Лазеры в медицине. Применение лазеров в медицине и науке. Лазеры, применяемые в хирургии Какой излучатель лучше использовать для лазерной хирургии

Введение

Свет использовался для лечения разнообразных болезней испокон веков. Древние греки и римляне часто «принимали солнце» в качестве лекарства. И список болезней, которые приписывалось лечить светом, был достаточно велик.

Настоящий рассвет фототерапии пришелся на 19 век – с изобретением электрических ламп появились новые возможности. В конце XIX столетия красным светом пытались лечить оспу и корь, помещая пациента в специальную камеру с красными излучателями. Также различные «цветовые ванны» (то есть свет различных цветов) успешно применялись для лечения психических заболеваний. Причём лидирующую позицию в области светолечения к началу двадцатого столетия занимала Российская Империя.

Но использование лазерных лучей в акупунктуре не ограничивается детьми, есть многочисленные взрослые, у которых есть страх перед иглой, хотя приложение абсолютно безболезненно. Связи древней традиции китайской медицины с современной технологией дополняют мировой опыт.

Цель использования электроники в акупунктуре заключается в том, чтобы усилить и, прежде всего, ускорить обезболивающий эффект, столь необходимый в случаях сильной боли, когда пациент нуждается в немедленном облегчении его болей. Стоит вспомнить, что акупунктура предназначена не только для прекращения боли, а иглоукалывание решает причину зла. Использование электронной иглоукалывания произошло так, что мы можем быстрее воздействовать на сильную боль.

В начале шестидесятых годов появились первые лазерные медицинские устройства. Сегодня лазерные технологии применяются практически при любых заболеваниях.

1. Физические основы применения лазерной техники в медицине

1.1 Принцип действия лазера

Основой лазеров служит явление индуцированного излучения, существование которого было постулировано А. Эйнштейном в 1916 г. В квантовых системах, обладающих дискретными уровнями энергии, существуют три типа переходов между энергетическими состояниями: индуцированные переходы, спонтанные переходы и безызлучательные релаксационные переходы. Свойства индуцированного излучения определяют когерентность излучения и усиления в квантовой электронике. Спонтанное излучение обусловливает наличие шумов, служит затравочным толчком в процессе усиления и возбуждения колебаний и вместе с безызлучательными релаксационными переходами играет важную роль при получении и удержании термодинамически неравновесного излучающего состояния.

Устройства, которые мы используем для электронной акупунктуры, имеют настройки интенсивности, частоты и электронного волнового типа, чтобы мы могли адаптировать электронный ток к желаемому эффекту в каждом случае. Открытие лазерного луча связано с теодором Майманом, физиком Калифорнии.

Первым ученым, изучающим эту технологию, был Альберт Эйнштейн. Позже Шавлоу и Таунс удостоились Нобелевской премии за исследования природы атомов и молекул, сначала сформулировали принципы Лазера. Есть новые вещества, которые изучаются. В то время хирурги были в восторге от многих возможностей, которые предлагал инструмент.

При индуцированных переходах квантовая система может переводиться из одного энергетического состояния в другое как с поглощением энергии электромагнитного поля (переход с нижнего энергетического уровня на верхний), так и с излучением электромагнитной энергии (переход с верхнего уровня на нижний).

Свет распространяется в виде электромагнитной волны, в то время как энергия при испускании излучения и поглощении сконцентрирована в световых квантах, при этом при взаимодействии электромагнитного излучения с веществом, как было показано Эйнштейном в 1917 г., наряду с поглощением и спонтанным излучением возникает вынужденное (индуцированное) излучение, которое образует основу для разработки лазеров.

Развитие лазерного оборудования было огромным, и инструменты считаются передовыми технологиями. Он был в городе, посещая семинар, и, пока он ждал, когда будет подан кофе, он сел на одну из скамей на площади Франклина, продиктовав проблему, которая его долго беспокоила: как добиться эмиссии ультракоротких волн частоты выше, чем радиолокаторы.

Он полагал, что это излучение будет иметь исключительную ценность для измерения и физико-химического анализа. Молодой учитель был Чарльз Хард Таунс, родившийся в Гринвилле, штат Южная Каролина, 28 июля. Он окончил Университет Дьюка на своей родине и получил докторскую степень в Калифорнийском технологическом институте.

Усиление электромагнитных волн за счет вынужденного излучения или инициирование самовозбуждающихся колебаний электромагнитного излучения в диапазоне сантиметровых волн и тем самым создание прибора, названного мазером (microwave amplification by stimulated emission of radiation), было реализовано в 1954 г. По предложению (1958 г.) распространить этот принцип усиления на значительно более короткие световые волны в 1960 г. был разработан первый лазер (light amplification by stimulated emission of radiation).

Создатель Теории Относительности опубликовал в этом году исследование усиляющего эффекта, который можно было бы получить при стимулированном излучении излучения. До тех пор все выбросы, которые мог производить человек, были радиоволнами - слишком широкими для экспериментов?

Таунс предположил, что можно было бы преобразовать вибрации молекул, заключенных в резонансную коробку, или что-то подобное в излучение, и что такое стимулированное излучение может быть усилено. Но когда он приехал в семинарию и изложил идеи, которые он поднял этим утром на площади, он заслужил мало внимания.

Лазер является источником света, с помощью которого может быть получено когерентное электромагнитное излучение, которое известно нам из радиотехники и техники сверхвысоких частот, а также в коротковолновой, в особенности инфракрасной и видимой, областях спектра.

1.2 Типы лазеров

Существующие типы лазеров можно классифицировать по нескольким признакам. Прежде всего по агрегатному состоянию активной среды: газовые, жидкостные, твердотельные. Каждый из этих больших классов разбивается на более мелкие: по характерным особенностям активной среды, типу накачки, способу создания инверсии и т.д. Например, из твердотельных довольно четко выделяется обширный класс полупроводниковых лазеров, в которых наиболее широко используется инжекционная накачка. Среди газовых выделяют атомарные, ионные и молекулярные лазеры. Особое место среди всех прочих лазеров занимает лазер на свободных электронах, в основе работы которого лежит классический эффект генерации света релятивистскими заряженными частицами в вакууме.

Молодой ученый, не считая разочарования, столкнулся с проблемой, обсуждаемой со своими учениками в Колумбийском университете, и начал тестирование с использованием различных источников радиационной молекулы. Через три года у него были первые результаты с газом аммиака, молекулы которого колебались 24 миллиарда раз в секунду, что сделало их восприимчивыми к превращению в волны длиной 2 мм в половину длины.

Обращаясь к молекулам к соответствующему электромагнитному стимулу, Таунс следовал за лавиной электронов, которая значительно увеличилась и оригинала. Как сказал сам Таунс, именно из дискуссий со своими учениками в Колумбии вышел новый новый словарь. Мы выбрали, - говорит он, - имя мазера для микроволнового усиления путем имитации излучения.

1.3 Характеристики лазерного излучения

Излучение лазера отличается от излучения обычных источников света следующими характеристиками:

Высокой спектральной плотностью энергии;

Монохроматичностью;

Высокой временной и пространственной когерентностью;

Высокой стабильностью интенсивности лазерного излучения в стационарном режиме;

Мы также предложили даже для шутки, инара, инфракрасного усиления, лазера усиления света путем вынужденного излучения и рентгеновского излучения. Только мазер и лазер преуспели. Мазер постепенно раскрыл свою удивительную полезность, превзошел лучшие радиоусилители и позволил себе астрономическую связь и обнаружение увольнений звездных радиостанций.

В те же годы, когда Таус основывался на принципах мазера, советские физики Александро Михайлович Прохоров и Николай Геннадиевич Басов прибыли с аналогичными результатами в Москве. Путь поиска теперь открыт для всех. Текст вызвал большой интерес к созданию инструмента, который будет известен как лазер.

Возможностью генерации очень коротких световых импульсов.

Эти особые свойства излучения лазера обеспечивают ему разнообразнейшие применения. Они определяются главным образом принципиально отличным от обычных источников света процессом генерации излучения за счет вынужденного излучения.

Основными характеристиками лазера являются: длина волны, мощность и режим работы, который бывает непрерывным либо импульсным.

Вместо газа, такого как аммиак, Майман доставил синтетический рубиновый цилиндр, к которому он добавил хромовые примеси. Концы цилиндра были тщательно отполированы, чтобы действовать как зеркала. Пучок света окружил рубиновый цилиндр, и когда он был освещен, он вызвал стимул: рубин выпустил короткий, очень интенсивный лазерный луч.

С тех пор название лазера приобрело необычайный и общественный резонанс, связанный в популярном воображении с приключениями научной фантастики. Строго говоря, это мощный инструмент. Подобно рычагу, шкив, наклонная плоскость, которая использует силу силы тяжести и инерции для усиления силы мышц, лазер использует силу двух атомов и молекул для усиления мощности излучения.

Лазеры находят широкое применение в медицинской практике и прежде всего в хирургии, онкологии, офтальмологии, дерматологии, стоматологии и других областях. Механизм взаимодействия лазерного излучения с биологическим объектом ещё изучен не до конца, но можно отметить, что имеют место либо тепловые воздействия, либо резонансные взаимодействия с клетками тканей.

По крайней мере в этом столетии свет был основной темой исследования физики. Вокруг него была построена одна из самых сложных и смелых теорий? квантовой механики. Он подтверждает очевидный парадокс в том, что свет - это одновременно и вещь, и процесс. Эта двойная роль света - вот что сделало лазер возможным? на самом деле, материализация и теория квантов.

Лазер сделал не что иное, как когерентный, скоординированный, волнообразный характер света. Зонды, которые производятся в воде, когда мы снимаем объект, вызывают обратные волны, когда они попадают на берега озера или танка, где мы делаем опыт. Если две волны являются когерентными, то есть они достигают своей высшей точки одновременно, они усиливаются. Это то, что делает лазер с помощью световых волн.

Лазерное лечение безопасно, оно очень актуально для людей с аллергией на медицинские препараты.

2. Механизм взаимодействия лазерного излучения с биотканями

2.1 Виды взаимодействия

Важное для хирургии свойство лазерного излучения - способность коагулировать кровенасыщенную (васкуляризованную) биоткань.

Квантовая природа света заключается в том, что атомы не испускают и энергию в непрерывной форме, а в небольших блоках - квантах. Когда атом бомбардируется энергией и внешним, один из его электронов поглощает фотон, и благодаря ему он прыгает на верхнюю орбиту; наоборот, когда атом теряет энергию и энергия, электрон испускает фотон и опускается на нижнюю орбиту.

Лазер стимулирует движение ряда электронов на верхнюю орбиту; когда он опускается, они излучают свет на той же частоте и точно, что затем отражается в кристаллических зеркалах аппарата. Это замечательное свойство позволило, например, измерить расстояние между Землей и Луной с погрешностью всего в 2 сантиметра. Еще одним большим преимуществом лазера является его чистый и монохроматический цвет.

В основном, коагуляция происходит за счет поглощения кровью лазерного излучения, ее сильного нагрева до вскипания и образования тромбов. Таким образом, поглощающей мишенью при коагуляции могут быть гемоглобин или водная составляющая крови. Это означает, что хорошо коагулировать биоткань будет излучение лазеров в области оранжево-зеленого спектра (КТР-лазер, на парах меди) и инфракрасных лазеров (неодимовый, гольмиевый, эрбиевый в стекле, СО2-лазер).

Его очень узкий пучок имеет исключительный параллелизм. Благодаря своим уникальным особенностям лазер совершенствует существующие технологии и открывает широкий спектр применений, которые еще не представляются человеком. Он уже стал незаменимым инструментом в телекоммуникациях, медицине, промышленности, искусстве? занимает все больше места в музыкальных, танцевальных и театральных постановках? и практически в любой области человеческой деятельности, где необходимо сверлить, сваривать, осветлять, точно или откалибровать.

Лучи - это специальные световые пучки, иногда очень интенсивные, способные путешествовать на большие расстояния без распространения. Название - это аббревиатура, полученная из английского термина «Усиление света» за счет стимулированного излучения. В нем описывается основное явление, используемое в аппарате для генерации лазерных лучей. Это же явление также используется в устройствах, излучающих СВЧ-лучи или инфракрасное излучение.

Однако, при очень высоком поглощении в биоткани, как, например, у эрбиевого гранатового лазера с длиной волны 2,94 мкм, лазерное излучение поглощается на глубине 5 - 10 мкм и может вообще не достигнуть объекта воздействия – капилляра.

Хирургические лазеры делятся на две большие группы: абляционные (от лат. ablatio – «отнятие»; в медицине – хирургическое удаление, ампутация) и неабляционные лазеры. Абляционные лазеры ближе к скальпелю. Необляционные лазеры действуют по другому принципу: после обработки какого-то объекта, например, бородавки, папилломы или гемангиомы, таким лазером, этот объект остаётся на месте, но через какое-то время в нём проходит серия биологических эффектов и он отмирает. На практике это выглядит так: новообразование мумифицируется, засыхает и отпадает.

Слово «излучение»? аббревиатуры не имеет ничего общего с радиацией. Относится к электромагнитному излучению, таким как: свет, радиоволны, инфракрасное излучение и рентгеновское излучение, т.е. волны, которые отличаются только их длиной волны. Такая длина соответствует расстоянию между последовательными максимальными точками в форме волны. Его значение варьируется от 10 км до 1 метра в случае радиоволн и от 1 до 1 мм в микроволновой печи.

За этим следует свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение и гамма-излучение. Набор этих волн представляет собой электромагнитный спектр. Любой атом можно считать сформированным ядром, вокруг которого движутся мелкие частицы, электроды. Электронное движение не действует никоим образом; допускаются только определенные классы движения, и каждый из них связан с определенным количеством энергии.

В хирургии применяются CO2-лазеры непрерывного действия. Принцип основан на тепловом воздействии. Преимущества лазерной хирургии состоят в том, что она является бесконтактной, практически бескровной, стерильной, локальной, даёт гладкое заживление рассечённой ткани, а отсюда хорошие косметические результаты.

В онкологии было замечено, что лазерный луч оказывает разрушающее действие на опухолевые клетки. Механизм разрушения основан на термическом эффекте, вследствие которого возникает разность температур между поверхностными и внутренними частями объекта, приводящая к сильным динамическим эффектам и разрушению опухолевых клеток.

