Методическая разработка для студентов лечебного, педиатрического и стоматологического факультетов к лабораторной работе «Лазеры. Свойства лазерного излучения. Применение лазеров в медицине»


Скачать 208.32 Kb.
НазваниеМетодическая разработка для студентов лечебного, педиатрического и стоматологического факультетов к лабораторной работе «Лазеры. Свойства лазерного излучения. Применение лазеров в медицине»
Дата публикации11.07.2013
Размер208.32 Kb.
ТипМетодическая разработка
userdocs.ru > Медицина > Методическая разработка




Методическая разработка

для студентов лечебного , педиатрического и стоматологического факультетов

к лабораторной работе
«Лазеры. Свойства лазерного излучения. Применение лазеров

в медицине»

1. Научно-методическое обоснование темы:

Достижения в области квантовой электроники положили начало для создания генераторов когерентного света, работающих на принципе вынужденного излучения – оптических квантовых генераторов.

В 1960г. был создан первый квантовый генератор видимого диапазона излучения - лазер с кристаллом рубина в качестве рабочего вещества (активной среды).

Все огромное многообразие созданных в настоящее время лазеров можно классифицировать по видам рабочего вещества: различают газовые, жидкостные, полупроводниковые и твердотельные лазеры.

Уникальные свойства лазерного излучения обеспечили широкие возможности для его применения, в том числе в медицине: в хирургии, офтальмологии, онкологии, дерматологии, стоматологии и др.

Все эти приложения лазерного излучения полностью определяются его физической природой. Поэтому медицинскому работнику соответствующего профиля важно знать механизм и свойства лазерного излучения, устройство и принцип работы лазеров различного типа.

^ 2. Краткая теория:
1. Спонтанные и вынужденные переходы
Возбужденный атом из состояния Е2 может перейти в состояние Е1 (Е12) c испусканием фотона как самопроизвольно (спонтанное излучение), так и под действием электромагнитного излучения (индуцированное, или вынужденное излучение).

При спонтанном излучении частота фотона, направление его распространения и фаза могут быть произвольными.

Если на атом, находящийся в состоянии Е2 , падает фотон с энергией h v = Е2 – Е1, то этот фотон будет стимулировать процесс высвечивания. Отметим, что фотон не может возбудить атом, т.к. тот уже возбужден, но может вызвать обратный эквивалентный процесс, т.е. снятие возбуждения посредством высвечивания.

Таким образом, при индуцированном переходе электромагнитное поле как бы «сваливает» атом с возбужденного энергетического уровня вниз, на основной или менее возбужденный уровень. Отличительной особенностью этого процесса является то, что падающий фотон и индуцированный фотон вылетают из атома в фазе и движутся в одном и том же направлении, усиливая друг друга (рис.1). Такое излучение называется когерентным.


Рис. 1

С точки зрения волновой оптики явление вынужденного излучения сводится к увеличению интенсивности электромагнитной волны, проходящей через вещество.

Если мы имеем некоторое количество атомов, часть из которых находится в возбужденном состоянии, то всего лишь один - единственный падающий фотон может вызвать высвечивание этих атомов за счет вынужденного излучения. Далее, каждый фотон может стимулировать излучение фотонов из других атомов. В результате вся система излучит энергию возбуждения в виде пучка когерентных фотонов.

^ В чем состоит выигрыш в таком процессе?

Все возбужденные атомы отдали бы свою энергию в процессе спонтанного излучения. Мы просто стимулировали излучение, которое все равно бы произошло без нашего участия.

Однако, в процессе спонтанного излучения фотоны испускаются в случайных направлениях и с разными фазами. Индуцированное же излучение приводит к тому, что все фотоны испускаются в фазе и почти одновременно.

Обычный источник света не может испустить когерентное индуцированное излучение, т.к. в любой момент времени имеет больше атомов в основном состоянии, чем в возбужденном. Когда фотон пролетает через вещество, то вероятность его поглощения атомом в основном состоянии больше вероятности того, что он стимулирует излучение возбужденного атома.

Таким образом, из-за сильного поглощения эффект усиления индуцированного излучения в обычном источнике света не возникает.

