медицина (в том числе крио

ББК 5:72 Р 17

УДК 61:001

Рецензент: Калакутский Л.И. – доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой радиотехники, руководитель центра медицинского приборостроения

Р17 Канюков В.Н., Терегулов Н.Г., Винярский В.Ф., Осипов В.В. Развитие научно-технических решений в медицине (учебное пособие) -- Оренбург, ОГУ, 2000. – 255 с.

ISBN 5-7410-0231-5

Книга предназначена для студентов по специальности 190600 – Инженерное дело в медико-биологической практике. Она может быть полезна для аспирантов, инженеров медицинской техники, врачей, руководителей меди- ко-профилактических учреждений.

Терегулов Н.Г., Винярский В.Ф., Осипов В.В., 2000

ОГУ, 2000

Введение

Стремление человечества к познанию закономерностей окружающего нас реального мира приводит к последовательному накоплению объема знаний, которые постоянно уточняются и углубляются.

Наряду с дальнейшим развитием наук, возникших в предыдущие периоды нашей жизнедеятельности, продолжается процесс зарождения новых научных дисциплин: субатомная физика, биофизика, бионика, космонавтика, кибернетика и т.д. Одновременно, начиная с 40-х — 50-х годов текущего столетия начинается углубленная ориентация на взаимодействие наук при решении различных научно-технических проблем, возрастает их взаимопроникновение.

Новые дисциплины, как правило, в определенном сочетании взаимосвязаны между собой.

Например, бионика призванная решать инженерные задачи на основе жизнедеятельности организмов, взаимосвязана с биологией, физикой, химией, кибернетикой, электроникой, связью, навигацией и другими смежными науками, а биофизика-наука, углубленно изучающая сущность биологических явлений с применением методов точных наук, тесно связана с биологией, физикой, химией, математикой и др.

Здесь очевиден междисциплинарный подход к решению соответствующих проблем. Такое взаимодействие наук способствует их взаимному обогащению за счет использования приемов, методов и средств одной области знаний в другой и наоборот.

Современные проблемы, поставленные нашей жизнедеятельностью, практически не разрешимы усилиями одиночек, силами и средствами отдельно взятых научных дисциплин.

Решение крупных проблем нашего времени, поставленных перед наукой, возможно при проведении комплексных исследований, проводимых силами и средствами различных областей знаний.

В качестве примера можно привести исследования по экологической проблеме, конечной целью которой является научное регулирование связи «Общество - природа».

Мы сегодня являемся свидетелями того, как созданное руками человечества неконтролируемое воздействие технической цивилизации на окружающую нас природу приводит к серьезным негативным последствиям. Здесь, видимо, необходимо понимание того, что мы должны работать не на покорение природы, а на то, чтобы овладеть ее закономерностями и гармонично вписаться в ее законы.

Лучшие умы человечества, работающие над созданием орудий и средств самоуничтожения, необходимо направить на познание окружающего нас мира - приспособиться в нем и улучшать условия жизни, живя в согласии с природой.

Эта цель может быть достигнута только совокупными усилиями технических наук, наук о Земле, медицины, математики, экономики и др.

Комплексный подход к решению возникших проблем должен привести к более полному познанию законов развития природы, которые нам, видимо, знакомы пока лишь в самом общем виде.

Общепризнанным фактом является то, что в последние десятилетия происходит слияние науки, технологии и техническо-производственной деятельности.

Вэтой связи, вторжение научно-технических достижений в область медицины также надо считать закономерным явлением.

Впредлагаемом обзорном курсе лекций рассматриваются ряд современных научно-технических достижений, трансформированных в область медицины (лазеры и др.).

Целью курса лекций является расширение круга знаний студентов за счет их ознакомления с научно-техническими достижениями в смежных областях, влияющих на развитие сферы непосредственной деятельности будущих специалистов по медико-биологической технике.

Авторы придерживались следующего построения лекций:

-краткие сведения (напоминания) по разбираемой теме, известные студентам из ранее накопленного им объема знаний;

-современное состояние обсуждаемой проблемы;

-практическое воплощение рассматриваемого вопроса в технике и медицине.

1. Лазеры

1.1. Об истории создания лазера

1916 г. - Эйнштейн предсказывает возможность получения стимулированного излучения.

1940 г. - советский ученый В.А. Фабрикант формулирует условия получения стимулированного излучения.

1952 г. - В.А. Фабрикант, Ф.А. Бутаева и М.М. Вудынский проводят лабораторный эксперимент с использованием неравновесной среды и получают усиление оптического излучения.

