ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ И ЦЕЛИ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОГО  ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЛАЗЕРОВ.

Современные направления медико-биологического применения лазеров могут быть разделены на две основные  группы :

К первому типу отнесено воздействие на ткани  патологического очага импульсным или непрерывным лазерным излучением при плотности мощности, недостаточной для глубокого  обезвоживания, испарения тканей и возникновения в них дефекта. Этому  типу  воздействия соответствует применение лазеров в дерматологии и  онкологии  для облучения патологических тканевых образований, которое приводит  к их коагуляции. Второй тип - рассечение тканей, когда  под  влиянием излучения лазера непрерывного  или  частотно-периодического  действия часть ткани испаряется и в ней возникает дефект. В этом случае плотность мощности излучения может превосходить  используемую при коагуляции на два порядка и более. Этому типу воздействия соответствует хирургическое применение лазеров. К третьему типу можно отнести влияние на ткани и органы низкоэнергетического излучения, обычно не вызывающего явных морфологических изменений, но приводящего к определенным биохимическим и физиологическим сдвигам в организме, т.е. воздействие  типа  физиотерапевтического. Сюда же следует включить применение гелий-неонового лазера в целях биостимуляции при вяло текущих раневых процессах, трофических язв и др.

Несмотря на всю условность схемы (нетрудно  видеть, например, что при рассечении тканей наблюдается одновременно  гибель  части клеток, т.е. реализуется и воздействие по первому типу, рассечение и коагуляция тканей сопровождается определенными физиолого-биохимическими изменениями и др.),она дает представление о тех  основных эффектах, которые достигаются с помощью лазерного облучения  и практически используются специалистами медико-биологического профиля. Задача исследований по механизму биологического действия лазерной радиации сводится к изучению тех процессов, которые лежат в основе интегральных эффектов, вызываемых облучением — коагуляции тканей, их испарения, биостимуляционных сдвигов в организме.

Лазерная диагностика в офтальмологии

АНГИОГРАФИЯ

Исследование сосудистой системы и гемодинамики глазного дна является одним из важнейших средств  ранней  диагностики  тяжелых патологических изменений органа зрения и, в конечном  счете, профилактики преждевременной слепоты.

Наибольшее распространение для исследования  гемодинамики в настоящее время получили флюоресцентная ангиография  и  ангиоскопия глазного дна. Эти методы обладают большой  информационной  емкостью.

Флюоресцентная ангиография (ФАГ) с фоторегистрацией позволяет зафиксировать результаты исследования, но нарушает целостность динамической картины кровообращения.

Перед исследователем, который работает  над усовершенствованием и разработкой аппаратуры для исследования гемодинамики глазного дна, встают следующие задачи:

1) выбор фотоприемника, имеющего достаточно  высокую чувствительность как в видимом, так и в ближнем инфракрасном диапазоне и дающего возможность оперативно регистрировать и воспроизводить в реальном времени динамическую картину кровообращения глазного дна

2) выбор соответствующего источника  освещения  глазного дна, который излучает в диапазоне возбуждения применяемых контрастирующих красителей и позволяет достаточно простым способом изменять длину волны излучения.

Желательно, чтобы источник освещения в нужном диапазоне излучения имел возможно более узкую ширину спектра, лучше всего излучение на одной линии  максимального  поглощения  соответствующего красителя. Применение источника освещения с такой  характеристикой исключает высокую общую засветку глаза.

Выбранный фотоприемник должен обладать как можно большей чувствительностью в рабочем диапазоне, что даст возможность снизить уровень освещенности глазного дна.

Фотоприемник должен иметь разрешающую способность, достаточную для передачи мелких деталей глазного дна, и высокое отношение сигнал-шум для воспроизведения изображения глазного дна с необходимым контрастом.

Проведенные эксперименты показали, что оптимальным с точки зрения всех требований, предъявляемых к фотоприемнику, является использование в качестве такового телевизионной передающей  трубки. Телевизионный фотоприемник преобразует оптическое изображение на его мишени в последовательность электрических импульсов— телевизионный видеосигнал. Видеосигнал передается на устройства  отображения - телевизионные мониторы с экранами различного размера для непосредственной визуализации, и записывается на магнитную ленту с помощью видеомагнитофона. В видеосигнал чисто электронными методами может быть введена дополнительная информация. Наблюдение гемодинамической картины производилось в реальном масштабе времени, а регистрация сигнала  на  видеомагнитофоне  позволяла  многократно просматривать сделанную запись  для  детального  диагностического анализа. При использовании соответствующего видеомагнитофона можно просматривать запись с пониженной скоростью воспроизведения  и  в обратном движении, а также возможна остановка изображения.

