Физико-химические аспекты воздействия лазерного излучения на человека

Представляется интересным понять физико-химические аспекты воздействия лазерного излучения на человека. Физико-химические основы взаимодействия низкоэнергетического лазерного излучения с биообъектом Биомеханизм лазерной терапии весьма сложен и до конца не изучен. Воздействие на живой организм низкоэнергетическим лазерным излучением с лечебной целью относится к методам физической терапии. Однако, до сих пор еще не разработана общая теория физиотерапии.

Попытки клиницистов создать рабочие схемы механизма терапевтического действия низкоэнергетического лазерного излучения сводятся в основном к систематизации изменений параметров гомеостаза, что, вероятно, является лишь следствием, притом неспецифическим, этого воздействия. Как уже отмечалось, в настоящее время преобладает эмпирический подход к разработке новых методов лазерной терапии. Это связано с отставанием теоретического и экспериментального обоснования механизма взаимодействия лазерного излучения с биообъектом, с недостаточным знанием клиницистами основ физики и биофизики.

Лишь опираясь на физико-химические явления и соответствующие их законы и понятия, можно с определенной долей достоверности построить теоретическую модель этого механизма и определить основные направления экспериментального ее подтверждения, что позволит более полно обосновать патогеническую направленность лазерной терапии и оптимальные дозы воздействия при той или иной патологии. Во всех фотобиологических процессах энергия света необходима для преодоления активационных барьеров химических превращений.

Эти процессы включают следующие стадии: поглощение света тканевым фото сенсибилизатором и образование электронно- возбужденных состояний миграции энергии электронного возбуждения, первичный фотофизический акт и появление первичных фото продуктов промежуточной стадии, включающей перенос заряда, образование первичных стабильных химических продуктов, физиолого-биохимические процессы, конечный фотобиологический эффект. При воздействии лазерным лучом на биообъект часть излучения в соответствии со свойствами облучаемой поверхности отражается, другая часть поглощается. Первыми на пути проникновения лазерного излучения в биообъект лежат кожные покровы.

Коэффициент отражения кожей электромагнитных волн оптического диапазона достигает 43-55% и зависит от различных причин: охлаждение участка воздействия снижает значение коэффициента отражения на 10-15%; у женщин он на 5-7% выше, чем у мужчин, у лиц старше 60 лет, ниже по сравнению с молодыми: увеличение угла падения луча ведет к возрастанию коэффициента отражения в десятки раз. Существенное влияние на коэффициент отражения оказывает цвет кожных покровов: чем темнее, тем этот параметр ниже; так на пигментированные участки он составляет 6-8%.

Глубина проникновения низкоэнергетического лазерного излучения в биообъект зависит, в первую очередь, от длины электромагнитной волны. Экспериментальными исследованиями установлено, что проникающая способность излучения от ультрафиолетового до оранжевого диапазона постепенно увеличивается от 1-20 мкм до 2,5 мм, с резким увеличением глубины проникновения в красном диапазоне (до 20-30 мм), с пиком проникающей способности в ближнем инфракрасном (при длине волны = 950 нм - до 70 мм) и резким снижением до долей миллиметра в дальнем инфракрасном диапазоне. Максимум пропускания кожей электромагнитного излучения находится в диапазоне длинных волн от 800 до 1200 нм.

Поглощение низкоэнергетического лазерного излучения зависит от свойств биологических тканей. Так в диапазоне длин от 600 до 1400 нм кожа поглощает 25-40% излучения, мышцы и кости - 30-80%, паренхиматозные органы (печень, почки, поджелудочная железа, селезенка, сердце) - до 100. В механизме лечебного действия физических факторов имеются несколько последовательных фаз, и первая из них - поглощение энергии действующего фактора организмом как физическим телом. В этой фазе все процессы подчиняются физическим законам.

При поглощении световой энергии возникают различные физические процессы, основными из которых являются внешний и внутренний фотоэффекты, электролитическая диссоциация молекул и различных комплексов. При поглощении веществом кванта света один из электронов, находящийся на нижнем энергетическом уровне на связывающей орбитали, переходит на верхний энергетический уровень и переводит атом или молекулу в возбужденное (синглетное или триплетное) состояние. Во многих фотохимических процессах реализуется высокая реакционная способность триплетного состояния, что обусловлено его относительно большим временем жизни, а также бирадикальными свойствами.

При внешнем фотоэффекте электрон, поглотив фотон, покидает вещество. Однако эти проявления при взаимодействии света с биообъектом выражены весьма незначительно, поскольку в полупроводниках и диэлектриках (ткани организма являются таковыми) электрон, захватив фотон, остается в веществе и переходит на более высокие энергетические уровни (в синглетное или триплетное состояние). Это и есть внутренний фотоэффект, основными проявлениями которого являются изменения электропроводимости полупроводника под действием света (явление фотопроводимости) и возникновение разности потенциалов между различными участками освещаемого биообъекта (возникновение фотоэлектродвижущей силы - фотоЭДС).

Эти явления обусловлены фоторождением носителей заряда - электронов проводимости и дырок. В результате перехода в возбужденное состояние части атомов или молекул облучаемого вещества происходит изменение диэлектрической проницаемости этого вещества (фотодиэлектрический эффект). Фотопроводимость бывает концентрационной, возникающей при изменении концентрации носителей заряда, и подвижной. Последняя возникает при поглощении фотонов с относительно низкой энергии и связана с переходами электронов в пределах зоны проводимости.

При таких переходах число носителей не изменяется, но это изменяет их подвижность. Внутренний фотоэффект, проявляющийся в возникновении фото-ЭДС, бывает несколько видов, основные из которых:

1. Возникновение вентильной (барьерной) фото-ЭДС в зоне перехода.

2. Возникновение диффузной фото-ЭДС (эффект Дембера).

3. Возникновение фото-ЭДС при освещении полупроводника, помещенного в магнитное поле (фотомагнитоэлектрический эффект) - эффект Кикоина-Носкова. Последний заслуживает наибольшего внимания, поскольку при нем возникает наибольшая ЭДС - в несколько десятков вольт, что в свою очередь является основой повышения терапевтической эффективности при магнитолазерной терапии.