Лазерна діагностика в біології та медицині
Приїжджаючи А. В., Тучин В. В., Шубочкін Л. П.
Лазерна діагностика в біології і медіціне.- Москва, 1989.
Відео: Лазерне видалення пухлини спинного мозку в Ізраїлі
Викладено фізичні основи діагностичного застосування лазерів в біології та медицині. Дан аналіз найбільш широко використовуваних і перспективних методів діагностики. Головну увагу приділено методам, заснованим на аналізі розсіювання світла і флуоресценції. Обговорено також абсорбція, калориметричні, інтерференційні, голографічні та інші методи діагностики. Представлено опис лазерної діагностичної апаратури.
Для фізиків і інженерів-розробників лазерної діагностичної апаратури, біологів і медиків, які використовують лазерні методи у своїй практиці, а також для аспірантів і студентів в якості введення в спеціальність.
Лазерна діагностика в біології та медицині - новий перспективний напрямок в фотобиологии, що є ефективним засобом вивчення біологічних систем різного ступеня організації - від біомолекул до клітин, биотканей і окремих органів тварин і людини.
Методи лазерної макро- і мікродіагностікізастосовується мають високу чутливість, значним просторовим дозволом і універсальністю. Вони перспективні для ранньої діагностики раку, катаракти, різних захворювань крові та ін. Їх використовують для аналізу забруднень навколишнього середовища токсичними і патогенними речовинами. З їх допомогою вивчають надшвидкі процеси фотосинтезу і фотобіохіміческіх реакцій, а також визначають малі швидкості кровотоку в судинах, рухливість бактерій та ін.
Всього близько тридцяти років відділяє нас від того моменту, коли спільними зусиллями радіофізиків і оптиків були створені перші оптичні квантові генератори - лазери. Однак за це вельми короткий час прогрес у розвитку лазерної фізики і техніки виявився настільки суттєвим, що на його основі виникли багато напрямків науки і техніки. Одним з таких нових напрямків є лазерна технологія, яка охоплює практично всі сторони застосування лазерів і використовує всі їхні переваги: високу монохроматичность, значну енергію і потужність, високу спрямованість і когерентність випромінювання, можливість отримання надкоротких тривалості імпульсів і перебудови частоти у всьому діапазоні від ультрафіолетового ( УФ) до інфрачервоного (ІК) світла.
В даний час до лазерної технології відносять широке коло завдань і явищ, які можна, мабуть, розділити на три основні напрями: обробка матеріалів потужним лазерним випромінюванням, або лазерна технологія матеріалів (зварювання, термообробка, плавлення, різання, свердління, отжиг і ін .), лазерна фотохимическая технологія (поділ ізотопів, фотоізомеризації, лазерний каталіз, полімеризація та ін.) і лазерна мікро- і макродіагностіка (лазерний спектральний аналіз, контроль навколишнього середовища, лазерні контрольно-вимірювальні системи: голографічні, інтерферометричні, дифракційні, засновані на светорассеяніє та ін.).
Лазерна технологія має справу з найрізноманітнішими об`єктами різної природи: фізичними, хімічними і біологічними. У застосуванні до біологічних систем вона представляє великий практичний інтерес для медицини, підвищення ефективності сільськогосподарського виробництва та захисту навколишнього середовища. У зв`язку з цим у всьому світі її розвитку приділяється все більша увага. Для того щоб показати масштаби досліджень і додатків, досить згадати деякі з узагальнюючих робіт і спеціальних випусків журналів, присвячених застосуванню лазерів в біології та медицині [1-37].
Лазерна біотехнологія може бути також розділена на три основні напрями: лазерна хірургія биотканей, клітин і біомолекул, лазерна терапія і фотобіохімія і, нарешті, лазерна мікро- і макродіагностіка. В основі кожного з цих напрямків лежать різноманітні ефекти взаємодії лазерного випромінювання з біооб`єктів на мікро- і макрорівнях, що визначаються, властивостями лазерного випромінювання і структурою біооб`єкту. Найбільш повно властивості лазерного випромінювання реалізуються в фотобіохіміі і особливо в діагностиці.
