Глава V. КВАНТОВАЯ ФИЗИКА

§ 10. Лазеры и их применение в медицине и ветеринарии

Квантовый генератор, усиливающий оптическое излучение (свет), получил название лазер. Для возникновения лавины идентичных фотонов необходима среда, в которой возбужденных атомов больше, чем невозбужденных, поскольку при взаимодействии фотонов с невозбужденными атомами происходило бы поглощение фотонов. Такая среда называется средой с инверсной населенностью уровней энергии. Создание такой среды называется «накачкой». Например, в твердотельном рубиновом лазере возбуждение атомов происходит от мощной вспышки ксеноновой лампы. Трехуровневые системы, предназначенные для использования в оптическом диапазоне, работают по схеме рис. 20. Излучение накачки переводит атомы из состояния с энерги-

E3

E1

накачка

заселение рабочего уровня

E2	рабочий переход

Рис. 20

ей Е1 в состояние с энергией Е3. Из этого состояния атомы переходят в промежуточное состояние с энергией Е2. Таких атомов становится все больше, и их число со временем начинает превышать число атомов в состоянии с энергией Е1. То есть населенность второго уровня увеличивается и со временем начинает превышать населенность первого. В этой среде первый же фотон, родившийся в результате спонтанного (самопроизвольного) излучения, вызовет нарастающую лавину идентичных ему фотонов. Произойдет усиление спонтанного излучения, и появится световой луч.

Лазерное излучение обладает следующими свойствами.

Высокая монохроматичность излучения: относительный разброс длин волн в лазерном луче Δλ/λ ~ 10–10. Другими словами лазер излучает свет практически одной длины волны или одной частоты.

Очень малое угловое расхождение в пучке. Специальной фокусировкой удается получить угол расходимости луча менее 10–4 рад. Это очень маленький угол: луч лазера, направленный с Земли, создаст на Луне пятно диаметром в несколько километров. Луч обычного прожектора осветил бы поверхность диаметром в десятки тысяч километров.

Большая мощность лазерного излучения. Так, энергия импульса руби-

нового лазера (красный луч) около 1 Дж, а длительность импульса 10–3 с. Поэтому мощность излучения такого лазера порядка 1 кВт. Есть и более мощные лазеры ~ 108 Вт.

Со времени изобретения лазера были выявлены уникальные возможности его применения в биологии, терапии и хирургии. Тончайший лазерный луч диаметром всего в несколько микрон, обладающий большой интенсивно-

34

стью, дает возможность «тонкого вмешательства» в клеточные и субклеточные процессы. Избирательно облучая участки яйцеклетки, можно изменять направление развития зародыша. Облучая определенные участки хромосом, можно управлять наследственностью. Лазер позволяет изучить внутриклеточную локализацию биохимических соединений, распределение поглощенных клеткой веществ, провести сравнение клеток, находящихся в разных физиологических состояниях, а также выявить особенности патологических изменений в клетках, например, опухоли.

Лазеры, работающие в красной или инфракрасной областях спектра, оказывают прогревающее действие и используются в терапии. Для этой цели используют низкоинтенсивные гелий-неоновые или полупроводниковые лазеры. Мощность излучения таких лазеров не превышает 60 мВт. Некоторые лазеры имеют магнитные насадки для магнитолазерной терапии.

Все большее применение лазеры находят в медицинской и ветеринарной хирургической практике. Уже через несколько лет после появления лазеров в хирургии начали применять лазерный скальпель, для которого используют лазеры непрерывного действия мощностью в несколько десятков ватт. Скальпель представляет собой заключенный в гибкую трубку световод, позволяющий направлять лазерный луч в любом направлении. Луч быстро нагревает и испаряет участок ткани, на который он сфокусирован. Глубина разреза зависит от вида ткани, но в среднем она 2-3 мм. Более глубокие разрезы проводят в несколько приемов. Лазерный скальпель по линии разреза сразу же заваривает кровеносные сосуды, что делает операционное поле почти бескровным, обеспечивает стерильность, так как не касается ткани и приводит к гибели микроорганизмов в области разреза. Существенно, что лазерный скальпель не оказывает на ткань механического давления, а это уменьшает болезненность операции. Лазерный скальпель используют и для сшивания тканей. Таким образом, одним и тем же скальпелем можно сначала рассечь участок ткани, а затем, расфокусировав луч, заварить края раневого отверстия. Гибкие световоды, по которым луч света передается от генератора к оперируемому органу, позволяют иногда проводить операции без вскрытия брюшной полости или грудной клетки введением лазерного скальпеля, к примеру, через пищевод.

Лазерные операции стали широко применять на желудочно-кишечном тракте, на сердце, в нейрохирургии при иссечении некоторых злокачественных опухолей. В онкологии лазерное излучение используют для лечения меланом1 и ангиом2. Эти опухоли пигментированы, поэтому поглощают лазерное излучение интенсивнее окружающих тканей. При определенном подборе дозы излучения происходит некроз3 опухолевой ткани, тогда как окружаю-

1Злокачественная опухоль, преимущественно кожи.

2Доброкачественная опухоль из кровеносных (гемангиома) или лимфатических (лимфангиома) сосудов.

