Fale elektromagnetyczne,
zasada działania lasera,
wykorzystanie lasera w
medycynie
Warszawa, 19 listopada 2007
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
x
T
t
A
y
2
sin
0
f
v
vT
1
y – wychylenie od położenia równowagi
[m]
A
0
– amplituda wychyleń z położenia
równowagi [m]
t – czas [s]
T – okres [s]
x – odległość od źródła fali [m]
λ – długość fali [m]
f – częstotliwość [Hz]
ω – częstość kątowa [rad/s]
v – prędkość rozchodzenia się fali [m/s]
2
1
T
f
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:
0
0
1
c
ε
0
– przenikalność elektryczna
próżni
µ
0
- przenikalność magnetyczna
próżni
Prędkość rozchodzenia się
fali elektromagnetycznej
• c = 2,9979·10
8
m/s ≈ 3·10
8
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
Fa
le
o
c
zę
st
o
tl
iw
o
śc
ia
ch
a
ku
st
y
cz
n
y
ch
Fale radiowe
Fa
le
r
a
d
io
w
e
d
łu
g
ie
Fa
le
r
a
d
io
w
e
ś
re
d
n
ie
Fa
le
r
a
d
io
w
e
k
ró
tk
ie
Fa
le
r
a
d
io
w
e
u
lt
ra
kr
ó
tk
ie
Mikrofale
Pr
o
m
ie
n
io
w
a
n
ie
w
id
zi
a
ln
e
Pod-
czerwień
Nad-
fiolet
Promienie
Röntgena
Promienie γ
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
•λ 380 – 780 nm
•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
• I
0
– natężenie promieniowania padającego
• d – grubość absorbentu
• µ - współczynnik osłabienia
d
e
I
I
0
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
WIELKOŚCI OPISUJĄCE
PROMIENIOWANIE
według http://samorzad.ftj.agh.edu.pl/energetyka/node/6
• Aktywność
• Dawka pochłonięta
• Dawka równoważna
• Dawka skuteczna (efektywna)
• Dawka skuteczna obciążająca
• Dawka skuteczna kolektywna
Aktywność
• Aktywność jest parametrem konkretnego
źródła promieniotwórczego. Opisuje ona ilość
rozpadów jakie zachodzą w danym materiale
w jednostce czasu. Jednostką aktywności
promieniotwórczej jest bekerel [Bq]
(jednostka układu SI). Starą jednostką jest
kiur. 1Ci = 3,7*1010 Bq. Bekerel jest małą
jednostką, która mówi, że zachodzi jeden
rozpad na sekundę. Dlatego używa się jej
wielokrotności jak giga bekerel [GBq] czy
terabekerel [TBq], gdzie giga to 10
9
; tera -
10
12
.
Dawka pochłonięta
• Dawka pochłonięta D mówi o średniej
energii, jaką traci przechodzące przez
pochłaniający je ośrodek promieniowanie,
przypadająca na jednostkę masy. Ośrodkami
pochłaniającymi może być na przykład
ludzkie ciało, ściana, podłoga, woda. Ilość
pochłoniętej energii zależy od rodzaju
ośrodka. Jednostką dawki pochłoniętej jest
grej [Gy], który wyraża się jako dżul na
kilogram J/kg, gdzie dżul jest jednostką
energii. Dawniej używało się jednostki rad
[rd], gdzie 1rd = 1cGy, centy c=10
-2
.
Równoważnik dawki
• Równoważnik dawki H jest to dawka pochłonięta w
tkance lub narządzie, która jednocześnie uwzględnia
rodzaj i energię promieniowania jonizującego. Określa
się ją wzorem:
• HT=wRD
• gdzie:
• D - dawka pochłonięta uśredniona w tkance lub
narządzie
• wR - współczynnik wagowy promieniowania,
charakterystyczny dla danego rodzaju promieniowania
• Jednostką dawki równoważnej jest Sievert [Sv]. Warto
tu zaznaczyć, że siwert jest jednostką wszystkich
dawek określających narażenie żywego organizmu.
Widzimy że współczynnik wR powoduje, że przy tej
samej dawce pochłoniętej dawki równoważne różnią
się między sobą w zależności od wartości, którą
przyjmuje dla rozpatrywanego promieniowania.
Dawka skuteczna
• Dawka skuteczna (efektywna) E jest to suma
dawek równoważnych pochodzących od
zewnętrznego i wewnętrznego narażenia
uwzględniająca współczynniki wagowe tkanek i
narządów, obrazująca narażenie całego ciała.
• E=w_{T1}H_{1}
• gdzie:
• wT1 - współczynnik wagowy narządu lub tkanki.
• Widzimy stąd, że dawka skuteczna pokazuje, że
różne tkanki posiadają różną promieniowrażliwość.
Najbardziej promieniowrażliwe są: szpik kostny
czerwony oraz gonady, najmniej np. skóra.
