ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA BIOMEDICÍNSKÉHO INŽENÝRSTVÍ Katedra biomedicínské techniky
TÝMOVÝ PROJEKT
2011
Erik Vokatý
ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta biomedicínského inženýrství Katedra biomedicínské techniky
Interakce laserového záření s lidskou tkání Týmový projekt
Vedoucí projektu: Mgr. Jana Urzová. Student:
Erik Vokatý
leden 2011
Anotace: Název práce: interakce laserového záření s lidskou tkání Cílem této práce bylo stanovení optických parametrů tkáně při interakci s elektromagnetickým zářením (konkrétně záření v UV oblasti spektra). Zabývali jsme se především změření transmitance a absorbance nehtu, a účinky germicidního záření na plísně, což by v budoucnu mohlo vést k možnému použití excimerového laseru pro léčbu plísňových onemocnění nehtu (onychomykózy). Úvodní část je věnována základnímu seznámení s UV zářením, jeho dopady na lidský organismus, interakci s tkání a základní popis laserových zářičů. V praktické části jsme se poté zkoumali transmitanci a absorbanci záření při použití spektrofotometru.
Anotation: Title: Interaction of the laser beam with living tissue The main objektive of this work was determinate the optical parameters of tissue interaction with electromagnetic radiation (especially UV radiation). We had focused to determination transmitance and absorbance of the nail, and effectivity of germicidal radiation on fungi, which could lead in future to the possible use of the epimer laser fot the treatment of fungal nail disease (onychomycosis). The introductory part is devoted to basic familiarization with UV radiation and its effects on the human organism, interaction with tissue and a basic description of laser emitters. In the practical part, we then investigated the transmittance and absorbance of light by the spectrophotometer.
I
Prohlášení Prohlašuji, že jsem týmový projekt s názvem …………………………………………………………………………………………………..vypracov al(a) samostatně a použil(a) k tomu úplný výčet citací použitých pramenù, které uvádím v seznamu přiloženém k závěrečné zprávě.
Nemám závažný důvod proti užití tohoto školního díla ve smyslu §60 Zákona č.121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon).
V ……………. dne ………………
……………………. podpis
II
Obsah: Úvod ...................................................................................................................................................1 Teoretická část....................................................................................................................................2 1
2
UV záření ....................................................................................................................................2 1.1
Historie UV záření: ...............................................................................................................2
1.2
Základní vlastnosti UV záření: ..............................................................................................2
1.3
Rozdělení UV záření .............................................................................................................2
1.4
Vliv UV záření na člověka .....................................................................................................4
Laser ...........................................................................................................................................5 2.1
Konstrukce laserů ................................................................................................................5
2.2
Dělení laserů .......................................................................................................................6
2.2.1 3
Excimerový laser .........................................................................................................7
Působení laserového záření na tkáň ............................................................................................7 3.1
Optická fáze.........................................................................................................................8
3.2
Účinky laserové záření na tkáň.............................................................................................9
3.2.1
Fotochemické procesy................................................................................................ 10
3.2.2
Fotoablace ................................................................................................................. 10
3.2.3
Fototermické procesy ................................................................................................. 11
3.2.4
Fotomechanické procesy ............................................................................................ 11
3.3
Chromofory ....................................................................................................................... 12
3.4
Přenos tepla a energie v tkáni ............................................................................................ 12
3.4.1
Faktory ovlivňující přenos tepla ................................................................................. 12
3.4.2
Zachování energie ...................................................................................................... 12
Experimentální část........................................................................................................................... 14 4
Použité přístroje ........................................................................................................................ 14
5
Průběh měření .......................................................................................................................... 14
6
Výsledky měření ........................................................................................................................ 15
Závěr ................................................................................................................................................ 18 Seznam použité literatury ................................................................................................................. 19
III
Úvod V dnešní době je laserové záření používáno již ve většině odvětví medicíny, neboť výhody spojené s laserem dalece převyšují možná rizika. Laserové operace jsou přesné, časově nenákladné a oproti běžným operacím je obecně i kratší následná doba rekonvalescence. První pokusy léčby plísňových onemocnění nehtů pomocí laserového záření jsou dokumentovány již v roce 1980 [7], v praxi šlo ale jen o vyhloubení děr v nehtu pomocí laseru a následné aplikaci masti. V této době je léčba plísňových onemocnění nehtů zprostředkována převážně perorálními antimykotiky, kde je léčba dlouhodobá a častokrát se musí opakovat kvůli návratu plísně. Mezi další možnosti patří chirurgické odstranění nehtu (velmi bolestivé) nebo antimykotické masti, roztoky a laky (častá aplikace a menší účinnost). Je známo, že záření v oblasti UV spektra je vysoce germicidní. [1] Tudíž je zde teoretická možnost léčby těchto onemocnění pomocí laserového záření v UV spektru. Teoretická část obsahuje základy UV záření, jeho rozdělení, vliv na lidský organismus a tkáň, dále pak základní rozdělení laserů a problémy které mohou nastat při interakci laserového záření s tkání. V experimentální části se poté věnujeme průchodu UV záření skrz nehet (a tudíž možnému poškození tkáně pod nehtem) a účinnosti UV záření na různé druhy plísní způsobující onemocnění nehtů.