Охорона здоров`я людини, захист навколишнього середовища, забезпечення людства продовольством - всі ці глобальні проблеми нашого і майбутнього століття, визначають значний інтерес до лазерної біотехнології. У всьому світі інтенсивно розробляються лазери медичного призначення, унікальні лазерні біомедичні комплекси та технологічні установки, лазерна терапевтична і діагностична апаратура. Основою цих розробок є досягнення в області лазерної фізики і техніки, у вивченні взаємодії лазерного випромінювання з биосистемами, в створенні волоконно-оптичних засобів доставки випромінювання, вимірювальної і обчислювальної техніки. Експертні оцінки показують, що одним з найбільших лазерних ринків в світі є ринок лазерної медичної апаратури. У 1985 р тільки по несоціалістичним країнам світовий ринок склав 225 млн. Дол. (44% - офтальмологія, 25% - хірургія, 7% - ендоскопія, 24% - інші застосування 138]). До 1990 року він повинен зрости до 700 млн. Дол., А до 2000 р тільки в США очікується виробництво лазерної медичної апаратури на 1 млрд. Дол.
Незважаючи на те що лазерна медична діагностика - один з найефективніших напрямів застосування лазерів в біомедицині, вона поки не отримала належного розвитку, що видно по пріоритетам на світовому ринку і тим публікаціям, які згадувалися вище. Це пов`язано в основному зі складністю апаратури і високими вимогами, що пред`являються до вихідних параметрів лазерів (приблизно такі ж вимоги, як в лазерної спектроскопії та контрольно-вимірювальної техніки), і, звичайно, зі складністю самих фізичних процесів »лежать в основі методів лазерної діагностики. Проте до кінця цього століття прогнозується кращий ріст лабораторно-діагностичної лазерної техніки в порівнянні з лікувально-хірургічної як у нас в країні, так і в усьому світі.
В даний час відсутня узагальнююча література, в якій було б представлене все розмаїття методів лазерної діагностики в біології та медицині, що ускладнює знайомство з ними і їх використання на практиці. У літературі останнім часом з`явилися монографії і огляди (присвячені одному або декількох напрямках діагностики біооб`єктів [1-4, 7-11, 17, 23, 24, 26, 33, 36, 39]), які можуть бути рекомендовані для поглибленого вивчення цих методів і їх можливостей. Крім того, багато книг і огляди з лазерів і лазерної спектроскопії містять інформацію про дослідження біооб`єктів [40-48]. Звісно ж важливим в одній книзі невеликого обсягу розповісти про різноманітні методи неруйнуючої лазерної діагностики в біології та медицині, коротко познайомити з їх фізичними основами та можливостями, областями застосування і принципами побудови діагностичної апаратури. Це, на наш погляд, має сприяти кращому орієнтуванню при виборі того чи іншого методу діагностики, адекватного розв`язуваної задачі, має стимулювати розробку нових методів діагностики, нові несподівані додатки.
Основні принципи лазерної біомедичної діагностики викладені в огляді В. С. Летохова [33]. У цій книзі автори спробували розвинути основні ідеї цієї роботи в частині опису неруйнівних методів діагностики і доповнити її результатами конкретних досліджень. Автори постаралися висвітлити найрізноманітніші застосування лазерів в біології та медицині. При цьому за основу викладу взято розгляд методу вимірювання та аналіз його діагностичних можливостей. Перевага віддавалася тим методам і прикладів, які є загальновизнаними або перспективними, з урахуванням кола інтересів авторів.
Методи діагностики діляться на два великі класи - макро- і мікродіагностікізастосовується, відповідно книга умовно ділиться на дві частини. У гл. 2-4 викладаються методи макродіагностікі, засновані на використанні пружного і квазіпружного розсіювання світла, дифракційних та інтерференційних явищ. У гл. 5-7 розглядаються принципи і сфери застосування методів мікродіагностікізастосовується, в основі яких лежать добре розвинені методи лазерної спектроскопії: спектроскопії комбінаційного розсіювання, абсорбційної і калориметричній спектроскопії, лазерного флуоресцентного аналізу, лазерної мас-спектрометрії та ін. На початку книги, в гл. 1 дан огляд принципів роботи лазерів, властивостей їх випромінювання і технічних характеристик.
Книга призначена для фізиків і інженерів-розробників лазерної діагностичної апаратури, біологів і медиків, які використовують лазерні методи діагностики в своїй роботі, а також аспірантів і студентів в якості введення в спеціальність.
