– konieczne absorpcja - chromofory Metody optyczne w medycynie Podstawy oddziaływania światła z materią Ei Et zmiana amplitudy (absorpcja) zmiana fazy (dyspersja) Tylko światło pochłonięte może wywołać efekty bio/foto/chemiczne (prawo Grotthusa-Drapera) – konieczne absorpcja - chromofory Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł.1

Własności optyczne ciał absorpcja () – prawo Lamberta-Beera,  - 0 a( ) współczynnik absorpcji a=4 / ( dł. fali świetlnej), absorbancja A = aL (gęstość optyczna); A = – ln I/I0. W analityce współczynnikiem absorpcji określa się niezależną od stężenia c wielkość , związaną z absorbancją i a relacją = A/(c L)  T=I/Io 1  0 Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł.1

dyspersja (n) – zmiana fazy a n 1  - 0 n( ) 1 mikroskopia (kontrast fazowy) b) anizotropia optyczna – aktywność optyczna (skręcenie płaszczyzny polaryzacji  polarymetria)  P A = (L/)(n+-n-­) – skręcenie miarą dwójłomności (aktywności optycznej) – ważna metoda analityczna dla pomiarów stężenia cukrów (sacharymetria) Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł.1

Absorpcja tkanek – przykładowe widma laser Ar+ HbO pigment soczewka & rogówka lampa łukowa Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł.1

egzogenne mogą wyzwalać endogenne Chromofory a) endogenne: melanina, hemoglobina, rodopsyna, kwasy nukleinowe (UV), karoten, chlorofil,... b) egzogenne barwniki kationowe (tiazyny: błękit metylowy, tiopironina) – na zewnątrz komórki  w reakcji fotodynamicznej niszczą błonykomórkowe fluoresceiny (np. róż bengalski, eozyna) i porfiryny – lokują się w cytoplaźmie  niszczenie str. cytoplazmatycznych, enzymów i RNA akrynidy – łączą się z DNA - mutacje egzogenne mogą wyzwalać endogenne np. ( Kwas 5- Aminolewulinowy )  Protoporfiryna Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł.1

spektroskop/ monochromator Pomiary spektroskopowe – ogólna metodyka - spektroskopia absorpcyjna detektor próbka lampa spektr. spektroskop/ monochromator zdolność rozdzielcza (instr)  T  Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł.1

spektroskop/ monochromator zastosowanie laserów  detektor próbka lampa spektr. spektroskop/ monochromator laser przestraj. kolimacja  zwiększ. czułości (drogi opt.)  T  Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł.1

Inne rodzaje spektroskopii optycznej: spektroskopia dyspersyjna, polarymetria spektroskopia emisyjna  rozpraszanie światła (Rayleigha, Ramana) Widma molekularne stany singletowe i trypletowe możliwe przejścia S2 S1 S0 A FL FS FLO T2 T1 metody fluorescencyjne Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł.1

Mechanizm aktywacji chromoforu przez światło: S2 T2 S1   10–10 – 10–8 s T1   10–6 – 10–3 s światło IR S0 selektywne reakcje fotochemiczne z otoczeniem ciepło ablacja, koagulacja, odparowanie, Nowe źródła światła dla elektronowych wzbudzeń chromoforów Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł.1

Źródła światła: 1. Lampy a) szerokopasmowe, rozkład Plancka b) lampy selektywne – np. niebieskie – do terapii hyperbilirubinemii i łuszczycy c) lampy „monochromatyczne” – np. Hg – źródło UVC(253,7 nm), „kwarcówka”, Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł.1

2. Lasery Właściwości promieniowania laserowego - duża intensywność (spektralna i przestrzenna gęstość mocy) - monochromatyczność - kolimacja - spójność - polaryzacja - przestrajalność (lasery barwnikowe, Ti:szafir i diodowe) - możliwość generacji ultrakrótkich impulsów Lasery diodowe umożliwiają akcję laserową głównie w zakresie ok. 650 – 950 nm (choć tzw. lasery niebieskie sięgają też już do ok. 400 nm). Mogą być przestrajane przez zmianę temperatury w zakresie znacznie mniejszym niż lasery barwnikowe. Są za to małe, proste w obsłudze i ekonomiczne, Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł.1