1
Teoretická část
1 UV záření 1.1
Historie UV záření: Ultrafialové záření bylo objeveno již v roce 1801 německým fyzikem Johannem
Wilhelmem Ritterem, který pozoroval dopad slunečního světla rozloženého optickým hranolem na pruhy papíru namočené v chloridu stříbrném. Zjistil, že neviditelné paprsky těsně za fialovým koncem spektra mají největší efekt (papír zčernal). Tyto neviditelné paprsky poté nazval "oxidačními paprsky". Objev UV záření o vlnových délkách kratších než 200nm byl učiněn v roce 1893 německým fyzikem Victorem Schumannem. 1.2
Základní vlastnosti UV záření: Ultrafialové záření je elektromagnetické záření o vlnové délce v rozmezí 10nm až
400nm. Přestože je UV záření pro lidské oko neviditelné, většina lidí si je vzhledem k tomu, že je jeho přirozeným zdrojem slunce,vědoma jeho vlivu (spálení od slunce).
Někteří
živočichovéjsou ale schopni UV záření (konkrétně UV-C) vnímat. Například pro lidské oko vypadají samice a samec motýla stejně, ale motýli se navzájem od sebe rozeznají díky ultrafialovým značkám na křídlech (jsou schopni vidět vlnové délky přibližně od 310nm do 700nm). UV záření se nachází ve slunečním světle a je emitováno tělesy zahřátými na vysokou teplotu (např. elektrickým obloukem) nebo výbojkami, které jsou naplněné párami rtuti (např. UV lampy). Ultrafialové záření má uplatnění v mnoha oborech - forenzní analýzy, analýzy proteinů, UV vodoznaky, desinfekce, analýza chemických struktur a mnoho dalších. 1.3
Rozdělení UV záření UV záření můžeme dělit dle různých parametrů, standart ISO (21348 -2004) pro určení
slunečního záření rozděluje spektrum UV záření následovně: Spektrální podkategorie
Vlnová délka λ [nm]
UV
100 - 400
UV
VUV
10 - 200
Vakuové UV
EUV
10 - 121
Extrémní UV
H -lyman -α
121 - 122
Hydrogen Lyman-alpha
FUV
122 - 200
Daleké UV
UVC
100 - 280
UV C
2
Název
MUV
200 - 300
Středně dlouhé UV
UVB
280 - 315
UV B
NUV
300 - 400
Blízké UV
UVA
315 - 400
UV A
Tab. 1-Rozdělení UV záření dle vlnových délek [2] Podkategorie do sebe navzájem zasahují neboť VUV, EUV, FUV, MUV, NUV je používáno pro rozdělení ve fyzice a UVA, UVB a UVC je používáno z hlediska biologických účinků, které jsou pro nás důležité. Slunce emituje záření ve vlnových délkách UVC až UVA, z toho je ale 97-99% blokováno v atmosféře ozónovou vrstvou. Záření, které pronikne, je z cca 98% UVA záření, běžné okno propustí zhruba 90% světla s vlnovou délkou delší než 350nm, ale nepropustí přes 90% světla s vlnovou délkou kratší než 300nm. UVA(315-400nm)- Spektrum UVA má nejméně ničivý účinek na lidskou tkán, přesto však může pomocí nepřímého poškození DNA přispět k rakovině kůže. Toto záření téměř nepůsobí popáleniny a proniká hlouběji, kde může vytvářet vysoce reaktivní hydroxylové a kyslíkové radikály, které pak mohou poškozovat DNA. Stimulací melanocytů způsobuje krátkodobé zhnědnutí kůže, které nepředstavuje žádnou ochranu proti slunci.
