Применение лазеров в медицине принципиально отличается от других многочисленных областей технологических применения лазеров. Лазерные медицинские технологии отличаются гуманистической направленностью. Если проблема здоровья стоит достаточно остро для самого человека или его близкого, то проблемы медицины становятся неизмеримо важнее любых других проблем.

Лазерные медицинские технологии отличаются многоплановостью, комплексностью, разнообразием. Лазерная медицина включает воздействие лазерного излучения на различные части тела: кожа, кости, мышцы, жировые ткани, сухожилия, внутренние органы, глаза, зубные ткани и т. п. При этом каждая из них в свою очередь имеет сложное строение. Так в зубе можно отдельно рассматривать эмаль, дентин, пульпу. В коже - роговой слой, эпидермис, дерму. Все эти ткани имеют свои свойства, как оптические (спектральные характеристики, коэффициент отражения, глубина проникновения излучения), так и теплофизические (теплопроводность, температуропроводность, теплоемкость), отличные от свойств других биотканей. Поэтому различается и характер воздействия на них лазерного излучения. Соответственно, в каждом случае необходимо выбирать индивидуальные параметры режима облучения: длину волны, длительность воздействия, мощность, частоту следования импульсов и т.п. Сильное различие свойств биотканей делает возможным специфические воздействия, например, чрескожное воздействие на патологические ткани (облучение подкожных тканей без существенного повреждения кожи).

Каждая ткань в силу своей биологической природы неоднородна, имеет сложную микроструктуру. В состав мягких тканей входит значительное количество воды. В состав костей входят различные минералы. Следствием этого является тот факт, что воздействие излучения на ткани, в особенности разрушающее, хирургическое, для разных тканей и длин волн излучения различается не только количественно, но и качественно. Это означает, что существует несколько совершенно различных механизмов удаления биологических тканей: тепловой и низкоэнергетический коагуляционный с последующей резорбцией, взрывные механизмы, «холодная» абляция.

Интересно, что для осуществления терапевтического воздействия на определенную часть тела лазерное воздействие может быть направлено совсем на другой объект. Здесь показательным является лазерная терапия, когда облучение крови, особых точек или проекций органов на коже человека (зоны Захарьина - Геда), стопе или ладони, области позвоночника оказывает воздействие на внутренние органы, весьма удаленные от области воздействия, и на весь организм в целом.

Кроме того, поскольку организм представляет собой единое целое, результат воздействия продолжается очень долго после его окончания. После лазерной операции реакция организма продолжается в течение дней, недель и даже месяцев.

Такая сложность и комплексность лазерной медицины делает ее очень интересной для исследования и разработки новых технологий.

Почему лазерное излучение нашло такое широкое применение в медицине? Основными особенностями лазерного излучения в применении к лазерной медицине являются:

• -направленность, монохроматичность, когерентность, определяющие возможность локализации энергии,
• - широкий спектральный диапазон существующих лазеров (это особенно важно в том случае, когда поглощение носит резонансный характер),
• - возможность в широких пределах управлять длительностью воздействия (существующие лазеры обеспечивают длительность воздействия от фемтосекундного диапазона до непрерывного воздействия),
• - возможность плавного изменения в широких пределах интенсивности воздействия,
• - возможность изменения частотных характеристик воздействия,
• - широкие возможности оптического управления процессами, в том числе, возможность организации обратной связи,
• - широкий спектр механизмов воздействия: тепловой, фотохимический, сугубо биофизический, химический,
• - простота доставки излучения,
• - возможность бесконтактного воздействия, что обеспечивает стерильность,
• - возможность проведения бескровных операций, связанная с тепловым и, следовательно, коагуляционным действием излучения.

Таким образом, лазер представляется исключительно точным, универсальным и удобным в использовании инструментом и имеет большой потенциал для медицинских применений в будущем.

Принцип работы лазера

Принципиальную схему работы любого лазерного излучателя можно представить следующим образом (рис. 1).

Рис. 1.

