Dozírozás

A laserterápiás kezelések során mindig felvetődika besugárzásnál alkalmazott dózisok meghatározásának, különböző kezeléseknél alkalmazott dózisok összehasonlí­ tásának,azegyeslaserekbőlkivehető energiakiszámításánakszükségessége. Bonyolítja a helyzetet, hogy az adott kérdéskör jellemzésére hol energiát, hol teljesítményt kell használnunk.

Energia: Tapasztalatokból tudjuk, hogy a fénynyaláb útjábahelyezett test,főleg hafekete felületű, felmelegszik. Pl. ahóra szórt korom a napsütés hatásárafagyban is a hóba süpped, mert a korom a ráeső fénysugarakat gyakorlatilagteljes egészében elnyeli és a benne keletkezett hőtől a hó megolvad. Sok más tapasztalatis arra utal,hogya fénynyalábban energiaáramlikEz afényenergia-áramlás az optikai sugárzási tér egyik leglényegesebbtulajdonsága.

Az energiajele: E,mértékegysége a joule (J), degyakran használatos egységek méga mj ésa pj

Teljesítmény: Asugárzott teljesítményjeleaP, egysége a watt (W),illetve a mW,

kW, MW. .

Időben folyamatos ésállandó intenzitású sugárzás esetén,a kisugárzás időtarta­

ma (t) és a nyalábban kijövő összenergia ismeretébena teljesítmény azalábbi módon számítható ki:

Az energiát joule-ban (J), az időt szekundumban (s) mérve a teljesítményt wattban (W) kapjuk. Az energiát az egység törtrészében, illetve többszörösében is mérhetjük, de az időt változatlanul s-ban szokták megadni, így a teljesítmény is a megfelelő törtrésze ill. a többszöröse lesz a W-nak. A fényforrások, így a laserek műszaki adatainak felsorolásakor is általában a teljesítményt adják meg, mint a fényforrás főjellemzőjét. A kezelő orvos számára azonban fontos az egybizonyos t idő alatt besugárzott energia (dózis) nagyságának ismerete.

Folyamatos üzemmódú laser esetében kiszámítása egyszerű:

1. Példa: Egy 5 mW teljesítményű He-Ne laserrel 5 percig végzett kezelés esetén a bevitt energia:

2. Példa:Ha ugyanezt a hatást egy 10mW teljesítményűlaserrel akarjukelérni, akezelési idő felére csökken:

3. Példa:Ha20 mWteljesítményű laserrel 3J energiát akarunk besugározni, a kezelési idő:

Tehátfolyamatosan sugárzó fényforráseseténa sugárzástidőtartama, akisugár­ zott Eenergia és a Pteljesítménya(21), (22) és (23) egyenletekkel felírt kapcsolatban van egymással, azaz két adat ismeretében a harmadik kiszámítható.

A laserek jelentős részenem folyamatos, hanem impulzusüzemmódban mű­

ködik Ez aztjelenti, hogy szabályosidőközönként bocsátanak ki fényimpulzusokat. Az impulzuslasereklegfontosabb jellemzői: .

• azismétlődésifrekvencia,amely a másodpercenkénti impulzusok számát jelöli. Jele:f, mértékegysége Hz;

• a csúcsteljesítmény (PJ, amely egyetlen impulzus teljesítményét jelenti;

• az átlagteljesítmény,azazannakafolyamatos sugárzásnak teljesítménye, amelyik szekundumonként ugyanannyi energiát sugároz, mintamennyit az f számú impulzus lead;

• azimpulzusidő, azazegyetlen impulzus kibocsátásának időtartama.

Afényimpulzus időbeli lefutását, más szóval alakját, sok tényező befolyásolja.

Sok esetben, haalaser üzemmódját változtatjuk (gáznyomás, pumpálás teljesítménye, stb.) az impulzus alakja isváltozik.Erre azenergetikaiszámításoknál figyelemmel kell lenni.

A 95.ábrán három tipikus impulzus látható.Azelsőesetben a fény intenzitása szabály­ talanul ingadozikaz impulzus lefutása alatt,így annak bonyolultalakja van. A második eset egyszerű aszimmetrikus képet mutat,amelyben a felfutás gyorsabb, a kialvás hosz- szábban elnyúló. A harmadikimpulzustalakítják ki alegtöbb esetben, amikor az im­

pulzus haranggörbe alakú. Ez utóbbi esetben az impulzus időbeli lefutását az ún.

félérték-szélességgel szokás jellemezni,amely azt az időtartamot jelenti, amely alatt a fényintenzitása a maximálisértékfelérőlelériamaximumot,majdújrafél intenzitásra csökken. A valóságban található impulzus alakok körülményesenhasználhatók a számí­ tásoknál, ezért ezeket jobban használhatógörbékkel közelítik.