Vzhledem
k poškozování kolagenu tímto zářením kůže ztrácí elasticitu a předčasně stárne. UVB(280-315nm) -Ze slunečního spektra se UVB podílí nejvíce na poškozování buněk a působí přímé poškození DNA. Je příčinou spálení od slunce a díky mutaci DNA i rakoviny kůže. UVB má dále největší dopad na poškození očí, dokáže až zcela spálit tyčinky, čípky a nervová zakončení v rohovce (způsobuje např. sněžnou slepotu). Se zpožděním 72 hodin po ozáření způsobuje ve svrchní vrstvě kůže dlouhodobé zhnědnutí, které ochraňuje před UV zářením. Současně vystavení tomuto záření vede k tvorbě vitaminu B3 (cholekalciferol- protirakovinotvorný účinek), takže je životně nutné. Způsobuje také poškození kolagenu, ale v daleko menší míře nežli UVA. UVC(100-280nm) - Je nejtvrdší UV záření, způsobuje vznik ozónu. V přírodě se téměř nevyskytuje, stejně jako FUV a VUV je zcela absorbováno v atmosféře. Toto záření je vysoce germicidní, a proto je používáno k ničení bakterií.Nadměrné vystavení tomuto záření může způsobit popáleniny a mutace DNA, navíc je velmi bolestivé. Průnik tohoto záření tkaní je proti UVB poměrně větší.
3
1.4
Vliv UV záření na člověka Většina lidí si je vědoma pouze škodlivých účinků UV záření, přestože je pro nás
životně důležité. Vystavení se UVB záření vede k produkci vitamínu D3 regulujícímu vápník v organismu (důležitý pro správnou činnost nervového systému, růst kostí), imunitní systém, sekreci inzulinu nebo krevní tlak. Krátké vystavení tomuto záření vede také k menšímu přímému poškození DNA, které je pak díky fotolyáze (opravný mechanismus DNA) rozpoznáno a opraveno, což následně zvýší produkci melaninu, který vytvoří dlouhodobou ochranu proti UV záření. Dále je UV záření používáno například k léčbě psoriázy (lupénky), fototerapie využívá UVB složku záření a fotochemoterapie UVA složku v kombinaci s tablety psoralenu, či k léčbě vitiliga (nemoc při které odumírají buňky tvořící kožní pigment).
Obr. 1 případný postup mutace DNA [4] Díky rychlé a časté hematogenní či lyzogenní metastázi je naopak nejnebezpečnější maligní melanom (nádor z pigmentových buněk), který je z velké části způsoben nepřímým poškozením DNA (volné radikály), což dokazuje absence UV podpisu v mutaci DNA. Akutně vyvolává UV záření (především UVB) solární dermatitidu (popálení), excituje molekuly DNA v kožních buňkách, což způsobuje kovalentní vazby mezi sousedními bázemi cytosinu či thyminu, čímž vzniká cytosinový (thyminový) dimer. Následně při DNA polymeráze když má být replikován tento řetězec, je dimer přečten jako „AA“ a nikoliv „CC“. To způsobí, že
4
replikační mechanismus DNA v novém řetězci vyprodukuje namísto dvojice Cytosinu Thymin (CC TT mutace). Při dlouhodobější expozici UVB opravné mechanismy nezachytí vše a to poté může vést k rakovinnému bujení, chronickýmzměnám na kůži, očích a imunitním systému. Zhoubné kožní nádory se nejčastěji objevují až ve stáří – jsou závislé na celoživotní expozici UV záření.
