2. Laseri ja koe koostoime põhimõtted

2.1 Interaktsioonimehhanismide ülevaade

Kui laserkiirgus puutub kokku bioloogilise koega, võivad sõltuvalt koe tüübist, laseri lainepikkusest, energiast, impulsi kestusest ja kokkupuute ajast toimuda mitmed füüsikalised protsessid. Neli peamist koostoime mehhanismi on:

• Neeldumine: footonid neelduvad koe sees olevate molekulide (kromofooride) poolt;
• Hajumine: valgus suunatakse ümber, kui see läbib kude;
• Peegeldumine: osa langevast valgusest peegeldub pinnalt tagasi;
• Läbimine: osa valgusest läbib koe täielikult.

Need koostoimed ei ole teineteist välistavad ja toimuvad sageli samaaegselt, mõjutades seda, kui sügavale laser tungib ning milliseid diagnostilisi või terapeutilisi mõjusid see põhjustab. Nende protsesside mõistmine ja kontrollimine on hädavajalik ohutute ja tõhusate laseripõhiste diagnostikavahendite väljatöötamisel (Barsom jt, 2016; Zafar jt, 2021).

2.2 Kromofooride roll ja lainepikkusest sõltuvus

Koe vastus laserkiirgusele sõltub suuresti kromofooride olemasolust—molekulidest, mis neelavad kindlaid lainepikkusi. Peamised kromofoorid bioloogilises koes on:

• Hemoglobiin (neelab nähtavas vahemikus),
• Melaniin (lai neeldumine UV-st kuni lähis-infrapunani),
• Vesi (tugev neeldumine kesk- kuni kaug-infrapunas).

Seetõttu on laseri lainepikkuse valik kriitilise tähtsusega. Näiteks rohelised ja sinised laserid (lainepikkused umbes 488–532 nm) neelduvad hästi hemoglobiini poolt, muutes need ideaalseks veresoonte visualiseerimiseks ja sihtimiseks. Lähis-infrapuna valgus (700–1400 nm) tungib koesse sügavamale tänu väiksemale neeldumisele ja hajumisele, sobides hästi nahaaluste struktuuride kujutamiseks, näiteks optilises koherentstomograafias (OCT) või laserdoppler-voolumõõtmises (LDF) (Albrecht jt, 2013; De Miguel & Martínez, 2023).

2.3 Diagnostilised vs. Terapeutilised Interaktsiooniläved

Laseri ja koe vastastikmõjus mängib energiataset määrav roll selles, kas toime on diagnostiline või terapeutiline. Diagnostilised rakendused nõuavad madala energiaga, mittedestrueerivaid interaktsioone, mis annavad optilisi signaale ilma rakkude või koe kahjustamiseta. Need signaalid võivad hõlmata:

• Elastne hajumine, mida kasutatakse difuuspeegelduses ja OCT-s;
• Fluorestsents, mida kasutatakse LIF-is ainevahetuse või vähi tuvastamiseks;
• Ramani hajumine, mida kasutatakse molekulaarse koostise tuvastamiseks läbi mitteelastse footoni nihke.

Vastupidiselt sellele esinevad terapeutilised toimed, nagu fotokoagulatsioon, ablatsioon või fotomehaaniline häiring, kõrgematel energiatasemetel ning põhinevad sageli koe soojuslikel või mehaanilistel muutustel (Zafar jt, 2021).

2.4 Valguse hajumine ja kujutise sügavus

Hajumine toimub siis, kui footonid muudavad suunda koe mikrostruktuuridega, nagu rakumembraanid või organellid, toimunud interaktsiooni tõttu. Hajumistegur sõltub lainepikkusest ja koe heterogeensusest. Lühemad lainepikkused (nt sinine valgus) hajuvad rohkem, vähendades kujutise sügavust, kuid parandades lahutusvõimet pinna lähedal. Seevastu pikemad lainepikkused (nt NIR) hajuvad vähem ja tungivad sügavamale, kuid ruumiline lahutusvõime väheneb.

See kompromiss on optiliste diagnostikatehnoloogiate põhialus ja kujutab endast olulist disainiväljakutset. Sellised tehnoloogiad nagu ajalahutusega spektroskoopia, sagedusvaldkonna kujutamine ja mitmefotonmikroskoopia kasutavad hajumiskäitumist, et eraldada kasulikke diagnostilisi signaale kudedest erinevatel sügavustel (Barsom jt, 2016).

2.5 Rakendused optilises biopsias ja reaalajas jälgimisel

Laserite ja koe vastastikmõju on samuti aluseks mitteinvasiivsete optiliste biopsiate väljatöötamisele—tehnikatele, mis võimaldavad saada molekulaarset või struktuurset teavet ilma kude lõikamata või eemaldamata.

Nende hulka kuuluvad:

• Raman-spektroskoopia, mis salvestab kudede keemilisi sõrmejälgi in vivo;
• Fotoakustiline kujutamine, mis kasutab laseri poolt tekitatud ultrahelilaineid hübriidsete optilis-akustiliste kujutiste loomiseks;
• Laser-Doppleri voolumõõtmine, mis tuvastab mikroveresoonte verevoolu Doppleri nihke abil tagasipeegeldunud valguses.

Selliseid vahendeid kasutatakse üha enam onkoloogias, neuroloogias ja dermatoloogias ning neid uuritakse reaalajas, voodipõhisteks diagnostikatehnikateks (De Miguel & Martínez, 2023).

2.6 Ohutusaspektid ja doosimeetria

Laseri ja koe koostoime oluline aspekt on ohutute kokkupuute tasemete säilitamine. Doosimeetria, koe poolt neelatud energia arvutamine ja mõõtmine, on diagnostilistes rakendustes hädavajalik, et vältida soovimatut termilist või mehaanilist kahjustust. Ohutusstandardeid määratlevad organisatsioonid nagu American National Standards Institute (ANSI) ja International Electrotechnical Commission (IEC). Need standardid jagavad laserid ohutusklassidesse vastavalt võimsusele ja riskitasemele, juhendades nende kasutamist kliinilistes ja haridusasutustes.

Silma- ja nahakaitse, täpne lainepikkuse valik ning kokkupuuteaja kontroll on olulised nii kliinilises praktikas kui ka üliõpilaste väljaõppes. Uued liitreaalsusel põhinevad simuleerimisplatvormid võimaldavad nüüd kasutajatel neid koostoimeid turvaliselt virtuaalses ruumis uurida, tugevdades doosimeetria põhimõtteid ilma füüsilise riskita (Akçayır & Akçayır, 2017).