Чем ближе электроды к ядру, тем меньше энергия атома. Говорят, что атом находится в основном состоянии, когда он имеет наименьшую возможную энергию. Если ваша энергия увеличивается, она переходит в одно из его различных возбужденных состояний, что соответствует более высоким уровням энергии.

Атом обычно находится в основном состоянии, но может входить в возбужденное состояние, если он поглощает энергию. Существует несколько способов создания возбуждения: при прохождении электрического разряда в материал, поглощении света, ударами между атомами, возникающими при высоких температурах.

Сегодня также очень перспективно такое направление, как фотодинамическая терапия. Появляется множество статей о клиническом применении данного метода. Суть его состоит в том, что в организм пациента вводят специальное вещество – фотосенсибилизатор . Это вещество избирательно накапливается раковой опухолью. После облучения опухоли специальным лазером происходит серия фотохимических реакций с выделением кислорода, который убивает раковые клетки.

Атом всегда стремится вернуться в более низкое энергетическое состояние. Когда он переходит от возбужденного уровня к основному состоянию, разность энергий должна быть высвобождена. Затем происходит излучение света или другого электромагнитного излучения.

Согласно квантовой теории, это излучение, испускаемое атомом в концентрированной форме? как своего рода частица, фотон. Фотоны чистого света с одной длиной волны равны между собой: все они несут одну и ту же энергию. Цвет света отражает энергию фотонов, которая обратно пропорциональна длине волны. Таким образом, фотоны синего света имеют больше энергии, чем энергия красного света.

Одним из способов воздействия лазерным излучением на организм является внутривенное лазерное облучение крови (ВЛОК), которое в настоящее время успешно используется в кардиологии, пульмонологии, эндокринологии, гастроэнтерологии, гинекологии, урологии, анестезиологии, дерматологии и других областях медицины. Глубокая научная проработка вопроса и прогнозируемость результатов способствуют применению ВЛОК как самостоятельно, так и в комплексе с другими методами лечения.

Для ВЛОК обычно используют лазерное излучение в красной области спектра
(0,63 мкм) мощностью 1,5–2 мВт. Лечение проводят ежедневно или через день; на курс от 3 до 10 сеансов. Время воздействия при большинстве заболеваний 15–20 мин за сеанс для взрослых и 5–7 мин для детей. Внутривенная лазерная терапия может быть осуществлена практически в любом стационаре или поликлинике. Преимуществом амбулаторной лазеротерапии является уменьшение возможности развития внутрибольничной инфекции, создается хороший психоэмоциональный фон, позволяя больному на протяжении длительного времени сохранять работоспособность, проводя при этом процедуры и получая полноценное лечение.

В офтальмологии лазеры применяют как для лечения, так и для диагностики. С помощью лазера производят приварку сетчатки глаза, сварку сосудов глазной сосудистой оболочки. Для микрохирургии по лечению глаукомы служат аргоновые лазеры, излучающие в сине-зелёной области спектра. Для коррекции зрения давно и успешно используются эксимерные лазеры.

В дерматологии с помощью лазерного излучения лечат многие тяжёлые и хронические заболевания кожи, а также выводят татуировки. При облучении лазером активируется регенеративный процесс, происходит активация обмена клеточных элементов.

Основной принцип применения лазеров в косметологии заключается в том, что свет воздействует только на тот объект или вещество, которое поглощает его. В коже свет поглощается особыми веществами - хромофорами. Каждый хромофор поглощает в определенном диапазоне длин волн, например, для оранжевого и зеленого спектра это гемоглобин крови, для красного спектра - меланин волос, а для инфракрасного спектра - клеточная вода.

При поглощении излучения происходит преобразование энергии лазерного луча в тепло на том участке кожи, который содержит хромофор. При достаточной мощности лазерного луча это приводит к тепловому разрушению мишени. Таким образом, с помощью лазера можно селективно воздействовать, например, на корни волос, пигментные пятна и другие дефекты кожи.

Однако вследствие переноса тепла происходит нагревание и соседних областей, даже если они содержат мало светопоглощающих хромофоров. Процессы поглощения и переноса тепла зависят от физических свойств мишени, глубины залегания и ее размера. Поэтому в лазерной косметологии важно тщательно подбирать не только длину волны, но и энергию, и длительность лазерных импульсов.

В стоматологии лазерное излучение является наиболее эффективным физиотерапевтическим средством лечения пародонтоза и заболеваний слизистой оболочки полости рта.

Лазерный луч применяется вместо иглоукалывания. Преимущества применения лазерного луча состоит в том, что отсутствует контакт с биологическим объектом, а, следовательно, процесс протекает стерильно и безболезненно при большой эффективности.

Световодные инструменты и катетеры для лазерной хирургии предназначены для доставки мощного лазерного излучения к месту проведения оперативного вмешательства при открытых, эндоскопических и лапароскопических операциях в урологии, гинекологии, гастроэнтерологии, общей хирургии, артроскопии, дерматологии. Позволяют осуществлять резание, иссечение, абляцию, вапоризацию и коагуляцию тканей при проведении хирургических операций в контакте с биотканью или в бесконтактном режиме применения (при удалении торца волокна от биоткани). Вывод излучения может осуществляться как с торца волокна, так и через окошко на боковой поверхности волокна. Могут использоваться как в воздушной (газовой), так и водной (жидкой) среде. По отдельному заказу для удобства пользования катетеры комплектуются легкосъёмной ручкой – держателем световода.

В диагностике лазеры применяются для обнаружения различных неоднородностей (опухолей, гематом) и измерения параметров живого организма. Основы диагностических операций сводятся к пропусканию через тело пациента (либо один из его органов) лазерного луча и по спектру или амплитуде прошедшего или отражённого излучения выводят диагноз. Известны методы по обнаружению раковых опухолей в онкологии, гематом в травматологии, а также по измерению параметров крови (практически любых, от артериального давления до содержания сахара и кислорода).

2.2 Особенности лазерного взаимодействия при различных параметрах излучения

Для целей хирургии луч лазера должен быть достаточно мощным, чтобы нагревать биоткань выше 50 - 70 °С, что приводит к ее коагуляции, резанию или испарению. Поэтому в лазерной хирургии, говоря о мощности лазерного излучения того или иного аппарата, оперируют цифрами, обозначающими единицы, десятки и сотни Вт.

Хирургические лазеры бывают как непрерывные, так и импульсные, в зависимости от типа активной среды. Условно их можно разделить на три группы по уровню мощности.

1. Коагулирующие: 1 - 5 Вт.

2. Испаряющие и неглубоко режущие: 5 - 20 Вт.

3. Глубоко режущие: 20 - 100 Вт.

Каждый тип лазера в первую очередь характеризуется длиной волны излучения. Длина волны определяет степень поглощения лазерного излучения биотканью, а, значит, и глубину проникновения, и степень нагрева как области хирургического вмешательства, так и окружающей ткани.

Учитывая, что вода содержится практически во всех типах биоткани, можно сказать, что для хирургии предпочтительно использовать такой тип лазера, излучение которого имеет коэффициент поглощения в воде более 10 см-1 или, что то же самое, глубина проникновения которого не превышает 1 мм.

Другие важные характеристики хирургических лазеров,
определяющие их применение в медицине:

мощность излучения;

непрерывный или импульсный режим работы;

способность коагулировать кровенасыщенную биоткань;

возможность передачи излучения по оптическому волокну.

При воздействии лазерного излучения на биоткань сначала происходит ее нагрев, а затем уже испарение. Для эффективного разрезания биоткани нужно быстрое испарение в месте разреза с одной стороны, и минимальный сопутствующий нагрев окружающих тканей с другой стороны.

При одинаковой средней мощности излучения короткий импульс нагревает ткань быстрее, чем непрерывное излучение, и при этом распространение тепла к окружающим тканям минимально. Но, если импульсы имеют низкую частоту повторения (менее 5 Гц), то непрерывный разрез провести сложно, это больше похоже на перфорацию. Следовательно, лазер предпочтительно должен иметь импульсный режим работы с частотой повторения импульсов более 10 Гц, а длительность импульса - минимально возможную для получения высокой пиковой мощности.

На практике оптимальная выходная мощность для хирургии находится в диапазоне от 15 до 60 Вт в зависимости от длины волны лазерного излучения и области применения.

3. Перспективные лазерные методы в медицине и биологии

Развитие лазерной медицины идет по трем основным ветвям: лазерная хирургия, лазерная терапия и лазерная диагностика. Уникальные свойства лазерного луча позволяют выполнять ранее невозможные операции новыми эффективными и минимально инвазивными методами.

Растет интерес к немедикаментозным методам лечения, включая физиотерапию. Нередко возникают ситуации, когда необходимо проводить не одну физиопроцедуру, а несколько, и тогда пациенту приходиться переходить из одной кабины в другую, несколько раз одеваться и раздеваться, что создает дополнительные проблемы и потерю времени.

Многообразие методик терапевтического воздействия требует применения лазеров с различными параметрами излучения. Для этих целей служат различные излучающие головки, которые содержат один или несколько лазеров и электронное устройство сопряжения сигналов управления от базового блока с лазером.

Излучающие головки подразделяются на универсальные, позволяющие использовать их как наружно, (с использованием зеркальных и магнитных насадок), так и внутриполостно с использованием специальных оптических насадок; матричные, имеющие большую площадь излучения и применяющиеся поверхностно, а также специализированные. Различные оптические насадки позволяют доставлять излучение к требуемой зоне воздействия.

Блочный принцип позволяет применять широкий спектр лазерных и светодиодных головок, обладающих различными спектральными, пространственно-временными и энергетическими характеристиками, что, в свою очередь, поднимает на качественно новый уровень эффективность лечения за счет сочетанной реализации различных методик лазерной терапии. Эффективность лечения определяется прежде всего эффективными методиками и аппаратурой, которая обеспечивает их реализацию. Современные методики требуют возможность выбора различных параметров воздействия (режим излучения, длина волны, мощность) в широком диапазоне. Аппарат лазерной терапии (АЛТ) должен обеспечивать эти параметры, их достоверный контроль и отображение и вместе с тем быть простым и удобным в управлении.

4. Лазеры, применяемые в медицинской технике

4.1 CO2-лазеры

CO 2 -лазер , т.е. лазер, излучающей составляющей активной среды которого является углекислый газ CO2, занимает особое место среди всего многообразия существующих лазеров. Этот уникальный лазер отличается прежде всего тем, что для него характерны и большой энергосъем, и высокий КПД. В непрерывном режиме получены огромные мощности – в несколько десятков киловатт, импульсная мощность достигла уровня в несколько гигаватт, энергия импульса измеряется в килоджоулях. КПД CO2-лазера (порядка 30%) превосходит КПД всех лазеров. Частота следования в импульсно-периодическом режиме может составить несколько килогерц. Длины волн излучения CO2-лазера находятся в диапазоне 9-10 мкм (ИК-диапазон) и попадают в окно прозрачности атмосферы. Поэтому излучение CO2-лазера удобно для интенсивного воздействия на вещество. Кроме того, в диапазон длин излучения CO2-лазера попадают резонансные частоты поглощения многих молекул.

На рисунке 1 показаны нижние колебательные уровни основного электронного состояния вместе с условным представлением формы колебаний молекулы CO2.

Рисунок 20 – Нижние уровни молекулы CO2

Цикл лазерной накачки CO2-лазера в стационарных условиях выглядит следующим образом. Электроны плазмы тлеющего разряда возбуждают молекулы азота, которые передают энергию возбуждения несимметричному валентному колебанию молекул CO2, обладающему большим временем жизни и являющемуся верхним лазерным уровнем. Нижним лазерным уровнем обычно является первый возбужденный уровень симметричного валентного колебания, сильно связанный резонансом Ферми с деформационным колебанием и поэтому быстро релаксирующий вместе с этим колебанием в столкновениях с гелием. Очевидно, что тот же канал релаксации эффективен в том случае, когда нижним лазерным уровнем является второй возбужденный уровень деформационной моды. Таким образом, CO2-лазер – это лазер на смеси углекислого газа, азота и гелия, где CO2 обеспечивает излучение, N2 – накачку верхнего уровня, а He – опустошение нижнего уровня.

CO2-лазеры средней мощности (десятки – сотни ватт) конструируются отдельно в виде относительно длинных труб с продольным разрядом и продольной прокачкой газа. Типичная конструкция такого лазера показана на рисунке 2. Здесь 1 – разрядная трубка, 2 – кольцевые электроды, 3 – медленное обновление среды, 4 – разрядная плазма, 5 – внешняя трубка, 6 – охлаждающая проточная вода, 7,8 – резонатор.

Рисунок 20 – Схема CO2-лазера с диффузионным охлаждением

Продольная прокачка служит для удаления продуктов диссоциации газовой смеси в разряде. Охлаждение рабочего газа в таких системах происходит за счет диффузии на охлаждаемую снаружи стенку разрядной трубки. Существенной является теплопроводность материала стенки. С этой точки зрения целесообразно применение труб из корундовой (Al2O3) или бериллиевой (BeO) керамик.

Электроды делают кольцевыми, не загораживающими путь к излучению. Джоулево тепло выносится теплопроводностью к стенкам трубки, т.е. используется диффузионное охлаждение. Глухое зеркало делают металлическим, полупрозрачное – из NaCl, KCl, ZnSe, AsGa.

Альтернативой диффузионному служит конвекционное охлаждение. Рабочий газ с большой скоростью продувают через область разряда, и джоулево тепло выносится разрядом. Применение быстрой прокачки позволяет поднять плотности энерговыделения и энергосъема.

CO2-лазер в медицине применяется почти исключительно как «оптический скальпель» для резания и испарения во всех хирургических операциях. Режущее действие сфокусированного лазерного пучка основано на взрывном испарении внутри- и внеклеточной воды в области фокусировки, благодаря чему разрушается структура материала. Разрушение ткани приводит к характерной форме краев раны. В узко ограниченной области взаимодействия температура 100 °С превышается лишь тогда, когда достигнуто обезвоживание (испарительное охлаждение). Дальнейшее повышение температуры приводит к удалению материала путем обугливания или испарения ткани. Непосредственно в краевых зонах образуется из-за плохой в общем случае теплопроводности тонкое некротическое утолщение толщиной 3040 мкм. На расстоянии 300600 мкм уже не образуется повреждение ткани. В зоне коагуляции кровеносные сосуды диаметром до 0,51 мм спонтанно закрываются.