Для преодоления действия поглощения необходимо реализовать ситуацию, когда число возбужденных атомов превышает число атомов в основном состоянии. Это называется инверсной заселенностью (населенностью) уровней.

Одним из способов осуществления инверсной заселенности является накачка атомов через третье возбужденное состояние (рис.2):


С_________________ С__________________



Рис. 2
Здесь состояние А - основное, В и С - возбужденные.

Состояние С возбуждается посредством поглощения фотонов, электрического разряда или столкновения. Оно выбрано так, что после испускания фотона атом оказывается в долгоживущем состоянии В, называемом метастабильным. Переход В ® А дает индуцированное излучение. Фотон с энергией ЕВ - ЕА, попадая в атом, находящийся в состоянии В, стимулирует испускание еще одного фотона, и оба фотона вылетают из атома в фазе.
2. Лазеры
Лазер (оптический квантовый генератор, аббревиатура от Light Ampflicalion by Stimulated Emission Radiation, что означает « усиление света вынужденным излучением») - устройство, преобразующее различные виды энергии (световую, химическую, тепловую и т.д.) в энергию когерентного электромагнитного излучения оптического диапазона.

Устройство лазера зависит от его назначения, режима работы, диапазона генерируемых длин волн, уровня генерируемой мощности или энергии. Оно во многом определяется также тем, какой вид энергии преобразуется лазером в когерентное излучение.

Тем не менее, любой лазер, работающий как генератор когерентного излучения, должен состоять из трех элементов:

  1. устройства, поставляющего энергию для переработки ее в когерентное излучение;

  2. активной среды, которая «вбирает» в себя эту энергию и переизлучает ее виде когерентного излучения;

  3. устройства, осуществляющего обратную связь.

В основе работы лазера лежит процесс вынужденного испускания фотонов возбужденными квантовыми системами - атомами, молекулами, жидкостями и твердыми телами.

В качестве примера рассмотрим рубиновый и гелий - неоновый лазеры.

Рубин состоит из оксида алюминия Аl2 O3, содержащего в качестве примеси немного хрома Сr3+, придающего рубину характерный красный цвет.


Рис. 3. Некоторые уровни энергии атомов хрома в кристалле рубина

Энергетические состояния вблизи Е2 и Е3 являются полосами. Это означает, что состояние атома не связано с какой-то строго определенной энергией, а может иметь энергию в пределах некоторой полосы с центром в Е2 или Е3.

Излучение накачки (рис.3.) возбуждает две энергетические полосы Е2 и Е3. Т.к. эти полосы являются достаточно широкими, и белый свет от источника накачки содержит большое количество фотонов с энергиями внутри полос, то произойдет «накачка» этих полос. После этого возникает переход с каждой из этих полос в метастабильное состояние Е1. Лазерным является переход Е1 ® Е0 с излучением в красной части спектра при 693,4 нм.

Для обеспечения направленности излучения кристаллу рубина придается форма цилиндра со строго параллельными торцовыми поверхностями (рис.4.)

Один торец посеребрен, и представляет собой хорошее зеркало. Другой покрыт серебром лишь частично. Индуцированные фотоны отражаются между параллельными зеркалами и накапливаются. Пучок образуется фотонами, которые вылетают через частично отражающий торец цилиндра.

Накачку осуществляет мощная разрядная лампа, навитая в виде спирали вокруг кристалла. Как только в процессе спонтанного перехода Е1® Ео образуется хотя бы один фотон, начинается лазерное действие.

Фотоны, движущиеся параллельно оси цилиндра, отражаются от посеребренных торцов и, повторно пересекая кристалл, стимулируют испускание дополнительных фотонов. Часть этих фотонов проходит через торец с полупрозрачным покрытием и формирует лазерный пучок. Большая часть спонтанно испущенных фотонов излучается под углом к оси цилиндра. Они отражаются внутри кристалла и в конце концов вылетают через боковую поверхность. Такие фотоны не дают вклада в лазерный пучок. Однако число фотонов, которые отражаются между торцами цилиндра, оказывается достаточным для поддержания действия лазера.


Рис. 4. Схема рубинового лазера
Лазер на рубине работает в импульсном режиме, т.к. непрерывный режим работы приведет к перегреву и кристалл растрескается.



