Лазерная диагностика в биологии и медицине
Приезжев А. В., Тучин В. В., Шубочкин Л. П.
Лазерная диагностика в биологии и медицине.— Москва, 1989.
Видео: Вебинар "Генетическая диагностика эмбриона" ч.1
Изложены физические основы диагностического применения лазеров в биологии и медицине. Дан анализ наиболее широко используемых и перспективных методов диагностики. Главное внимание уделено методам, основанным на анализе рассеяния света и флуоресценции. Обсуждены также абсорбционные, калориметрические, интерференционные, голографические и другие методы диагностики. Представлено описание лазерной диагностической аппаратуры.
Для физиков и инженеров-разработчиков лазерной диагностической аппаратуры, биологов и медиков, использующих лазерные методы в своей практике, а также для аспирантов и студентов в качестве введения в специальность.
Лазерная диагностика в биологии и медицине — новое перспективное направление в фотобиологии, являющееся эффективным средством изучения биологических систем различной степени организации — от биомолекул до клеток, биотканей и отдельных органов животных и человека.
Методы лазерной макро- и микродиагностики обладают высокой чувствительностью, значительным пространственным разрешением и универсальностью. Они перспективны для ранней диагностики рака, катаракты, различных заболеваний крови и др. Их используют для анализа загрязнений окружающей среды токсическими и патогенными веществами. С их помощью изучают сверхбыстрые процессы фотосинтеза и фотобиохимических реакций, а также определяют малые скорости кровотока в сосудах, подвижность бактерий и пр.
Видео: Сергей Байдо | Можно ли избежать шрамов при удалении матки
Всего около тридцати лет отделяет нас от того момента, когда совместными усилиями радиофизиков и оптиков были созданы первые оптические квантовые генераторы — лазеры. Однако за это весьма короткое время прогресс в развитии лазерной физики и техники оказался настолько существенным, что на его основе возникли многие направления науки и техники. Одним из таких новых направлений является лазерная технология, которая охватывает практически все стороны применения лазеров и использует все их достоинства: высокую монохроматичность, значительную энергию и мощность, высокую направленность и когерентность излучения, возможность получения сверхкоротких длительностей импульсов и перестройки частоты во всем диапазоне от ультрафиолетового (УФ) до инфракрасного (ИК) света.
В настоящее время к лазерной технологии относят широкий круг задач и явлений, которые можно, по-видимому, разделить на три главных направления: обработка материалов мощным лазерным излучением, или лазерная технология материалов (сварка, термообработка, плавление, резание, сверление, отжиг и пр.), лазерная фотохимическая технология (разделение изотопов, фотоизомеризация, лазерный катализ, полимеризация и пр.) и лазерная микро- и макродиагностика (лазерный спектральный анализ, контроль окружающей среды, лазерные контрольно-измерительные системы: голографические, интерферометрические, дифракционные, основанные на светорассеянии и пр.).
Лазерная технология имеет дело с самыми разнообразными объектами различной природы: физическими, химическими и биологическими. В применении к биологическим системам она представляет большой практический интерес для медицины, повышения эффективности сельскохозяйственного производства и защиты окружающей среды. В связи с этим во всем мире ее развитию уделяется все большее внимание. Для того чтобы показать масштабы исследований и приложений, достаточно упомянуть некоторые из обобщающих работ и специальных выпусков журналов, посвященных применению лазеров в биологии и медицине [1—37].
Лазерная биотехнология может быть также разделена на три главных направления: лазерная хирургия биотканей, клеток и биомолекул, лазерная терапия и фотобиохимия и, наконец, лазерная микро- и макродиагностика. В основе каждого из этих направлений лежат разнообразные эффекты взаимодействия лазерного излучения с биообъектом на микро- и макроуровнях, определяемые , свойствами лазерного излучения и структурой биообъекта. Наиболее полно свойства лазерного излучения реализуются в фотобиохимии и особенно в диагностике.