Хирургические устройства на основе CO2-лазера в настоящее время предлагаются в достаточно широком ассортименте. Наведение лазерного луча в большинстве случаев осуществляется с помощью системы шарнирно установленных зеркал (манипулятора), оканчивающейся инструментом со встроенной фокусирующей оптикой, которым хирург манипулирует в оперируемой области.

4.2 Гелий-неоновые лазеры

В гелий-неоновом лазере рабочим веществом являются нейтральные атомы неона. Возбуждение осуществляется электрическим разрядом. В чистом неоне создать инверсию в непрерывном режиме трудно. Эта трудность, носящая достаточно общий для многих случаев характер, обходится введением в разряд дополнительного газа – гелия, выполняющего функцию донора энергии возбуждения. Энергии двух первых возбужденных метастабильных уровней гелия (рисунок 3) довольно точно совпадают с энергиями уровней 3s и 2s неона. Поэтому хорошо реализуются условия резонансной передачи возбуждения по схеме

Рисунок 20 – Схема уровней He-Ne лазера

При правильно выбранных давлениях неона и гелия, удовлетворяющих условию

можно добиться заселения одного или обоих уровней 3s и 2s неона, значительно превышающего таковое в случае чистого неона, и получить инверсию населенностей.

Опустошение нижних лазерных уровней происходит в столкновительных процессах, в том числе и в соударениях со стенками газоразрядной трубки.

Возбуждение атомов гелия (и неона) происходит в слаботочном тлеющем разряде (рисунок 4). В лазерах непрерывного действия на нейтральных атомах или молекулах для создания активной среды чаще всего используется слабоионизированная плазма положительного столба тлеющего разряда. Плотность тока тлеющего разряда составляет 100-200 мА/см2. Напряженность продольного электрического поля такова, что число возникающих на единичном отрезке разрядного промежутка электронов и ионов компенсирует потери заряженных частиц при их диффузии к стенкам газоразрядной трубки. Тогда положительных столб разряда стационарен и однороден. Электронная температура определяется произведением давления газа на внутренний диаметр трубки (0,63282 мкм) соответствует оптимальное Тор·мм.

Рисунок 20 – Конструктивная диаграмма He-Ne лазера

Характерными значениями мощности излучения гелий-неоновых лазеров следует считать десятки милливатт в областях 0,63 и 1,15 мкм и сотни в области 3,39 мкм. Срок службы лазеров ограничивается процессами в разряде и исчисляется годами. С течением времени в разряде происходит нарушение состава газа. Из-за сорбции атомов в стенках и электродах происходит процесс «жестчения», падает давление, меняется отношение парциальных давлений He и Ne.

Наибольшая кратковременная стабильность, простота и надежность конструкции гелий-неонового лазера достигаются при установке зеркал резонатора внутрь разрядной трубки. Однако при таком расположении зеркала сравнительно быстро выходят из строя за счет бомбардировки заряженными частицами плазмы разряда. Поэтому наибольшее распространение получила конструкция, в которой газоразрядная трубка помещается внутрь резонатора (рисунок 5), а ее торцы снабжаются окнами, расположенными под углом Брюстера к оптической оси, обеспечивая тем самым линейную поляризацию излучения. Такое расположение имеет целый ряд преимуществ – упрощается юстировка зеркал резонатора, увеличивается срок службы газоразрядной трубки и зеркал, облегчается их смена, появляется возможность управления резонатором и применения дисперсионного резонатора, выделения мод и т.п.

Рисунок 20 – Резонатор He-Ne лазера

Переключение между полосами генерации (рисунок 6) в перестраиваемом гелий-неоновом лазере обычно обеспечивается за счет введения призмы, а для тонкой перестройкой линии генерации обычно используется дифракционная решетка.

Рисунок 20 – Использование призмы Литроу

4.3 ИАГ-лазеры

Трехвалентный ион неодима легко активирует многие матрицы. Из них самыми перспективными оказались кристаллы иттрий-алюминиевого граната Y3Al5O12 (ИАГ) и стекла. Накачка переводит ионы Nd3+ из основного состояния 4I9/2 в несколько относительно узких полос, играющих роль верхнего уровня. Эти полосы образованы рядом перекрывающихся возбужденных состояний, их положения и ширины несколько меняются от матрицы к матрице. Из полос накачки быстрая передача энергии возбуждения на метастабильный уровень 4F3/2 (рисунок 7).

Рисунок 20 – Энергетические уровни трехвалентных редкоземельных ионов

Чем ближе к уровню 4F3/2 расположены полосы поглощения, тем выше КПД генерации. Достоинством кристаллов ИАГ является наличие интенсивной красной линии поглощения.

Технология роста кристаллов основана на методе Чохральского, когда ИАГ и присадка плавятся в иридиевом тигле при температуре около 2000 °С с последующим выделением части расплава из тигля с помощью затравки. Температура затравки несколько ниже температуры расплава, и при вытягивании расплав постепенно кристаллизуется на поверхности затравки. Кристаллографическая ориентировка закристаллизовавшегося расплава воспроизводит ориентировку затравки. Выращивание кристалла осуществляется в инертной среде (аргон или азот) при нормальном давлении с малой добавкой кислорода (1-2%). Как только кристалл достигает нужной длины его медленно остужают для предотвращения разрушения из-за термических напряжений. Процесс роста занимает от 4 до 6 недель и проходит под компьютерным управлением.

Неодимовые лазеры работают в широком диапазоне режимов генерации, от непрерывного до существенно импульсного с длительностью, достигающей фемтосекунд. Последняя достигается методом синхронизации мод в широкой линии усиления, характерной для лазерных стекол.

При создании неодимовых, как, впрочем, и рубиновых, лазеров реализованы все характерные методы управления параметрами лазерного излучения, разработанные квантовой электроникой. В дополнение к так называемой свободной генерации, продолжающейся в течение практически всего времени существования импульса накачки, широкое распространение получили режимы включаемой (модулированной) добротности и синхронизации (самосинхронизации) мод.

В режиме свободной генерации длительность импульсов излучения составляет 0,1…10 мс, энергия излучения в схемах усиления мощности составляет около 10 пс при использовании для модуляции добротности электрооптических устройств. Дальнейшее укорочение импульсов генерации достигается применением просветляющихся фильтров как для модуляции добротности (0,1…10 пс), так и для синхронизации мод (1…10 пс).

При воздействии интенсивного излучения Nd-ИАГ-лазера на биологическую ткань образуются достаточно глубокие некрозы (коагуляционный очаг). Эффект удаления ткани и тем самым режущее действие, незначительны по сравнению с действием CO2-лазера. Поэтому Nd-ИАГ-лазер применяется преимущественно для коагуляции кровотечения и для некротизирования патологически измененных областей ткани почти во всех областях хирургии. Поскольку к тому же передача излучения возможна через гибкие оптические кабели, то открываются перспективы применения Nd-ИАГ-лазера в полостях тела.

4.4 Полупроводниковые лазеры

Полупроводниковые лазеры испускают в УФ-, видимом или ИК-диапазонах (0,32…32 мкм) когерентное излучение; в качестве активной среды применяются полупроводниковые кристаллы.

В настоящее время известно свыше 40 пригодных для лазеров различных полупроводниковых материалов. Накачка активной среды может осуществляться электронными пучками или оптическим излучением (0,32…16 мкм), в pn-переходе полупроводникового материала электрическим током от приложенного внешнего напряжения (инжекция носителей заряда, 0,57…32 мкм).

Инжекционные лазеры отличаются от всех других типов лазеров следующими характеристиками:

Высоким КПД по мощности (выше 10%);

Простотой возбуждения (непосредственное преобразование электрической энергии в когерентное излучение – как в непрерывном, так и в импульсном режимах работы);

Возможностью прямой модуляции электрическим током до 1010 Гц;

Крайне незначительными размерами (длина менее 0,5 мм; ширина не более 0,4 мм; высота не более 0,1 мм);

Низким напряжением накачки;

Механической надежностью;

Большим сроком службы (до 107 ч).

4.5 Эксимерные лазеры

Эксимерные лазеры , представляющие собой новый класс лазерных систем, открывают для квантовой электроники УФ диапазон. Принцип действия эксимерных лазеров удобно пояснить на примере лазера на ксеноне (нм). Основное состояние молекулы Xe2 неустойчиво. Невозбужденный газ состоит в основном из атомов. Заселение верхнего лазерного состояния, т.е. создание возбужденной устойчивости молекулы происходит под действием пучка быстрых электронов в сложной последовательности столкновительных процессов. Среди этих процессов существенную роль играют ионизация и возбуждение ксенона электронами.

Большой интерес представляют эксимеры галоидов инертных газов (моногалогенидов благородных газов), главным образом потому, что в отличие от случая димеров благородных газов соответствующие лазеры работают не только при электронно-пучковом, но и при газоразрядном возбуждении. Механизм образования верхних термов лазерных переходов в этих эксимерах во многом неясен. Качественные соображения свидетельствуют о большей легкости их образования по сравнению со случаем димеров благородных газов. Существует глубокая аналогия между возбужденными молекулами, составленными из атомов щелочного материала и галогена. Атом инертного газа в возбужденном электронном состоянии похож на атом щелочного металла и галогена. Атом инертного газа в возбужденном электронном состоянии похож на атом щелочного металла, следующий за ним в таблице Менделеева. Этот атом легко ионизуется, так как энергия связи возбужденного электрона мала. В силу высокого сродства к электрону галогена этот электрон легко отрывается и при столкновении соответствующих атомов охотно перепрыгивает на новую орбиту, объединяющую атомы, осуществляя тем самым так называемую гарпунную реакцию.

Ларингоскопия, микроларингоскопия, эзофагоскопия и бронхоскопия - виды эндоскопического вмешательства. Предоперационный и интраоперационный периоды. Особенности анестезии при эндоскопических лазерных вмешательствах. Меры безопасности от возгораний.

Процесс лазерного излучения. Исследования в области лазеров в диапазоне рентгеновских волн. Медицинское применение CO2–лазеров и лазеров на ионах аргона и криптона. Генерация лазерного излучения. Коэффициент полезного действия лазеров различных типов.

Лазерная терапия. Физико-химические основы действия НИЛИ на биообъекты. Лечебное применение волн оптического диапазона. Воздействие ИК излучения на биоткани. Хромотерапия и фотодинамическая терапия. Лечебный эффект. Лечение онкологических заболеваний.

Определение фотоэффекта. Виды фотоэффектов. Уравнение Эйнштейна. Применение фотоэффекта в медицине. Фотоэффект - это явление, связанное с освобождением электронов твердого тела (или жидкости) под действием электромагнитного излучения.

Физические основы лучевой терапии. Основные виды и свойства ионизирующих излучений. Корпускулярные и фотонные ионизирующие излучения (ИИ). Биологические основы лучевой терапии. Изменения химической структуры атомов и молекул, биологическое действие ИИ.

В медицине лазеры нашли свое применение в виде лазерного скальпеля. Его использование для проведения хирургических операций определяют следующие свойства:

Он производит относительно бескровный разрез, так как одновременно с рассечением тканей он коагулирует края раны “заваривая” не слишком крупные кровеносные сосуды;

Лазерный скальпель отличается постоянством режущих свойств. Попадание на твердый предмет (например, кость) не выводит скальпель из строя. Для механического скальпеля такая ситуация стала бы фатальной;

Лазерный луч в силу своей прозрачности позволяет хирургу видеть оперируемый участок. Лезвие же обычного скальпеля, равно как и лезвие электроножа, всегда в какой-то степени загораживает от хирурга рабочее поле;

Лазерный луч рассекает ткань на расстоянии, не оказывая никакого механического воздействия на ткань;

Лазерный скальпель обеспечивает абсолютную стерильность, ведь с тканью взаимодействует только излучение;

Луч лазера действует строго локально, испарение ткани происходит только в точке фокуса. Прилегающие участки ткани повреждаются значительно меньше, чем при использовании механического скальпеля;

Как показала клиническая практика, рана от лазерного скальпеля почти не болит и быстрее заживляется.

Практическое применение лазеров в хирургии началось в СССР в 1966 году в институте имени А. В. Вишневского. Лазерный скальпель был применен в операциях на внутренних органах грудной и брюшной полостей. В настоящее время лазерным лучом делают кожно-пластические операции, операции пищевода, желудка, кишечника, почек, печени, селезенки и других органов. Очень заманчиво проведение операций с использованием лазера на органах, содержащих большое количество кровеносных сосудов, например, на сердце, печени.

Особенно широкое применение нашли лазерные инструменты в хирургии глаза. Глаз, как известно, представляет орган, обладающий очень тонкой структурой. В хирургии глаза особенно важны точность и быстрота манипуляций. Кроме того выяснилось, что при правильном подборе частоты излучения лазера оно свободно проходит через прозрачные ткани глаза, не оказывая на них никакого действия. Это позволяет делать операции на хрусталике глаза и глазном дне, не делая никаких разрезов вообще. В настоящее время успешно проводятся операции по удалению хрусталика путём испарения его очень коротким и мощным импульсом. При этом не происходит повреждение окружающих тканей, что ускоряет процесс заживления, составляющий буквально несколько часов. В свою очередь, это значительно облегчает последующую имплантацию искусственного хрусталика. Другая успешно освоенная операция – приваривание отслоившейся сетчатки.

Лазеры довольно успешно применяются и в лечении таких распространённых сейчас заболеваний глаза как близорукость и дальнозоркость. Одной из причин этих заболеваний является изменение в силу каких-либо причин конфигурации роговицы глаза. С помощью очень точно дозированных облучений роговицы лазерным излучением можно исправить её изъяны, восстановив нормальное зрение.

Трудно переоценить значение применения лазерной терапии при лечении многочисленных онкологических заболеваний, вызванных неконтролируемым делением видоизменённых клеток. Точно фокусируя луч лазера на скоплении раковых клеток, можно полностью уничтожить эти скопления, не повреждая здоровые клетки.