A 95. ábrán négyszög-közelítést rajzoltunk bevastagvonalakkal, de gyakran al­

kalmazunk háromszög-és trapéz-közelítést is. Az ábrán jól látható: ha a közelítő im­

pulzust vesszük, amely azt jelenti, hogy a világítástartama alatt állandó afény teljesít­

ménye, akkor az impulzusban kisugárzott energia (azazagörbék alatti terület)nem tér el jelentősen a valóditól. Amásodikés aharmadikesetben a közelítő impulzus időtarta­

mának elfogadható pontossággal lehet az eredeti impulzus félértékszélességét hasz­ nálni. A fényimpulzus teljesítményét ezekután úgy kell kiszámolni, mint a (21) egyenletnél tettük, vagyis az impulzus időtartamaalatt egyenletes intenzitással kisugár­ zott energiát el kell osztani az impulzus időtartamával. Ezt szokás impulzus-, vagy csúcsteljesítményneknevezni.

Fontosmegjegyezni, hogyateljesítményértékét a kisugárzott energiamellett a sugárzás időbeli hossza isbefolyásolja.Ezért rövidimpulzusok esetébenkicsiny kisu­

gárzott energia mellett is lehet igennagy teljesítménytelérni.

4.Példa: Ha az 1. példában adott 1,5 J energiát nem folyamatos üzemmódú laser sugározza, hanem ugyanez az energia egy 0,001 s időtartamú impulzusban sugárzódik ki (ilyen lehet pl. egy Nd YAG laser), akkor ennek az impulzusnak a teljesítménye

Nitrogén lasereknél akisugárzott energia tipikusan1,5 mj(azaz 1000-szer kisebb azelőzőekben mondottnál),deazimpulzusidőnagyonrövid 10’9 s, ígyateljesítmény:

5. példa: példaként tekintsünk egy 50 W csúcsteljesítményű impulzuslasert, amelynek ismétlődési frekvenciája 5 Hz, impulzusideje pedig legyen 0,04 s. Az egyszerűség kedvéért legyenek a kisugárzott impulzusok ún. „négyszög” impulzusok.

Az egyetlen impulzusbankisugárzottenergia:

Mivel f = 5Hz,az 1 s alatt kisugárzott összes energia:

Az 1 s alatt kisugárzott energia számértéke éppen a teljesítmény számértékével egyenlő, így az átlagteljesítmény:

96. ábra

A ábrán egy ilyen készülék teljesítmény-idő gra­ fikonja látható. A rajzon külön feltüntettük az átlagtel­ jesítményt is (96. ábra).

Ha egy fény-anyag kölcsönhatásban csak a dózis a meghatározó, akkor ezzel az átlagteljesítménnyel kell számolni. Ez aztjelenti, hogy apéldánkban szereplő 50 W csúcsteljesítményű, 5 Hz ismétlődési frekvenciájú, 0,04 s impulzusidejű laserhatásaegy 10 W teljesítmé­

nyű, folyamatosüzemmódúlaser hatásával egyenértékű a besugárzott energia szempontjából. Az

impulzus-laserek átlagteljesítménye, impulzusteljesítménye, t^ impulzusideje és is­

métlődési frekvenciája között a következő kapcsolat áll fenn:

Pá.l-= Pcsta-timpf (24)

Eztehát aztjelenti, hogyváltoztatva az f frekvenciát(változatlan ést^ esetén) az átlagteljesítmény is változik. Ez az eset áll fenn a laserdiódáknál. Ezért ezek átlagteljestménye pl. 10 Hz-nél százszor kisebb, mint 1000Hz-nél. Gázlasereknél a frekvenciával változhat a csúcsteljesítmény is.

Alá kell húzni, hogyaz impulzuslaserek jellemzésére mindig megadják a (24) összefüggés jobb oldalánszereplőhárom mennyiséget (csúcsteljesítmény, impulzusidő, és a lehetségesfrekvenciatartomány), és csak ezen három adatalapján lehetminősíteni a sugár­

forrást. Kiragadva ebből egyet, pl. hogyaz impulzusteljesítménye 75W, azzal nem le­ het megadni a sugárforrásműszaki értékét.

