Metody optyczne w medycynie Podstawy oddziaływania światła z materią E i E t E t = E i e κ ( ω L) i( n 1)( ω L) c e c zmiana amplitudy (absorpcja) zmiana fazy (dyspersja) Tylko światło pochłonięte może wywołać efekty bio/foto/chemiczne (prawo Grotthusa-Drapera) konieczne absorpcja - chromofory Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł.1 1/18
Własności optyczne ciał absorpcja (κ) prawo Lamberta-Beera, I( ω, N, L) = I 0 e a( ω, N ) L współczynnik absorpcji a=4πκ /λ (λ dł. fali świetlnej), absorbancja A = al (gęstość optyczna); A = ln I/I 0. a(ω) 0 ω- ω 0 T=I/I o 1 W analityce współczynnikiem absorpcji określa się niezależną od stężenia c wielkość ε, związaną z absorbancją i a relacją ε= A/(c L) λ ω 0 ω Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł.1 2/18
dyspersja (n) zmiana fazy n(ω) a 1 0 ω- ω 0 0 1 0 n a) mikroskopia (kontrast fazowy) b) anizotropia optyczna aktywność optyczna (skręcenie płaszczyzny polaryzacji polarymetria) α P α= (πl/λ)(n + -n -- ) skręcenie miarą dwójłomności (aktywności optycznej) ważna metoda analityczna dla pomiarów stężenia cukrów (sacharymetria) Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł.1 3/18 A
Absorpcja tkanek przykładowe widma laser Ar + HbO pigment lampa łukowa soczewka & rogówka Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł.1 4/18
Chromofory a) endogenne: melanina, hemoglobina, rodopsyna, kwasy nukleinowe (UV), karoten, chlorofil,... b) egzogenne barwniki kationowe (tiazyny: błękit metylowy, tiopironina) na zewnątrz komórki w reakcji fotodynamicznej niszczą błonykomórkowe fluoresceiny (np. róż bengalski, eozyna) i porfiryny lokują się w cytoplaźmie niszczenie str. cytoplazmatycznych, enzymów i RN akrynidy łączą się z DNA - mutacje egzogenne mogą wyzwalać endogenne np. ( Kwas 5- Aminolewulinowy ) Protoporfiryna Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł.1 5/18
Pomiary spektroskopowe ogólna metodyka - spektroskopia absorpcyjna lampa spektr. próbka detektor spektroskop/ monochromator zdolność rozdzielcza ( ω instr ) T T λ ω λ ω Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł.1 6/18
zastosowanie laserów lampa spektr. próbka detektor spektroskop/ monochromator laser przestraj. próbka detektor kolimacja zwiększ. czułości (drogi opt.) T ω T ω λ λ Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł.1 7/18
Inne rodzaje spektroskopii optycznej: spektroskopia dyspersyjna, polarymetria spektroskopia emisyjna rozpraszanie światła (Rayleigha, Ramana) Widma molekularne stany singletowe i trypletowe możliwe przejścia S 2 T 2 S 1 A FL FS T 1 FLO S 0 metody fluorescencyjne Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł.1 8/18
Mechanizm aktywacji chromoforu przez światło: S 2 T 2 S 1 τ 10 10 10 8 s T 1 τ 10 6 10 3 s światło IR ciepło ablacja, koagulacja, odparowanie, S 0 selektywne reakcje fotochemiczne z otoczeniem Nowe źródła światła dla elektronowych wzbudzeń chromoforów Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł.1 9/18
Źródła światła: 1. Lampy a) szerokopasmowe, rozkład Plancka 2hc I( λ) = 5 λ 2 e 1 hc λk T B 1 b) lampy selektywne np. niebieskie do terapii hyperbilirubinemii i łuszczycy c) lampy monochromatyczne np. Hg źródło UVC(253,7 nm), kwarcówka, Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł.1 10/18
2. Lasery Właściwości promieniowania laserowego - duża intensywność (spektralna i przestrzenna gęstość mocy) - monochromatyczność - kolimacja - spójność - polaryzacja - przestrajalność (lasery barwnikowe, Ti:szafir i diodowe) - możliwość generacji ultrakrótkich impulsów Lasery diodowe umożliwiają akcję laserową głównie w zakresie ok. 650 950 nm (choć tzw. lasery niebieskie sięgają też już do ok. 400 nm). Mogą być przestrajane przez zmianę temperatury w zakresie znacznie mniejszym niż lasery barwnikowe. Są za to małe, proste w obsłudze i ekonomiczne, Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł.1 11/18