Разнообразные лазерные зонды широко используются при диагностике заболеваний различных внутренних органов, особенно в тех случаях, когда применение других методов невозможно или сильно затруднено.

В лечебных целях применяется низкоэнергетическое лазерное излучение. В основе лазеротерапии лежит сочетание воздействия на организм импульсного широкополосного излучения ближнего инфракрасного диапазона совместно с постоянным магнитным полем . В основе терапевтического (лечебного) эффекта лазерного излучения с живым организмом лежат фотофизические и фотохимические реакции. На клеточном уровне в ответ на действие лазерного излучения изменяется энергетическая активность клеточных мембран, происходит активизация ядерного аппарата клеток системы ДНК – РНК – белка, а, следовательно, увеличение биоэнергетического потенциала клеток. Реакция на уровне организма в целом выражается в клинических проявлениях. Это обезболивающий, противовоспалительный и противоотечный эффекты, улучшение микроциркуляции не только в облучаемых, но и в окружающих тканях, ускорение заживления поврежденной ткани, стимуляция общих и местных факторов иммунозащиты, снижение в крови холецистита, бактериостатический эффект.

Лазеры в медицине: различные аспекты применения

Поначалу, после изобретения лазеров, мало кто мог предположить, что эти световые инструменты способны лечить или как-то иначе улучшать физическое благополучие человека. Но врачи и медицинские исследователи быстро разглядели его возможности, а число медицинских применений лазера увеличивается с каждым годом. Например, резка тканей в хирургических процедурах; изменение формы роговицы глаза для улучшения зрения; очистка закупоренных артерий; прожигание полостей и отбеливание зубов; удаление нежелательных волос, морщин, родинок и веснушек; изменение формы лица в пластической хирургии.

Пришествие «лазерного скальпеля»

Первые испытатели медицинских лазеров говорили о том, что существуют хирургические операции, которые сложно выполнить при помощи обычного скальпеля, и лазерный луч может быть использован вместо него. Их опыты показали, что хорошо сфокусированный луч углекислого лазера может резать человеческую ткань легко и аккуратно. Хирург может направить луч под любым углом с помощью зеркала, установленного на подвижном металлическом манипуляторе.

Несколько преимуществ лазерной хирургии быстро стали очевидными. Во-первых, луч света однороден, то есть энергия, передаваемая лазером в единицу времени, постоянна.

На фото запечатлена операция на открытом сердце. Врач использует лазерный зонд для создания небольших отверстий в сердце пациента, чтобы увеличить кровоток органа.

Так что если луч движется, то разрез, производимый им (инцизия), имеет постоянную глубину; в то же время, при использовании скальпеля врач может случайно сделать часть разреза слишком глубокой. Вторым преимуществом хирургического лазера является то, что горячий луч по мере движения прижигает (или запаивает) открытые кровеносные сосуды (Это хорошо работает в основном для небольших сосудов, например для кожных сосудов. Врач все еще должен изолировать большие кровеносные сосуды традиционными методами). Еще одно преимущество состоит в том, что клетки в ткани человека не очень хорошо проводят тепло, поэтому кожа, или любая другая ткань, находящаяся вблизи лазерного разреза, сильно не нагревается и не травмируется лучом. Это преимущество лазерной хирургии очень полезно когда операционное поле ограничено маленькой областью, которая окружена здоровыми тканями или органами.

Следует отметить, что «лазерный скальпель» не обязательно является лучшим инструментом для каждой операции. Некоторые врачи считают, что, хотя лазер и полезен в некоторых ситуациях, он никогда не сможет полностью заменить скальпель. Другие настроены более оптимистично и видят тот день, когда более продвинутые лазеры полностью вытеснят скальпель.

Вторая точка зрения может оказаться более точной, так как хирургическое применение лазеров быстро развивается. Сначала считалось, что лазеры наиболее эффективны для операций на легко доступных областях - на поверхности тела, включая кожу, рот, нос, уши и глаза. Но в последние годы врачи продемонстрировали значительный прогресс в развитии лазерной техники для использования в диагностике и хирургии внутренних органов. Конечно, для того, чтобы иметь возможность управления лучом лазера, врач должен видеть внутри тела. В некоторых случаях этот вопрос легко решается созданием разреза и открытием области, которая будет прооперирована. Но бывают ситуации, в которых этого можно избежать.

Очистка артерий при помощи света

Например, лазеры все шире применяются для очистки артерий человека от тромбоцитных бляшек. Тромбоцитная бляшка - это плотная жировая субстанция, которая может скапливаться на внутренних стенках артерий. Со временем сосуды могут настолько закупориться, что кровь перестанет течь нормально и это может вызвать сердечный приступ или инсульт, что очень опасно и может привести к летальному исходу. Традиционный метод удаления бляшек, включающий вскрытие грудной клетки и выполнение нескольких надрезов, является долгой, а иногда и рискованной операцией. Кроме того, она дорогая и требует несколько недель для восстановления.

Эффективной альтернативой является использование лазерного луча для выжигания бляшки. Ключевую роль в обеспечении положительного результата этой работы играет возможность для врача видеть внутри артерии и направлять луч. Это еще одна область, в которой сочетание волоконной оптики и лазеров представляет из себя современный чудо-инструмент. Оптическое волокно, присоединенное к маленькой телекамере, может быть введено в артерию. Этот миниатюрный датчик позволяет врачу и медсестрам наблюдать за вторым волокном, которое вводится в артерию для выжигания бляшек вспышками света.

Методика состоит в следующем. Волоконно-оптический массив вводится в кровеносный сосуд в руке или ноге и медленно перемещается в область сердца и к закупоренной артерии. Когда массив достигает точки назначения, лазер излучает свет и уничтожает бляшку. Пары, образующиеся в результате, отсасываются через маленькую полую трубку, которая введена вместе с оптическими волокнами. После очистки артерии врач извлекает волокна и трубку - операция завершена. Эта медицинская процедура известна как лазерная ангиопластика. Она имеет несколько очевидных преимуществ. Во-первых, разрезание тканей не требуется (за исключением маленького надреза в сосуде для введения волокон). Кроме того, кровопотери невелики или вообще отсутствуют, а пациент полностью восстанавливается через 1-2 дня.

Лазерная ангиопластика имеет ряд потенциальных рисков, которые должны быть рассмотрены. Во-первых, когда лазерный луч попадает в бляшку он должен быть направлен очень точно, потому что даже небольшой промах может прорезать стенку артерии и вызвать серьезное кровотечение. В этом случае все равно придется вскрывать грудную клетку пациента. Вторая проблема связана с небольшими частицами материала, остающимися после выжигания бляшки.

Хирурги используют крошечный лазер для отрезания ткани в операции над желчным пузырем. Лазер и крошечная камера вставляются в пупок, так что разрез брюшной полости не требуется.

Если они попадут в кровоток, то это может вызвать закупорку небольших кровеносных сосудов, что приведет к еще большим осложнениям. К счастью, непрерывный технический прогресс значительно уменьшил эти риски, и число успешных операций постоянно растет.

Лечение глаз и изменение формы роговицы при помощи лазера

Несколько самых замечательных достижений медицинских лазеров произошли в области офтальмологии, изучающей структуру и заболевания глаз. Одной из причин почему лазерные лучи так полезны в лечении глаз, является тот факт, что роговица - покрытие, которое охватывает глазное яблоко и пропускает свет внутрь глаза, - прозрачна. Благодаря этому роговица пропускает лазерный луч точно так же, как и обычный свет, то есть луч на нее не оказывает воздействия.

Прежде всего, лазер очень полезен при удалении посторонних кровеносных сосудов, которые могут образовываться на сетчатке глаза - тонкой, свето-чувствительной мембране на задней стенке глазного яблока. Именно на сетчатке формируются изображения предметов, которые видит глаз. Иногда, повреждение сетчатки может привести к слепоте, что в Соединенных Штатах чаще всего вызывается сахарным диабетом (заболевание, характеризующееся высоким уровнем сахара в крови), когда, в некоторых запущенных случаях, на сетчатке формируются сотни крошечных дополнительных кровеносных сосудов. Это приводит к блокировке света, идущего от поверхности мембраны, что вызывает частичную или полную слепоту.

Для лечения таких состояний чаще всего применяется аргоновый лазер. Врач направляет луч через роговицу и выжигает сплетение кровеносных сосудов, покрывающее сетчатку. Процедура занимает всего несколько минут и может быть выполнена в кабинете врача. Лазер может также восстановить отслоение сетчатки - часть сетчатки, которая отделилась от задней части глазного яблока. До появления лазеров отслоение сетчатки приходилось исправлять вручную, и, так как сетчатка является очень хрупкой, это была очень сложная операция. При помощи аргонового лазера врач может, грубо говоря, «приварить» оторванную часть сетчатки. Интересное совпадение: Гордон Гулд (Gordon Gould), один из первых изобретателей лазера, позже был подвергнут операции по восстановлению сетчатки при помощи данного инструмента.

Другим заболеванием глаза является глаукома, которая характеризуется накоплением жидкости в глазу. Обычно, естественные жидкости глаза понемногу вытекают, и он остается здоровым. В глазах, пораженных глаукомой, жидкость не вытекает должным образом, и ее накопление влияет на зрение; иногда это приводит к слепоте. В некоторых случаях глаукому можно лечить при помощи лекарственных препаратов. Однако, если это не помогает, то многие доктора используют лазер, чтобы избежать традиционной хирургии. Лазер пробивает отверстие в заранее определенном месте и жидкость вытекает через него. Опять же, лечение может проводиться в кабинете врача, а не в больнице.

Настоящий рассвет фототерапии пришелся на 19 век - с изобретением электрических ламп появились новые возможности. В конце XIX столетия красным светом пытались лечить оспу и корь, помещая пациента в специальную камеру с красными излучателями. Также различные «цветовые ванны» (то есть свет различных цветов) успешно применялись для лечения психических заболеваний. Причём лидирующую позицию в области светолечения к началу двадцатого столетия занимала Российская Империя.

1. Физические основы применения лазерной техники в медицине

1.1 Принцип действия лазера

1.2 Типы лазеров

1.3 Характеристики лазерного излучения

Излучение лазера отличается от излучения обычных источников света следующими характеристиками:

Высокой спектральной плотностью энергии;

Монохроматичностью;

Высокой временной и пространственной когерентностью;

Высокой стабильностью интенсивности лазерного излучения в стационарном режиме;

Возможностью генерации очень коротких световых импульсов.

Лазерное лечение безопасно, оно очень актуально для людей с аллергией на медицинские препараты.

2. Механизм взаимодействия лазерного излучения с биотканями

2.1 Виды взаимодействия

Хирургические лазеры делятся на две большие группы: абляционные (от лат. ablatio - «отнятие»; в медицине - хирургическое удаление, ампутация) и неабляционные лазеры. Абляционные лазеры ближе к скальпелю. Необляционные лазеры действуют по другому принципу: после обработки какого-то объекта, например, бородавки, папилломы или гемангиомы, таким лазером, этот объект остаётся на месте, но через какое-то время в нём проходит серия биологических эффектов и он отмирает. На практике это выглядит так: новообразование мумифицируется, засыхает и отпадает.

Сегодня также очень перспективно такое направление, как фотодинамическая терапия. Появляется множество статей о клиническом применении данного метода. Суть его состоит в том, что в организм пациента вводят специальное вещество - фотосенсибилизатор . Это вещество избирательно накапливается раковой опухолью. После облучения опухоли специальным лазером происходит серия фотохимических реакций с выделением кислорода, который убивает раковые клетки.

Для ВЛОК обычно используют лазерное излучение в красной области спектра
(0,63 мкм) мощностью 1,5-2 мВт. Лечение проводят ежедневно или через день; на курс от 3 до 10 сеансов. Время воздействия при большинстве заболеваний 15-20 мин за сеанс для взрослых и 5-7 мин для детей. Внутривенная лазерная терапия может быть осуществлена практически в любом стационаре или поликлинике. Преимуществом амбулаторной лазеротерапии является уменьшение возможности развития внутрибольничной инфекции, создается хороший психоэмоциональный фон, позволяя больному на протяжении длительного времени сохранять работоспособность, проводя при этом процедуры и получая полноценное лечение.

2.2 Особенности лазерного взаимодействия при различных параметрах излучения

1. Коагулирующие: 1 - 5 Вт.

2. Испаряющие и неглубоко режущие: 5 - 20 Вт.

3. Глубоко режущие: 20 - 100 Вт.

Другие важные характеристики хирургических лазеров,
определяющие их применение в медицине:

мощность излучения;

непрерывный или импульсный режим работы;

способность коагулировать кровенасыщенную биоткань;

возможность передачи излучения по оптическому волокну.

3. Перспективные лазерные методы в медицине и биологии

4. Лазеры, применяемые в медицинской технике

4.1 CO2-лазеры

CO2-лазер , т.е. лазер, излучающей составляющей активной среды которого является углекислый газ CO2, занимает особое место среди всего многообразия существующих лазеров. Этот уникальный лазер отличается прежде всего тем, что для него характерны и большой энергосъем, и высокий КПД. В непрерывном режиме получены огромные мощности - в несколько десятков киловатт, импульсная мощность достигла уровня в несколько гигаватт, энергия импульса измеряется в килоджоулях. КПД CO2-лазера (порядка 30%) превосходит КПД всех лазеров. Частота следования в импульсно-периодическом режиме может составить несколько килогерц. Длины волн излучения CO2-лазера находятся в диапазоне 9-10 мкм (ИК-диапазон) и попадают в окно прозрачности атмосферы. Поэтому излучение CO2-лазера удобно для интенсивного воздействия на вещество. Кроме того, в диапазон длин излучения CO2-лазера попадают резонансные частоты поглощения многих молекул.

Рисунок 20 - Нижние уровни молекулы CO2

Цикл лазерной накачки CO2-лазера в стационарных условиях выглядит следующим образом. Электроны плазмы тлеющего разряда возбуждают молекулы азота, которые передают энергию возбуждения несимметричному валентному колебанию молекул CO2, обладающему большим временем жизни и являющемуся верхним лазерным уровнем. Нижним лазерным уровнем обычно является первый возбужденный уровень симметричного валентного колебания, сильно связанный резонансом Ферми с деформационным колебанием и поэтому быстро релаксирующий вместе с этим колебанием в столкновениях с гелием. Очевидно, что тот же канал релаксации эффективен в том случае, когда нижним лазерным уровнем является второй возбужденный уровень деформационной моды. Таким образом, CO2-лазер - это лазер на смеси углекислого газа, азота и гелия, где CO2 обеспечивает излучение, N2 - накачку верхнего уровня, а He - опустошение нижнего уровня.

