Fale elektromagnetyczne, zasada działania lasera, wykorzystanie lasera w medycynie Warszawa, 20 listopada 2006

Ruch falowy Ruch falowy jest bardzo rozpowszechniony w przyrodzie: fale mechaniczne, fale głosowe, fale elektromagnetyczne Fale mechaniczne to inaczej fale sprężyste bo rozchodzą się one w ośrodkach sprężystych

Ruch falowy w ośrodkach sprężystych Ruch falowy jest związany z dwoma procesami: z transportem energii przez ośrodek od cząstki do cząstki i z ruchem drgającym poszczególnych cząstek dookoła ich położenia równowagi. Nie jest natomiast związany z ruchem materii jako całości.

Równanie fali liniowej harmonicznej y – wychylenie od położenia równowagi A0 – amplituda wychyleń z położenia równowagi t – czas T – okres x – odległość od źródła fali λ – długość fali f – częstotliwość ω – częstość kątowa v – prędkość rozchodzenia się fali

Fale elektromagnetyczne Powstanie fali elektromagnetycznej wymaga istnienia zmiennego ruchu ładunków (zmiennego prądu), lecz fala, która już powstała, samej sobie zawdzięcza zdolność rozchodzenia się w przestrzeni – w przypadku braku absorpcji – na nieskończone odległości i w nieograniczonym czasie. Na przykład fale świetlne docierają do nas od gwiazd odległych o miliony lat świetlnych po milionach lat świetlnych od chwili ich wysłania.

Fala elektromagnetyczna Fala elektromagnetyczna to rozchodzące się w przestrzeni zaburzenia w postaci zmiennych pól elektrycznego i magnetycznego.

Fala elektromagnetyczna Z równań Maxwella wynika, że zarówno pole elektryczne jak również i pole magnetyczne, czyli fala elektromagnetyczna, rozchodzą się w próżni z prędkością c równą: ε0 – przenikalność elektryczna próżni µ0 - przenikalność magnetyczna próżni

Prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej c = 2,9979·108 m/s ≈ 3·108 m/s Prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej w próżni jest stała, niezależna od częstotliwości i równa prędkości rozchodzenia się światła w próżni. Światło jest jednym z rodzajów promieniowania elektromagnetycznego.

Widmo fal elektromagnetycznych Pod- czerwień Nad- fiolet Promienie Röntgena Promienie γ Fale radiowe Mikrofale Fale o częstotliwościach akustycznych Fale radiowe długie Fale radiowe ultrakrótkie Fale radiowe średnie Fale radiowe krótkie Promieniowanie widzialne

Widmo fal elektromagnetycznych fale radiowe Fale radiowe długie – długość fali kilka kilometrów, częstotliwość około 150 kHz Fale radiowe średnie – długość fali setki metrów Fale radiowe krótkie – długość fali dziesiątki metrów Fale ultrakrótkie – długość fali metry decymetry

Widmo fal elektromagnetycznych mikrofale Najkrótsze mikrofale nakładają się na najdłuższe fale z zakresu podczerwieni to znaczy z zakresu promieniowania świetlnego rozciągającego się aż do długofalowej granicy promieniowania widzialnego.

Zakres promieniowania widzialnego Zakres promieniowania widzialnego jest bardzo wąski, ale bardzo istotny dla człowieka

Promieniowanie jonizujące Promieniowaniem niejonizującym nazywamy promieniowanie elektromagnetyczne z zakresu optycznej części widma tego promieniowania czyli promieniowanie ultrafioletowe, światło i promieniowanie podczerwone. Promieniowaniem niejonizującym zajmuje się optyka. Promieniowanie jonizujące to każde promieniowanie zdolne do jonizowania atomów i cząsteczek substancji na które oddziałuje. Promieniowanie bezpośrednio jonizujące to strumienie naładowanych cząsteczek. Promieniowanie pośrednio jonizujące to rtg i promienie γ.