В структуру каждого из них входит цилиндрический стержень с рабочим веществом, на торцах которого расположены зеркала, одно из которых обладает небольшой проницаемостью. В непосредственной близости от цилиндра с рабочим веществом расположена лампа-вспышка, которая может быть параллельна стержню или змеевидно окружать его. Известно, что в нагретых телах, например в лампе накаливания, происходит спонтанное излучение, при котором каждый атом вещества излучает по-своему, и, таким образом, имеются хаотически направленные друг относительно друга потоки световых волн. В лазерном излучателе используется так называемое вынужденное излучение, которое отличается от спонтанного и возникает при атаке возбужденного атома квантом света. Испускаемый при этом фотон по всем электромагнитным характеристикам абсолютно идентичен первичному, атаковавшему возбужденный атом. В результате появляются уже два фотона, обладающие одинаковой длиной волны, частотой, амплитудой, направлением распространения и поляризации. Легко представить, что в активной среде происходит процесс лавинообразного нарастания числа фотонов, по всем параметрам копирующих первичный "затравочный" фотон, и формирующих однонаправленный световой поток. В качестве такой активной среды в лазерном излучателе выступает рабочее вещество, а возбуждение его атомов (накачка лазера) происходит за счет энергии лампы-вспышки. Потоки фотонов, направление распространения которых перпендикулярно плоскости зеркал, отражаясь от их поверхности, многократно проходят сквозь рабочее вещество туда и обратно, вызывая все новые и новые цепные лавинообразные реакции. Поскольку одно из зеркал обладает частичной проницаемостью, часть образующихся фотонов выходит в форме видимого лазерного луча.

Таким образом, отличительной особенностью лазерного излучения является монохроматичность, когерентность и высокая поляризация электромагнитных волн в световом потоке. Монохроматичность характеризуется наличием в спектре источника фотонов преимущественно одной длины волны, когерентность есть синхронизация во времени и пространстве монохроматичных световых волн. Высокая поляризация - закономерное изменение направления и величины вектора излучения в плоскости, перпендикулярной световому лучу. То есть фотоны в лазерном световом потоке обладают не только постоянством длин волн, частот и амплитуды, но и одинаковым направлением распространения и поляризации. В то время как обычный свет состоит из хаотично разлетающихся разнородных частиц. Для сравнения можно сказать, что между светом, испускаемым лазером, и обычной лампой накаливания такая же разница, как между звуком камертона и шумом улицы.

Применение лазеров в стоматологии

В стоматологии лазерное излучение прочно заняло достаточно обширную нишу. На кафедре ортопедической стоматологии БГМУ проводится работа по изучению возможностей применения лазерного излучения, которая охватывает как физиотерапевтические и хирургические аспекты действия лазера на органы и ткани челюстно-лицевой области, так и вопросы технологического применения лазеров на этапах изготовления и ремонта протезов и аппаратов.

Лазерное излучение в медицине представляет собой вынужденную или стимулированную волну оптического диапазона длиной от 10 нм до 1000 мкм (1 мкм=1000 нм).

Лазерное излучение имеет :
- когерентность - согласованное протекание во времени нескольких волновых процессов одной частоты;
- монохроматичность - одна длина волны;
- поляризованность - упорядоченность ориентации вектора напряженности электромагнитного поля волны в плоскости, перпендикулярной ее распространению.

Физическое и физиологическое действие лазерного излучения

Лазерное излучение (ЛИ) обладает фотобиологической активностью. Биофизические и биохимические реакции тканей на ЛИ различны и зависят от диапазона, длины волны и энергии фотона излучения:

ИК-излучение (1000 мкм - 760 нм, энергия фотонов 1-1,5 ЭВ) проникает на глубину 40-70 мм, вызывает колебательные процессы - тепловое действие;
- видимое излучение (760-400 нм, энергия фотонов 2,0-3,1 ЭВ) проникает на глубину 0,5-25 мм, вызывает диссоциацию молекул и активацию фотохимических реакций;
- УФ-излучение (300-100 нм, энергия фотонов 3,2-12.4 ЭВ) проникает на глубину 0,1-0,2 мм, вызывает диссоциацию и ионизацию молекул -фотохимическое действие.

Физиологическое действие низкоинтенсивного лазерного излучения (НИЛИ) реализуется нервным и гуморальным путем :

Изменение в тканях биофизических и химических процессов;
- изменение обменных процессов;
- изменение метаболизма (биоактивация);
- морфологические и функциональные изменения в нервной ткани;
- стимуляция сердечно-сосудистой системы;
- стимуляция микроциркуляции;
- повышение биологической активности клеточных и тканевых элементов кожи, активизирует внутриклеточные процессы в мышцах, окислительно-восстановительные процессы, образование миофибрилл;
- повышает устойчивость организма.

Высокоинтенсивное лазерное излучение (10,6 и 9,6 мкм) вызывает :

Термический ожог ткани;
- коагуляцию биологических тканей;
- обугливание, сгорание, испарение.

Лечебное действие низкоинтенсивного лазера (НИЛИ)

Противовоспалительное, снижение отечности ткани;
- аналгезирующее;
- стимуляция репаративных процессов;
- рефлексогенное воздействие - стимуляция физиологических функций;
- генерализованное воздействие - стимуляция иммунного ответа.