Dawka skuteczna
obciążająca
• Dawka skuteczna obciążająca
definiowana jest przy napromienieniu
wewnętrznym, które spowodowane
zostało wchłonięciem długożyciowego
radionuklidu drogą pokarmową lub
oddechową. Określa się ją dla
zanikającego dla danego terenu
skażenia lub spożywanej skażonej
żywności. Jednostką jest tak jak
poprzednio Siwert [Sv].
Dawka skuteczna
• Dawka skuteczna kolektywna
pokazuje zagrożenie całej populacji, która
poddana została działaniu
promieniowania. Powstaje przy
przemnożeniu liczby członków grupy
napromienionej przez średnią dawkę
efektywną, jaką ta grupa otrzymała.
Następnie sumuje się wszystkie grupy
napromienionej populacji. Jednostką jest
więc osobosiwert [osSv].
Skutki działania promieniowania
jonizującego
• Promieniowanie oddziałując z ludzkim ciałem powoduje wzbudzenia
atomów i molekuł. Wzbudzone atomy i biologicznie czynne molekuły
mogą zmieniać swoje właściwości, a często stracić specyficzną
biologiczną czynność. Zmiany takie powodują zaburzenie funkcji
życiowych komórki a co często następuje również zaburzyć pracę
całego organizmu. Niebezpieczne są zmiany zachodzące w obrębie
DNA człowieka, które poprzez utratę funkcji niektórych genów mogą
prowadzić do zmian nowotworowych. Zmiany te w trakcie życia
mogą występować tylko u jednego osobnika, jeśli zmieniona została
komórka organizmu nie będąca komórką płciową lub dziedziczna,
jeśli zmiana jest w obrębie komórek płciowych. Jeżeli opisujemy
skutki promieniowania w obrębie komórki, których wystąpienie
wiąże się z pewnym rozkładem prawdopodobieństwa, tj. funkcji
mówiącej jak bardzo możliwe jest wystąpienie danego skutku, to są
to skutki stochastyczne. Zakłada się tu, że skutki te nie mają progu
występowania, a wzrastają proporcjonalnie do otrzymanej dawki.
Gdy zniszczeniu ulegnie zbyt duża liczba komórek w narządzie, to
może on zostać pozbawiony swojej funkcji na stałe lub gdy nie
utraci zdolności do reprodukcji tylko przejściowo. Jeżeli wystąpią
nieodwracalne zmiany w ważnych narządach to może to
doprowadzić do śmierci osobnika. Efekty takie zazwyczaj posiadają
pewien próg dawki po którym występują i nazywany je
deterministycznymi.
Skutki stochastyczne
• Nowotwory złośliwe: białaczki ( po
około 4 latach od napromienia), rak
płuc, nowotwory kości, nowotwory
skóry, raki tarczycy,
• Skutki genetyczne: mutacje genowe,
aberracje chromosomowe.
Skutki deterministyczne
• Choroba popromienna (umownie przy dawkach powyżej 1
Gy) w postaci:
– homepoetycznej wynika z zaburzenia pracy szpiku
kostnego, spadek ilości limfocytów oraz granulocytów.
Obserwuje się spadek krzepliwość krwi oraz odporności
organizmu
– Jelitowa zniszczenie komórek macierzystych jelita,
owrzodzenia, perforacje jelita, krwawienie, zaburzenia
wchłaniania (ok. 10 Gy) ciężki stan.
– Mózgowa: powyżej 10 Gy uszkodzenie Centralnego
Układu Nerwowego, zaburzenia neurologiczne, śpiączka,
ostatecznie śmierć po kilku dniach.
– Molekularna: 500Gy natychmiastowa śmierć,
uszkodzeniu ulegają enzymy lub następuje uszkodzenie
funkcji elektrycznych serca przez indukcję ładunków.
• katarakta: chroniczne narażenie lub dawka jednorazowa.
• bezpłodność: dawka 2-3 Gy podana na gonady.
• zmiany skórne. źródła promieniowania jonizującego
DAWKI NAPROMIENIOWANIA
Laser
• L
ight
A
mplification by
S
timulated
E
mission
of
R
adiation (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 E
1
, mniejsza w stanie
wzbudzonym E
2
>E
1
. Atomy te spontanicznie pozbywają się
nadmiaru energii równego E
2
– E
1
. W ośrodkach aktywnych
laserów ma także miejsce emisja wymuszona. Jeżeli na
atom w stanie E
2
zostanie wyemitowany kwant o energii E
2
– E
1
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
P
t
P
szcz
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 P
szcz
z częstotliwością f i czasem trwania
impulsu t
imp
, czas zabiegu wynosi t
zab
.
Oblicz wartość energii wyemitowanej E dla P
szcz
=30 W,
t
imp
=200 ns, f = 1kHz
E = P
szcz
·
t
imp
·
f· t
zab
=30W·200·10
-
9
s·10
3
Hz·600s=3,6J
t
zab
t
im
p