Необходимая разрешающая способность телевизионной трубки определяется величиной самых мелких деталей  глазного дна,  которые необходимо передать, и увеличением оптического канала, формирующего изображение. Если принять размер самых мелких деталей в 50 мкм, то для фундус-камеры "Opton" с увеличением фотоканала 2.5 получим необходимую разрешающую способность телевизионного  фотоприемника 8 мм. Изображение участка глазного дна, создаваемое фундус-камерой, представляет собой круг диаметром 20 мм. Следовательно, если изображение занимает всю поверхность мишени, то требуется не более 200 строк разложения, чтобы обеспечить требуемое разрешение. Таким  образом, стандартная телевизионная развертка позволит передавать детали мельче 50 мкм.

Проведенные исследования позволили выбрать следующую структурную схему телевизионной системы для ангиографических  исследований. В качестве источника освещения  глазного  дна  используется перестраиваемый лазер, длина волны которого выбирается в полосе максимального поглощения используемого красителя. При помощи  специального электронного блока оптимальным образом связаны  модуляция лазерного луча и параметры развертки  телевизионной  системы. Вид зависимости выбирается исходя из необходимости обеспечить минимальную паразитную засветку глазного дна, то есть так, чтобы  получить максимальное отношение сигнал-шум в тракте телесигнала. При этом на экране телевизионного дисплея  получается  наиболее  контрастное изображение. Применение в качестве источника света  лазера позволяет получить максимальную спектральную плотность излучения в нужном участке спектра и исключить засветку глазного дна на других длинах волн, при этом отпадает необходимость в применении узкополосного фильтра с низким коэффициентом пропускания. Для регистрации видеосигнал записывается на магнитную ленту. Параллельно видеосигнал поступает на спецвычислитель, при помощи которого непосредственно во время исследования или во время  воспроизведения ранее сделанной записи могут быть определены следующие параметры: калибр сосудов в некотором выбранном сечении глазного дна; площадь занимаемая сосудами на глазном дне; доля сосудов определенного заданного калибра; распределение сосудов по калибрам; скорость распространения красителя и др.

ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ГОЛОГРАФИИ

Особый интерес для голографической диагностики  представляет орган зрения. Глаз является органом, позволяющим получать изображение его внутренних сред обычным освещением извне, так как преломляющие среды глаза являются прозрачными для излучения видимого и ближнего инфракрасного диапазона.

Наибольший подъем исследований и разработок систем  объемного отображения в офтальмологии связан с появлением  лазеров, когда появились потенциальные возможности широкого использования голографического метода.

Для голографической  записи  изображения  глазного  дна  использовалась стандартная  фотографическая  фундус-камера  Цейса, в которой ксеноновый источник света был заменен  лазерным  источником излучения.

Недостатком являются низкое (100 мкм) разрешение  и  невысокий (2:1) контраст получаемых изображений.

Традиционные методы  оптической  голографии  сталкиваются  с принципиальными трудностями  их  практической  реализации  в  офтальмологии , в первую очередь из-за низкого качества  получаемых объемных изображений.

Существенного повышения качества объемных изображений  можно ожидать лишь в случае использования  однопроходной  голографической  регистрации, каковой  является  регистрация  прозрачных  микрообъектов методами голографии.

Метод флюоресцентной  ангиографии, состоящий  в возбужждении люминесценции красителя, введенного в кровь, и одновременной  фото-регистрации изображения глазного дна.

В результате проведенных исследований был разработан  способ получения однопроходной  голограммы  глазного  дна. Данный  способ позволяет существенно улучшить качество восстановленных изображений в результате устранения когерентного шума и паразитных бликов.

Термография

Биофизические аспекты тепловидения.

     В человеческом организме вследствие экзотермических биохимических процессов в клетках и тканях, а также за  счет  высвобождения энергии, связанной с синтезом ДНК и РНК, вырабатывается большое количество тепла-50-100 ккал/грамм. Это тепло распределяется внутри организма с помощью циркулирующей крови  и  лимфы. Кровообращение выравнивает температурные градиенты. Кровь  благодаря  высокой теплопроводности, не изменяющейся от  характера  движения, способна осуществлять интенсивный теплообмен между центральными и  периферическими областями организма. Наиболее теплой является  смешанная венозная кровь. Она мало охлаждается в легких и, распространяясь по большому кругу кровообращения, поддерживает оптимальную температуру тканей, органов и систем. Температура крови, проходящей  по  кожным сосудам, снижается на 2-3°. При патологии система  кровообращения нарушается. Изменения возникают уже потому, что повышенный  метаболизм, например, в очаге воспаления увеличивает  перфузию  крови и, следовательно, теплопроводность, что  отражается  на  термограмме появлением очага гипертермии.