CO2-лазеры средней мощности (десятки - сотни ватт) конструируются отдельно в виде относительно длинных труб с продольным разрядом и продольной прокачкой газа. Типичная конструкция такого лазера показана на рисунке 2. Здесь 1 - разрядная трубка, 2 - кольцевые электроды, 3 - медленное обновление среды, 4 - разрядная плазма, 5 - внешняя трубка, 6 - охлаждающая проточная вода, 7,8 - резонатор.

Рисунок 20 - Схема CO2-лазера с диффузионным охлаждением

CO2-лазер в медицине применяется почти исключительно как «оптический скальпель» для резания и испарения во всех хирургических операциях. Режущее действие сфокусированного лазерного пучка основано на взрывном испарении внутри- и внеклеточной воды в области фокусировки, благодаря чему разрушается структура материала. Разрушение ткани приводит к характерной форме краев раны. В узко ограниченной области взаимодействия температура 100 °С превышается лишь тогда, когда достигнуто обезвоживание (испарительное охлаждение). Дальнейшее повышение температуры приводит к удалению материала путем обугливания или испарения ткани. Непосредственно в краевых зонах образуется из-за плохой в общем случае теплопроводности тонкое некротическое утолщение толщиной 30-40 мкм. На расстоянии 300-600 мкм уже не образуется повреждение ткани. В зоне коагуляции кровеносные сосуды диаметром до 0,5-1 мм спонтанно закрываются.

4.2 Гелий-неоновые лазеры

В гелий-неоновом лазере рабочим веществом являются нейтральные атомы неона. Возбуждение осуществляется электрическим разрядом. В чистом неоне создать инверсию в непрерывном режиме трудно. Эта трудность, носящая достаточно общий для многих случаев характер, обходится введением в разряд дополнительного газа - гелия, выполняющего функцию донора энергии возбуждения. Энергии двух первых возбужденных метастабильных уровней гелия (рисунок 3) довольно точно совпадают с энергиями уровней 3s и 2s неона. Поэтому хорошо реализуются условия резонансной передачи возбуждения по схеме

Рисунок 20 - Схема уровней He-Ne лазера

При правильно выбранных давлениях неона и гелия, удовлетворяющих условию

Возбуждение атомов гелия (и неона) происходит в слаботочном тлеющем разряде (рисунок 4). В лазерах непрерывного действия на нейтральных атомах или молекулах для создания активной среды чаще всего используется слабоионизированная плазма положительного столба тлеющего разряда. Плотность тока тлеющего разряда составляет 100-200 мА/см2. Напряженность продольного электрического поля такова, что число возникающих на единичном отрезке разрядного промежутка электронов и ионов компенсирует потери заряженных частиц при их диффузии к стенкам газоразрядной трубки. Тогда положительных столб разряда стационарен и однороден. Электронная температура определяется произведением давления газа на внутренний диаметр трубки . При малых электронная температура велика, при больших - низка. Постоянство величины определяет условия подобия разрядов. При постоянной плотности числа электронов условия и параметры разрядов будут неизменны, если неизменно произведение . Плотность числа электронов в слабоионизированной плазме положительного столба пропорциональна плотности тока.

Для гелий-неонового лазера оптимальные значения , равно как и парциальный состав газовой смеси, несколько отличны для различных спектральных областей генерации.

В области 0,63 мкм самой интенсивной из линий серии - линии (0,63282 мкм) соответствует оптимальное Тор·мм.

Рисунок 20 - Конструктивная диаграмма He-Ne лазера

Наибольшая кратковременная стабильность, простота и надежность конструкции гелий-неонового лазера достигаются при установке зеркал резонатора внутрь разрядной трубки. Однако при таком расположении зеркала сравнительно быстро выходят из строя за счет бомбардировки заряженными частицами плазмы разряда. Поэтому наибольшее распространение получила конструкция, в которой газоразрядная трубка помещается внутрь резонатора (рисунок 5), а ее торцы снабжаются окнами, расположенными под углом Брюстера к оптической оси, обеспечивая тем самым линейную поляризацию излучения. Такое расположение имеет целый ряд преимуществ - упрощается юстировка зеркал резонатора, увеличивается срок службы газоразрядной трубки и зеркал, облегчается их смена, появляется возможность управления резонатором и применения дисперсионного резонатора, выделения мод и т.п.

Рисунок 20 - Резонатор He-Ne лазера

Рисунок 20 - Использование призмы Литроу

4.3 ИАГ-лазеры

Рисунок 20 - Энергетические уровни трехвалентных редкоземельных ионов

4.4 Полупроводниковые лазеры

В настоящее время известно свыше 40 пригодных для лазеров различных полупроводниковых материалов. Накачка активной среды может осуществляться электронными пучками или оптическим излучением (0,32…16 мкм), в p-n-переходе полупроводникового материала электрическим током от приложенного внешнего напряжения (инжекция носителей заряда, 0,57…32 мкм).

Инжекционные лазеры отличаются от всех других типов лазеров следующими характеристиками:

Высоким КПД по мощности (выше 10%);

Простотой возбуждения (непосредственное преобразование электрической энергии в когерентное излучение - как в непрерывном, так и в импульсном режимах работы);

Возможностью прямой модуляции электрическим током до 1010 Гц;

Крайне незначительными размерами (длина менее 0,5 мм; ширина не более 0,4 мм; высота не более 0,1 мм);

Низким напряжением накачки;

Механической надежностью;

Большим сроком службы (до 107 ч).

4.5 Эксимерные лазеры

Эксимерные лазеры , представляющие собой новый класс лазерных систем, открывают для квантовой электроники УФ диапазон. Принцип действия эксимерных лазеров удобно пояснить на примере лазера на ксеноне ( нм). Основное состояние молекулы Xe2 неустойчиво. Невозбужденный газ состоит в основном из атомов. Заселение верхнего лазерного состояния, т.е. создание возбужденной устойчивости молекулы происходит под действием пучка быстрых электронов в сложной последовательности столкновительных процессов. Среди этих процессов существенную роль играют ионизация и возбуждение ксенона электронами.

Наиболее распространены следующие типы эксимерных лазеров: Ar2 (126,5 нм), Kr2 (145,4 нм), Xe2 (172,5 нм), ArF (192 нм), KrCl (222,0 нм), KrF (249,0 нм), XeCl (308,0 нм), XeF (352,0 нм).

4.6 Лазеры на красителях

Отличительной особенностью лазеров на красителях является возможность работы в широком длин волн от ближнего ИК до ближнего УФ, плавная перестройка длины волны генерации в диапазоне шириной в несколько десятков нанометров с монохроматичностью, достигающей 1-1,5 МГц. Лазеры на красителях работают в непрерывном, импульсном и импульсно-периодическом режимах. Энергия импульсов излучения достигает сотен джоулей, мощность непрерывной генерации - десятков ватт, частота повторения сотен герц, КПД десятков процентов (при лазерной накачке). В импульсном режиме длительность генерации определяется длительностью импульсов накачки. В режиме синхронизации мод достигается пикосекундный и субпикосекундный диапазоны длительностей.

Свойства лазеров на красителях определяются свойствами их рабочего вещества органических красителей. Красителями принято называть сложные органические соединения с разветвленной системой сложных химических связей, обладающие интенсивными полосами поглощения в видимой и ближней УФ областях спектра. Окрашенные органические соединения содержат насыщенные хромофорные группы типа NO2, N=N, =CO, ответственные за окраску. Наличие так называемых ауксохромных групп типа NH3, OH придает соединению красящие свойства.

4.7 Аргоновые лазеры

Аргоновый лазер относится к типу газоразрядных лазеров, генерирующих на переходах между уровнями ионов главным образом в сине-зеленой части видимой и ближней ультрафиолетовой областях спектра.

Обычно этот лазер излучает на длинах волн 0,488 мкм и 0,515 мкм, а также в ультрафиолете на длинах волн 0,3511 мкм и 0,3638 мкм.

Мощность может достигнуть 150 Вт (промышленные образцы 2 ч 10 Вт, срок службы в пределах 100 часов). Схема конструкции аргонового лазера с возбуждением от постоянного тока показан на рисунке 8.

Рисунок 20 - Схема конструкции аргонового лазера

1 - выходные окна лазера; 2 - катод; 3 - канал водяного охлаждения; 4 - газоразрядная трубка (капилляр); 5 - магниты; 6 - анод; 7 - обводная газовая трубка; 8 - глухое зеркало; 9 - полупрозрачное зеркало

Газовый разряд создается в тонкой газоразрядной трубке (4), диаметром 5 мм - в капилляре, которая охлаждается жидкостью. Рабочее давление газа в пределах десятки Па. Магниты (5) создают магнитное поле для «отжимания» разряда от стенок газоразрядной трубки, что не позволяет разряду касаться ее стенок. Эта мера позволяет повышать выходную мощность лазерного излучения за счёт снижения скорости релаксации возбужденных ионов, происходящую в результате соударения со стенками трубки.

Обводной канал (7) предназначен для выравнивания давления по длине газоразрядной трубки (4) и обеспечения свободной циркуляции газа. При отсутствии такого канала газ скапливается в анодной части трубки после включения дугового разряда, что может привести к его гашению. Механизм сказанного следующий. Под действием электрического поля, приложенного между катодом (2) и анодом (6) , электроны устремляются к аноду 6, повышая давление газа у анода. Это требует выравнивания давления газа в газоразрядной трубке для обеспечения нормального течения процесса, что осуществляется посредством обводной трубки (7).

Для ионизации нейтральных атомов аргона требуется через газ пропускать ток плотностью до нескольких тысяч ампер на квадратный сантиметр. Поэтому нужно эффективное охлаждение газоразрядной трубки.

Основные области применения аргоновых лазеров: фотохимия, термообработка, медицина. Аргоновый лазер, благодаря своей высокой избирательности по отношению автогенным хромофорам, применяется в офтальмологии и дерматологии.

5. Серийно выпускаемая лазерная аппаратура

Терапевты используют гелий-неоновые лазеры небольшой мощности, излучающие в видимой области электромагнитного спектра (λ=0,63 мкм). Одной из физиотерапевтических установок является лазерная установкаУФЛ-1 , предназначенная для лечения острых и хронических заболеваний челюстно-лицевой области; может использоваться для лечения длительно не заживающих язв и ран, а также в травматологии, гинекологии, хирургии (послеоперационный период). Используется биологическая активность красного луча гелий-неонового лазера (мощность излучения
20 мВт, интенсивность излучения на поверхности объекта 50-150 мВт/см2).

Есть сведения о том, что указанными лазерами лечат заболевания вен (трофические язвы). Курс лечения состоит из 20-25 десятиминутных сеансов облучения трофической язвы маломощным гелий-неоновым лазером и заканчивается, как правило, полным ее заживлением. Подобный эффект наблюдается и при лечении лазером не заживающих травматических и послеожоговых ран. Отдаленные последствия лазерной терапии при трофических язвах и долго не заживающих ранах проверялись на большом количестве излеченных больных в сроки от двух до семи лет. В течение этих сроков у 97% бывших больных язвы и раны больше не открывались и только у 3% наблюдались рецидивы заболевания.

Светоукалыванием лечат различные заболевания нервной и сосудистой системы, снимают боли при радикулите, регулируют кровяное давление и т.п. Лазер осваивает все новые и новые медицинские профессии. Лазер лечит мозг. Этому способствует активность видимого спектра излучения низкоинтенсивных гелий-неоновых лазеров. Лазерный луч, как оказалось, способен обезболивать, успокаивать и расслаблять мышцы, ускорять регенерацию тканей. Множество лекарств, обладающих аналогичными свойствами, назначают обычно больным, перенесшим черепно-мозговую травму, которая дает чрезвычайно запутанную симптоматику. Луч лазера сочетает в себе действие всех необходимых препаратов. В этом убедились специалисты из ЦНИИ рефлексотерапии Минздрава СССР и НИИ нейрохирургии им. К Н. Бурденко АМН СССР .

Исследования возможностей лечения лазерным лучом доброкачественных и злокачественных опухолей ведутся «Московским НИ онкологическим институтом им. П.А. Герцена», Ленинградским институтом онкологии им. Н.Н. Петрова и другими онкологическими центрами.

При этом используются лазеры разных типов: С02 лазер в непрерывном режиме излучения (λ = 10,6 мкм, мощность 100 Вт), гелий-неоновый лазер с непрерывном режимом излучения (λ = 0,63 мкм, мощность 30 мВт), гелий-кадмиевый лазер работающий в режиме непрерывного излучения (λ = 0,44 мкм, мощность 40 мВт), импульсный лазер на азоте (λ = 0,34 мкм, мощность импульса 1,5 кВт, средняя мощность излучения 10 мВт).

Разработаны и применяются три метода воздействия лазерного излучения на опухоли (доброкачественные и злокачественные):

а) Лазерное облучение- облучение опухоли расфокусированным лазерным лучом, приводящее к гибели раковых клеток, к потере способности размножаться.

б) Лазерокоагуляция - разрушение опухоли умеренно сфокусированным лучом.

в) Лазерная хирургия - иссечение опухоли вместе с прилегающими тканями сфокусированным лазерным лучом. Разработаны лазерные установки:

«Яхрома» - мощность до 2,5 Вт на выходе световода при длине волны 6З0 нм, время экспозиции от 50 до 750 сек; импульсный с частотой повторения 104 имп./сек.; на 2-х лазерах - импульсный лазер на красителях и лазер на парах меди «ЛГИ-202» . «Спектромед» - мощность 4 Вт при непрерывном режиме генерации, длина волны 620-690 нм, время экспозиции от 1 до 9999 сек при помощи устройства «Экспо» ; на двух лазерах - непрерывный лазер на красителях «Аметист» и аргоновый лазер «Инверсия» для фотодинамической терапии злокачественных опухолей (современный метод выборочного воздействия на раковые клетки организма).