6. Példa: Végezzük el az előző számítást egy 30 kW = 30-103 csúcsteljesít­ ményű,50Hz ismétlődési frekvenciájú, Ins = 10-9s impulzusidejű N2 laseresetében.

Egyetlen impulzus energiája:

E, = 30 • 103fr i0’95= 30 • 10^7 = 30pJ.

A készülék 1 s alatt 50 ilyenimpulzust sugároz ki, így az Is alatt kisugárzott összes energia:

Eö = 50 • 30 • 10^/= 1,5 10‘3 J= 1,5 mJ.

■ ígyaz átlagteljesítmény: P$= 1,5mW

Tehát pl.egy5perces kezelésnél a besugárzottenergiadózis:

E = 1,5 mW • 300 s = 450 mj = 0,45 J.

' 7. Példa:A következőpéldánkban tekintsünk egy 35W csúcsteljesítményű, 550 Hzismétlődési frekvenciájú,130 ns=13040*9s impulzusidejű félvezető lasert. Adjuk meg a besugárzásidőtartamát abban az esetben, ha azt akaijuk, hogy a bevitt energia­ dózis 1,5Jlegyen.

Egy impulzus energiája: Ej= 35W43040-9 s = 4,5540"6J.Mivel f =550 Hz, az 1 s alatt sugárzott összesenergia:

Ej = 250,5X10*6 J =2,5X10-3 J,

azazazátlagteljesítmény:

Pj = 2,5 X10-3 W,

a besugárzás időtartama:

8. Példa: Számítsuk ki, hogy milyen ismétlődési frekvenciátkell választanunk, ha azelőbbi példánkban szereplő félvezető laserrel 10perceskezelés során 3Jenergiát akarunka kezelendő felületre sugározni.

Az átlagteljesítmény:

így az 1 s alatt sugárzott összes energia:

Eö =0,005J =5 .IO’3/.

Egyetlen impulzus, energiája (azelőzőfeladat számítása alapján):

£, = 4,55 • IO"6./.

Ezazt jelenti,hogy 1s alatt azimpulzusok száma:

azismétlődésifrekvencia: f =1100 Hz.

9. Példa:EgyEr-YAG laser főbb jellemzői a következők:

impulzusenergia (Ej) 1J, ismétlődésifrekvencia (f) 3 Hz, impulzushossz

200 ms = 200 X10“6 s.

Határozzuk meg a csúcsteljesítményt ésazátlagteljesítményt!

A laser csúcsteljesítménye:

Mivel afrekvencia 3Hz,az 1 salatt kisugárzott összes energia: Eö =3 J, tehát az átlagteljesítmény:

Pá=3W.

A megvilágítottfelület jellemzőiközül a két legfontosabb mennyiség a teljesít­

ménysűrűség, ill.a besugárzottság. Afényés amikroszkopikus anyag(atomok, moleku­

lák) kölcsönhatása során arészecskékcsaka besugárzásteljesítménysűrűségét„érzik”. A műtéti laserekkel elérhető nagy teljesítménysűrűségek olyan gyors lokális melege­

dést idézhetnek elő, hogy nincsidő ahőáramlássalvagyvezetésselvaló eltávozására a műtéti területről. A teljesítménysűrűségkulcsszerepet játszikahőmérséklet és a laser okoztahatás meghatározásában.

Ateljesítménysűrűséget (S) ágyszámítjuk ki, hogy az adott felületen áthaladó sugárzott teljesítményt osztjuk a felület nagyságával:

enneka mennyiségnek a mértékegysége: W/m?.

10. Példa: tekintsünk egy 10 mW teljesítményű lasert, amelynek fénye által besugárzott felületnagysága 5 mm2:

Alasemyalábkisdivergenciája és Ids spektrálissávszélessége miatt lencsékkeljól fókuszálható, azaz a lencsére eső párhuzamos fénynyaláb a lencse másik oldalán, a geometriai optikából ismert fókuszpontba helyezett felfogó ernyőn közelítőleg egy pontbagyűjthetőössze.Ateljesítménysűrűségszámolásakor azonban figyelembe kell vennünk, hogy a fénynyaláb ebben apontban is nullánálnagyobb átmérővel rendelke­

zik.

