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

tAy 2sin0

fvvT

1

y – wychylenie od położenia równowagi [m]

A0 – 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

Tf

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:

00

1

c ε0 – przenikalność elektryczna próżni

µ0 - przenikalność magnetyczna próżni

Prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej

• c = 2,9979·108 m/s ≈ 3·108 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 elektromagnetycznychF

ale

o cz

ęsto

tliw

ości

ach

akus

tycz

nych

Fale radiowe

Fal

e ra

diow

e dł

ugie

Fal

e ra

diow

e śr

edni

e

Fal

e ra

diow

e kr

ótki

e

Fal

e ra

diow

e ul

trak

rótk

ie

Mikrofale

Pro

mie

niow

anie

wid

zial

ne

Pod-czerwień

Nad-fiolet

Promienie Röntgena

Promienie γ

częstotliwość [Hz]

Widmo fal elektromagnetycznychfale 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 elektromagnetycznychmikrofale

• 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

• I0 – natężenie promieniowania padającego

• d – grubość absorbentu• µ - współczynnik osłabienia

deII 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 109; tera - 1012.

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) EH jest to suma dawek

równoważnych pochodzących od zewnętrznego i wewnętrznego narażenia uwzględniająca współczynniki wagowe tkanek i narządów, obrazująca narażenie całego ciała.

• EH = ΣTwTHT • gdzie: • wT - współczynnik wagowy narządu lub tkanki,• HT 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

• Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (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 medium2. Laser pumping energy3. 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 E1, mniejsza w stanie wzbudzonym E2>E1. Atomy te spontanicznie pozbywają się nadmiaru energii równego E2 – E1. W ośrodkach aktywnych laserów ma także miejsce emisja wymuszona. Jeżeli na atom w stanie E2 zostanie wyemitowany kwant o energii E2 – E1 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

Pszcz

Biostymulacyjne działanie promieniowania zależy od ilości energii pochłoniętej przeztkanki. Bezpośredni pomiar energii pochłoniętej jest niemożliwy. Oblicza się wartość energii wyemitowanej. Na przykład: laser generuje impulsy prostokątne o amplitudzie Pszcz z częstotliwością f i czasem trwania impulsu timp, czas zabiegu wynosi tzab.

Oblicz wartość energii wyemitowanej E dla Pszcz=30 W, timp=200 ns, f = 1kHzE = Pszcz· timp· f· tzab=30W·200·10-9s·103Hz·600s=3,6J

tzab

timp