1959-1960 гг. - созданы лазеры на рубине и газовой среде.

1959 г. – академики Н.Г. Басов и А.М. Прохоров удостоены Ленинской премии за создание и разработку нового метода генерации и усиления.

1964 г. - академики Н.Г. Басов и А.М. Прохоров совместно с американским ученым Ч.Таунсом удостоены Нобелевской премии по физике за разработку и внедрение квантовой электроники.

1970-1972 гг. - отечественная промышленность освоила выпуск ряда твердотельных, газовых и полупроводниковых лазеров 1971 г. - член-корреспондент АНСССР Ю.Н. Денисюк удостоен Ленинской

премии за развитие голографии с записью в трехмерной среде.

1973-1976 гг. - создан ряд отечественных дальномеров с использованием лазеров в качестве источника излучения 1977-1979 гг. - лазеры внедряются в промышленности, медицине, геодезии, приборостроении, строительстве, химии и др.

1.2 Электромагнитное излучение

Лазерное излучение - электромагнитное излучение, имеющие определенные свойства, присущие только ему.

Электромагнитные волны распространяются в пространстве (вакууме) со скоростью света „с” во все стороны от источника.

Радиоволны, свет, рентгеновские и гамма-излучения имеют одну электромагнитную природу в любой части спектра и отличаются длиной волны. Длина волны λ и частота колебаний ν всех типов электромагнитного излучения связаны соотношением

λ=с/ν,

Отсюда следует, что длина волны возрастает с уменьшением частоты.

Рисунок 1.1 - Основные участки электромагнитного спектра

На рисунке 1.1 показаны основные участки электромагнитного спектра с указанием длин волн и частот.

Резкой границей между различными участками спектра нет.

Они определены условно в соответствии с разными способами взаимодействия различных типов излучения с материей.

Кроме волновых характеристик электромагнитное излучение обладает свойствами, присущими частицам.

Источник колебаний излучает в пространство электромагнитное поле, несущее в себе энергию.

Оказывается, что оно уносит эту энергию от источника колебания порциями. Притом, частота колебаний различных электромагнитных полей или длина их электромагнитных волн отличаются одна от другой величинами излучаемых порций световой энергии. Эти порции называются квантами или фотонами. Каждый фотон несет дискретное количество энергии, которая определяется зависимостью:

E=hc/λ=hν,

где h- постоянная Планка.

Отсюда видно, что энергия фотона увеличивается по мере уменьшения длины волны и увеличения частоты.

Таким образом, электромагнитное излучение обладает свойствами, присущими волнам и частицам: при одних случаях взаимодействия оно ведет себя как волна, а при других как частица.

Считается, что в большинстве случаев взаимодействия света с веществом его квантовые свойства проявляются сильнее, чем волновые. Лазерному излучению так же присущи свойства, как волн, так и частиц. В литературе приводятся сведения о том, что в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях электромагнитного спектра лазерное излучение проявляет себя как поток электромагнитных волн, а в области гамма лучей,

являет себя как поток электромагнитных волн, а в области гамма лучей, как поток частиц.

В настоящее время пригодные для практических целей лазеры работают в диапазоне длин волн от 0,3 до 10 мкм.

На рисунке 1.2 даны длины волн излучения наиболее распространенных лазеров.

Рисунок 1.2 - Длины волн излучения наиболее распространенных лазеров

1.3 Краткие сведения о лазерах

Одним из качественно новых технологических процессов, все шире внедряемых в производство, являются лазерные технологии. В их основе лежит тепловое воздействие на материалы электромагнитного излучения, создаваемого оптическими генераторами - лазерами.

Возможности сфокусированного пучка лазерного излучения уникальны. Процесс обработки лазерным лучом отличается от традиционных методов обработки отсутствием контактных явлений в зоне обработки, минимальной зоной теплового воздействия, универсальностью сфокусированного пучка-инструмента и возможностью автоматизации процесса.

1.3.1 Основные понятия

В атомах электроны вращаются вокруг ядер по орбитам, составляющим дискретные электронные слои. Вращающиеся электроны обладают энергией, зависящей от расстояния данного слоя от ядра. Таким образом, можно рассматривать систему уровней энергии, которые составляют энергетический спектр атома или молекулы.

Наименьшее возможное энергетическое состояние атома является устойчивым (основное состояние). Переход атома или молекулы в более высокое энергетическое состояние связано с его возбуждением.

Число частиц в единице объема вещества, имеющих данный уровень энергии, называют населенностью энергетического уровня. В возбужденном состоянии населенность верхних энергетических уровней повышенная. Это явление называется инверсией населенности. Снижение энергии происходит за счет ее выделения в виде квантов. Это, так называемый, излучательный квантовый переход.