Гелий - неоновый лазер является наиболее распространенным и наименее дорогим современным лазером. Он состоит из двух трубок, соединенных патрубками. Система трубок наполнена смесью гелия с неоном при низком давлении (рис.5).







Рис. 5. Схема гелий - неонового лазера
Первая трубка - лазерная, как и рубиновый лазер, имеет зеркало на одном из торцов и частично отражающее зеркало на другом. Вторая трубка - разрядная - имеет электроды, присоединенные к источнику питания.

Накачка осуществляется по следующей схеме:






Рис.6. Схема накачки гелий-неонового лазера
После включения источника питания в системе возникает газовый разряд. Столкновения электронов с атомами гелия приводят к возбуждению состояния В. Атомы газа находятся в непрерывном движении, и часто сталкиваются. Если атом Не в возбужденном состоянии В сталкивается с атомом Nе в основном состоянии, то энергия атома Не передается атому Nе, который переходит в метастабильное состояние С´. Переход С´ ® В´ является лазерным с испусканием красных фотонов с длиной волны 632,8 нм. Гелий - неоновый лазер, в отличие от рубинового, может работать в непрерывном режиме.


3. Свойства лазерного излучения
Лазерное излучение по своим свойствам значительно отличается от излучения обычных источников света. Отметим его характерные особенности.

1.Когерентность. Излучение является высококогерентным, что обусловлено свойствами вынужденного излучения. При этом имеет место не только временная, но и пространственная когерентность: разность фаз в двух точках плоскости, перпендикулярной направлению распространения, сохраняется постоянной (рис. 7, а).

2.Коллимированность. Лазерное излучение является коллимированным, т.е. все лучи в пучке почти параллельны друг другу (рис.7, б). На большом расстоянии лазерный пучок лишь незначительно увеличивается в диаметре. Так как угол расходимости φ мал, то интенсивность лазерного пучка слабо убывает с расстоянием. Это позволяет передавать сигналы на огромные расстояния при малом ослаблении их интенсивности.

3.Монохроматичность. Лазерное излучение является в высокой степени монохроматическим, т.е. содержит волны практически одинаковой частоты (ширина спектральной линии составляет ∆λ ≈ 0,01 нм). На рис.7, в приведено схематическое сравнение ширины линии лазерного луча и луча обычного света.



Рис. 7. Когерентность (а), коллимированность (б), монохроматичность (в) лазерного излучения

До появления лазеров излучение с некоторой степенью монохроматичности удавалось получить с помощью приборов — монохроматоров, выделяющих из сплошного спектра узкие спектральные интервалы (узкие полосы длин волн), однако мощность света в таких полосах мала.

4.^ Высокая мощность. С помощью лазера можно обеспечить очень высокую мощность монохроматического излучения — до 105 Вт в непрерывном режиме. Мощность импульсных лазеров на несколько порядков выше. Так, неодимовый лазер генерирует импульс с энергией Е = 75 Дж, длительность которого t = 3·10-12 с. Мощность в импульсе равна Р = E/t = 2,5·1013 Вт (для сравнения: мощность ГЭС составляет Р ~109 Вт).

5.^ Высокая интенсивность. В импульсных лазерах интенсивность лазерного излучения очень высока и может достигать I = 1014—1016 Вт/см2 (средняя интенсивность солнечного света вблизи земной поверхности I = 0,1 Вт/см2).

6.^ Высокая яркость. У лазеров, работающих в видимом диапазоне, яркость лазерного излучения (сила света с единицы поверхности) очень велика. Даже самые слабые лазеры имеют яркость 1015 кд/м2 (для сравнения: яркость Солнца L ~ 109кд/м2).

7. Давление. При падении лазерного луча на поверхность тела создается давление (Д). При полном поглощении лазерного излучения, падающего перпендикулярно поверхности, создается давление Д = I/с, где I —интенсивность излучения, с — скорость света в вакууме. При полном отражении величина давления в два раза больше. Для интенсивности I = 1014 Вт/см2 = 1018 Вт/м2 Д = 3,3·109 Па = 33000 атм.

8. Поляризованность. Лазерное излучение полностью поляризовано.