Метод основан на различии в поглощении излучения лазера клетками, отличающимися по своим параметрам. Врач вспрыскивает фотосенсибилизирующие (приобретение организмом специфической повышенной чувствительности к чужеродным веществам) лекарство в область скопления патологических клеток. Лазерное излучение, попадающее на ткани организма, селективно поглощается раковыми клетками, содержащими лекарство, разрушая их, что позволяет проводить уничтожение раковых клеток без нанесения вреда окружающей ткани.

Аппарат лазерный АТКУС-10 (ЗАО «Полупроводниковые приборы»), изображенный на рисунке 9, позволяет производить воздействие на новообразования лазерным излучением с двумя различными длинами волн 661 и 810 нм. Аппарат предназначен для использования в медицинских учреждениях широкого профиля, а также для решения различных научно-технических задач в качестве источника мощного лазерного излучения. При использовании аппарата отсутствуют выраженные деструктивные поражения кожи и мягких тканей. Удаление опухолей хирургическим лазером уменьшает число рецидивов и осложнений, сокращает сроки заживления ран, позволяет обеспечить одноэтапность процедуры и дает хороший косметический эффект.

Рисунок 20 - Лазерный аппарат АТКУС-10

В качестве излучателя используются полупроводниковые лазерные диоды. Используется транспортное оптическое волокно диаметром 600 мкм.

ООО НПФ «Техкон» разработал аппарат лазерной терапии «Альфа 1М» (рисунок 10). Как сообщается на сайте производителя, установка эффективна при лечении артрозов, нейродермитов, экземы, стоматитов, трофических язв, послеоперационных ран и пр. Сочетание двух излучателей - непрерывного и импульсного - дает большие возможности для лечебных и исследовательских работ. Встроенный фотометр позволяет устанавливать и контролировать мощность облучения. Дискретная установка времени и плавная установка частоты импульсов облучения удобны для эксплуатации аппарата. Простота управления позволяет использование аппарата средним медицинским персоналом.

Рисунок 20 - Лазерный терапевтический аппарат «Альфа 1М»

Технические характеристики аппарата приведены в таблице 1.

Таблица 7 - Технические характеристики лазерного терапевтического аппарата «Альфа 1М»

В начале 70-х годов академиком М.М. Красновым и его коллегами из 2-го Московского медицинского института были предприняты усилия для излечения глаукомы (возникает из-за нарушений оттока внутриглазной жидкости и, как следствие, повышения внутриглазного давления) при помощи лазера. Лечение глаукомы проводилось соответствующими лазерными установками, созданными совместно с физиками.

Лазерная офтальмологическая установка «Ятаган» не имеет зарубежных аналогов. Предназначена для проведения хирургических операций переднего отдела глаза. Позволяет лечить глаукому и катаракту, не нарушая целостности наружных оболочек глаза. В установке используется импульсный лазер на рубине. Энергия излучения, содержащаяся в серии из нескольких световых импульсов, составляет от 0,1 до 0,2 Дж. Длительность отдельного импульса от 5 до 70 нс., интервал между импульсами от 15до 20 мкс. Диаметр лазерного пятна от 0,3 до 0,5 мм. Лазерная установка «Ятаган 4» с длительностью импульса 10-7 с., с длиной волны излучения 1,08 мкм и диаметром пятна 50 мкм. При таком облучении глаза решающее значение приобретает не тепловое, а фотохимическое и даже механическое действие лазерного луча (возникновение ударной волны). Сущность метода заключается в том, что лазерный «выстрел» определенной мощности направляется в угол передней камеры глаза и образует микроскопический «канал» для оттока жидкости и тем самым восстанавливает дренажные свойства радужной оболочки, создав нормальный отток внутриглазной жидкости. При этом луч лазера свободно проходит сквозь прозрачную роговицу и «взрывается» на поверхности радужной оболочки. При этом происходит не прожигание, которое приводит к воспалительным процессам радужной оболочки и быстрой ликвидации протоки, а пробивание отверстия. Процедура занимает примерно от 10 до 15 минут. Обычно пробивают 15-20 отверстий (протоков) для оттока внутриглазной жидкости.

На базе Ленинградской клиники глазных болезней Военно-медицинской академии группа специалистов во главе с доктором медицинских наук профессором В. В.Волковым использовала свою методику лечения дистрофических заболеваний сетчатки и роговицы с помощью маломощного лазера ЛГ-75 , работающего в непрерывном режиме. При этом лечении на сетчатку глаза действует излучение малой мощности, равной 25 мВт. Причем излучение рассеянное. Длительность одного сеанса облучения не превышает 10 мин. За 10-15 сеансов с интервалами между ними от одного до пяти дней врачи успешно излечивают кератит воспаление роговицы и другие болезни воспалительного характера. Режимы лечения получены опытным путем.

В 1983 г. американский офтальмолог С. Трокел высказал идею о возможности применения ультрафиолетового эксимерного лазера для коррекции близорукости. В нашей стране исследования в этом направлении проводились в Московском НИИ «Микрохирургия глаза» под руководством профессора С.Н. Федорова и А. Семенова.

Для проведения подобных операций совместными усилиями МНТК «Микрохирургия глаза» и институтом общей физики под руководством академика А. М. Прохорова создана лазерная установка «Профиль 500» с уникальной оптической системой, не имеющих аналогов в мире. При воздействии на роговицу полностью исключается возможность ожога, поскольку нагрев ткани не превышает 4-8єС. Продолжительность операции 20-70 секунд в зависимости от степени близорукости. С 1993 г. «Профиль 500» успешно используется в Японии, в Токио и Осаке, в Иркутском межрегиональном лазерном центре.

Гелий-неоновый лазерный офтальмологический аппарат МАКДЭЛ-08 (ЗАО «МАКДЭЛ-Технологии»), изображенный на рисунке 11 имеет цифровую систему управления, измеритель мощности, световолоконный подвод излучения, комплекты оптических и магнитных насадок. Лазерный аппарат работает от сети переменного тока частотой 50 Гц с номинальным напряжением 220 В±10%. Позволяет устанавливать время сеанса (лазерного излучения) в пределах от 1 до 9999 секунд погрешностью не более 10%. Имеет цифровое табло, позволяющий производить начальную установку времени и контроль времени до окончания процедуры. В случае необходимости сеанс может быть прерван досрочно. Аппарат обеспечивает частоту модуляцию лазерного излучения от 1 до 5 Гц с шагом 1 Гц, кроме того, имеется режим непрерывного излучения, при установке частоты 0 Гц.

Рисунок 20 - Лазерный офтальмологический аппарат МАКДЭЛ-08

Инфракрасный лазерный аппарат МАКДЭЛ-09 предназначен для коррекции аккомодационно-рефракционных нарушений зрения. Лечение заключается в выполнении 10-12 процедур по 3-5 минут. Результаты терапии сохраняются на протяжении 4-6 месяцев. При снижении показателей аккомодации необходимо проводить повторный курс. Процесс улучшения объективных показателей зрения растягивается на 30-40 дней после проведения процедур. Средние величины положительной части относительной аккомодации устойчиво увеличиваются на 2,6 дптр. и достигают уровня нормальных показателей. Максимальное увеличение резерва 4,0 дптр., минимальное 1,0 дптр. Реоциклографические исследования показывают устойчивое увеличение объема циркулирующей крови в сосудах цилиарного тела. Аппарат позволяет устанавливать время сеанса лазерного излучения в пределах от 1 до 9 минут. Цифровое табло на блоке управления позволяет производить начальную установку времени, а также контролировать время до окончания сеанса. В случае необходимости сеанс может быть прерван досрочно. По окончании сеанса лечения аппарат подает звуковой предупредительный сигнал. Система регулирования межцентрового расстояния позволяет устанавливать расстояния между центрами каналов от 56 до 68 мм. Установка требуемого межцентрового расстояния может производиться с помощью линейки на исполнительном блоке, или по изображению реперных светодиодов.

Аргоновый лазер модели ARGUS фирмы Aesculap Meditek (Германия) для офтальмологии, применяемый для фотокоагуляции сетчатки глаза. Только в Германии используются более 500 аргоновых лазеров, причем все они работают безопасно и надежно. ARGUS имеет удобное управление, совместим с общепринятыми моделями щелевых ламп фирм Zeiss и Haag-Streit. ARGUS оптимально подготовлен для работы вместе с Nd:YAG-лазером на одном рабочем месте.

Хотя ARGUS спроектирован как единый блок, штатив с инструментом и лазерный блок могут быть размещены друг возле друга или же в разных местах и помещениях, благодаря соединительному кабелю длиной до 10 метров. Регулируемый по высоте штатив инструмента предоставляет максимальную свободу для пациента и врача. Даже если пациент сидит в инвалидном кресле, лечить его не представляет никакой трудности.

С целью защиты глаз в ARGUS интегрирован управляемый малошумный фильтр для врача. Фильтр вводится в лазерный пучок при нажатии ножного выключателя, т.е. лишь непосредственно перед запуском лазерной вспышки. Фотоэлементы и микропроцессоры контролируют его корректное положение. Оптимальное освещение зоны коагуляции обеспечивается специальным устройством ведения лазерного луча. Пневматический микроманипулятор позволяет производить точное позиционирование луча одной рукой.

Технические характеристики аппарата:

Тип лазера аргоново-ионный лазер непрерывного действия для офтальмологической ВеО-керамической трубки

Мощность на роговице:

на роговице: 50 мВт - 3000 мВт для всех линий, 50 мВт - 1500 мВт для 514 нм

при блоке питания с ограниченным потреблением тока:

на роговице: 50 мВт - 2500 мВт для всех линий, 50 мВт - 1000 мВт для 514 нм

Пилотный луч аргоновый для всех линий или 514 нм, максимально 1мВт

Длительность импульса 0,02 - 2,0 сек, регулируемая в 25 ступенях или плавно

Последовательность импульсов 0,1 - 2,5 сек., с промежутками, регулируемыми в 24 ступенях

Запуск импульса ножным выключателем; в режиме последовательности импульсов нужная серия вспышек включается нажатием ножного выключателя;

функция прерывается при отпускании педали

Подвод луча световодом, волокно диам. 50 мкм, длиной 4,5 м, на обоих концах с разъемом SMA

Дистанционное управление для выбора предлагаются:

дистанционное управление 1: настройка вручную маховичком;

дистанционное управление 2: настройка контактными площадками пленочной клавиатуры.

Общие признаки: электролюминесцентный дисплей, индикация мощности в цифровом и аналоговом виде, цифровое показание всех остальных параметров настройки, показание рабочего состояния (напр. рекомендации по сервису) явным текстом

Управление микропроцессорное, контроль над мощностью, защитным фильтром для врача и затворами в 10-миллисекундном режиме

Охлаждение

воздухом: интегрированные вентиляторы пониженного уровня шума

водой: расход от 1 до 4 л/мин, при давлении от 2 до 4 бар и температуре не выше 24 єС

Сетевое питание для выбора предлагаюрся три различных блока:

перем. ток, однофазн с нулевым проводом 230 В, 32 А, 50/60 Гц

перем. ток, однофазн. с органичением максимально потребляемого тока на 25 А

трехфазный ток, три фазы и нулевой провод, 400 В, 16 А, 50/60 Гц

Протоколирование результатов: печать параметров лечения с помощью опционального принтера

Габариты

прибор: 95см х 37см х 62см (Ш х Г х В)

столик: 93см х 40см (Ш х Г)

высота столика: 70 - 90 см

«Лазерный скальпель» нашел применение при заболеваниях органов пищеварения (O.K. Скобелкин), кожно-пластическои хирургии и при заболеваниях желчных путей (А.А. Вишневский), в кардиохирургии (А. Д. Арапов) и многих других областях хирургии.

В хирургии применяется СО2 лазеры, излучающие в невидимой инфракрасной области электромагнитного спектра, что накладывает определенные условия при хирургическом вмешательстве, особенно во внутренние органы человека. Из-за невидимости лазерного луча и сложности манипулирования им (рука хирурга не имеет обратной связи не чувствует момент и глубину рассечения) используются зажимы и указки, обеспечивающие точность разреза.

Первые попытки применения лазера в хирургии удачными были не всегда, травмировались близлежащие органы, луч прожигал ткани. Кроме того, при неосторожном обращении лазерный луч мог оказаться опасным и для врача. Но несмотря на перечисленные трудности лазерная хирургия прогрессировала. Так, в начале 70-х годов под руководством академика Б. Петровского, профессор Скобелкин, доктор Брехов и инженер А. Иванов приступили к созданию лазерного скальпеля «Скальпель 1» (рисунок 12).

Рисунок 20 - Лазерная хирургическая установка «Скальпель-1»

Лазерная хирургическая установка «Скальпель 1» применяется при операциях на органах желудочно-кишечного тракта, при остановке кровотечений из острых язв желудочно-кишечного тракта, при кожно-пластических операциях, при лечении гнойных ран, при гинекологических операциях. Использован СО2 лазер непрерывного излучения с мощностью на выходе из световода 20 Вт. Диаметр лазерного пятна от 1 до 20 мкм.

Схема механизма действия света СО2 лазера на ткани представлена на рисунке 13.

Рисунок 20 - Схема механизма действия света CO2 лазера на ткани

С помощью лазерного скальпеля операции проводят бесконтактно, свет CO2-лазера обладает антисептическим и антибластическим действиями, при этом образуется плотная коагуляционная плёнка, которая обусловливает эффективный гемостаз (просветы артериальных сосудов до 0,5 мм и венозных до 1 мм в диаметре завариваются и не требуют перевязки лигатурами), создаёт барьер против инфекционных (включая вирусы) и токсических агентов, обеспечивая при этом высокоэффективную абластику, стимулирует посттравматическую регенерацию тканей и предотвращает их рубцовые изменения (см. схему).

«Лазермед» (Конструкторское бюро приборостроения) построен на основе полупроводниковых лазеров, излучающих на длине волны 1,06 мкм. Аппарат отличается высокой надежностью, малыми габаритными размерами и весом. Доставка излучения к биоткани производится через лазерный блок либо при помощи световода. Наведение основного излучения производится пилотной подсветкой полупроводникового лазера. Лазер 4 класса опасности по ГОСТ Р 50723-94, I класса электробезопасности с типом защиты B по ГОСТ Р 50267.0-92.

