтанное излучение
• Переход из основного состояния в возбужденное
происходит под действием внешнего излучения.
• Вероятность таких переходов пропорциональна
плотности излучения, вызывающего эти переходы.
• Из возбужденного состояния атом может спонтанно
(самопроизвольно) перейти в состояние с меньшей
энергией, испуская при этом фотон с энергией
равной разности энергий этих состояний.
• Этот процесс называется спонтанным излучением.
Вынужденное излучение
• Если на атом, находящийся в возбужденном
состоянии, действует внешнее излучение
с
энергией, равной разности энергии атома в
основном и возбужденном состоянии, возникает
вынужденный
(индуцированный)
переход
в
основное состояние с излучением фотона той же
энергии.
• Возникающее в результате таких переходов
излучение называется вынужденным излучением.
Вынужденное излучение
Существенно то, что вторичные
фотоны
неотличимы
от
первичных фотонов, являясь
точной их копией.
Они имеют такие же:
– частоту
– фазу
– поляризацию
– направление распространения.
Вынужденное излучение
• Наряду с излучением фотонов идет и процесс их
поглощения.
• Для усиления вынужденного излучения число
актов излучения должно превышать число актов
поглощения.
• Т.е. число атомов в возбужденном состоянии
должно превышать число атомов в основном
состоянии.
Такие
состояния
называются
состояния с инверсией населенности.
Вынужденное излучение
Процесс создания состояния с инверсной населенностью
называется накачкой.
Среды с инверсной населенностью называются активными.
Виды накачки
• Оптическая накачка прозрачных активных
сред использует импульсы света от внешнего
источника.
• Электроразрядная накачка газовых активных
сред использует электрический разряд.
• Инжекционная накачка полупроводниковых
активных сред использует электрический ток.
• Химическая накачка активной среды из смеси
газов
использует
энергию
химической
реакции между компонентами смеси.
Лазеры
• Практически
инверсное
состояние
среды
реализуется в оптических квантовых генераторах
– лазерах.
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER)/
Лазеры
Идея создания принципиально нового принципа усиления и
генерации света принадлежит российским ученым Н.Г. Басову и
А.М.Прохорову (Нобелевская премия 1964 г.)
Функциональная схема лазера
Основные компоненты лазера:
1. активная среда
2. система накачки
3. оптический резонатор
Принцип действия лазера
Система накачки переводит частицы с основного
уровня Е1 на поглощательный уровень Е3, откуда
они
безызлучательно
переходят
на
метастабильный
уровень
Е2,
создавая
его
инверсную населенность. После этого начинаются
спонтанные излучательные переходы Е2 → Е1 с
испусканием монохроматических фотонов.
Типы лазеров
•
•
•
•
Газовые
Твердотельные
Жидкостные
Полупроводниковые
Особенности лазерного излучения
•
•
•
•
•
•
•
•
Когерентность.
Коллимированность
Монохроматичность.
Высокая мощность.
Высокая интенсивность.
Высокая яркость.
Давление.
Поляризованность.
Характеристики лазерного излучения,
применяемого в медицине
• Длины волн излучения медицинских лазеров лежат
в диапазоне 0,2 – 10 мкм.
• Мощность излучения варьируется в широких
пределах, определяемых целями применения.
У лазеров с непрерывной накачкой 0,01–100 Вт.
Для хирургических лазеров
103–108 Вт, а
длительность импульса 10-9–10-3 с.
• Энергия излучения в импульсе для хирургических
лазеров 0,1-10 Дж.
• Частота следования импульсов для терапевтических
лазеров 10-3000 Гц, для хирургических 1-100 Гц.