4. Изменение температуры и свойств ткани под действием непрерывного лазерного излучения
Поглощение мощного лазерного излучения биологической тканью сопровождается выделением теплоты. Для расчета выделяющейся теплоты используют специальную величину — объемную плотность теплоты (q).

Объемная плотность выделяющейся теплоты (q) равна отношению выделенной теплоты (dQ) к объему ткани (dV) и времени облучения (dt):
q = dQ/dVdt, Вт/см3. ( 1)
Объемная плотность теплоты, выделяющейся при облучении вычисляется по формуле
q = kI, (2)
где I — интенсивность лазерного излучения, k [см-1] — коэффициент поглощения ткани, зависящий от вида ткани и длины волны.

Выделение теплоты сопровождается повышением температуры и в тканях протекают следующие процессы:

при 40—60°С имеют место активация ферментов, образование отеков, изменение и в зависимости от времени действия гибель клеток, денатурация протеина, начало коагуляции и некрозы;

при 60—80°С — денатурация коллагена, дефекты мембран;

при 100°С - обезвоживание, выпаривание тканевой воды;

свыше 150°С — обугливание;

свыше 300°С — выпаривание ткани, газообразование.

Динамика протекания этих процессов изображена на рис. 8.

Рис.8. Динамика изменения температуры ткани под воздействием непрерывного лазерного излучения
1 фаза. Сначала температура ткани повышается от 37 до 100 °С. В этом диапазоне температур термодинамические свойства ткани остаются практически неизменными, и происходит линейный рост температуры со временем (α = const и I = const).

^ 2 фаза. При температуре 100 °С начинается выпаривание тканевой воды, и до окончания этого процесса температура остается постоянной.

3 фаза. После выпаривания воды температура вновь начинает расти, но медленнее, чем на участке 1, так как обезвоженная ткань поглощает энергию слабее нормальной.

4 фаза. По достижении температуры Т ≈ 150 °С начинается процесс обугливания и, следовательно, «почернения» биоткани. При этом коэффициент поглощения α возрастает. Поэтому наблюдается нелинейный, ускоряющийся со временем рост температуры.

5 фаза. По достижении температуры Т ≈ 300 °С начинается процесс испарения обезвоженной обугленной биоткани и рост температуры вновь прекращается. Именно в этот момент лазерный луч рассекает (удаляет) ткань, т.е. становится скальпелем.

Степень повышения температуры зависит от глубины залегания ткани (рис. 9).

Рис.9. Процессы, протекающие в облучаемых тканях на различной глубине:

a — в поверхностном слое ткань нагревается до нескольких сотен градусов и испаряется; б — мощность излучения, ослабленного верхним слоем, недостаточна для испарения ткани. Происходит коагуляция ткани (иногда совместно с обугливанием — черная жирная линия); в — происходит нагревание ткани вследствие передачи теплоты из зоны (б)
Протяженности отдельных зон определяются как характеристиками лазерного излучения, так и свойствами самой ткани (в первую очередь коэффициентами поглощения и теплопроводности).

Воздействие мощного сфокусированного пучка лазерного излучения сопровождается и возникновением ударных волн, которые могут стать причиной механического повреждения прилегающих тканей.

5.Абляция ткани под воздействием мощного импульсного

лазерного излучения
При воздействии на ткань коротких импульсов лазерного излучения высокой плотностью энергии реализуется другой механизм рассечения удаления биоткани. В этом случае происходит очень быстрый нагрев тканевой жидкости до температуры Т > Ткип. При этом тканевая жидкость оказывается в метастабильном перегретом состоянии. Затем происходит «взрывное» вскипание тканевой жидкости, которое сопровождается удалением ткани без обугливания. Это явление называется абляцией. Абляция сопровождается генерацией механических ударных волн, способных вызвать механическое повреждение тканей в окрестностях зоны лазерного воздействия. Этот факт необходимо учитывать при выборе параметров импульсного лазерного излучения, например при шлифовке кожи, сверлении зубов или при лазерной коррекции остроты зрения.