Лазерный хирургический аппарат «Ланцет-1» (рисунок 14) - модель СО2-лазера, предназначенная для проведения хирургических операций в различных областях медицинской практики.

Рисунок 20 - Лазерный хирургический аппарат «Ланцет-1»

Аппарат горизонтальной компоновки, портативный, имеет оригинальную упаковку в виде кейса, отвечает самым современным требованиям, предъявляемым к хирургическим лазерным установкам как по своим техническим возможностям, так и по обеспечению оптимальных условий труда хирурга, простоте управления и дизайну.

Технические характеристики аппарата приведены в таблице 2.

Таблица 7 - Технические характеристики лазерного хирургического аппарата «Ланцет-1»

Длина волны излучения, мкм
Выходная мощность излучения (регулируемая), Вт
Мощность в режиме Медипульс, Вт
Диаметр лазерного луча на ткани (переключаемый), мкм
Наведение основного излучения лучом диодного лазера	2 мВт, 635 нм
Режимы излучения (переключаемые)	непрерывный, импульсно-периодический, Медипульс
Время экспозиции излучения (регулируемое), мин
Длительность импульса излучения в импульсно-периодическом режиме (регулируемая), с
Длительность паузы между импульсами, с
Пульт управления	выносной
Включение излучения	ножная педаль
Удаление продуктов сгорания	система эвакуации дыма
Радиус операционного пространства, мм
Система охлаждения	автономная, воздушно-жидкостного типа
Размещение в операционной	настольное
Электропитание (переменный ток)	220 В, 50 Гц, 600 Вт
Габаритные размеры, мм
Масса, кг

6. Медицинская лазерная аппаратура, разработанная КБАС

Насадка оптическая универсальная (НОУ ) к лазерам типа ЛГН-111 , ЛГ-75-1 (рисунок 15) предназначена для фокусировки лазерного излучения в световод и измененения диаметра пятна при внешнем облучении.

Рисунок 20 - Насадка оптическая универсальная (НОУ)

Насадка применяется при лечении ряда заболеваний, связанных с нарушением кровообращения, путем ввода световода в вену и облучения крови, а также при лечении дерматологических и ревматических заболеваний. Насадка проста в обращении, легко монтируется на корпусе лазера, быстро настраивается на рабочий режим. При внешнем облучении изменение диаметра пятна производится перемещением линзы конденсора.

Технические характеристики НОУ приведены в таблице 3.

Таблица 7 - Технические характеристики НОУ

Установка физиотерапевтическая «Спрут-1» (рисунок 16) предназначена для лечения ряда заболеваний в различных областях медицины: травматология, дерматология, стоматология, ортопедия, рефлексотерапия, невралгия.

Рисунок 20 - Лазерная физиотерапевтическая установка «Спрут-1»

Лечение установкой «Спрут-1» обеспечивает отсутствие аллергических реакций, безболезненность и асептичность, а так же ведет к существенному сокращению сроков лечения, экономии лекарственных средств.

Принцип работы основан на использовании стимулирующего воздействия энергии лазерного излучения с длиной волны 0,63 мкм.

Установка состоит из излучателя, положение которого плавно регулируется относительно горизонтальной плоскости, блока питания с конструктивно включенными в него счетчиком количества включений и счетчиком суммарной наработки установки.

Излучатель и блок питания крепятся на легкую мобильную подставку.

Технические характеристики установки «Спрут-1» приведены в таблице 4.

Таблица 7 - Технические характеристики установки физиотерапевтической «Спрут-1»

Лазерная офтальмологическая терапевтическая установка «Лота» (рисунок 17) применяется при лечении эрозий и язв трофического характера, после травм, ожогов, кератитов и кератоконъюктивитов, послеоперационных кератопатий, а так же для ускорения процесса приживления трансплантанта при пересадке роговицы.

Рисунок 20 - Лазерная офтальмологическая терапевтическая установка «Лота»

Технические характеристики установки приведены в таблице 5.

Таблица 7 - Технические характеристики лазерной установки «Лота»

Длина волны излучения, мкм
Плотность мощности излучения в плоскости облучения, Вт/см2	не более 5х105
Мощность излучения на выходе установки, мВт
Характер регулировки мощности в указанном диапазоне
Потребляемая мощность, ВА	не более 15

Средняя наработка на отказ, час	не менее 5000
Средний ресурс	не менее 20000
Масса, кг

Медицинская лазерная установка «Альмицин» (рисунок 18) применяется в терапии, стоматологии, фтизиатрии, пульмонологии, дерматологии, хирургии, гинекологии, проктологии и урологии. Методы обработки: бактерицидный эффект, стимуляция микроциркуляции источника повреждения, нормализация иммунных и биохимических процессов, улучшение регенерации, увеличение эффективности медикаментозной терапии.

Рисунок 20 - Медицинская лазерная установка «Альмицин»

Технические характеристики установки приведены в таблице 6.

Таблица 7 - Технические характеристики медицинской лазерной установки «Альмицин»

Спектральный диапазон	близкий к УФ
Конструкция
Вывод пучка	световод
Диаметр световода, мкм
Длина световода, м
Напряжение питающей сети при частоте 50 Гц, В
Потребление энергии, Вт	не более 200
Управление	автоматическое
Время облучения, мин	не более 3
Размеры каждого из блоков, мм
	не более 40 кг

Световолоконная приставка «Ариадна-10» (рисунок 19) предлагается взамен имеющего малую степень подвижности и инерционного зеркально-шарнирного механизма передачи излучения для хирургических установок (типа «Скальпель-1») на CO2-лазерах.

Основными элементами приставки являются: устройство ввода излучения и световод общей хирургии.

Рисунок 20 - Световолоконная приставка «Ариадна-10»

Световод приставки работает совместно с дымоотсосным устройством, что позволяет одновременно с проведением хирургических операций удалять продукты взаимодействия излучения с биотканями из операционного пространства.

Благодаря гибкости световода существенно расширяются возможности использования лазерных хирургических установок на CO2-лазерах.

Технические характеристики установки приведены в таблице 7.

Таблица 7 - Технические характеристики световолоконной приставки «Ариадна-10»

Схема приставки представлена на рисунке 20.

Рисунок 20 - Схема световолоконной приставки «Ариадна-10»

Список использованных источников

1. Захаров В.П., Шахматов Е.В. Лазерная техника: учеб. пособие. - Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2006. - 278 с.

2. Справочник по лазерной технике. Пер. с немецкого. М., Энергоатомиздат, 1991. - 544 с.

3. Жуков Б.Н., Лысов Н.А., Бакуцкий В.Н., Анисимов В.И. Лекции по лазерной медицине: Учебное пособие. - Самара: СМИ, 1993. - 52 с.

4. Применение лазерной хирургической установки «Скальпель-1» для лечения стоматологических заболеваний. - М.: Министерство здравоохранения СССР, 1986. - 4 с.

5. Канюков В.Н., Терегулов Н.Г., Винярский В.Ф., Осипов В.В. Развитие научно-технических решений в медицине: Учебное пособие. - Оренбург: ОГУ, 2000. - 255 с.

За последние полвека лазеры нашли применение в офтальмологии, онкологии, пластической хирургии и многих других областях медицины и медико-биологических исследованиях.

О возможности использования света для лечения болезней было известно тысячи лет назад. Древние греки и египтяне применяли солнечное излучение в терапии, и эти две идеи даже были связаны друг с другом в мифологии - греческий бог Аполлон был богом солнца и исцеления.

И только после изобретения источника когерентного излучения более 50 лет назад действительно был выявлен потенциал использования света в медицине.

Благодаря особым свойствам, лазеры гораздо эффективнее, чем радиация солнца или других источников. Каждый квантовый генератор работает в очень узком диапазоне длин волн и излучает когерентный свет. Также лазеры в медицине позволяют создавать большие мощности. Пучок энергии может быть сосредоточен в очень маленькой точке, благодаря чему достигается ее высокая плотность. Эти свойства привели к тому, что сегодня лазеры используются во многих областях медицинской диагностики, терапии и хирургии.

Лечение кожи и глаз

Применение лазеров в медицине началось с офтальмологии и дерматологии. Квантовый генератор был открыт в 1960 году. И уже через год после этого Леон Голдман продемонстрировал, как рубиновый красный лазер в медицине может быть использован для удаления капиллярной дисплазии, разновидности родимых пятен, и меланомы.

Такое применение основано на способности источников когерентного излучения работать на определенной длине волны. Источники когерентного излучения в настоящее время широко используются для удаления опухолей, татуировок, волос и родинок.

В дерматологии применяются лазеры различных типов и длин волн, что обусловлено разными видами излечиваемых поражений и основного поглощающего вещества внутри них. также зависит от типа кожи пациента.

Сегодня нельзя практиковать дерматологию или офтальмологию, не имея лазеров, так как они стали основными инструментами лечения пациентов. Применение квантовых генераторов для коррекции зрения и широкого спектра офтальмологических приложений выросло после того, как Чарльз Кэмпбелл в 1961 году стал первым врачом, использовавшим красный лазер в медицине для исцеления пациента с отслоением сетчатки.

Позже для этой цели офтальмологи стали применять аргоновые источники когерентного излучения в зеленой части спектра. Здесь были задействованы свойства самого глаза, особенно его линзы, фокусировать луч в области отслоения сетчатки. Высококонцентрированная мощность аппарата ее буквально приваривает.

Больным с некоторыми формами макулодистрофии может помочь лазерная хирургия - лазерная коагуляция и фотодинамическая терапия. В первой процедуре луч когерентного излучения используется для герметизации кровеносных сосудов и замедления их патологического роста под макулой.

Подобные исследования были проведены в 1940 годах с солнечным светом, но для их успешного завершения врачам были необходимы уникальные свойства квантовых генераторов. Следующим применением аргонового лазера стала остановка внутренних кровотечений. Селективное поглощение зеленого света гемоглобином - пигментом красных кровяных клеток - использовалось для блокирования кровоточащих кровеносных сосудов. Для лечения рака разрушают кровеносные сосуды, входящих в опухоль и снабжающие ее питательными веществами.

Этого невозможно добиться, используя солнечный свет. Медицина очень консервативна, как это и должно быть, но источники когерентного излучения получили признание в разных ее областях. Лазеры в медицине заменили многие традиционные инструменты.

Офтальмология и дерматология также извлекли выгоду из эксимерных источников когерентного излучения в ультрафиолетовом диапазоне. Они стали широко использоваться для изменения формы роговицы (LASIK) для коррекции зрения. Лазеры в эстетической медицине применяются для удаления пятен и морщин.

Прибыльная косметическая хирургия

Такие технологические разработки неизбежно популярны среди коммерческих инвесторов, так как обладают огромным потенциалом получения прибыли. Аналитическая компания Medtech Insight в 2011 г. оценила объем рынка лазерного косметического оборудования на сумму более 1 млрд долларов США. Действительно, несмотря на снижение общего спроса на медицинские системы во время глобального спада, косметические операции, основанные на использовании квантовых генераторов, продолжают пользоваться постоянным спросом в Соединенных Штатах - доминирующем рынке лазерных систем.

Визуализация и диагностика

Лазеры в медицине играют важную роль в раннем выявлении рака, а также многих других заболеваний. Например, в Тель-Авиве группа ученых заинтересовалась ИК-спектроскопией с использованием инфракрасных источников когерентного излучения. Причиной этого является то, что рак и здоровая ткань могут иметь различную проходимость в инфракрасном диапазоне. Одним из перспективных применений этого метода является выявление меланом. При раке кожи ранняя диагностика очень важна для выживаемости пациентов. В настоящее время обнаружение меланомы делается на глаз, поэтому остается полагаться на мастерство врача.

В Израиле раз в год каждый человек может пойти на бесплатный скрининг меланомы. Несколько лет назад в одном из крупных медицинских центров проводились исследования, в результате которых появилась возможность наглядно наблюдать разницу в ИК-диапазоне разницу между потенциальными, но неопасными признаками, и настоящей меланомой.

Кацир, организатор первой конференции SPIE по биомедицинской оптике в 1984 году, и его группа в Тель-Авиве также разработали оптические волокна, прозрачные для инфракрасных длин волн, что позволило распространить этот метод на внутреннюю диагностику. Кроме того, это может стать быстрой и безболезненной альтернативой цервикальному мазку в гинекологии.

Голубой в медицине нашел применение в флюоресцентной диагностике.

Системы на основе квантовых генераторов также начинают заменять рентген, который традиционно использовался в маммографии. Рентгеновские лучи ставят врачей перед сложной дилеммой: для достоверного обнаружения раковых образований необходима их высокая интенсивность, но рост радиации сам по себе увеличивает риск заболевания раком. В качестве альтернативы изучается возможность использования очень быстрых лазерных импульсов для снимка груди и других частей тела, например, мозга.

ОКТ для глаз и не только

Лазеры в биологии и медицине нашли применение в оптической когерентной томографии (ОКТ), что вызвало волну энтузиазма. Этот метод визуализации использует свойства квантового генератора и может дать очень четкие (порядка микрона), поперечные и трехмерные изображения биологической ткани в режиме реального времени. ОКТ уже применяется в офтальмологии, и может, например, позволить офтальмологу увидеть поперечное сечение роговицы для диагностики заболеваний сетчатки и глаукомы. Сегодня техника начинает использоваться также и в других областях медицины.

Одна из крупнейших областей, формирующихся благодаря ОКТ, занимается получением волоконно-оптических изображений артерий. может быть применена для оценки состояния склонной к разрыву нестабильной бляшки.

Микроскопия живых организмов

Лазеры в науке, технике, медицине также играют ключевую роль во многих видах микроскопии. В этой области было сделано большое число разработок, целью которых является визуализация того, что происходит внутри тела пациента без использования скальпеля.

Самым сложным в удалении рака является необходимость постоянно прибегать к услугам микроскопа, чтобы хирург мог убедиться, что все сделано правильно. Возможность делать микроскопию «вживую» и в реальном времени является значительным достижением.

