ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 19.03.2024
Просмотров: 20
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
 | «С.Ж. АСФЕНДИЯРОВ АТЫНДАҒЫ ҚАЗАҚ ҰЛТТЫҚ МЕДИЦИНА УНИВЕРСИТЕТІ» КЕАҚ НАО «КАЗАХСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ С.Д.АСФЕНДИЯРОВА» | ||
| Биофизика курсымен қалыпты физиология кафедрасы | Әдістемелік нұсқаулық | Редакция: 1 | |
| 4 беттің 1 беті | |||
Тақырыбы: Лазерлер және олардың медицинада қолданылуы. Электрондық парамагниттік резонанс және оның медицина-биологиялық қолданылуы.
Мақсаты:
1. лазерлердің жұмыс жасау принципінің негіздері
2. кванттық электроника негізіндегі құбылыстармен танысу.
Тақырыптың негізгі сұрақтары
1.Спонтанды және индуцирленген сәуле шығару
2.Гелий-неон лазерінің инверстік шоғырлану деңгейі (гелий-неондық лампа мысалында)
3.Лазерлік сәуле шығарудың негізгі қасиеттері
4.Лазер сәулесін қолданудың жаңа мүмкіндіктері
5.Сәуле шығару көздері
6.Сәуле шығару түрлері
Қысқаша теория
Оптикалық кванттық генератор - лазер - ағылшын сөздерің бірінші әріптерінен құралған: (Light amplification by stimulated emission of radiation ) жарықты мәжбүрлі сәулелену арқылы күшейту қысқашасы) жылу, химиялық және т.б.) энергиясын когерентті, монохроматты, поляризацияланған және жіңішке бағытталған сәулелену ағынының энергиясына түрлендіруші аспап.
Оптикалық кванттық генераторлар (лазерлер) мәжбүрлі (индукцияланған) сәулелену арқылы жарықтың пайда болуына және күшеюіне негізделген. Егер атом қозған күйден сыртқы сәулеленудің (фотонның) әсерінен негізгі күйге ауысса
индукцияланған электромагниттік толқындардың сәулеленуі пайда болады. Фотонның қозған атоммен мұндай әрекеттесуі орын алуы мүмкін, егер фотонның энергиясы
қозған және негізгі күйлердегі атом энергиясының деңгейлерінің айырмашылығына тең болса. Бұл жағдайда фотонның атоммен әрекеттесуінен кейін атомнан екі фотон шығады – мәжбүрлі және мәжбүрлеуші, яғни жарықтың күшеюі болады. Мәжбүрлі сәулелену процесінде пайда болған жаңа фотон осы процесті мәжбүрлеуші фотонмен бірдей жиілік пен энергияға ие және сол бағытта таралады, яғни индукцияланған сәуле когерентті мәжбүрлі сәулелену болып табылады (сурет.1).
Фотондар затпен әрекеттескенде, мәжбүрлі сәулеленумен бірге фотондарды сіңіру процесі жүреді, онда зат атомдары негізгі күйден, қозған күйге өтеді. Қалыпты жағдайда заттағы қозбаған атомдар қозған атомдарға қарағанда едәуір көп, сондықтан фотондар затпен әрекеттескенде сіңіру процесі басым болады және жарықтың күшеюі болмайды. Зат қабаты арқылы өтетін жарықтың қарқындылығы (интенсивтілігі) Бугер заңы бойынша қабаттың қалыңдығына байланысты:
,Мұндағы:
-түсетін жарықтың қарқындылығы, -сіңіру көрсеткіші.Сәулелену когеренттілігі оптикалық кванттық генераторлардың барлық дерлік қасиеттерінде көрінеді. Лазерлердің сәулелену когеренттілігімен тығыз байланысты негізгі ерекшелігі – энергия концентрациясы-уақыт бойынша, спектрде, кеңістікте, таралу бағыттары бойынша концентрация.
Лазерлік сәулеленудің негізгі қасиеттері
Сәуле шығарудың когеренттілігі оптикалық кванттық генераторлардың барлық қасиеттерінде көрінеді. Лазерлердің сәулеленуінің негізгі қасиеті когеренттілігімен тығыз байланысты, негізгі сипаты энергияның шоғырлануы - уақыт бойынша, спектрде, кеңістікте, таралу бағыттары бойынша шоғырлану қабілеті болып табылады. Кейбір кванттық генераторлар үшін олардың сәулеленуінің монохроматтылығының өте жоғары дәрежесі тән. Басқа лазерлерде ұзақтығы 10-12с болатын өте қысқа импульстер шығарылады, сондықтан мұндай сәуле шығарудың жедел қуаты өте үлкен болуы мүмкін. Көптеген жағдайда оптикалық кванттық генератордан шығатын жарық шоғыры, жоғары бағытқа ие, дифракциялық құбылыстармен анықталады. Мұндай сәулеленуді аз алаңға шоғырландырып, үлкен жарықтандыру жасауға болады.