3Омертвение ткани под влиянием нарушения кровообращения (инфаркт), химического или термического воздействия (ожог, отморожение), травмы и др. В данном случае эффект термический – локальный ожог.

35

щая ее здоровая ткань остается неповрежденной. Особенно хорошо поддаются лечению этим методом кожные опухоли: рак кожи излечивается лазером в 97% случаев. Этот метод используется также для лечения склеротических бляшек в кровеносных сосудах, камней в почках и т.д.

Впервые хирургическое применение лазер нашел в офтальмологии для внутриглазных операций, поскольку хрусталик и стекловидное тело почти прозрачны для красного света, тогда как пигментированная сетчатка хорошо поглощает его. Особенно эффективным оказалось использование лазерного луча при лечении отслоения сетчатки от глазного дна. Лазерный луч, сфокусированный в определенном месте сетчатки, вызывает точечный ожог, в результате чего сетчатка «приваривается» к глазному дну. Лазерную микрохирургию используют также для лечения глаукомы, сущность которой заключается в том, что внутриглазная жидкость перестает выводиться из глаза. Это приводит к росту внутриглазного давления, болям, ухудшению зрения и слепоте. Лечение глаукомы возможно путем создания отверстий в радужной оболочке. Лазер пробивает, а не прожигает, отверстия за счет механического давления излучения (здесь фотоны ведут себя как поток частиц с определенным импульсом). Поэтому интенсивность излучения для этой операции

должна быть больше, чем для прожигания, а время действия значительно меньше – до 10–7 с.

Заканчивая речь о лазерах, отметим, что обращаться с ними нужно в высшей степени осторожно (даже с очень маломощными в несколько мВт)!

Попадание в глаз лазерного луча мгновенно вызывает ожог сетчатки: полное необратимое разрушение светочувствительных нервных клеток (палочек и колбочек). Кроме того, при проведении терапевтических процедур нужно строго регулировать интенсивность излучения. В случае превышения интенсивности лазерное излучение может нарушить химические связи в молекулах, что приводит к нарушениям протекания биологических процессов в связи с образованием свободных радикалов. Они в свою очередь обусловливают мутации, возникновение некоторых форм рака, биологическое старение. Мощное лазерное излучение вызывает сильный ожог ткани.

§ 11. Рентгеновское излучение и его применение в диагностической практике

Рентгеновским излучением называют электромагнитные волны с дли-

			катод		анод					ной от 100 до 10–5 нм.
–						+				Наиболее распространенным
										искусственным источником рентге-
										новского излучения является рент-
		поток								геновская трубка,	представляющая
					рентгеновское					собой вакуумный	баллон с двумя
		электронов
					излучение					электродами, рис.	21. Раскаленная

электрическим током спираль като-

Рис. 21

36

да испускает электроны. Электроны, ускоренные внешним электрическим полем между электродами, с большой скоростью попадают на анод (антикатод) и тормозятся в нем при взаимодействии с атомами вещества анода. При резком торможении электроны излучают электромагнитные волны с очень маленькой длиной1. Это и есть рентгеновское излучение. Его называют тормозным. Кроме того, быстрые электроны проникают вглубь атома и с внутренних уровней выбивают электроны. На свободные места приходят электроны с верхних уровней, в результате чего излучаются фотоны рентгеновского излучения. Это излучение называют характеристическим. Так что излучение рентгеновской трубки содержит и тормозное, и характеристическое излучение. Спектр тормозного излучения сплошной, спектр характеристического излучения линейчатый (дискретный).

Поэтому при большом напряжении на рентге-					W
новской трубке на фоне сплошного спектра		8				15,2→	37,2→
появляется линейчатый, рис. 22. На этом ри-
сунке при напряжении на трубке 35 кВ при-	Интенсивность	6			Mo
ведены экспериментальные кривые спек-
трального распределения энергии рентгенов-		4				Cr
ского излучения в случае анодов из вольфра-
ма, молибдена и хрома. За меру интенсивно-		2
сти излучения принят ток в ионизационной
камере. В случае молибдена, наряду со
сплошным излучением, возбуждаются две		0
					0,05		0,07		λ, нм
линии характеристического излучения с дли-		0,03
					Рис. 22
нами волн примерно 0,063 и 0,071 нм.

Рентгеновское излучение активно применяется в медицине и ветеринарии. Один из важнейших методов – рентгенодиагностика – просвечивание внутренних органов с диагностической целью. Для диагностики используют мягкое рентгеновское излучение с длиной волны порядка 10-20 нм.

Как и любые другие электромагнитные волны, рентгеновские лучи, проходя через вещество, поглощаются атомами или молекулами этого вещества, и интенсивность излучения постепенно уменьшается. Разные вещества по-разному поглощают это излучение: одни сильнее, другие слабее. Сущест-

венное	различие	поглощения
рентгеновского излучения разны-
ми тканями позволяет в теневой
проекции	видеть	изображение
внутренних органов		человека	и
животных. Проходя через разные
ткани, рентгеновские лучи по-
разному засвечивают фотопленку:				Рис. 23
там, где	поглощение слабое		–

1 Любая заряженная частица, движущаяся с ускорением, излучает электромагнитную волну.

37