2 Laser Laser je zkratka anglického LightAmplification by StimulatesEmissionofRadiation, což můžeme přeložit jako „Zesílení světla pomocí stimulované emise záření“. K řečené emisy dochází díky tomu, že námi dodanou energií vybudíme atomy z jejich základního, počátečního stavu do stavu vzbuzeného, excitovaného. Atomy však mají tendenci se opět vracet do svého základního stavu, na základní energetickou hladinu. Právě pádem z hladin s vyšší energií na hladinu s nižší energií dochází k uvolnění energie v podobě fotonů. Tyto fotony dopadají na další „klidné“ atomy, kterým touto srážkou opět dodají energii a vybudí je do vyšších energetických hladin, odkud opět následně padají zpět. Vzniká tak řetězová reakce a získaná energie se hromadí v optickém rezonátoru. Laserové záření je koherentní (všechny paprsky kmitají se stejnou fází), monochromatické (všechny paprsky mají stejnou vlnovou délku) a polarizované (vektor intenzity elektromagnetického pole se nemění nahodile, jako tomu je u nepolarizovaného světla, ale kmitá pouze jedním směrem a kolmo na směr šíření). 2.1
Konstrukce laserů Zdroj je nedílnou součástí každého laseru. Může být optický, elektrický, nebo
chemický. Zdrojem je energie dodávána do aktivního prostředí, kde slouží k vybuzení atomů do vyšších energetických hladin, do jejich excitovaných stavů. Výkon tohoto budícího zařízení a celková konstrukce zrcadel uvnitř zařízení určují optický výkon laseru. Optický rezonátor je tvořen soustavou dvou zrcadel, z nichž jedno je nepropustné, má postříbřený povrch a jeho reflektance dosahuje nad 99 %. Druhé zrcadlo je polopropustné s reflektancí od 8 až do 90%. Fotony vznikající stimulovanou emisí se odrážejí od zrcadel a zmíněnou řetězovou reakcí se zde hromadí a tím se zvyšuje intenzita světla uvnitř zeronátoru. Po dosažení určité hodnoty výboj pronikne skrz polopropustné zrcadlo ven.Jakmile je energie takto vyzářena , atomy se vrací zpět do svého počátečního stavu.[8]
5
2.2
Dělení laserů Kontinuální – získání kontinuálního provozu laseru s tuhou fází s optickým vybuzením je velmi náročné. Způsobuje to nevyhnutelnost používat dostatečně silný kontinuální zdroj budícího světla a je třeba odvádět velké množství tepla, které v laseru vzniká. Hodnota špičkového výkonu se pohybuje do 100 W Impluzní- jsou zdrojem mohutných světelných záblesků, trvajících někdy jen stomiliontinu sekundy. K hromadění energie může docházet v rezonátoru (fotony) nebo v atomárním systému (inverzní obsazení). Impulsní lasery dosahují o řád vyšších špičkových výkonů (<1000 W), než lasery kontinuální. Kvazikontinuální- vyznačuje se spínáním zdroje pouze na určité časové úseky. Tím pádem jsou omezeny nežádoucí tepelné účinky, avšak tyto časové úseky jsou dostatečně dlouhé na to, abychom provoz označili za kontinuální. Kvazikontinuální laser poskytuje vysoký špičkový výkon za cenu nižšího průměrného výkonu Neinvazivní terapeutické - mají oproti invazivnímu laseru mnohem nižší výkon. Základním mechanismem působení je stimulace buněčných aktivit (především mitochondrií). Kromě stimulačního efektu má terapeutický laser také analgetický a protizánětlivý účinek Nejvíce využíván je v dermatologii – při léčení kožních defektů, akné, herpetických insektů, problematických ran atd. Laser našel stabilní uplatnění v chirurgii, v ortopedii i rehabilitační medicíně, při terapii popálenin, různých ran, při bolestivých stavech svalů, kloubů, úponů. Prosadil se i tam, kde je pro klinika cenný efekt stimulace, úlevy od bolesti, utlumení zánětlivých pochodů. V dnešní době je hojně rozšířen v estetické medicíně. Pomocí aplikace kosmetického gelu, jehož substance jsou aktivovány laserovým zářením, dochází k jednoznačným pozitivním efektům – tonizaci a rejuvenaci ošetřovaných částí.. Invazivní chirurgické lasery - disponují vyšším výkonem než lasery terapeutické. Jejich princip působení nespočívá ve stimulaci, nýbrž v odstraňování, řezání, přichycení nebo jiné manipulaci s tkání. Výše uvedených účinků invazivních laserů na tkáň se využívá zejména v oftalmologii při očních operacích. Využívá se jevů jako je fototermická afotoevaporizační laserová terapie, excimerováfotoablace (fototerapeutická keratektomie – PTK, fotorefraktivní
6
keratektomie – PRK, Laser in situkeratomileusis - LASIK). Další oblastí využití invazivních laserů je chirurgie, kde se krvácející rány zastavují pomocí fotokoagulace, nádory odstraňují fotodisrupcí. Převzato z [6] 2.2.1 Excimerový laser Excimer je molekula, která je velice nestabilní a vzniká jen na přechodnou dobu, a to při srážce atomu v jeho základním stavu se svazkem elektronů o vysoké energii. Ve vzbuzeném stavu má potenciální energie lokální minimum, a proto se při vzájemném přiblížení atomů vytváří vázaný stav, excimer. Komponenty se v excitovaném stavu přitahují a v základním odpuzují. Při návratu do základního stavu se molekula excimeru opět rozpadá na jednotlivé atomy. Slovo excimer je složeninou slova excited (tj. vzbuzený) a dimer (tj. chemická sloučenina dvou stejných nebo podobných podjednotek). Excimerový laser je laser plněný plynnou směsí. Využívá se u něj stimulovaných přechodů excimerů z jejich vzbuzeného stavu do stavu základního, kdy je využívána energie uvolněná při pádu. Vzniklé optické záření je zesilováno, přičemž k docílení výstupní energie v řádech stovek kilojoulů jsou využívány vlastnosti plynných směsí (např. Kr +F + He + Ne) a tlak 2-4 atmosféry působící na objem 40-60 litrů. Plyn bývá tvořen z 88-99 procenty bufferem (Ne, He). Tyto lasery jsou impulsní, jsou buzeny buďto silnoproudým svazkem nebo el.výbojem.[8][9]
3 Působení laserového záření na tkáň Interakci laserového záření s tkání ovlivňuje několik faktorů. Primární význam má vlnová délka, dále výkon a hustota výkonu, doba vystavení, jedná-li se o pulzní laser pak také délka a frekvence pulzu, druh tkáně a optické vlastnosti tkáně. Většina organických molekul vykazuje vysokou absorpci v ultrafialovém spektru a proto je průnik UV velmi slabý.