11. Példa: Egy 5 mWteljesítményű He-Ne laser f2=633 nm) 2 mm átmérőjű (A^=r^ tt=3,14 mm2) nyalábját egyf=5 cm fókusztávolságú lencsével leképezve a fó­ kuszban 5 |i átmérőjű (Ai=rj2 tc=2Ü10-5 mm2) nyalábotkapunk.A lencse előtt a teljesítménysűrűség:

A fókuszpontbana teljesítménysűrűség:

tehát ötnagyságrenddel nagyobb, mint fó­

kuszálásnélkül. .

A fénynyaláb a fókuszpont után az alábbi ábra szerintismét kitágul(97.ábra).

12. Példa: Számítsuk ki a teljesítménysűrű­ ségetAj=5mm2 illetve A^=7mm2 felületre egy 35 mW-os laser esetében!

A teljesítménysűrűségtehát a lencsétől távolodva egyrecsökken.

A szakirodalomban a teljesítménysűrűség helyett gyakran a besugárzottságot használjuk, amely megadja, hogy egy egységnyi felületen mekkora energiahatoltát.

Jele: H, egysége a J/m2,a kiszámításmódja:

A besugárzottság értékeattól függ, hogymennyiideigérteaz adott felületet a fénynyaláb.

13.Példa: A korábban már említett10mW teljesítményű laserből kilépő

5 mm2 keresztmetszetű nyalábbal 1,5,10 s -igsugárzunkbe egy adott felületet.

Abesugárzottság nagysága függazidőtől azaz:

Végezetül néhány általános megjegyzés: A lasersugárzók lasercső, félvezető dióda, szilárdtest laserrúd) teljesítménye függ atáplálás módjától. Ezért például más-más elektromos táplálás esetén a Fénysugárzás teljesítménye lényegesen különbözőlehet.

Ma már különgyártják asugárzókat és mások szerelikössze a komplettlasereket. A gyártó cégek a sugárzón feltüntetik azt a maximális teljesítményértéket, ameddig a termékterhelhető. Ez a adat a lasercsövön nem azt jelenti, hogy az akészülék, amelybe beépítették, valóban ezzel amaximális értékkel működik. Valódi érték csak méréssel dönthetőel.

Kikellhangsúlyozni,hogya periodikus impulzusüzemű működés a következőt jelenti: egynagyon rövididőtartományban nagyon nagy teljesítménnyelsugároza laser majd a sugárzás megszűnik és igen hosszúideignincs energia kisugárzás,ezt követi egy újabb rövid idejű nagyteljesítményűkisugárzás, és ismét egy hosszú sugárzásmen­

tes állapot A átlagteljesítménye egy ilyen impulzussorozatnak (lásd96. ábra) sokszoro­

san kisebb, mint az impulzus csúcsteljesítménye.Az időtartam és teljesítménykülönb­ ségek olyannagyok,hogy grafikusan nem lehet méretarányosan hű szemléltetést tenni, ezért a98.ábrán számokkal jeleztük egy Na laserés egy félvezetődiódalaser működési adatait. Eza periodikus impulzus üzemmód nem tévesztendő össze akis teljesítményű

98.ábra

laser, fényének megszaggatásával előállított pulzáló üzemmóddal. Ekkor az történik, hogy akis teljesítményű folyamatosfénykisugárzást megszűntetjük egy adott időszak­

ra, majd újralehetővé tesszük a kisugárzást,miközbena fényintenzitás zéró és néhány milliwattteljesítményközött ingadozik,tehát a sugárzási időtartománybannemkelet­

kezik nagyfényteljesítmény. Mígimpulzuslaserek esetén a fénysugárzás időtartamában nagy a fény teljesítmény (a 98. ábra példájában N2 lasemél30000 W, diódalasemél 50 W), addig haegy8mWteljesítményű laser működikszaggatott üzemmódban, akkorabe­ sugárzás idején a teljesítmény 8 mW, az átlagteljesítmény pedig annak mértékében csökken a 8 miW érték alá,amilyen a fénykitöltési tényező, azaz amilyen az arányaa vi­ lágos és sötét periódusok időtartamának. Pl. 1/2 -es kitöltésnél(azonos hosszúságú világos és sötét szakaszok követik egymást) az átlagteljesítmény felére esik (példánkban 4 mW).

