2.3. Оптический и термический перенос энергии

Как мы уже видели, биологические ткани вследствие своего сложного состава отличаются широким спектральным диапазоном показателя поглощения и, соответственно, глубины проникновения излучения. Глубина проникновения излучения изменяется от микронного диапазона (для жесткого УФ и дальней и средней ИК области – Er, СО₂ лазеры) до миллиметрового диапазона (видимая область) и сантиметрового диапазона (ближний ИК диапазон Nd:YAG лазер).

Размер слоя, прогретого за счет теплопроводности, составляет величину . Рассмотрим величину для биотканей. Температуропроводность мало различается для различных мягких биотканей м²/с. Длительность воздействия в различных медицинских приложениях меняется также в очень широких пределах: от наносекунд до десятков минут и даже больше. Соответствующие значения глубины проникновения энергии в ткань за счет теплопроводности приведены в таблице 10.

Таким образом, в зависимости от длины волны используемого излучения, может преобладать или оптический перенос энергии, глубина проникновения излучения (например, при облучении ткани излучением Nd:YAG лазера =1,06 мкм при длительности воздействия меньше минуты), или перенос энергии за счет теплопроводности – термический перенос энергии (например, при использовании СО₂ лазера при длительности воздействия ).

Диаграмма, определяющая области значений длины волны излучения и длительности воздействия, при которых преобладает оптический или термический перенос энергии вглубь ткани, приведена на рисунке 6.

Таблица 10. Оценочные значения термической глубины проникновения энергии в биоткани для разных длительностях воздействия излучения.

Длительность воздействия	Термическая глубина проникновения энергии,
1 нс	0,02 мкм
1 мкс	0,7 мкм
1 мс	23 мкм
1 с	0,72 мм
1 мин	5 мм

Рисунок 6. Зависимость толщины слоя повреждений в биоткани от длительности воздействия и длины волны излучения.

Полная глубина проникновения энергии излучения в биоткань Эта величина характеризует размер области повреждений в биоткани, в частности, толщину слоя коагуляции.

При оптическом переносе энергии глубина проникновения энергии не зависит от длительности воздействия, а определяется только плотностью энергии, вложенной в облученную область. Понятно, что такое представление верно до тех пор, пока перенос энергии оптический, то есть до значений τ таких, что .

При термическом переносе энергии глубина проникновения энергии значительно зависит от длительности воздействия, а также от плотности мощности лазерного излучения.

Итак, если нам необходимо уменьшить толщину слоя коагуляции, то это можно сделать, если перенос энергии термический, уменьшением длительности воздействия, если увеличить – увеличением длительности воздействия. В УФ области ( < 350 мкм) и ИК области ( >1,8 мкм) толщину нагретого слоя можно уменьшить применением импульсов длительностью 1 мс. Дальнейшее уменьшение длительности воздействия не целесообразно, так как начинает преобладать оптический перенос энергии. Только для отдельных длин волн (193 нм, 248 нм и 2,9 мкм), где поглощение излучения очень сильное, целесообразно уменьшить длительности воздействия до 1 мкс, чтобы обеспечить минимально возможную пограничную зону в пределах нескольких микрон. В области больших глубин проникновения между 500 нм и 1,5 мкм могут быть применены длительности импульса секундного диапазона.

Все сказанное выше предполагает, что аблированный материал полностью удаляется после окончания импульса излучения. Но это происходит только при обработке свободной поверхности. При работе в узких каналах неудаленный из канала аблированный материал служит дополнительным источником энергии, подогревая нижерасположенные слои материала. Таким образом, толщина коагулированного слоя увеличивается.

Отдельно рассмотрим случай импульсно-периодического воздействия. Повторные воздействия импульсов могут расширить пограничную область. Это влияние увеличивается при увеличении частоты повторения импульсов и длительности импульсов. Такое дополнительное расширение термически измененной пограничной зоны можно оценить лишь приближенно.

Требуемые для удаления материала параметры лазерного воздействия при импульсном воздействии будут различными для оптического и термического переноса энергии. При оптическом переносе энергии, который реализуется, когда длительность импульсов и частота их следования невелики, так что не происходит эффекта накопления тепла от импульса к импульсу, результат воздействия определяется суммарной поглощенной энергией. С увеличением длительности импульсов или частоты их следования перенос энергии становится преимущественно термическим. При этом основным параметром, определяющим возможность удаления материала, становится средняя мощность воздействия.

Уменьшения толщины прогретого слоя можно достигнуть увеличением показателя поглощения ткани, например, нанесением на ее поверхность специального красителя. Так например, при обработке роговицы глаза с помощью эксимерного лазера XeCl ( =308 нм, =20 нс) толщина термически поврежденного слоя составляет 70 мкм. Она велика по сравнению с мягкими тканями, так как в роговице не происходит рассеяния. На подкрашенной роговице толщина термически поврежденного слоя уменьшается до 5 мкм.