Fale elektromagnetyczne,

zasada działania lasera,

wykorzystanie lasera w

medycynie

Warszawa, 19 listopada

2009

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

częstotliwość [Hz]

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.

Promieniowanie

• Promieniowanie to rozprzestrzenianie się

energii

• Energia może się rozchodzić jako fala i w

postaci poruszającej się cząsteczki

• Energia fali – to promieniowanie falowe

• Energia cząstki - to promieniowanie

cząsteczkowe (korpuskularne). Zalicza się

tutaj promieniowanie złożone z cząstek alfa,

beta lub neutronów.

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.

Wilhelm Conrad Röntgen (1845-

1923) fizyk niemiecki, laureat

Nagrody Nobla

Studiował inżynierię w Holandii, 1888 -
został profesorem w Instytucie Fizyki w
Würzburgu, 1895 - odkrył nowy typ
promieniowania, które nazwał
promieniowaniem X (x – niewiadoma),
1901 został uhonorowany pierwszą
nagrodą Nobla z dziedziny fizyki.

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 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 =wR·D

• 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

H

jest to suma

dawek równoważnych pochodzących od

zewnętrznego i wewnętrznego narażenia

uwzględniająca współczynniki wagowe tkanek i

narządów, obrazująca narażenie całego ciała.

• E

H

= Σ

T

w

T

H

T

• gdzie:
• w

T

- współczynnik wagowy narządu lub tkanki,

• H

T

równoważnik dawki pochłoniętej dla danej 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