Охрана здоровья человека, защита окружающей среды, обеспечение человечества продовольствием — все эти глобальные проблемы нашего и будущего столетия, определяют значительный интерес к лазерной биотехнологии. Во всем мире интенсивно разрабатываются лазеры медицинского назначения, уникальные лазерные биомедицинские комплексы и технологические установки, лазерная терапевтическая и диагностическая аппаратура. Основой этих разработок являются достижения в области лазерной физики и техники, в изучении взаимодействия лазерного излучения с биосистемами, в создании волоконно-оптических средств доставки излучения, измерительной и вычислительной техники. Экспертные оценки показывают, что одним из самых больших лазерных рынков в мире является рынок лазерной медицинской аппаратуры. В 1985 г. только по несоциалистическим странам мировой рынок составил 225 млн. долл. (44 % — офтальмология, 25 % — хирургия, 7 % — эндоскопия, 24 % — остальные применения 138]). К 1990 г. он должен возрасти до 700 млн. долл., а к 2000 г. только в США ожидается производство лазерной медицинской аппаратуры на 1 млрд. долл.
Несмотря на то что лазерная медицинская диагностика — одно из самых эффективных направлений применения лазеров в биомедицине, она пока не получила должного развития, что видно по приоритетам на мировом рынке и тем публикациям, которые упоминались выше. Это связано в основном со сложностью аппаратуры и высокими требованиями, предъявляемыми к выходным параметрам лазеров (примерно такие же требования, как в лазерной спектроскопии и контрольно-измерительной технике), и, конечно, со сложностью самих физических процессов» лежащих в основе методов лазерной диагностики. Тем не менее до конца этого столетия прогнозируется предпочтительный рост лабораторно-диагностической лазерной техники по сравнению с лечебно-хирургической как у нас в стране, так и во всем мире.
В настоящее время отсутствует обобщающая литература, в которой было бы представлено все многообразие методов лазерной диагностики в биологии и медицине, что затрудняет знакомство с ними и их использование на практике. В литературе в последнее время появились монографии и обзоры (посвященные одному или нескольким направлениям диагностики биообъектов [1—4, 7—11, 17, 23, 24, 26, 33, 36, 39]), которые могут быть рекомендованы для углубленного изучения этих методов и их возможностей. Кроме того, многие книги и обзоры по лазерам и лазерной спектроскопии содержат информацию об исследованиях биообъектов [40—48]. Представляется важным в одной книге небольшого объема рассказать о разнообразных методах неразрушающей лазерной диагностики в биологии и медицине, кратко познакомить с их физическими основами и возможностями, областями применения и принципами построения диагностической аппаратуры. Это, на наш взгляд, должно способствовать лучшему ориентированию при выборе того или иного метода диагностики, адекватного решаемой задаче, должно стимулировать разработку новых методов диагностики, новые неожиданные приложения.
Основные принципы лазерной биомедицинской диагностики изложены в обзоре В. С. Летохова [33]. В настоящей книге авторы предприняли попытку развить основные идеи этой работы в части описания неразрушающих методов диагностики и дополнить ее результатами конкретных исследований. Авторы постарались осветить самые разнообразные применения лазеров в биологии и медицине. При этом за основу изложения взято рассмотрение метода измерения и анализ его диагностических возможностей. Предпочтение отдавалось тем методам и примерам, которые являются общепризнанными или перспективными, с учетом круга интересов авторов.
Методы диагностики делятся на два больших класса — макро- и микродиагностики, соответственно книга условно делится на две части. В гл. 2—4 излагаются методы макродиагностики, основанные на использовании упругого и квазиупругого рассеяния света, дифракционных и интерференционных явлений. В гл. 5—7 рассматриваются принципы и области применения методов микродиагностики, в основе которых лежат хорошо развитые методы лазерной спектроскопии: спектроскопии комбинационного рассеяния, абсорбционной и калориметрической спектроскопии, лазерного флуоресцентного анализа, лазерной масс-спектрометрии и пр. В начале книги, в гл. 1 дан обзор принципов работы лазеров, свойств их излучения и технических характеристик.
Книга предназначена для физиков и инженеров-разработчиков лазерной диагностической аппаратуры, биологов и медиков, использующих лазерные методы диагностики в своей работе, а также аспирантов и студентов в качестве введения в специальность.