     Температура кожи имеет  свою  вполне  определенную  топографию. Правда, у новорожденных, как показала  И.А.Архангельская, термотопография кожи  отсутствует. Самую  низкую  температуру  (23-30°) имеют дистальные  отделы  конечностей, кончик  носа, ушные  раковины. Самая высокая температура подмышечной  области, в  промежности, области шеи, эпигастрия, губ, щек. Остальные участки имеют  температуру 31-33,5°С. Суточные колебания температуры  кожи  в  среднем составляют 0,3-0,1°С и зависят от физической и психической нагрузок, а также других факторов.

     При прочих равных условиях минимальные изменения  температуры кожи наблюдаются  в  области  шеи  и  лба, максимальные—в  дистальных отделах конечностей, что объясняется влиянием высших отделов нервной системы. У женщин часто кожная температура ниже, чем  у мужчин. С возрастом эта температура снижается и уменьшается ее изменчивость под воздействием температуры окружающей среды. При всяком изменении постоянства соотношения температуры внутренних  областей тела включаются терморегуляторные  процессы, которые  устанавливают новый уровень равновесия температуры тела с  окружающей

средой.

     У здорового человека  распределение  температур  симметрично относительно средней линии тела. Нарушение этой симметрии  и  служит основным критерием тепловизионной диагностики заболеваний. Количественным выражением термоасимметрии служит величина  перепада температуры. Перечислим основные причины возникновения температурной асимметрии:

1. включая сосудистые опухоли.

2. приводящие к  нарушению  регуляции  сосудистого тонуса.

3.  с  травмой, тромбозом, эмболией, склерозом сосудов.

4. ретроградный ток крови  при  недостаточности клапанов вен.

5. опухоли, вызывающие местное  усиление обменных процессов.

6.  отеком, увеличением или уменьшением слоя подкожной жировой клетчатки.

     Существует  так  называемая  физиологическая   термоасимметрия, которая отличается от патологической меньшей величиной  перепада температуры для каждой отдельной части тела. Для  груди, живота и спины величина перепада температуры не превышает 1,0°С.

     Терморегуляторные реакции в  человеческом  организме  управляются гипоталамусом.

     Кроме центральных, существуют и местные механизмы  терморегуляции. Кожа благодаря густой сети капилляров, находящихся под  контролем вегетативной нервной системы и способных значительно  расширить или полностью закрыть просвет сосудов, менять свой калибр в широких пределах, -прекрасный теплообменный орган и регулятор температуры тела.

     Температура кожи и подлежащих тканей может  иметь  мозаичный характер вследствие неоднородности температур внутренних  органов или даже отдельных участков того или иного  органа. Следует  обратить внимание на высокие термоизолирующие свойства кожного покрова, который благодаря разветвленной подкожной сосудистой сети, препятствует контактной передаче термических воздействий вглубь  тела и в обратном направлении. Все эти  общие  и  местные  механизмы терморегуляции оказывают влияние на физические и  физиологические факторы, обусловливающие в конечном счете особенности теплоизлучения кожи, а следовательно, и характер тепловизионной картины.

     Таким  образом, термография—метод  функциональной  диагностики, основанный на регистрации инфракрасного излучения человеческого тела, пропорционального его температуре. Распределение и  интенсивность теплового излучения в  норме  определяются  особенностью физиологических процессов, происходящих  в  организме, в  частности как в поверхностных, так и в глубоких и органах. Различные  патологические состояния характеризуются  термоасимметрией  и  наличием температурного градиента между зоной повышенного или  пониженного излучения и симметричным участком тела, что отражается на  термографической картине. Этот факт имеет немаловажное диагностическое и прогностическое  значение, о  чем  свидетельствуют  многочисленные клинические исследования.

МЕТОДИКИ ТЕПЛОВИЗИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

Колебания температуры кожи зависят от  ряда  факторов. К ним относятся: сосудистые  реакции, скорость кровотока, наличие локальных или общих источников тепла внутри тела, регуляция теплообмена одеждой, испарением. Кроме того, возможны погрешности в измерении температуры за счет воздействия излучающих предметов окружающей среды. Пока влияние всех этих факторов  не  исключено  или  не учитывается  при  окончательном  определении  результата  измерения, до тех пор невозможно объективно судить о температуре человеческого тела после единичного измерения  температуры. По  расчетам Г. Рудовского разница между истинной и кажущейся температурой  чаще всего составляет 1-3 градуса.