Изменения свойств и температуры ткани
под действием непрерывного мощного
лазерного излучения
Использование лазерного излучения в
медицине
Процессы, характеризующие взаимодействие лазерного
излучения с биообъектами, делят на 3 группы:
•
невозмущающее воздействие – не оказывающее
заметного действия на биообъект
•
фотохимическое действие – возбужденная лазером
частица
либо
сама
принимает
участие
в
соответствующих химических реакциях, либо передает
возбуждение
другой
частице,
участвующей
в
химической реакции
•
фоторазрушение за счет выделения тепла или ударных
волн
Использование лазерного излучения в
медицине
• Диагностика:
– интерферометрия дает информацию о поверхности
биообъекта
–
голография
позволяет получать объемные
изображения внутренних полостей желудка, глаза и
т.д.
–
метод нефелометрии позволяет определять
размеры частиц среды (от 0,02 до 300 мкм) и
степень их деформации
– эффект Доплера позволяет измерить скорость
кровотока в сосудах, подвижность бактерий и т.д.
Использование лазерного излучения в
медицине
• Терапия:
– терапия с помощью красного света.
Излучение Не-Ne лазера с длиной волны 632,8 нм
используется с противовоспалительной целью для
лечения ран, язв, ишемической болезни сердца.
– терапия с помощью синего света.
Лазерное излучение с длиной волны в синей
области видимого света используется, например,
для лечения желтухи новорожденных.
– лазерофизиотерапия – использование лазерного
излучения при сочетании с различными методами
электрофизиотерапии.
Использование лазерного излучения в
медицине
• Фотодинамическая терапия опухолей.
Разрушение опухолей при ФДТ основано на трех эффектах:
– прямое фотохимическое уничтожение клеток опухоли
– повреждение кровеносных сосудов опухоли, приводящее к
ишемии и гибели опухоли
– возникновение воспалительной реакции, мобилизирующей
противоопухолевую иммунную защиту тканей организма.
Используется излучение с длиной волны 600-850 нм, для этого
диапазона глубина проникновения света в биологические ткани
максимальна.
Фотодинамическая терапия применяется при лечении опухолей
кожи, внутренних органов: легких, пищевода. К внутренним
органам излучение доставляется с помощью световодов.
Использование лазерного излучения в
медицине
•
Хирургия:
Лазеры используются для рассечения тканей, удаления
патологических участков, остановки кровотечения,
сваривания биотканей.
Преимущества лазерной хирургии:
• избирательное и контролируемое воздействие
• бесконтактность, дающая абсолютную стерильность
• селективность, позволяющую дозированно разрушать
патологические ткани, не затрагивая здоровые ткани
• бескровность (за счет коагуляции белков)
• возможность
микрохирургических
воздействий,
благодаря высокой степени фокусировки луча.
Использование лазерного излучения в
медицине
• Лазерная сварка тканей.
Использование лазерного излучения в
медицине
• Разрушение пигментированных участков.
Лазеры,
работающие
в
импульсном
режиме,
используются для разрушения пигментированных
участков
для
лечения
ангиом,
татуировок,
склеротических бляшек в кровеносных сосудах и т.п.
• Лазерная эндоскопия.
Для
исключения
открытых
операций,
лазерное
излучение доставляется к месту воздействия с помощью
волоконно-оптических
световодов,
позволяющих
подводить лазерное излучение к внутренним полым
органам.
При этом значительно снижается риск инфицирования и
возникновения послеоперационных осложнений.
Использование лазерного излучения в
медицине
Офтальмология:
Возможность выполнять бескровные оперативные
вмешательства без нарушения целостности глазного
яблока.
Операции на стекловидном теле, приваривание
отслоившейся сетчатки, лечение глаукомы путем
«прокалывания» лазерным лучом отверстий для оттока
внутриглазной жидкости. Послойная абляция тканей
роговицы применяется при коррекции зрения.
Лазерный пробой.
Короткоимпульсные
лазеры
в
сочетании
со
световодами применяют для удаления бляшек в
сосудах, камней в желчном пузыре и почках.