Skutki promieniowania jonizującego Oparzenia, wypadanie włosów, zaćma, uszkodzenie układów krwiotwórczego i limfatycznego, astma, skrócenie czasu życia, nowotwory, uszkodzenia genów. Skutki promieniowania zależą od: pochłoniętej dawki, obszaru napromieniowanego ciała, rozkładu dawki w czasie, rodzaju promieniowania, koncentracji tlenu, stanu biologicznego organizmu.

Promieniowanie rentgenowskie Promieniowanie rtg powstaje w procesie hamowania wysokoenergetycznych elektronów w lampie rentgenowskiej. Elektrony uzyskują duże energie kinetyczne w silnym polu elektrycznym między katodą i anodą. Oddziaływanie tych elektronów z anodą powoduje powstanie promieniowania rentgenowskiego.

Absorpcja promieniowania Natężenie I promieniowania rentgenowskiego maleje wraz z głębokością wnikania w absorbent I0 – natężenie promieniowania padającego d – grubość absorbentu µ - współczynnik osłabienia

Promieniowanie rentgenowskie Efekty popromienne w tkankach zależą od ilości energii pochłoniętej. Ze względów bezpieczeństwa ważne jest określenie ilości energii zaabsorbowanej, a nie rozproszonej. Energia pochłonięta przez tkanki jest zależna od fotonów promieniowania. Kości pochłaniają promieniowanie rtg znacznie bardziej niż tkanki miękkie.

Diagnostyka rentgenowska Różnice w pochłanianiu promieniowania przez tkanki są podstawą obrazowania przy pomocy promieniowania jonizującego. Promieniowanie rtg przechodzi przez badany obiekt, w którym jest częściowo absorbowane. Pozostałe promieniowanie pada na błonę fotograficzną umieszczoną tuż za obiektem prześwietlanym na której powstaje obraz. Miejsca na które padło promieniowanie o mniejszym natężeniu są jaśniejsze. Odpowiada to tkankom o większej absorpcji. Kości na zdjęciach rtg są jaśniejsze od tkanek miękkich.

Zdjęcie rentgenowskie

Tomografia komputerowa Rentgenowska transmisyjna tomografia komputerowa jest nieinwazyjną metoda diagnostyczną, pozwalającą na obrazowanie przestrzennego rozkładu narządów. Polega to na wykonywaniu sekwencji zdjęć warstwowych w płaszczyźnie prostopadłej do osi ciała. Cienki poprzeczny przekrój ciała jest naświetlany pod wieloma kątami wąską wiązką promieniowania x. Przechodzące promieniowanie jest mierzone przez licznik scyntylacyjny i następnie komputer tworzy obraz prześwietlanej warstwy.

Tomografia komputerowa (CT)

Zdjęcia uzyskane techniką CT

Laser Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (wzmocnienie światła za pomocą wymuszonej emisji promieniowania) – urządzenie elektroniki kwantowej generujące spójną wiązkę światła (spójna (koherentna) wiązka to wiązka fal o tej samej częstotliwości (długości fali), w przypadku światła widzialnego – o tej samej barwie i stałej w czasie różnicy faz). Laser to generator fal elektromagnetycznych z zakresu ultrafioletu i podczerwieni. Zakres fal generowanych przez lasery zawierają się w przedziale 0,2 do 10 µm.

Zasada działania lasera Principal components: 1. Active laser medium 2. Laser pumping energy 3. Mirror (100%) 4. Mirror (99%) 5. Laser beam

Wymuszona emisja promieniowania W warunkach równowagi termodynamicznej występuje emisja spontaniczna – promieniowanie niespójne o różnych fazach. Największa liczba atomów znajduje się w stanie podstawowym o energii E1, mniejsza w stanie wzbudzonym E2>E1. Atomy te spontanicznie pozbywają się nadmiaru energii równego E2 – E1. W ośrodkach aktywnych laserów ma także miejsce emisja wymuszona. Jeżeli na atom w stanie E2 zostanie wyemitowany kwant o energii E2 – E1 to wyzwala on z tego atomu taki sam kwant promieniowania spójnego, poruszający się w identycznym kierunku. Prawdopodobieństwo zajścia rozważanego zjawiska można zwiększyć, wytwarzając w ośrodkach aktywnych laserów inwersję obsadzeń. Jest to przewaga liczebna atomów, jonów lub cząsteczek w wyższym stanie, uzyskana kosztem energii dostarczonej do układu w procesie zwanym pompowaniem.