Энергия может снижаться и за счет безызлучательных переходов (за счет передачи избытка энергии другим частицам или усиления теплового колебания решеток).

Излучательные квантовые переходы могут быть самопроизвольными (спонтанными) и вынужденными.

Спонтанное излучение происходит случайно, кванты испускаются хаотично в разные моменты времени и в разных направлениях в пространстве. Поэтому такое излучение является некогерентным и широко полосным по спектру.

Вынужденное излучение инициируется поглощением попадающих в вещество квантов и созданием инверсии населенности. При вынужденном излучении в процесс вовлекаются как первичные - вынуждающие кванты, так и вторичные, испускаемые возбужденным атомом. Поэтому выделяемая при этом процессе энергия увеличена. В отличие от спонтанного излучения, вынужденное является когерентным, оно соответствует частоте, фазе, поляризации и направлению первичного излучения.

1.3.2 Принцип работы лазеров

В основе работы лазеров лежат три явления: поглощение веществом энергии, спонтанное и вынужденное излучения возбужденной системы атомов.

Осуществление инверсии населенности в веществе может быть осуществлено за счет поглощения энергии внешнего электромагнитного излучения или другими воздействиями (например, электронным возбуждением). Такие процессы условно называют «накачкой».

Следует заметить, что хотя возбужденные атомы могут иметь большое количество энергетических уровней, переходы возможны только между двумя соседними.

Рисунок 1.3 - Схемы накачки: а - трехуровневая схема; б - четырех-

уровневая накачка

На рисунке 1.3. в качестве примера рассмотрены схемы оптической накачки и получения лазерного излучения при наличии трех и четырех энергетических уровней. Первая схема реализована Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым (1955г.) в активной среде рубина с примесью хрома.

В результате оптической накачки повышается энергия на уровне 3 за счет перевода атомов с основного в возбужденное состояние и осуществляется переход 3→2 в ионах хрома безызлучательным путем. Вероятность перехода 3→2 значительно больше, чем 2→1, в силу чего происходит накопление энергии на уровне 2. Поскольку создается инверсия населенностей, возникает вынужденное излучение 2→1.

При четырехуровневой схеме (неодимовое стекло и кристалл граната с примесью ионов неодима) за счет накачки повышается энергия четвертого уровня ионов неодима. Здесь вероятности переходов 4→3и 2→1, осуществляемых безызлучательными процессами, больше, чем квантового перехода 3 →2. Поэтому на уровне 3 создаётся инверсия населенности и возникает лазерное излучение 3→2.

Важным условием работы лазера является усиление лазерного излучения в так называемых активных средах из-за лавинного размножения квантов излучения. Понятно, что чем больше активной среды и уровень накачки, тем больше интенсивность выходящего из нее излучения.

С помощью плоскопараллельных зеркал, одно из которых полупрозрачно, можно удлинить прохождение излучения в активной среде и создать условия для его усиления и генерирования. На рисунке 1.4 схематично показан резонатор, основанный на этом принципе.

1 – глухое зеркало; 2 – активная среда; 3 – полупрозрачное зеркало; 4 – излучение; • - невозбужденные атомы (основное состояние); ° - возбужденные атомы

Рисунок 1.4 - Схема работы активной среды в резонаторе с плоскопараллельными зеркалами

Первоначально рисунок 1.4а все атомы активной среды (вещества) находятся в основном состоянии, кроме трех.

Внешнее электромагнитное поле переводит часть атомов в возбужденное состояние - происходит процесс поглощения рисунок 1.4б. При этом спонтанно возникшие фотоны рисунок 1.4в, двигающиеся вдоль оси активной среды, отражаясь от зеркал резонатора рисунок 1.4 г,д, каждый раз будут вызывать вынужденное излучение идентичных фотонов. Спонтанно излученные фотоны рисунок 1.4в, имеющие другие направления, будут выходить из активной среды. Вынужденное излучение возбужденных атомов приведет к лавинному процессу рождения фотонов, подобных первичным рисунок

1.4г,д.

Этот процесс будет продолжаться до того времени рисунок 1.4е, пока интенсивность излучения достигнет своего порогового значения, после чего появится направленный пучок лазерного излучения 4.

В целях получения генерации электромагнитной волны также необходимо, чтобы усиление в активной среде компенсировало все возможные потери энергии: за счет выхода излучения из резонатора через зеркало, дифракционных потерь в резонаторе, потерь за счет рассеивания излучения и нагре-