Лазерлер: рубинді, газды және жартылай өткізгішті болады. Қазіргі уақытта лазер сәулесі хирургияда тінді кесу және қан кетірмейтіндей ота жасау үшін залалсыздандырылған «жарық скальпелі» ретінде пайдаланылады. Лазер сәулесімен кескен жердегі орташа, ұсақ қан тамырлар дәнекерленеді және тек ірі қан тамырларды ғана байлау қажет. Лазерлік сәулені пигментті дақтарды, меңдерді және ісіктерді емдеу үшін пайдаланылады. Офтальмологияда көздің көруін жақсарту үшін лазерді пайдалану мүмкіндігі ұсынылады. Негізі, лазерлік сәулелену компьютердің және тәжірибелі офтальмохирургтің бақылауындағы ротациялық-сканерлеу жүйесінің көмегімен қасаң қабық немесе мөлдір қабыққа (роговица) беріледі. Бұл оның абляциясын (қасаң қабықтың бір бөлігінің булануын) тудырады, бұл қасаң қабықты модификациялауға және көздегі бейненің шоғырлануын қалыпқа келтіруге мүмкіндік береді, яғни жақыннан көргіштік, алыстан көргіштік немесе астигматизм.
Қозған атомдар және молекулалар люминесценция фотонын шығара алады. Мұндай сәуле шығару спонтанды деп аталады және олар уақыты, бағыты, жиілігі бойынша хаосты (2а-сурет). Еріксіз немесе индуцирленген сәуле шығару басқа қасиеттермен сипатталады (2б-сурет). Ол фотонның қозған молекуламен өзара әсерінен пайда болады, егер фотон энергиясы энергетикалық деңгейлердің айырымына тең болса. Мәжбүрлі сәулелену кезінде секундына өтулер саны фотондар санына пропорционал, яғни мәжбүрлеуші жарықтың қарқындылығына тәуелді. Сонымен қатар, мәжбүрлі өтулер сәйкес энергетикалық күйлердің орнығуымен анықталады.
а) б) в)
2-сурет
2-суретте молекулалардың энергетикалық деңгейлерде Больцман таралуы бойынша таралуы көрсетілген.
Электромагниттік толқындарды күшейтуді белсенді ортаны таңдау арқылы жүзеге асыруға болады (инверстік орнығу). Инверстік орнығу күйін жоғары энергетикалық күйлерден бөлшектерді алу арқылы немесе бөлшектерді арнайы қоздыру арқылы мысалы жарықпен немесе электр зарядымен жасауға болады. Еріксіз сәуле шығаруды жарық кванттық генераторларда (күшейткіштерде) қолданады. Гелий-неондық лазерде сәуле шығарушылар неон атомдары ал гелий атомдары көмекші роль атқарады. 3- суретте гелий және неон атомдарының энергетикалық деңгейлері көрсетілген. Электрлік зарядта неон атомдарының бір бөлігі 1 негізгі деңгейден 3 қозған күйге өтеді. Таза неон үшін бұл деңгейдегі өмір сүру уақыты аз, сондықтан қозған атомдар 1 немесе 2 күйге тез өтеді, яғни іс жүзінде Больцман таралуы орындалады. Инверстік орнығу үшін 3 деңгейдің орнығуын көбейтіп және 2 деңгейдікін азайту қажет.
-
Сурет
Гелий атомдары 3 деңгейдің орнығуына жағдай жасайды. Гелийдің бірінші қозған деңгейі 3 неон деңгейімен сәйкес келеді, сондықтан гелийдің қозған атомы неонның қозбаған атомымен соқтығысқанда энергия беріледі. 2 деңгейді босату үшін газ разрядтық құбырдың өлшемін неон атомы қабырғалармен соқтығысқанда 2 деңгейден 1 деңгейге өтуде энергия беруі қажет. Осылай неонның 2 және 3 деңгейлерінің инверстік мекендеуі жүзеге асады.
Гелий-неондық лампаның негізгі конструкциясы газ разрядтық құбыр, кварцтік, диаметрі шамамен 7 мм (4 сурет). Құбырда шамамен 150 Па қысымда гелий және неон қоспасы бар (гелий неоннан 10 есе көп). Құбырға электродатар жалғанған (газ заряды жүзеге асады). Құбыр соңында параллель 4 және 5 айналар орналастырылған, 5 жартылай мөлдір. Мәжбүрлі сәуле шығару нәтижесінде пайда болған фотондар қозғалыс бағытына байланысты құбырдың қабырғаларынан ұшып шығады немесе айналардан көп рет шағылып, өздері мәжбүрлі өтулер тудырады. Сонымен айналарға перпендикуляр сәуле максимал күшейеді, сондықтан тек лазер осінде жіңішке қарқынды сәуле қалыптасады, 5 жартылай мөлдір айнадан шығады.
