2. Lazerio ir audinio sąveikos principai

2.1 Sąveikos mechanizmų apžvalga

Kai lazerio šviesa sąveikauja su biologiniu audiniu, priklausomai nuo audinio tipo, lazerio bangos ilgio, energijos, impulso trukmės ir poveikio laiko gali vykti keli fizikiniai procesai. Keturi pagrindiniai sąveikos mechanizmai yra:

• Absorbcija: fotonai yra sugeriami audinyje esančių molekulių (chromoforų);
• Sklaida: šviesa nukreipiama kitu kampu, kai pereina per audinį;
• Atspindys: dalis krintančios šviesos atsispindi nuo paviršiaus;
• Pereinimas: dalis šviesos visiškai pereina per audinį.

Šios sąveikos nėra tarpusavyje nesuderinamos ir dažnai vyksta vienu metu, lemiančios, kaip giliai lazeris prasiskverbia ir kokie diagnostiniai ar terapiniai efektai pasiekiami. Šių procesų supratimas ir valdymas yra būtinas kuriant saugius, efektyvius lazerinius diagnostikos įrankius (Barsom ir kt., 2016; Zafar ir kt., 2021).

2.2 Chromoforų vaidmuo ir bangos ilgio priklausomybė

Audinių reakciją į lazerio šviesą daugiausia lemia chromoforų – molekulių, kurios sugeria specifinius bangos ilgius – buvimas. Pagrindiniai biologinių audinių chromoforai yra:

• Hemoglobinas (sugeria matomojoje srityje),
• Melaninas (platus sugerties spektras nuo UV iki artimojo IR),
• Vanduo (stipriai sugeria vidutinio ir tolimojo infraraudonųjų spindulių srityje).

Todėl lazerio bangos ilgio pasirinkimas yra itin svarbus. Pavyzdžiui, žali ir mėlyni lazeriai (bangos ilgiai apie 488–532 nm) gerai sugeriami hemoglobino, todėl puikiai tinka kraujagyslėms vizualizuoti ir taikyti. Artimojo infraraudonųjų spindulių šviesa (700–1400 nm) giliau prasiskverbia į audinius dėl mažesnės sugerties ir sklaidos, todėl ji ypač tinkama poodinių struktūrų vaizdinimui, pavyzdžiui, optinėje koherentinėje tomografijoje (OCT) ar lazerinėje Doplerio srauto matavimo sistemoje (LDF) (Albrecht ir kt., 2013; De Miguel & Martínez, 2023).

2.3 Diagnostinės ir terapinės sąveikos slenksčiai

Lazerio ir audinio sąveikoje energijos lygis atlieka lemiamą vaidmenį nustatant, ar poveikis bus diagnostinis, ar terapinis. Diagnostinėms reikmėms reikalingos mažos energijos, nedestruktyvios sąveikos, kurios suteikia optinius signalus nepažeidžiant ląstelių ar audinių. Šie signalai gali būti:

• Elastinis sklaida, naudojama difuzinėje atspindyje ir OCT;
• Fluorescencija, naudojama LIF metabolizmo ar vėžio aptikimui;
• Ramano sklaida, naudojama molekulinei sudėčiai nustatyti per nelankstų fotonų poslinkį.

Priešingai, terapinis poveikis, toks kaip fotokoaguliacija, abliacija ar fotomechaninis suardymas, pasireiškia esant aukštesniems energijos lygiams ir dažnai priklauso nuo šiluminių ar mechaninių pokyčių audinyje (Zafar ir kt., 2021).

2.4 Šviesos sklaida ir vaizdavimo gylis

Sklaida įvyksta, kai fotonai pakeičia kryptį dėl sąveikos su audinių mikrostruktūromis, tokiomis kaip ląstelių membranos ar organelės. Sklaidos koeficientas priklauso nuo bangos ilgio ir audinio heterogeniškumo. Trumpesni bangos ilgiai (pvz., mėlyna šviesa) labiau sklaidosi, todėl sumažėja vaizdavimo gylis, bet pagerėja raiška paviršiuje. Priešingai, ilgesni bangos ilgiai (pvz., artimoji infraraudonoji šviesa, NIR) sklaidosi mažiau ir prasiskverbia giliau, nors erdvinė raiška sumažėja.

Šis kompromisas yra pagrindinis optinės diagnostikos projektavimo iššūkis. Tokios technologijos kaip laiko skiriamoji spektroskopija, dažnio srities vaizdavimas ir daugiafotonė mikroskopija išnaudoja sklaidos savybes, kad išgautų naudingus diagnostinius signalus iš audinių skirtinguose gyliuose (Barsom ir kt., 2016).

2.5 Taikymas optinėje biopsijoje ir realiojo laiko stebėsenoje

Lazerių ir audinių sąveika taip pat yra neinvazinių optinių biopsijų kūrimo pagrindas—tai metodai, suteikiantys molekulinę ar struktūrinę informaciją nepjaunant ir nepašalinant audinio.

Tai apima:

• Raman spektroskopiją, kuri fiksuoja cheminių audinių „pirštų atspaudus“ in vivo;
• Fotoakustinį vaizdinimą, kuris naudoja lazerio sukeltas ultragarsines bangas hibridiniams optiniams-akustiniams vaizdams kurti;
• Lazerių Doplerio srauto matavimą, kuris aptinka mikrokraujotaką naudodamas atgal atspindėtos šviesos Doplerio poslinkius.

Tokios priemonės vis plačiau naudojamos onkologijoje, neurologijoje ir dermatologijoje, taip pat tiriamos realaus laiko, prie lovos atliekamai diagnostikai (De Miguel & Martínez, 2023).

2.6 Saugos aspektai ir dozimetrija

Kritiškai svarbus lazerio ir audinio sąveikos aspektas yra saugaus poveikio lygio palaikymas. Dozimetrija, tai yra audinio sugertos energijos apskaičiavimas ir matavimas, yra būtina diagnostinėse taikymuose, siekiant išvengti netyčinės terminės ar mechaninės žalos. Saugos standartus nustato tokios organizacijos kaip Amerikos nacionalinis standartų institutas (ANSI) ir Tarptautinė elektrotechnikos komisija (IEC). Šie standartai suskirsto lazerius į saugos klases pagal jų galią ir rizikos lygį, taip nurodydami jų naudojimą klinikinėse ir edukacinėse aplinkose.

Akių ir odos apsauga, tikslus bangos ilgio parinkimas ir poveikio laiko kontrolė yra esminiai tiek klinikinėje praktikoje, tiek studentų mokymo aplinkoje. Naujos AR pagrįstos simuliacijos platformos dabar leidžia vartotojams saugiai tyrinėti šias sąveikas virtualioje erdvėje, taip sustiprinant dozimetrijos principus be fizinės rizikos (Akçayır & Akçayır, 2017).