Ядерный магнитный резонанс
• Явление избирательного поглощения электромагнитных
волн определенной частоты в постоянном магнитном
поле, обусловленное переориентацией магнитных
моментов ядер, называют ядерным магнитным
резонансом.
• Для свободных ядер поглощение электромагнитных
волн происходит при соблюдении условия:
h  g я   я  В
g я– множитель Ланде
 я – магнитный момент ядра
В – магнитная индукция
Ядерный магнитный резонанс
В ядрах, входящих в состав атомов и молекул,
происходит «химический сдвиг», обусловленный
влиянием магнитного поля электронной оболочки.
Полное магнитное поле, действующее на ядро,
Вэф  (1   ) В

– постоянная экранирования, зависящая от
электронного окружения ядра.
Т.о, для разных молекул резонанс наблюдается при
различных частотах. Это и определяет химический
сдвиг.
Спектр ЯМР такой молекулы содержит столько
резонансных
линий,
сколько
химически
не
эквивалентных групп в ней имеется.
Ядерный магнитный резонанс
Ядерный магнитный резонанс
• В спектрах ЯМР различают два типа линий по
ширине:
– ЯМР широких линий – спектры твердых тел
– ЯМР высокого разрешения – спектры жидкостей
Ядерный магнитный резонанс
• Интенсивность линий в спектре пропорциональна
числу ядер в каждой группе.
• По химическому сдвигу, числу и положению
спектральных линий можно установить структуру
молекул.
• Одним из преимуществ этого метода является то,
что он не разрушает объектов исследования.
Магнитно-резонансная томография
– нерентгенологический метод исследования
внутренних органов и тканей человека, что делает
данный метод безопасным для большинства
людей.
Магнитно-резонансная томография
• Технология МРТ основана эффекте резонансного поглощения
ядрами электромагнитных волн. Человека помещают в
магнитное поле, которое создает аппарат.
• Изменение состояния молекул фиксируется на специальной
матрице и передается в компьютер, где проводится обработка
полученных данных.
Магнитно-резонансная томография
Исследование проходит так же, как и компьютерная
томография. Стол постепенно продвигается вдоль
сканера.
МРТ требует больше времени, чем КТ, и обычно
занимает не менее 1 часа (диагностика одного
отдела позвончника занимает 20-30 минут).
Магнитно-резонансная томография
МРТ
позволяет
получить
изображение
патологического процесса в разных плоскостях.
Томограммы содержат огромный объем информации
о строении органов и тканей в определенной
анатомической зоне.
Применение магнитно-резонансной
томографии
– определение наличия и распространенности
опухолевого процесса.
– обнаружение воспалительных, дистрофических
и опухолевых поражений:
сосудов и сердца,
органов грудной и брюшной полости
лимфатических узлов
паразитарных процессов и других патологий.
Применение магнитно-резонансной
томографии
– визуализация структур головного и спинного мозга.
– диагностика воспалительных, онкологических заболеваний
головного и спинного мозга
Применение магнитно-резонансной
томографии
Установление структуры, взаимосоотношения органов
между собой, их размеров и конфигурации.
Исследование
состояния
расположенных
за
грудиной
структур (вилочковой железы,
лимфатических
узлов,
в
некоторых ситуациях – сердца и
его сосудов)
Применение магнитно-резонансной
томографии
• Компьютерная томография позволяет с высокой
точностью изучить структуру костной ткани и
другие органы и системы, расположенные либо
рядом с костью (мышцы, связки, хрящевая ткань
суставов), либо прямо в ней (костный мозг).
Преимущества метода МРТ
– высокая информативность без необходимости
введения контрастных средств.
– возможность проведения всех процедур без какой–
либо предварительной подготовки пациента.
– безвредность
– функциональность
Недостатки метода МРТ
– высокая стоимость
– малая доступность оборудования
Нами рассмотрены:
1. Физические основы и применение лазерного
излучения в медицине.
2. Физические основы и применение метода МРТ.
Спасибо за внимание!