Точность исследования возрастает, если снять  с  исследуемого одежду, а из помещения удалить объекты, более теплые или более  холодные, чем воздух в комнате. Оптимальной для исследования считается температура воздуха 22 градуса.

Перед проведением тепловизионного исследования больной  должен  адаптироваться  к  температуре  окружающей  среды. По мнению В.Ф. Сухарева и В.М. Курышевой, оптимальным и  достаточным  является 20-минутный период адаптации. Эти авторы выделили три типа адаптации у людей:

·  группе, вначале  отмечается  небольшое падение температуры на 0.3-0.5 С при  естественном  охлаждении  и быстрое восстановление температуры кожи до первоначального уровня.

·  при  этом  несколько понижена и наблюдается замедленное восстановление температуры кожи.

·  сосудистой системы без клинических проявлений. Температура несколько стабилизируется к 40-60-й минуте периода адаптации, оставаясь пониженной.

У больных с патологией сосудов отмечаются  резкие  нарушения адаптационных процессов.

Выбор расстояния от  больного до  экрана тепловизора зависит от технических возможностей прибора.

Оптимальное расстояние от тепловизора до объекта  составляет 2-4 метра.

В литературе описывается  несколько  методов  тепловизионных исследований. Выделяют два основных вида термографии:

1.Контактная холестерическая термография.

2.Телетермография.

Телетермография основана на преобразовании инфракрасного излучения тела человека в электрический  сигнал, который  визуализируется на экране тепловизора.

Контактная холестерическая термография опирается на оптические свойства холестерических жидких кристаллов, которые проявляются изменением окраски в радужные цвета при нанесении их  на  термоизлучающие поверхности. Наиболее  холодным  участкам   соответствует красный  цвет, наиболее  горячим—синий. Нанесенные  на  кожу композиции  жидких  кристаллов, обладая  термочувствительностью  в пределах 0.001 С, реагируют на тепловой  поток  путем  перестройки молекулярной структуры. Падающий на кристаллы  рассеянный  дневной свет разделяется на две компоненты, у одной из которых электрический вектор поворачивается по часовой стрелке, а другой—против.

После рассмотрения  различных  методов  тепловидения  встает вопрос о способах интерпретации термографического изображения. Существуют визуальный и количественный способы оценки  тепловизионной картины.

Визуальная (качественная) оценка термографии позволяет определить расположение, размеры, форму и структуру очагов  повышенного излучения, а также ориентировочно оценивать величину  инфракрасной радиации. Однако при визуальной оценке невозможно  точное  измерение температуры. Кроме того, сам  подъем  кажущейся  температуры в термографе оказывается зависимым от скорости развертки и  величины поля. Затруднения для клинической оценки результатов  термографии заключаются в том, что подъем температуры на небольшом по площади участке оказывается малозаметным. В результате  небольшой  по размерам патологический очаг может не обнаруживаться.

Радиометрический подход весьма перспективен. Он  предполагает  использование самой современной техники и может найти применение  для  проведения массового профилактического  обследования, получения  количественной информации о патологических процессах в исследуемых участках, а также для оценки эффективности—термографии.

ТЕПЛОВИЗИОННАЯ ТЕХНИКА И ПЕРСПЕКТИВЫ ЕЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ

     Успехи медицинской науки во многом зависят от  качества  используемой медицинской аппаратуры. Тепловизоры, применяемые  сейчас в тепловизионной диагностике, представляют собой  сканирующие устройства, состоящие из систем зеркал, фокусирующих инфракрасное излучение от поверхности тела на чувствительный  приемник.  Такой приемник требует охлаждения, которое  обеспечивает  высокую  чувствительность. В  приборе  тепловое  излучение    последовательно преобразуется в электрический сигнал, усиливающийся  и  регистрирующийся как полутоновое изображение.

     В настоящее время применяются тепловизоры  с  оптико-механическим сканированием, в которых за счет пространственной  развертки изображения  осуществляется  последовательное  преобразование инфракрасного излучения в видимое.

     В термовизионной аппаратуре видимое изображение высвечивается на экране ЭЛТ поэлементно, т.е. кадр изображения  формируется, как в телевидении, путем перемещения луча по горизонтали и вертикали. Получение поэлементной развертки обеспечивает  оптико-механическое сканирование. В  результате  на  выходе  преобразователя формируется видеосигнал, подобный телевизионному. Поскольку спектральный состав части излучения, которая вызывает сигнал на выходе преобразователя, определяется областью пропускания  оптической

системы и спектральной характеристикой преобразователя,  термовизионная аппаратура имеет более широкую область спектральной  чувствительности, чем та, которая построена на базе электронно-оптического преобразователя.

     Упрощенная функциональная схема термовизора приведена на рисунке