6. Использование лазерного излучения в медицине
Процессы, характеризующие взаимодействие лазерного излучения с биообъектами, можно разделить на 3 группы:

невозмущающее воздействие (не оказывающее заметного действия на биообъект);

фотохимическое действие (возбужденная лазером частица либо сама принимает участие в соответствующих химических реакциях, либо передает свое возбуждение другой частице, участвующей в химической реакции);

фоторазрушение (за счет выделения тепла или ударных волн).

^ Лазерная диагностика
Лазерная диагностика представляет собой невозмущающее воздействие на биообъект, использующее когерентность лазерного излучения. Перечислим основные методы диагностики.

Интерферометрия. При отражении лазерного излучения от шероховатой поверхности возникают вторичные волны, которые интерферируют между собой. В результате образуется картина темных и светлых пятен (спеклов), расположение которых дает информацию о поверхности биообъекта (метод спеклоинтерферометрии).

Голография. С помощью лазерного излучения получают 3-мерное изображение объекта. В медицине этот метод позволяет получать объемные изображения внутренних полостей желудка, глаза и т.д.

^ Рассеяние света. При прохождении остронаправленного лазерного пучка через прозрачный объект происходит рассеяние света. Регистрация угловой зависимости интенсивности рассеянного света (метод нефелометрии) позволяет определять размеры частиц среды (от 0,02 до 300 мкм) и степень их деформации.

При рассеянии может изменяться поляризация света, что также используется в диагностике (метод поляризационной нефелометрии).

^ Эффект Доплера. Этот метод основан на измерении доплеровского сдвига частоты лазерного излучения, который возникает при отражении света даже от медленно движущихся частиц (метод аненометрии). Таким способом измеряется скорость кровотока в сосудах, подвижность бактерий и т.д.

^ Квазиупругое рассеяние. При таком рассеянии происходит незначительное изменение длины волны зондирующего лазерного излучения. Причина этого — изменение в процессе измерения рассеивающих свойств (конфигурации, конформации частиц). Временные изменения параметров рассеивающей поверхности проявляются в изменении спектра рассеяния по сравнению со спектром подающего излучения (спектр рассеяния либо уширяется, либо в нем появляются дополнительные максимумы). Данный метод позволяет получать информацию о меняющихся характеристиках рассеивателей: коэффициенте диффузии, скорости направленного транспорта, размерах. Так осуществляется диагностика макромолекул белков.

^ Лазерная масс-спектроскопия. Этот метод используют для исследования химического состава объекта. Мощные пучки лазерного излучения испаряют вещество с поверхности биообъекта. Пары подвергают масс-спектральному анализу, по результатам которого судят о составе вещества.

^ Лазерный анализ крови. Лазерный луч, пропускаемый через узкий кварцевый капилляр, по которому прокачивается специально обработанная кровь, вызывает флуоресценцию ее клеток. Флуоресцентное свечение затем улавливается чувствительным датчиком. Это свечение специфично для каждого типа клеток, проходящих поодиночке через сечение лазерного луча. Подсчитывается общее число клеток в заданном объеме крови. Определяются точные количественные показатели по каждому типу клеток.

^ Метод фоторазрушения. Его используют для исследования поверхностного состава объекта. Мощные пучки лазерного излучения позволяют брать микропробы с поверхности биообъектов путем испарения вещества и последующего масс-спектрального анализа этого пара.


^ Использование лазерного излучения в терапии
В терапии используются низкоинтенсивные лазеры (интенсивность 0,1—10 Вт/см2). Низкоинтенсивное излучение не вызывает заметного деструктивного действия на ткани непосредственно во время облучения. В видимой и ультрафиолетовой областях спектра эффекты облучения обусловлены фотохимическими реакциями и не отличаются от эффектов, вызываемых монохроматическим светом, полученным от обычных некогерентных источников. В этих случаях лазеры являются просто удобными монохроматическими источниками света, обеспечивающими точную локализацию и дозировку воздействия. В качестве примера на рис. 10 приведена схема использования источника лазерного излучения для внутрисосудистого облучения крови у больных с сердечной недостаточностью.

Укажем наиболее распространенные методы лазеротерапии.

^ Терапия с помощью красного света. Излучение He-Ne лазера с длиной волны 632,8 нм используется с противовоспалительной целью для лечения ран, язв, ишемической болезни сердца. Лечебный эффект связан с влиянием света этой длины волны на пролиферативную активность клетки. Свет выступает в роли регулятора клеточного метаболизма.



