Распределение энергии при лазерном облучении биотканей

Цель лазерного облучения — ввести энергию излучения в локальный объём ткани и стимулировать в нём требуемые фотохимические и тепловые процессы, дающие благоприятный медицинский эффект. Очевидно, что чем большая доля энергии излучения поглощается в выделенном объёме ткани, тем совершеннее лазерная медицинская процедура. Для решения задачи целевой доставки энергии к локальному объёму лазерное излучение не имеет альтернативы. Однако следует учитывать, что значительная часть энергии света отражается, рассеивается, или проходит сквозь целевой участок ткани. На рисунке 1.1 схематично изображены процессы перераспределения световой энергии падающего луча. При попадании излучения на поверхность ткани примерно 4% энергии излучения зеркально отражается согласно закону Френеля. Оставшаяся часть излучения преломляется на шероховатостях поверхности и распространяется в конусе, который расширяется по мере прохождения луча к цели. Поскольку биологическая ткань обычно является оптически неоднородной, то излучение претерпевает множество актов рассеяния, при которых фотон меняет своё направление, не теряя энергию. Из-за актов рассеяния фотоны случайно блуждают в объёме биоткани, или другими словами, диффузно рассеиваются.

Рисунок 1.1 — Распространение света при облучении биотканей

Некоторые фотоны после многократного рассеяния выходят обратно из ткани под случайными углами. Это так называемый диффузно отражённый свет. Он спектрально зависим. Доля энергии диффузно отражённого света может достигать 30−40% от энергии падающего луча.

Рассеянные фотоны постепенно удаляются о оси пучка, но в среднем они сохраняют её направление и формируют ореол вокруг конуса основного пучка. Размер этого ореола и доля энергии, которая в нём содержится, в значительной степени зависят от оптических свойств биоткани и от поперечного диаметра пучка света. Чем меньше интенсивность пучка, тем большая доля фотонов будет в ореоле. Таким образом, эффективность лазерного облучения зависит не только от оптических свойств ткани, но и от геометрических размеров лазерного пучка. При воздействии на поверхностный слой ткани широким пучком света роль этого эффекта незначительна.

Наиболее важным эффектом, в результате которого лазерная энергия переходит в биоткань, является поглщение. Оно происходит при возбуждении электронных, колебательных, вращательных состояний поглощающих молекул (хромофоров), входящих в состав биотканей.