Przykład lasera przestrajalnego – laser barwnikowy Barwniki laserowe -umożliwiają przestrajanie długości fali laserów barwnikowych dzięki odpowiedniej strukturze poziomów energetycznych (szerokie, ciągłe pasma i wysoka wydajność kwantowa fluorescencji. Zakresy widmowe akcji laserowej możliwej przy użyciu różnych barwników: Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł.1

Lasery w medycynie wybór konkretnego typu lasera zależy od konkretnego zastosowania: absorpcji tkanek. światło musi dotrzeć tam, gdzie ma działać (prawo Grotthusa-Drapera) konieczna transmisja przez tkankę „po drodze” i absorpcja światła „u celu”  widma chromoforów Penetracja tkanki przez światło różnych laserów (głębokość, po jakiej natężenie wiązki spada e-krotnie w typowej tkance miękkiej): Ar+  0,5-2 mm Nd:YAG  2-6 mm CO2  0,1-0,2 mm Er:YAG  0,4-0,6 mm Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł.1

Znaczenie różnych właściwości światła laserowego dla zastos. med. duże natężenie – umożliwia dostarczenie dużej energii do ściśle określonego miejsca  koagulację, ablację tkanek, monochromatyczność i przestrajalność – umożliwia selektywne wzbudzanie wybranych chromoforów  inicjację określonej reakcji kolimacja wiązki laserowej – umożliwia osiągnięcie dużej gęstości energii i dobre zogniskowanie promieniowania (użycie światłowodów) koherencja – umożliwia silne ogniskowanie, zastosowanie holograficzne metod krótkie impulsy – zmniejszanie ef. termicznych, możliwość badania szybkich reakcji biol./chem. Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł.1

Zastosowania chirurgiczne – wykorzystują przeważnie termiczne działanie światła laserowego (lasery pracujące w bliskiej i średniej podczerwieni wzbudzają oscylacyjne i rotacyjne stany molekuł w tkankach). Główne zalety lasera w chirurgii: bezkontaktowe działanie  sterylność, możliwość zabiegów na dnie oka (światło przechodzi przez przezroczystą soczewkę oczną, absorbowane przez siatkówkę), precyzja (możliwość ogniskowania do ok. 10m), bezkrwawość (ważne przy operacjach rozległych obszarów np. mastektomii), możliwość stosowania bezinwazyjnych technik wziernikowych Ablacja = rozpad tkanek (dysocjacja cząsteczek) w wyniku bezpośredniego rozrywania wiązań i nadania fragmentom energii kinetycznej przez krótkie impulsy światła UV. Bardzo atrakcyjna dla precyzyjnej chirurgii dzięki nietermicznemu działaniu – eliminacja blizn i efektów ubocznych termicznego działania tradycyjnych laserów „chirurgicznych” (np. lasera CO2) Różne skutki działania światła w zależności od długości impulsu laserowego przy zachowaniu tej samej dawki promieniowania świetlnego Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł.1

Popularne typy laserów „medycznych”: ekscymerowe (193-351 nm) – głównie do korekcji wad widzenia przez chirurgiczne modyfikowanie soczewki ocznej (zmiana krzywizny przez ablację rogówki) Ar+ (488 i 514,5 nm) – głównie w okulistyce (operacje siatkówki) Nd:YAG (1,064 m) – chirurgia (najczęściej stosowany laser chirurgiczny) Ho:YAG (2,09 m) – chirurgia (ablacyjne operacje prostaty) Er:YAG (2,94 m) – ablacyjna chirurgia kosmetyczna (wygładzanie zmarszczek) CO2 (10,6 m) – chirurgia (działanie głownie koagulacyjne – chyba, że krótkie impulsy), obecnie coraz rzadziej stosowany barwnikowy (równe dł. fali, głównie w obszarze widzialnym) – głównie w terapii fotodynamicznej (PDT), okulistyce i dermatologii Ti:szafir (bliska podczerwień) – głównie w okulistyce, PDT diodowy (niebieski oraz czerwień i bliska podczerwień) – głównie w biostymulacji (low-level laser therapy – LLLT) oraz do wzbudzania profiryny Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł.1