Рис. 10. Схема применения лазерного источника для внутрисосудистого облучения крови
^ Терапия с помощью синего света. Лазерное излучение с длиной волны в синей области видимого света используется, например, для лечения желтухи новорожденных. Это заболевание — следствие резкого возрастания в организме концентрации билирубина, который имеет максимум поглощения в синей области. Если облучать детей лазерным излучением такого диапазона, то билирубин распадается, образуя водорастворимые продукты.

Лазерофизиотерапия — использование лазерного излучения при сочетании с различными методами электрофизиотерапии. Некоторые лазеры имеют магнитные насадки для сочетанного действия лазерного излучения и магнитного поля — магнитолазеротерапии (например, магнито-инфракрасный лазерный терапевтический аппарат «Мильта»).

Эффективность лазеротерапии увеличивается при сочетанном воздействии с лекарственными веществами, предварительно нанесенными на облучаемую зону (лазерофорез).

^ Фотодинамическая терапия опухолей. Фотодинамическая терапия (ФДТ) используется для удаления опухолей, доступных для облучения светом. ФДТ основана на применении локализующихся в опухолях фотосенсибилизаторов, повышающих чувствительность тканей при их последующем облучении видимым светом. Разрушение опухолей при ФДТ основано на трех эффектах: 1) прямое фотохимическое уничтожение клеток опухоли; 2) повреждение кровеносных сосудов опухоли, приводящее к ишемии и гибели опухоли; 3) возникновение воспалительной реакции, мобилизирующей противоопухолевую иммунную защиту тканей организма. Для облучения опухолей, содержащих фотосенсибилизаторы, используется лазерное излучение с длиной волны 600—850 нм. В этой области спектра глубина проникновения света в биологические ткани максимальна.

Фотодинамическая терапия применяется при лечении опухолей кожи, внутренних органов: легких, пищевода (при этом к внутренним органам лазерное излучение подводится с помощью световодов).


^ Использование лазерного излучения в хирургии
В хирургии высокоинтенсивные лазеры используются для рассечения тканей, удаления патологических участков, остановки кровотечения, сваривания биотканей. Выбирая должным образом длину волны излучения, его интенсивность и длительность воздействия, можно получать различные хирургические эффекты. Так, для разрезания биологических тканей используется сфокусированный луч непрерывного С02-лазера, имеющего длину волны λ = 10,6 мкм, мощность 2∙103 Вт/см2.

Применение лазерного луча в хирургии обеспечивает избирательное и контролируемое воздействие. Лазерная хирургия имеет ряд преимуществ:

• бесконтактность, дающую абсолютную стерильность;

•селективность, позволяющую выбором длины волны излучения дозированно разрушать патологические ткани, не затрагивая окружающие здоровые ткани;

• бескровность (за счет коагуляции белков);

• возможность микрохирургических воздействий, благодаря высокой степени фокусировки луча.

Приведем некоторые области хирургического применения лазеров.

^ Лазерная сварка тканей. Соединение рассеченных тканей представляет собой необходимый этап многих операций. На рис.11 показано, как сваривание одного из стволов крупного нерва осуществляется в контактном режиме с использованием припоя, который каплями из пипетки подается по месту лазирования.

Рис. 11. Сваривание нерва при помощи лазерного луча
^ Разрушение пигментированных участков. Лазеры, работающие в импульсном режиме, используются для разрушения пигментированных участков. Данный метод (фототермолиз) используется для лечения ангиом, татуировок, склеротических бляшек в кровеносных сосудах и т.п.

^ Лазерная эндоскопия. Внедрение эндоскопии произвело коренной переворот в оперативной медицине. Чтобы избежать больших открытых операций, лазерное излучение доставляется к месту воздействия с помощью волоконно-оптических световодов, которые позволяют подводить лазерное излучение к биотканям внутренних полых органов. При этом значительно снижается риск инфицирования и возникновения послеоперационных осложнений.

^ Лазерный пробой. Короткоимпульсные лазеры в сочетании со световодами применяют для удаления бляшек в сосудах, камней в желчном пузыре и почках.