7
3.1
Optická fáze
Obr. 2 Průchod laserového záření tkání z optického hlediska Během optické fáze přidopadu laserového záření na tkáň dochází k následujícím fyzikálním procesům. Absorbanci (pohlcení záření), transmitanci (průchod záření),rozptylu a reflexi (odražení). Absorbance je přenos energie ze záření do ozařované tkáně. V ideálním případě (žádný rozptyl paprsku), pokud je nějaké prostředí ozařováno paprskem světla o intenzitě l0můžeme použít Lambert-Beerův zákon pro monochromatické záření 𝐼 = 𝐼0 𝑒 −𝜇𝑑
(3.1)
kde μ je absorpční koeficient prostředí (tkáně), d tloušťka prostředí (tkáně) a I intenzita záření po průchodu a poté pro absorbanci 𝐴 = 𝑙𝑜𝑔
𝐼0 𝐼
(3.2)
Optický rozptyl je způsoben nehomogenním indexem lomu v daném prostředí. Jeho intenzita a prostorové rozložení závisí na velikosti a tvaru nehomogenity vzhledem k vlnové délce a rozdílech v indexu lomu.
8
Transmitance určuje množství světla, které prošlo daným prostředím. Je definována následovně: 𝑇 = 𝑙𝑜𝑔
𝐼 𝐼0
kde I je intenzita světla po průchodu prostředím a I 0 intenzita světla před průchodem. Reflexe je odraz paprsku na rozhraní dvou prostředí s různým indexem lomu. 3.2
Účinky laserové záření na tkáň Jednotlivé účinky laserového záření můžeme dále rozdělit na:
Fotochemické efekty Fototermické efekty Fotomechanické efekty
Obr. 3 Intenzity a časy interakcí při terapeutických laserových aplikacích [3]
9
(3.3)
Obrázek ukazuje, že intenzity (svislá osa) a doba působení (vodorovná osa) pokrývají široký rozsah, asi 16 řádů. Přitom leží relevantní aplikace všechny v relativně úzkém pásu, v němž je součin intenzity a času tj. deponovaná energie na jednotku plochy jen v rozsahu tří řádů. 3.2.1 Fotochemické procesy Při nízké hustotě výkonu a dlouhých časech působení dochází ve tkáních k fotochemickým procesům. Takovéto reakce mohou probíhat již při malých intenzitách a jsou vyvolány zářením o vlnových délkách kratších než 400nm. U expozic, které jsou delší než cca 1ms, bude laserové záření o vlnových délkách kratších než 320nm narušovat chemické vazby v nukleových kyselinách a může způsobovat mutace. V této reakci absorpce fotonu vnějšími elektrony je nutná k zajištění excitovaného molekulárního elektronového stavu, ze kterého chemická reakce může nastat. Toho je využíváno v rozsáhlé oblasti fotodynamické terapie a nachází použití při terapii bolesti, urychlení hojení ran a léčbě alergií. 3.2.2 Fotoablace Při hustotách výkonu nad 106 W/cm2d a krátkých vlnových délkách (cca 190-300nm) dochází k fotoablaci. Určitý objem tkáně je přitom náhle zahřát a odpařen, neboť elektrické pole související se zářením je větší než vazebná energie mezi molekulami. Pokud je tkáň vystavena cílenému pulsu excimerového laseru, energie tohoto pulsu bude při krátké vlnové délce UV záření absorbována v tenké vrstvě materiálu (většinou méně než 0,1μm). Díky vysokému výkonu ve špičce soustředěnému do tenké vrstvy dojde k rozbití chemických vazeb. Výsledné molekulární fragmenty následně expandují do oblaku plazmy, která nese tepelnou energii vyvolanou rozpadem. V důsledku krátkosti času, potřebného k odpaření, nedochází k přenosu tepla tepelnou vodivostí na okolní tkáň. Pro CO 2 kontinuální lasery (vlhká tkáň absorbuje CO2 laserové záření velmi dobře) můžeme vypočítat rychlost ablace takto: 𝑣 = 𝑓𝐸/𝑄
(3.5)