Właściwości promieniowania laserowego Światło spójne Światło monochromatyczne Znikoma rozbieżność kątowa Duże powierzchniowe gęstości mocy promieniowania (odparowanie tkanki, nie termiczne rozerwanie wiązań chemicznych powstanie lotnych fragmentów (fotoablacja)) Głębokość wnikania promieniowania laserowego do wnętrza tkanek i skutki jego działania w określonym czasie zależą od długości fali, gęstości mocy oraz rodzaju tkanki

Oddziaływanie promieniowania laserowego na tkanki Promieniowanie laserowe: odbija się od tkanek, rozprasza się, przenika (transmisja) i ulega absorpcji. Przenikanie i absorpcja mają znaczenie terapeutyczne. Transmisja i absorpcja wywołują w tkankach efekty fotochemiczne, fototermiczne, oraz fotojonizacyjne.

Efekty fotochemiczne Wzrost szybkości wymiany elektrolitów między komórką a otoczeniem Działanie antymutagenne Przyspieszenie mitozy Zmiany struktur błon biologicznych Wzrost aktywności enzymów Zwiększenie syntesy ATP i DNA

Efekty biostymulacyjne Poprawa mikrokrążenia krwi Poprawienie angiogenezy Działanie immunomodulacyjne Wzrost amplitudy potencjałów czynnościowych włókien nerwowych Zwiększenie stężenia hormonów kinin i autokoidów Działanie hipokoagulacyjne

Zastosowanie laserów Metrologia – bardzo dokładne pomiary przemieszczeń i prędkości na małych dystansach, pomiary odległości na dużych dystansach dalmierze, niwelatory, pelengatory, dalmierze bombowe i celowniki. Informatyka – nośniki pamięci. Obróbka metali – cięcie, spawanie, obróbka powierzchniowa. Medycyna – chirurgia miękka, twarda, oka. Rehabilitacja.

Zastosowania laserów w medycynie i stomatologii Wiązka promieniowania laserowego pełni rolę narzędzia tnącego i koagulującego: przenikanie do chorych obszarów bez uszkodzeń warstw zewnętrznych, cięcie tkanek bez kontaktu z ich powierzchnią, skrócenie czasu zabiegu, ograniczenie krwawienia, możliwość operowania zainfekowanych tkanek, lepsze gojenie bo gładkie powierzchnie cięć, zmniejszenie liczby zakażeń, doskonalsze techniki endoskopowe W onkologii, dermatologii, ginekologii, chirurgia dużych naczyń, usuwanie zatorów miażdżycowych, rozbijanie kamieni w drogach moczowych Diagnostyka endoskopowa W stomatologii do znieczulania, leczenia błony śluzowej, zatrzymywanie krwawienia, leczenie ubytków próchniczych, stymulacja gojenia po ekstrakcji zębów

Obliczenie aplikowanej energii promieniowania laserowego timp P Pszcz tzab t Biostymulacyjne działanie promieniowania zależy od ilości energii pochłoniętej przez tkanki. Bezpośredni pomiar energii pochłoniętej jest niemożliwy. Oblicza się wartość energii wyemitowanej. Na przykład: laser generuje impulsy prostokątne o amplitudzie Pszcz z częstotliwością f i czasem trwania impulsu timp, czas zabiegu wynosi tzab. Oblicz wartość energii wyemitowanej E dla Pszcz=30 W, timp=200 ns, f = 1kHz E = Pszcz· timp· f· tzab=30W·200·10-9s·103Hz·600s=3,6J