Лазеры в офтальмологии. Использование лазеров в офтальмологии позволяет выполнять бескровные оперативные вмешательства без нарушения целостности глазного яблока. Это операции на стекловидном теле; приваривание отслоившейся сетчатки; лечение глаукомы путем «прокалывания» лазерным лучом отверстий (диаметром 50–100 мкм) для оттока внутриглазной жидкости. Послойная абляция тканей роговицы применяется при коррекции зрения.
^ 3. Цель деятельности студентов на занятии:

Студент должен знать:

  1. Виды квантовых переходов.

  2. Устройство и принцип работы твердотельного лазера.

  3. Устройство и принцип работы газового лазера.

  4. Свойства лазерного излучения.

5.Применение лазерного излучения в медицине.
Студент должен уметь:

1.Пользуясь схемой энергетических уровней, объяснять виды квантовых переходов.

2.Объяснять устройство и принцип работы рубинового и гелий-неонового лазеров.

3. Объяснять применение лазерного излучения при диагностике, в терапии и хирургии.

4. Решать ситуационные задачи.
^ 4. Содержание обучения:

1.Виды квантовых переходов. Вынужденное (индуцированное, стимулированное) излучение.

2.Метастабильные энергетические уровни. Инверсная заселенность (населенность) уровней.

3.Усиливающая (активная) среда. Накачка усиливающей среды.

4. Устройство и принцип работы твердотельного лазера.

5. Устройство и принцип работы газового лазера.

6. Свойства лазерного излучения.

7. Применение лазеров в медицине.

8. Решение ситуационных задач.
^ 5. Перечень вопросов для проверки исходного уровня знаний:

1. Чем отличаются спонтанное и вынужденное излучения?

2. Какие энергетические уровни называются метастабильными?

3. Что такое инверсная населенность уровней и как ее получить?

4. Какая среда называется активной?

5. Что такое накачка усиливающей среды?

6. Как изменяются температура и свойства ткани под действием непрерывного лазерного излучения?

7. Охарактеризуйте основные свойства лазерного излучения.
^ 6. Перечень вопросов для проверки конечного уровня знаний:

1. Объясните устройство и принцип работы рубинового лазера.

2. Почему лазеры на кристаллах работают в импульсном режиме?

3. Объясните устройство и принцип работы гелий-неонового лазера. В каком режиме работает такой лазер?

4. Как происходит абляция ткани под воздействием лазерного излучения?

5.Опишите применение лазерного излучения в различных областях медицины.
^ 7. Решите задачи:

1.В молекуле фенилаланина разница энергий в основном и возбужденном состояниях составляет АЕ= 0,1 эВ. Найти соотношение между заселенностями этих уровней при Т = 300 К.

2.Рубиновый лазер в импульсе длительностью 30 нс обладает энергией излучения Ел = 1 Дж. Длина волны излучения равна λ = 694,3 нм. Определить число фотонов n, излучаемых за лазерный импульс.

3.Диапазон длин волн лазерного излучения, применяемого в медицине, лежит в пределах от λmin= 0,193 мкм до λmax = 10,6 мкм. Определить границы частотного диапазона лазерного излучения νmin и νmax .

4.Определить диапазон энергии квантов для лазеров, применяемых в медицине, по данным задачи 3. Ответ выразить в электрон-вольтах.

5.Энергия импульса лазера равна Еи = 1 Дж при длительности импульса ∆t = 10-8 с. Определить мощность импульса.

6.Найти энергии квантов (эВ) лазерного излучения, используемого в медицине: а) терапия: λ = 0,63 мкм, красный цвет; б) хирургия: рассечение ткани, λ = 10,6 мкм, инфракрасное излучение; в) коагуляция: λ = 1,06 мкм, инфракрасное излучение; г) офтальмология: коррекция зрения, λ = 0,193 мкм, инфракрасное излучение; д) лечение отслоения сетчатки: λ = 0,514 мкм, красный цвет.
^ 8. Самостоятельная работа студентов:

По учебнику Ремизова А.Н. и др. (§24.8) изучите схему четырехуровневой накачки активной среды лазеров на ионах редкоземельных элементов.
^ 9. Хронокарта учебного занятия:

1. Организационный момент – 5 мин.