kde E je hustota záření [W/cm2], Q teplo potřebné k vypařování vody [J/cm2],f účinnost přeměny energie absorbované na ablaci. Při využití kontinuálního Nd:YAG laseru, ablace tkáně vyžaduje nejdříve vytvoření vrstvy karbonizované tkáně než nastane ablace. Laser tak nejdříve jen ohřívá a vysušuje tkáň, což poté zapříčiní její oxidaci a vytvoří se zuhelnatělá
10
vrstva. Tento proces je díky ohřívání, sušení, odpařovaní složitější. rychlost ablace můžeme vyjádřit: 𝑣 = 𝑓 ∗ 𝜇𝑎 ∗ 𝑑 ∗ 𝑘 ∗ 𝐸/𝑄
(3.6)
kde je hustota záření [W/cm2], Q teplo potřebné k vypařování vody [J/cm2], μ0 absorpční koeficient karbonizované tkáně [cm-1], d tloušťka karbonizované tkáně [cm], k faktor zvětšení vzhledem k mnohanásobnému průchodu světla skrz karbonizovanou vstvu, ,f účinnost přeměny energie absorbované na ablaci. Např. V oční chirurgii se takto používají excimerové lasery s krátkými pulsy (18 ns). 3.2.3 Fototermické procesy Od hustot výkonu kolem 100W/cm2 dochází k fototermickým změnám ve tkáních. Tento efekt je typický pro záření s delší vlnovou délkou (700nm a více). Může se jednat o hypertermii- mírné zvýšení teploty o několik stupňů (teplota tkáně od 41° do 44°C), což při delší době (desítky minut) vede k buněčné smrti v důsledku změn v enzymatických procesech. Při teplotách od 50° do 100°C a době okolo jedné sekundy je tkáň koagulována. Jedná se o denaturaci proteinů a kolagenu vedoucí k nevratné bezprostřední nekróze tkáně. Při teplotě přesahující 100° dochází k vypařování tkáně již v relativně krátké době (cca desetina sekundy) Vlivem přenosu tepla v tkáni se vytvoří v okolí ozářeného místa koagulační zóna. Touto metodou je možné zničit větší tumory (i několik milimetrů v průměru) než při použití běžné koagulace. Tento proces je používán při hemostázi, rozrušení tkání (terapie tumoru, vyhlazení vrásek). Další použití je v oblasti operací sítnice. 3.2.4 Fotomechanické procesy Mechanické účinky mohou vést buď k vytvoření plazmy, explozivnímu vypařování nebo kavitaci a s každým z těchto jevů je spojen vznik rázové vlny. S pevnolátkovými lasery se dosahuje velmi vysoké intenzity záření na malou plochu (10 10 až 1012W/cm2 při délce pulsu piko až nanosekunda). Takováto intenzita ionizuje atomy a vytvoří plazmu. Na hranici ionizované oblasti je poté velmi vysoký tlakový gradient, který způsobuje šíření rázové vlny.Ještě vyšší hustoty výkonu až do oblasti 109W/cm2 jsou dosahovány pevnolátkovými lasery. Požití je například při operacích šedého zákalu.Pokud
11
3.3
Chromofory Chromofory jsou látky či části molekul uvnitř tkáně, schopné absorbovat
elektromagnetické záření. Např. pro hemoglobin je to hem a chromoforem bílkovin pro UV záření okolo 280nm jsou aromatické kruhy tyrosinu a tryptofanu. V epidermis je přirozeným endogenním chromoforem především melanin, dále nukleové kyseliny, kyselina uranová či aromatické aminokyseliny. V dermis je to hemoglobin, beta-karoten, bilirubin. Exogenní chromofory jsou např. již zmiňovaný psoralen pro léčbu lupénky či deriváty hematoporfyrinu. 3.4
Přenos tepla a energie v tkáni
3.4.1 Faktory ovlivňující přenos tepla Přenos
tepla
v
tkáni
ovlivňují:
termofyzikální
vlastnosti tkání
(tepelná
kapacita, tepelná vodivost, atd.), geometrie ozařování organismu, produkce tepla způsobená absorpcí laserového světla, produkce tepla vzniklá metabolickými procesy, produkce tepla vzniklá perfúzí krve, mechanismy regulující na teplo Materiál
