Лазер находит воспаление

Изучая взаимодействие низкоинтенсивного лазерного излучения (НИЛИ) с биологическими веществами, ученые из Самарского филиала Физического института им. П.Н. Лебедева РАН установили, что можно, не разрушая живую биологическую ткань, надежно проводить диагностику воспалительных процессов, даже если они располагаются в глубине. В исследовании принимал участие ученик 10 класса Самарского медико-технического лицея Гуреев Антон Дмитриевич. Работа была представлена на IV Российской научно-инженерной выставке "Шаг в будущее" (8-11 февраля 2000 г.).

Свет по-разному взаимодействует с биологическими объектами. Биологическая среда может отражать, поглощать, рассеивать, переизлучать лазерное излучение, как и обычный свет. Лазеры широко используют в различных областях медицины, при этом в диагностике и терапии применяются световые потоки низкой интенсивности, не более 100 мВт на квадратный сантиметр (это сопоставимо с интенсивностью солнечного излучения на поверхности Земли в ясный день). Такое излучение лазера называется низкоинтенсивным лазерным излучением (НИЛИ).

Наилучшим терапевтическим эффектом обладает гелий-неоновый лазер, длина волны которого равна 0,63 мкм. А в последнее время применяют и компактные полупроводниковые лазеры на основе арсенида галлия, которые многим знакомы по лазерным указкам — любимой игрушке подростков. Излучение полупроводникового лазера тоже приходится на красную область спектра. А световые волны из этого диапазона глубже других проникают в ткани и этим интересны для неразрушающей диагностики живых объектов. В этой области спектра процессы рассеяния преобладают над процессами поглощения, поэтому, анализируя характеристики рассеянного излучения, можно получить информацию о поверхностных и глубинных слоях биологической ткани.

В проведенных экспериментах луч гелий-неонового лазера направляли к биологическому объекту по одному оптическому волокну, а по другому — рассеянное биотканью излучение передавали к фотоприемнику, усиливали и регистрировали вольтметром. Перемещая приемное оптическое волокно по поверхности биоткани, ученые измеряли интенсивность рассеянного излучения на разных расстояниях от точки воздействия лазерного излучения (минимальное расстояние между центрами оптических волокон равно 1,2 мм).

Модельными средами с различной оптической плотностью служили сырые, вареные и сушеные овощи, а также кисть руки человека. По кривым распределения интенсивности обратно рассеянного излучения для разных биотканей, а также биотканей в различном исходном состоянии, например сушеной моркови (наибольшая оптическая плотность), сырой и вареной моркови (наименьшая оптическая плотность), ученые установили, что чем плотнее биоткань, тем тоньше слой, поглощающий и рассеивающий падающее на нее лазерное излучение. Кроме того, в оптически более плотной биоткани рассеянное НИЛИ имеет большую интенсивность на меньшем расстоянии от места введения лазерного излучения. Чтобы определить чувствительность использованной методики,ученые проводили эксперименты для двухслойных биотканей, а также диагностировали поверхности различных срезов биоткани. Выявленные закономерности легли в основу метода диагностики воспалительных процессов, которые либо уплотняют, либо разрыхляют биоткань.

Ученые разработали и создали макет экспериментальной установки для неразрушающей диагностики биологических объектов. Эта установка достаточно компактна, поскольку источником лазерного излучения в ней служит полупроводниковый лазер. Лазерный луч направляется к биологическому объекту по оптическому волокну, а рассеянное излучение передается к фотодиоду уже по шести оптическим волокнам, расположенным на разных расстояниях от точки введения лазерного излучения. Револьверная головка поочередно подключает к фотодиоду эти волокна.

Первые эксперименты с новым прибором проводили на жидких средах, в которых формируются центры рассеяния, например при разбавлении свежего молока водой или добавлении в него кефира, моделирующих процесс скисания, а также при введении искусственных рассеивающих центров в виде чернил или туши. Анализируя распределение интенсивности обратно рассеянного излучения, исследователи пришли к выводу, что, используя эту установку, можно надежно диагностировать появление малой доли инородных включений (около 0,1%) и развивающейся новой культуры (до 3%) в исходном составе жидкой биологической среды.

Результаты работы можно положить в основу метода, который обнаруживает начало критического изменения жидких биологических сред при их микробиологическом исследовании, а также для оценки экологического состояния водоемов.