2. Разбор темы – 30 мин.

3. Решение ситуационных задач – 60 мин.

4. Текущий контроль знаний – 30 мин

5. Подведение итогов занятия – 10 мин.
10. Перечень учебной литературы к занятию:

1. Ремизов А.Н., Максина А.Г., Потапенко А.Я. Медицинская и биологическая физика. М., 2008, § 24.8.

2. Ремизов А.Н., Потапенко А.Я. Курс физики. М., 2004, § 29.1.

3. Антонов В.Ф., Коржуев А.В. Физика и биофизика. М., 2004, раздел 7.

4. Физика и биофизика (под ред. Антонова В.Ф.). М., 2008, §9.2.

Похожие:

Методическая разработка для студентов лечебного, педиатрического и стоматологического факультетов к лабораторной работе «Лазеры. Свойства лазерного излучения. Применение лазеров в медицине» iconМетодическая разработка по проведению практического занятия по «Медицине...
«Медицине катастроф» для студентов лечебного. Педиатрического стоматологического факультетов
Методическая разработка для студентов лечебного, педиатрического и стоматологического факультетов к лабораторной работе «Лазеры. Свойства лазерного излучения. Применение лазеров в медицине» iconМетодическая разработка для студентов лечебного, педиатрического...
Под ионизирующим излучением понимают потоки элементарных частиц, космические лучи, жесткое рентгеновское и γ-из­лучение
Методическая разработка для студентов лечебного, педиатрического и стоматологического факультетов к лабораторной работе «Лазеры. Свойства лазерного излучения. Применение лазеров в медицине» iconМетодическая разработка (для студентов III курса лечебного, педиатрического,...
Н. Н. Бурденко Федерального агентства по здравоохранению и социальному развитию РФ
Методическая разработка для студентов лечебного, педиатрического и стоматологического факультетов к лабораторной работе «Лазеры. Свойства лазерного излучения. Применение лазеров в медицине» icon«Медико-тактическая характеристика очагов катастроф мирного и военного времени»
«Медицине катастроф» для студентов лечебного педиатрического и стоматологического факультетов
Методическая разработка для студентов лечебного, педиатрического и стоматологического факультетов к лабораторной работе «Лазеры. Свойства лазерного излучения. Применение лазеров в медицине» iconОрганизация лечебно-эвакуационного обеспечения населения при ликвидации...
Для лечебного, педиатрического, стоматологического, медико-профилактического, фармацевтического факультетов
Методическая разработка для студентов лечебного, педиатрического и стоматологического факультетов к лабораторной работе «Лазеры. Свойства лазерного излучения. Применение лазеров в медицине» iconПособие для студентов лечебного, педиатрического, медико-психологического...
Фармакология в вопросах и ответах: пособие для студентов лечебного, педиатрического, медико-психологического факультетов и факультета...
Методическая разработка для студентов лечебного, педиатрического и стоматологического факультетов к лабораторной работе «Лазеры. Свойства лазерного излучения. Применение лазеров в медицине» iconЭкзаменационные вопросы по мобилизационной подготовке и медицине...
Общая характеристика чрезвычайных ситуаций мирного времени: определение основных понятий и классификация чрезвычайных ситуаций
Методическая разработка для студентов лечебного, педиатрического и стоматологического факультетов к лабораторной работе «Лазеры. Свойства лазерного излучения. Применение лазеров в медицине» iconМетодическая разработка по проведению практического занятия по «Медицине...
Организация медицинского снабжения в режимах повышенной готовности и чрезвычайной си­туации
Методическая разработка для студентов лечебного, педиатрического и стоматологического факультетов к лабораторной работе «Лазеры. Свойства лазерного излучения. Применение лазеров в медицине» iconБилеты
Для студентов лечебного, педиатрического, медико-профилактического и иностранного факультетов
Методическая разработка для студентов лечебного, педиатрического и стоматологического факультетов к лабораторной работе «Лазеры. Свойства лазерного излучения. Применение лазеров в медицине» iconМетодические указания для студентов вечернего и дневного отделений...
Методические указания для студентов вечернего и дневного отделений педиатрического
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2015
контакты
userdocs.ru
Главная страница