Przykład lasera przestrajalnego laser barwnikowy Barwniki laserowe -umożliwiają przestrajanie długości fali laserów barwnikowych dzięki odpowiedniej strukturze poziomów energetycznych (szerokie, ciągłe pasma i wysoka wydajność kwantowa fluorescencji. Zakresy widmowe akcji laserowej możliwej przy użyciu różnych barwników: Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł.1 12/18
Lasery w medycynie wybór konkretnego typu lasera zależy od konkretnego zastosowania: absorpcji tkanek. światło musi dotrzeć tam, gdzie ma działać (prawo Grotthusa-Drapera) konieczna transmisja przez tkankę po drodze i absorpcja światła u celu widma chromoforów Penetracja tkanki przez światło różnych laserów (głębokość, po jakiej natężenie wiązki spada e-krotnie w typowej tkance miękkiej): Ar + 0,5-2 mm Nd:YAG 2-6 mm Er:YAG 0,4-0,6 mm CO 2 0,1-0,2 mm Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł.1 13/18
Znaczenie różnych właściwości światła laserowego dla zastos. med. duże natężenie umożliwia dostarczenie dużej energii do ściśle określonego miejsca koagulację, ablację tkanek, monochromatyczność i przestrajalność umożliwia selektywne wzbudzanie wybranych chromoforów inicjację określonej reakcji kolimacja wiązki laserowej umożliwia osiągnięcie dużej gęstości energii i dobre zogniskowanie promieniowania (użycie światłowodów) koherencja umożliwia silne ogniskowanie, zastosowanie holograficzne metod krótkie impulsy zmniejszanie ef. termicznych, możliwość badania szybkich reakcji biol./chem. Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł.1 14/18
Zastosowania chirurgiczne wykorzystują przeważnie termiczne działanie światła laserowego (lasery pracujące w bliskiej i średniej podczerwieni wzbudzają oscylacyjne i rotacyjne stany molekuł w tkankach). Główne zalety lasera w chirurgii: bezkontaktowe działanie sterylność, możliwość zabiegów na dnie oka (światło przechodzi przez przezroczystą soczewkę oczną, absorbowane przez siatkówkę), precyzja (możliwość ogniskowania do ok. 10µm), bezkrwawość (ważne przy operacjach rozległych obszarów np. mastektomii), możliwość stosowania bezinwazyjnych technik wziernikowych Ablacja = rozpad tkanek (dysocjacja cząsteczek) w wyniku bezpośredniego rozrywania wiązań i nadania fragmentom energii kinetycznej przez krótkie impulsy światła UV. Bardzo atrakcyjna dla precyzyjnej chirurgii dzięki nietermicznemu działaniu eliminacja blizn i efektów ubocznych termicznego działania tradycyjnych laserów chirurgicznych (np. lasera CO 2 ) Różne skutki działania światła w zależności od długości impulsu laserowego przy zachowaniu tej samej dawki promieniowania świetlnego Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł.1 15/18
Popularne typy laserów medycznych : ekscymerowe (193-351 nm) głównie do korekcji wad widzenia przez chirurgiczne modyfikowanie soczewki ocznej (zmiana krzywizny przez ablację rogówki) Ar+ (488 i 514,5 nm) głównie w okulistyce (operacje siatkówki) Nd:YAG (1,064 µm) chirurgia (najczęściej stosowany laser chirurgiczny) Ho:YAG (2,09 µm) chirurgia (ablacyjne operacje prostaty) Er:YAG (2,94 µm) ablacyjna chirurgia kosmetyczna (wygładzanie zmarszczek) CO2 (10,6 µm) chirurgia (działanie głownie koagulacyjne chyba, że krótkie impulsy), obecnie coraz rzadziej stosowany barwnikowy (równe dł. fali, głównie w obszarze widzialnym) głównie w terapii fotodynamicznej (PDT), okulistyce i dermatologii Ti:szafir (bliska podczerwień) głównie w okulistyce, PDT diodowy (niebieski oraz czerwień i bliska podczerwień) głównie w biostymulacji (low-level laser therapy LLLT) oraz do wzbudzania profiryny Wojciech Gawlik, Metody Optyczne w Medycynie 2010/11 - wykł.1 16/18