Новое применение лазеров в технике и медицине - сканирование в ближней зоне оптической микроскопии, которая может производить изображения с разрешением гораздо большим, чем у стандартных микроскопов. Этот метод основан на оптических волокнах с насечками на торцах, размеры которых меньше длины волны света. Это позволило субволновую визуализацию и заложило основу для получения изображения биологических клеток. Использование данной технологии в ИК-лазерах позволит лучше понять болезнь Альцгеймера, рак и другие изменения в клетках.

ФДТ и другие методы лечения

Разработки в области оптических волокон помогают расширить возможности применения лазеров и в других сферах. Кроме того, что они позволяют проводить диагностику внутри организма, энергия когерентного излучения может быть передана туда, где в этом есть необходимость. Это может быть использовано в лечении. Волоконные лазеры становятся гораздо более продвинутыми. Они кардинально изменят медицину будущего.

Область фотомедицины, использующая светочувствительные химические вещества, которые взаимодействуют с телом особым образом, может прибегнуть к помощи квантовых генераторов как для диагностики, так и для лечения пациентов. В фотодинамической терапии (ФДТ), например, лазер и фоточувствительное лекарственное средство может восстановить зрение у больных с «влажной» формой возрастной макулярной дегенерации, основной причиной слепоты у людей в возрасте старше 50 лет.

В онкологии некоторые порфирины накапливаются в раковых клетках и флуоресцируют при освещении определенной длиной волны, указывая на место расположения опухоли. Если эти же самые соединения затем осветить другой длиной волны, они становятся токсичными и убивают поврежденные клетки.

Красный газовый гелий-неоновый лазер в медицине применяется в лечении остеопороза, псориаза, трофических язв и др., так как данная частота хорошо поглощается гемоглобином и ферментами. Излучение замедляет воспалительные процессы, предотвращает гиперемию и отеки, улучшает кровоснабжение.

Персонализированное лечение

Еще две области, в которых найдется применение для лазеров - генетика и эпигенетика.

В будущем все будет происходить на наноуровне, что позволит заниматься медициной в масштабах клетки. Лазеры, которые могут генерировать фемтосекундные импульсы и настраиваться на определенную длину волны, являются идеальными партнерами для медиков.

Это откроет дверь для персонализированного лечения, основанного на индивидуальном геноме пациента.

Леон Голдман - родоначальник лазерной медицины

Говоря об использовании квантовых генераторов в лечении людей, нельзя не упомянуть Леона Голдмана. Он известен как «отец» лазерной медицины.

Уже через год после изобретения источника когерентного излучения Голдман стал первым исследователем, применившим его для лечения заболевания кожи. Техника, которую применил ученый, проложила путь последующему развитию лазерной дерматологии.

Его исследования в середине 1960 годов привели к использованию рубинового квантового генератора в хирургии сетчатки глаза и к таким открытиям, как возможность когерентного излучения одновременно разрезать кожу и запечатывать кровеносные сосуды, ограничивая кровотечение.

Голдман, работавший на протяжении большей части своей карьеры дерматологом в университете Цинциннати, основал Американское общество лазеров в медицине и хирургии и помог заложить основы безопасности лазеров. Умер в 1997 г.

Миниатюризация

Первые 2-микронные квантовые генераторы были размером с двуспальную кровать и охлаждались жидким азотом. Сегодня появились диодные, умещающиеся в ладони, и еще более миниатюрные Такого рода изменения прокладывают путь для новых сфер применения и разработок. Медицина будущего будет располагать крошечными лазерами для хирургии головного мозга.

Благодаря технологическому прогрессу происходит постоянное снижение затрат. Подобно тому как лазеры стали привычными в бытовой технике, они начали играть ключевую роль в больничном оборудовании.

Если раньше лазеры в медицине были очень большими и сложными, то сегодняшнее их производство из оптического волокна значительно снизило стоимость, а переход на наноуровень позволит еще больше сократить затраты.

Другие применения

С помощью лазеров урологи могут лечить стриктуру уретры, доброкачественные бородавки, мочевые камни, контрактуру мочевого пузыря и увеличение простаты.

Использование лазера в медицине позволило нейрохирургам делать точные разрезы и производить эндоскопический контроль головного и спинного мозга.

Ветеринары применяют лазеры для эндоскопических процедур, коагуляции опухолей, выполнения разрезов и фотодинамической терапии.

Стоматологи используют когерентное излучение для проделывания отверстий, в хирургии десен, для проведения антибактериальных процедур, зубной десенсибилизации и рото-лицевой диагностики.

Лазерный пинцет

Биомедицинские исследователи во всем мире применяют оптические пинцеты, клеточные сортировщики, а также множество других инструментов. Лазерные пинцеты обещают лучшую и более быструю диагностику рака и использовались для захвата вирусов, бактерий, мелких металлических частиц и нитей ДНК.

В оптическом пинцете пучок когерентного излучения применяется для удержания и вращения микроскопических объектов, аналогично тому, как металлический или пластиковый пинцет способен подобрать маленькие и хрупкие предметы. Отдельными молекулами можно манипулировать, прикрепляя их к стеклышкам микронного размера или шарикам из полистирола. Когда луч попадает в шарик, он искривляется и оказывает небольшое воздействие, подталкивая шарик прямо в центр луча.

Это создает «оптическую ловушку», которая способна удерживать небольшую частицу в пучке света.

Лазер в медицине: плюсы и минусы

Энергия когерентного излучения, интенсивность которой можно модулировать, используется для рассечения, уничтожения или изменения клеточной или внеклеточной структуры биологических тканей. Кроме того, применение лазеров в медицине, кратко говоря, уменьшает риск инфицирования и стимулирует заживление. Применение квантовых генераторов в хирургии увеличивает точность рассечения, однако, они представляют опасность для беременных и есть противопоказания по употреблению фотосенсибилизирующих лекарств.

Сложная структура тканей не позволяет сделать однозначную интерпретацию результатов классических биологических анализов. Лазеры в медицине (фото) являются эффективным инструментом для уничтожения раковых клеток. Однако мощные источники когерентного излучения действуют без разбора и разрушают не только пораженные, но и окружающие ткани. Это свойство - важный инструмент метода микродиссекции, используемый для проведения молекулярного анализа в интересующем месте с возможностью выборочного разрушения лишних клеток. Цель данной технологии заключается в преодолении гетерогенности, присутствующей во всех биологических тканях, для облегчения их исследования по четко определенной популяции. В этом смысле, лазерная микродиссекция внесла значительный вклад в развитие исследований, в понимание физиологических механизмов, которые сегодня можно четко продемонстрировать на уровне популяции и даже одной клетки.

Функционал тканевой инженерии сегодня стал основным фактором в развитии биологии. Что произойдет, если разрезать актиновые волокна во время деления? Будет ли эмбрион дрозофилы стабильным, если разрушить клетку при фолдинге? Каковы параметры, участвующие в меристемной зоне растения? Все эти вопросы можно решить с помощью лазеров.

Наномедицина

В последнее время появилось множество наноструктур, обладающих свойствами, пригодными для целого ряда биологических применений. Важнейшими из них являются:

квантовые точки - крошечные светоизлучающие частицы нанометровых размеров, используемые в высокочувствительной клеточной визуализации;
магнитные наночастицы, которые нашли применение в медицинской практике;
полимерные частицы для инкапсулированных терапевтических молекул;
металлические наночастицы.

Развитие нанотехнологий и применение лазеров в медицине, кратко говоря, революционизировало способ введения лекарственных средств. Суспензии из наночастиц, содержащие лекарственные препараты, могут повысить терапевтический индекс многих соединений (увеличить растворимость и эффективность, снизить токсичность) путем селективного воздействия на пораженные ткани и клетки. Они доставляют действующее вещество, а также регулируют высвобождение активного ингредиента в ответ на внешнюю стимуляцию. Нанотераностика является дальнейшим экспериментальным подходом, обеспечивающим двойное использование наночастиц, соединения лекарственное средство, терапию и средства диагностической обработки изображений, что открывает путь к персонализированному лечению.

Применение лазеров в медицине и биологии для микродиссекции и фотоаблации позволило на разных уровнях понять физиологические механизмы развития болезни. Результаты помогут определить лучшие методы диагностики и лечения каждого пациента. Развитие нанотехнологий в тесной связи с достижениями в области визуализации также будут незаменимы. Наномедицина является перспективной новой формой лечения некоторых видов рака, инфекционных заболеваний или диагностики.

Лазерные операции в наше время вошли в хирургическую практику как современный способ оперативного лечения, способный решить многие проблемы, которые недоступны обычному скальпелю. Практическое применение лазеров в медицинских целях в нашей стране началось в средине 60-х годов прошлого столетия, и за прошедший период они все шире внедряются в различные области хирургии. Точность фокусировки, безопасность, безболезненность и другие особенности этого излучения позволяют осуществлять уникальные операции, используя луч, как лазерный скальпель.

Сущность технологии

По своей сути, хирургический лазер – это оптический квантовый генератор, формирующий узконаправленный, монохроматический, когерентный поток излучения. Принцип действия лазера основывается на генерировании светового потока, составленного из фотонов, которые образуются при возбуждении атомов системы накачки активной среды. Важным свойством излучения становится возможность создания непрерывного светового луча с высокой энергией и одной длины волны. Излучаемые фотоны имеют очень маленький угол рассеивания, что дает возможность тонкого фокусирования луча. Все эти особенности обеспечивают эффективное применение лазеров в медицине.

В хирургии находят применение достаточно мощные лазерные установки. Их использование позволяет обеспечивать удаление и разрушение пораженных тканей (в частности, выпаривание), а также термический клеточный некроз. Наиболее известные методы воздействия лазерного луча: абляция или непосредственное удаление тканей; прижигание, коагуляция; соединение, сварка; дробление при формировании волны ударного (импульсного) типа.

При хирургических операциях, как правило, используется способность концентрации значительной энергии в тонком луче, что обеспечивает сильный разогрев биологической ткани. На этом принципе основан так называемый лазерный скальпель. Так, при мощности излучателя порядка 20 Вт и фокусировки луча диаметром 1 мм развивается объемная плотность мощности излучения порядка 500 кВт/кв.см. При такой мощности ткань разогревается до нескольких сотен градусов практически мгновенно, что обеспечивает ее резку путем испарения. При этом глубина резания будет зависеть от продолжительности воздействия потока.

В чем преимущество технологии

Применение лазерной технологии в хирургической практики имеет ряд несомненных преимуществ по сравнению с классическим хирургическим вмешательством:

Уникальность лазерного излучения заключается в многогранности решаемых задач: эффективная вапоризация и деструкция пораженных тканей; сухая операционная зона; минимизация повреждения соседних органов; обеспечение гемостаза и аэростаза; купирование лимфатических потоков; возможность совмещения с эндоскопией и лапароскопией.

Использование лазерных установок позволяет проводить такие виды оперативного лечения: микрохирургия (наиболее популярны подобные операции в офтальмологии); устранение опухолевых образований небольшого размера; операции избирательного характера (устранение пигментных пятен, различных подкожных образований и дефектов, в частности татуировок); восстановление сосудистой проходимости; остановка кровотечений и операции на органах, в которые произошло кровоизлияние; соединение и сварка разрушенных тканей.

Возможности лазерной хирургии

Операции с использованием лазера проводятся во многих областях хирургии. Можно выделить следующие распространенные области применения:

Тонкости лазерных операций

При проведении рассматриваемых операций применяется специальный медицинский лазер с различной рабочей средой. Различаться может и способ доступа к очагу патологии. При проведении хирургического вмешательства с открытым доступом рассечение мягких тканей лазерным лучом не рекомендуется, так как оплавленные края тканей дольше срастаются и могут оставить значительный рубец. Лазером иссекается уже непосредственно оперируемый орган после обеспечения доступа другими методами.

Лазерная операция может осуществляться по эндоскопической технологии. В этом случае доступ к очагу обеспечивается, как правило, через физиологические проходы (пищевод, трахея, носовая или ротовая полость, мочеиспускательный канал, влагалище и т. д.), а также через маленькие прорезаемые искусственно отверстия.

В такие проходы с помощью эндоскопа вводятся зонды для внедрения специального миниатюрного инструмента, обеспечивающего лазерное излучение. При этом фотонный поток с заданными параметрами подводится по катетеру с гибким световодом.

Лазерные установки

При планировании операции особое внимание уделяется выбору типа медицинского лазера. В различных областях хирургии используется такие разновидности установок: СО2-лазер; неодимовый, гольмиевый, эрбиевый и диодный лазер. Установки различаются по рабочей среде накачки, что обеспечивает разные свойства лазерному излучению.

Достаточно распространено применение СО2-лазера, работающего на углекислом газе. Этот тип излучателя дает поток, имеющий высокое поглощение в воде и органических соединениях при обычной глубине проникновения порядка 0,1 мм. Такие свойства дают возможность осуществления операций в гинекологии, оториноларингологии, общей хирургии, дерматологии, кожной пластике и косметологии. Неглубокое проникновение луча позволяет разрезать биологическую ткань без значительного ожога, что особенно важно в офтальмологии.

Неодимовый лазер относится к твердотельному типу и работает с использованием кристаллов алюмоиттриевого граната, активированных ионами неодима. Глубина проникновения излучения достигает 7-9 мм. Основное применение в хирургии: объемная и глубинная коагуляция при урологических, гинекологических и онкологических операциях; ликвидация внутренних кровотечений.

В гольмиевом лазере устанавливаются кристаллы алюмоиттриевого граната, активированные ионами гольмия. Данный луч рассекает биологическую ткань на глубину 0,4-0,6 мм, что близко к характеристикам СО-лазера. Излучение гольмиевого источника легко передается по кварцевому оптическому волокну, что удобно при использовании малоинвазивной эндоскопической технологии. Этот лазер хорошо себя зарекомендовал при коагуляции сосудов размером до 0,6 мм, что вполне достаточно для эффективного оперативного лечения, а при оперировании глаз обеспечивает нужную безопасность.

Эрбиевый лазер обеспечивает проникновение с глубиной 0,05 мм, что обеспечивает очень эффективное поверхностное воздействие. Главные сферы его хирургического использования: микрошлифовка кожного покрова, перфорация кожи, испарение твердых зубных тканей, испарение поверхности глазной роговицы при лечении дальнозоркости. Следует особо выделить безопасность эрбиевого излучения при операциях на глазах.