Vodivost
Hustota
Specifické teplo
Difuzivita
(W m-1 K-1)
(kg m-3)x10-3
(kJ kg-1 K-1)
(m2 s-1x107
Sval
0,38-0,54
1,01-1,05
3,6-3,8
0,90-1,5
Tuk
0,19-0,20
0,85-0,94
2,2-2,4
0,96
Ledvina
0,54
1,05
3,9
1,3
Srdce
0,59
1,06
3,7
1,4
Játra
0,57
1,05
3,6
1,5
Mozek
0,16-0,57
1,04-1,05
3,6-3,7
0,44-1,4
Voda o 37°C
0,63
0,99
4,2
1,5
Tab. 2 Termofyzikální vlastnosti tkáně 3.4.2 Zachování energie pro zachování celkové tepelné energie v určitém objemu platí tato základní rovnice 𝑞𝑝 = 𝑞𝑢 + 𝑞𝑧 + 𝑊
(3.7)
kde qp představuje přijatou energii, qu energii uskladněnou ve tkáni, q q energetické ztráty a W vykonanou práci. Tepelný tok v tkáni v závislosti na vedení tepla může být pak vyjádřen 𝑓 = −𝑘∇𝑇 12
(3.8)
kde f je vektor tepelného toku, k je součinitel tepelné vodivosti a ∇Tse rovná maximální změně teploty na jednotku vzdálenosti. Při přenosu tepla uvnitř tkáně jsou potom zásadní dva hlavní parametry - tepelná vodivost tkáně a průtok krve. [5] Pak dostáváme: 𝑓∇= −𝜌𝑐
𝜕𝑇 + 𝑞𝑝 + 𝑆 𝜕𝑡
(3.9)
kde 𝛒je hustota [kg.m3 ], c je měrné teplo [J.kg-1K-1]a 𝒒𝒑 je množství tepla daného prouděním krve. [5] Generované teplo v daném místě za jednotku času při velmi malé tloušťce (Δz) je dáno následovně: 𝑆 𝑧 =
𝐼 𝑧 − 𝐼(𝑧 + 𝛥𝑧) 𝜕𝐼(𝑧) = = 𝜇𝑎 ∗ 𝐼(𝑧) 𝛥𝑧 𝜕𝑧
(3.10)
kde z je pozice, μa absorpční koeficient v daném místě a I(z) hustota zářivého toku v daném místě. Tato rovnice vyjadřuje, že generované teplo ve tkáni je rovno absorbované energii a může být popsáno jako absorpční koeficient násobený intenzitou v daném místě. Ve většině případů je světlo zároveň absorbováno i rozptýleno ve vzorku. Paprsek je tlumen dle Lambert-Beerova zákona, součinitel zeslabení je ale poté dán součtem koeficientů absorpce a rozptylu, nazývá se celkový součinitel zeslabení 𝜇 = 𝜇𝑎 + 𝜇𝑠
(3.11)
kde μr je celkový součinitel zeslabení, μa absorpční koeficient, μsrozptylový koeficient. Při použití kontinuálního laserového záření použít pro výpočet energie E [W/m2] následující rovnici 𝐸 𝑧 = 𝐸0 𝑒 −𝜇𝑡𝑧
(3.12)
𝐻 𝑧 = 𝐻0 𝑒 −𝜇𝑡𝑧
(3.13)
a pro pulzní laser H[j/m2]
13
Experimentální část
4 Použité přístroje Jako zdroj pro určení transmitance (průchodu záření nehtem) byl použit přístroj OceanOptics DH2000 o výkonu 100W, který má dva zářiče- deuteriový, zářící na vlnových délkách od 220 do 400nm a halogenový, zářící na vlnových délkách od 300 do 1050nm. Sběr a následné vyhodnocení bylo obstaráno přístrojem OceanOptics S2000 a programem Spectrasuite.
5 Průběh měření Nejdříve jsme začali úpravou nehtů. Nehty jsme opláchli od formaldehydu, ve kterém byly naloženy, skalpelem jsme vyčistili nehty od zbytků tkáně a u některých vzorků jsme odstřihli okraje kvůli velikosti a jiné tloušťce krajů nehtu. Po těchto úpravách jsme ještě jednou nehty opláchli a nakonec vložili do ultrazvukové lázně kvůli dočištění. Následně jsme sestavili optickou aparaturu a vzorek vložili do námi upravené kyvety. Bohužel výsledky s použitím kyvety byly pro tlustší vzorky nepoužitelné z důvodu nedostatečného výkonu sběrného zařízení. Měření jsme proto zrealizovali bez držáku tak, že jsme drželi nehet v pinzetě a ručně jsme se snažili přiblížit co nejblíže optickými kabely k nehtu. Údaje jsme následně vyhodnotili a zpracovali v programu Spectrasuite od firmy Oceanoptics.