4-сурет
Алғашқы лазерлік қондырғылар пайда болғаннан бері жарты ғасырдан астам уақыт өтті. Кванттық электроника ғылым мен техниканың басым бағыттарының біріне айналды. Лазерлік технологиялардың қарқынды дамуы оларды ғылым мен техниканың барлық бағыттарына, оның ішінде биологиялық пәндер мен медицинаға жаңалықтар әкелді. Медицинада лазерлерді қолданудың бірнеше негізгі салаларын атап өтуге болады:
-
Лазеротерапия: жасуша деңгейінде төмен интенсивті лазерлермен сәулеленуі кезінде фотобиологиялық стимуляция, жасушалардың энергетикалық балансын жақсарту, қабынуға қарсы, трофика-регенераторлық, анальгетикалық және десенсибилизациялық әсерлерді алу мақсатында әртүрлі органдар мен тіндердің лазерді рефлексотерапевт құралы ретінде қолдану. -
Фотосенсибилизатор көмегімен боялған зақымдалған ұлпаларды лазерлік сәулелермен сәулелендіру барысында пайда болатын қайтымсыз зақымдау принцптеріне негізделген терапия фотодинамикалық терапия деп аталады. -
Қуатты лазерлер офтальмология, оториноларингология, урология, косметология және медицинаның басқа да салаларында хирургиялық құрал ретінде пайдаланады. Лазерлік сәуле тіндердегі: коагуляция, вапоризация немесе абляция сияқты қайтымсыз өзгерістерге әкеледі. -
Инвазивті емес диагностиканың ауқымды бағыты: лазерлік флуоресценттік талдаудың әртүрлі әдістері; оптикалық когерентті томография - офтальмологиялық және рак ауруларын диагностикалаудың перспективті әдісі. Лазерлік спектрлік талдау: гастроэнтерологиялық ауруларды, өкпе ауруларын, эндокриндік жүйені және т.б. молекула-биомаркерлерді (мысалы, дем алатын ауада) диагностикалау үшін қажет.
Электрондық парамагниттік резонанс
Электрондық парамагниттік резонанс - тұрақты магниттік моментке ие болатын, құрамында бөлшектері (атомдары, молекулалары, иондары) бар жүйенің өзіне электромагниттік өріс энергиясын резонансты сіңіру кұбылысы. Мұндайда кеңістікте әр түрлі бағыттағы магниттік моментімен байланысқан энергетикалық деңгейлері арасында энергияның сіңірілуі индукцияланады. Парамагниттік атомдар мен иондардың магниттік кіші деңгейлері арасындағы кванттық өтулерге негізделген (Зееман эффекті). ЭПР спектрлері, негізінен, аса жоғары жиіліктер диапазонында (АЖЖ) байқалады. Электрондық парамагниттік резонанс әдісі жергілікті магнит өрістерінің болуына байланысты ЭПР спектрлерінде көрінетін әсерлерді бағалауға мүмкіндік береді. Өз кезегінде жергілікті магнит өрістері зерттелетін жүйедегі магниттік өзара әрекеттің көрінісін көрсетеді. Осылайша, спектроскопияны ЭПР әдісі парамагниттік бөлшектердің құрылымын да, сондай-ақ парамагниттік бөлшектердің қоршаған ортамен әрекеттесуін де зерттеуге мүмкіндік береді.
ЭПР спектрометр спектрлерді тіркеуге және сұйық, қатты немесе ұнтақ тәрізді фазадағы парамагниттік заттар үлгілері спектрлерінің параметрлерін өлшеуге арналған. Ол ғылым, техника және денсаулық сақтаудың әртүрлі салаларында ЭПР әдісімен заттарды зерттеуде: мысалы, медицинада оларға енгізілген спиндік зондтардың спектрлері бойынша биологиялық сұйықтықтардың функционалдық сипаттамаларын зерттеу үшін, радикалдарды табу және олардың концентрациясын анықтау үшін, материалдардағы молекула ішілік жылжымалылықты зерттеуде, ауыл шаруашылығында, геологияда пайдаланылады. Электрондық парамагниттік резонанс әдісі: плазманы, эритроциттерді, сілекейді, мұрын қуысын, асқазан құрамын, өт, синовиальды сұйықтықты (буын аралық сұйықтық), үстіңгі жақ сүйектің кистасы (өсінді) сондай-ақ жүректің ишемиялық ауруымен ауыратын науқастарды зерттеу үшін қолданылады темір тапшылығы анемиясы, асқазан мен ішектердегі жара ауруы, ревматоид артриті және деформациялаушы остеоартрозы, перитонитпен ауыратын жоғарғы тыныс алу жолдарының зақымдануында қолданылады.