Megjelentek olyan kis teljesítményű folyamatosüzemmódúlaserek isa kereskedelmi forgalomban, amelyek fényét nem megszaggatják, hanem valamilyen módon modulál­ ják, azaz valamilyen módon a

maximális érték alatt időben változtatják. A99. ábra azt mu­

tatja, amikor a ideig egyenle­

tesen sugárzó lasert egyto idő­ pontban bekapcsolt modu­

látorral szinusz-hullám szerint lebegőüzemmódba hozzák. Ez azeljárás is az átlagteljesítmény csökkenéséhez vezet. A szagga­ tott és lebegtetett üzemmódú laserek terápiás alkalmazását azzal a hipotézissel indokolják, hogy a pulzáló fényvalamilyen rezonanciát vált ki aszervezet­

ben, amely fokozzaa terápiás hatást.Ez a hipotézis azonban nincs kísérletileg alátá­ masztva, a helyesenalkalmazott folyamatos üzemmódú besugárzásnál mutatkozó ro­ bosztuspozitív terápiás hatások hátterében nem látszikafeltételezett rezonancia hatás kimutathatónak. •

Más a helyzetakkor, ha egy mW teljesítményű folyamatos laser és egy kW csúcsteljesítményű impulzus üzemű laserhatását hasonlítjukössze. Azonos hullám­ hosszú, és azonos átlagteljesítményű besugárzás esetén azért adódhat különbözőhatás, mert a rövid impulzus időtartama alatt milliószor nagyobb teljesítményű elektromos tér halad át a besugárzott objektumon minta folyamatosfény esetében, ezértabesu­ gárzott anyagreakciója egészen más lehet. Jó hasonlat lehet a hőközlésnekaz a két módja, amelyeketúgy valósítunk meg, hogy vagy egy füvószálon folyamatosanlangyos levegőt fújunk egy üveglapra,vagy egy félhevítettfolyadékcseppel juttatjuk odaahőt.

Azonoshőmennyiség továbbítása esetén az első módot az üveglap elviseli, a második­

nálviszontelpattanhat.

100.ábra

A kérdés vizsgálatárafehérvérsejtek fagocitózisának változását vizsgáltuk 5 mW teljesítményű He-Ne laser fényével való besugárzás hatására. A 100. ábra a fagocitaszám változás-energiadózisfüggvényét mutatja a kontrollszázalékában. Jól lát­

ható, hogy a dózisnövekedésével kezdetben a fagocitózis fokozódik, optimális esetben mintegy háromszorosáranő,majd adózis további növelésétafagocitaszámcsökkenése követi, s egyadott dózisután a besugárzás gátlást vált ki. A méréseket elvégeztüka He- Ne laserrel azonos hullámhosszú, 100 kW csúcsteljesítményű hangolhatóimpulzus­

üzemű festéklaserrel való besugárzás esetében is. A kapott eredmények jellege teljesen azonos, mint a He-Nelaser esetében, azzal a különbséggel, hogyamegfelelő energia­

dózisokazezerszer kisebb energiatartománybaesnek. Számszerűadatokata II. táblázat mutat.

//. Táblázat

He-Ne laser Festék laser

maximálishatásdózisa(J) 1,2 _. 0,0025

gátlásba átmenet dózisa (J) 2 0,0075

Ezekből az eredményekből két jelentős következtetés vonható le: 1. a besugár­

zásenergiadózisával egy adott értékig nő abiológiaiválasz, majd a hatásban visszaesés illetve gátlás figyelhető meg a dózis növekedésével; 2. a besugárzó fény teljesítménye jelentősen befolyásolja egy adott hatás kiváltásához szükséges energiadózis értékét.

Terápiás tapasztalataink is ekétállításszerepét mutatják.Nevezetesen a40 mW-oste­

rápiás laserrel való kezelés után a betegek fáradékonyságról,álmosságról számoltak be, míg 10mWteljesítményű laserkezelésnél eznemfordult elő. Ezérta besugárzási időt az első esetben radikálisan csökkentettük Impulzusüzemű, nagyimpulzusteljesítmé­

nyűfoszfádaserrel 1000-szer kisebb energiadózis esetében is olyan jó terápiás hatást tudtunk elérni,mintfolyamatosüzemű He-Ne laserrel. A fentiekindokolják a dózis megválasztásának a laserfény paramétereihez (teljesítmény, üzemmód, hullámhossz) való illesztését,aterápiásgyakorlatbankialakult dozírozási eljárások tiszteletbentartását.

In document Rédey Tibor - Kozma László (Pldal 78-90)