14
6 Výsledky měření S kyvetou jsme bohužel dokázali naměřit transmitanci pouze pro první (nejtenčí vzorek), u ostatních vzorků byla transmitance prakticky neměřitelná. Při druhé realizaci měření (ručně, bez použití držáku) již byly naměřené výsledky interpretovatelné.
Graf 1: transmitance pro vzorek o tloušťce 0,309mm
Graf 2: transmitance pro vzorek o tloušťce 0,437 mm
Graf 3: transmitance pro vzorek o tloušťce 0,547 mm
15
Graf 4: transmitance pro vzorek o tloušťce 0,589 mm
Graf 5: transmitance pro vzorek o tloušťce 0,783mm
Graf 6: Porovnání všech vzorků (žlutá-0,309mm, růžová- 0,437mm, hnědá- 0,547mm, černá - 0,589mm, modrá- 0,783mm)
Z výsledků grafů vyplývá, že pro elektromagnetické záření jsou nehty propustné nejvíce ve viditelné oblasti spektra, konkrétně okolo vlnové délky 700nm. V UV oblasti spektra, byla až na první vzorek transmitance nulová. První vzorek 16
tloušťce 0,309mm
vykazoval transmitanci na hranici UV a viditelného spektra přibližně 11% a pro záření o vlnové délce menší 340nm se již jednalo pouze o 1%. Vzhledem k tloušťce nehtu která se pohybuje od 0,5mm do 1mm na rukou (na nohou mohou být i tlustší) by záření v oblasti UV nemělo nehtem projít, a tudíž nehrozí nežádoucí poškození tkáně.
17
Závěr Cílem týmového projektu bylo shrnout základní poznatky o UV záření, laserech a interakci laserového záření s lidskou tkání a nastínit a ověřit možnost léčby plísňových onemocnění nehtů (Onychomykózy) pomocí laserového záření. V teoretické části jsme zpracovali dosavadní poznatky o UV záření, jeho dělení a vlivech na lidský organismus. Přestože záření v UV oblasti má mnoho negativních účinků na lidskou tkáň -nepřímé i přímé mutace DNA, tumory, solární dermatida či stárnutí kůže, je pro lidský organismus životně důležité. V dalších kapitolách jsme provedli základní rozdělení laserů, popsali princip fungování excimerového laseru a průběh a procesy v tkáni při interakci laserového záření s tkání. Z výsledků experimentální části vyplývá, že vzhledem k optickým parametrům nehtu UV záření neprojde skrz běžný nehet, nehrozí tedy, že by mohlo záření poškodit tkáň pod nehtem. Má kolegyně Kristýna Mullerová dále ověřila, že záření generované excimerovým laserem kolonie dermatofytů zcela zničí, tudíž je UV záření pro plísně vysoce germicidní. V další fázi experimentu by bylo vhodné především zjistit ideální parametry laserového paprsku vhodného k hubení plísní, a vzhledem k vysoké absorbanci nehtu pro UV záření zjistit teplotu pod nehtem při ozařování- mohlo by docházet k nechtěným fototermickým jevům.
18
Seznam použité literatury [1] Dai, T. -Tegos, G. P. - Rolz-Cruz, G. – Cumbie, W.E. – Hamblin, M.R..Ultraviolet C inactivation of dermatophytes: implications for treatment of onychomycosis.Clinical and laboratory investigations. 2008
[2] P. Misra, M.A.Dubinskii. Ultraviolet Spectroscopy and UV Lasers. New York-Basel,2004 [3] J. Bille and W. Schlegel, editors. MedizinischePhysik, Band 3: MedizinischeLaserphysik. Springer-Verlag, 2005 [4] H. Davies, G.R.Bignell, C.Cox. MutationsoftheBRAF gene in humancancer[online]. Nature417,June 2002 Dostupné z http://www.nature.com/nature/journal/v417/n6892/full/nature00766.html [5]Stefan Andersson-Engels. The bio-heatequation [online]. Dostupné z http://kurslab.fysik.lth.se/FED4Medopt/bioheatequation.pdf [6] Tichý, Peter. Studium optických účinků UV laserového záření na živočišnou tkáň. 2009. Bakalářská práce. [7] G. Muller, B. Schaldach. Lasers in medical science. Springer, 2011
19