Лечебное действие высокоинтенсивного лазерного излучения

Антисептическое действие, образование коагуляционной пленки, защитный барьер от токсических агентов;
- резание тканей (лазерный скальпель);
- сварка металлических протезов, ортодонтических аппаратов.

Показания НИЛИ

Острые и хронические воспалительные процессы;
- травма мягких тканей;
- ожог и отморожение;
- кожные заболевания;
- заболевания периферической нервной системы;
- заболевания опорно-двигательного аппарата;
- сердечно-сосудистые заболевания;
- заболевания органов дыхания;
- заболевания желудочно-кишечного тракта;
- заболевания мочеполовой системы;
- заболевания уха, горла, носа;
- нарушения иммунного статуса.

Показания к лазерному излучению в стоматологии

Заболевания слизистой оболочки полости рта;
- заболевания пародонта;
- некариозные поражения твердых тканей зубов и кариес;
- пульпит, периодонтит;
- воспалительный процесс и травма челюстно-лицевой области;
- заболевания ВНЧС;
- лицевые боли.

Противопоказания

Опухоли доброкачественные и злокачественные;
- беременность до 3-х месяцев;
- тиреотоксикоз, диабет 1 типа, болезни крови, недостаточность функции дыхания, почек, печени, кровообращения;
- лихорадочные состояния;
- психические заболевания;
- наличие имплантированного водителя ритма;
- судорожные состояния;
- индивидуальная непереносимость фактора.

Аппаратура

Лазеры - техническое устройство, испускающее излучение в узком оптическом диапазоне. Современные лазеры классифицируются :

По активному веществу (источник индуцированного излучения) -твердотельные, жидкостные, газовые и полупроводниковые;
- по длине волны и излучения - инфракрасные, видимые и ультрафиолетовые;
- по интенсивности излучения - низкоинтенсивные и высокоинтенсивные;
- по режиму генерации излучения - импульсный и непрерывный.

Аппараты комплектуются излучающими головками и специализированными насадками - стоматологические, зеркальные, акупунктурные, магнитные и др., обеспечивающие эффективность проводимого лечения. Сочетанное использование лазерного излучения и постоянного магнитного поля усиливает лечебный эффект. Серийно производятся в основном три вида лазерной терапевтической аппаратуры:

1) на базе гелий-неоновых лазеров, работающих в непрерывном режиме генерации излучения с длиной волны 0,63 мкм и выходной мощностью 1-200 мВт:

УЛФ-01, «Ягода»
- АФЛ-1, АФЛ-2
- ШАТЛ-1
- АЛТМ-01
- ФАЛМ-1
- «Платан-М1»
- «Атолл»
- АЛОК-1 - аппарат лазерного облучения крови

2) на базе полупроводниковых лазеров, работающих в непрерывном режиме генерации излучения с длиной волны 0,67-1,3 мкм и выходной мощностью 1-50 мВт:

АЛТП-1, АЛТП-2
- «Изель»
- «Мазик»
- «Вита»
- «Колокольчик»

3) на базе полупроводниковых лазеров, работающих в импульсном режиме генерации излучения с длиной волны 0,8-0,9 мкм, мощностью импульса 2-15 Вт:

- "Узор", "Узор-2К"
- "Лазурит-ЗМ"
- "Люзар-МП"
- "Нега"
- "Азор-2К"
- "Эффект"

Аппараты для магнитолазерной терапии:

- "Млада"
- АМЛТ-01
- "Светоч-1"
- "Лазурь"
- "Эрга"
- МИЛТА - магнито-инфракрасный

Техника и методика лазерного излучения

Воздействие ЛИ проводят на очаг поражения или органа, сегментарно-метамерной зоны (накожно), биологически активной точки. При лечении глубокого кариеса и пульпита биологическим методом облучение проводят в области дна кариозной полости и шейки зуба; периодонтита - световод вводят в корневой канал, предварительно механически и медикаментозно обработанный, и продвигают до верхушки корня зуба.

Методика проведения лазерного облучения - стабильная, стабильно-сканирующая или сканирующая, контактная или дистанционная.

Дозирование

Ответные реакции на ЛИ зависят от параметров дозирования:

Длина волны;
- методика;
- режим работы - непрерывный или импульсный;
- интенсивность, плотность мощности (ПМ): низкоинтенсивное ЛИ -мягкое (1-2 мВт) применяют для воздействия на рефлексогенные зоны; среднее (2-30 мВт) и жесткое (30-500 мВт) - на область патологического очага;
- время воздействия на одно поле - 1-5 мин, суммарное время не более 15 мин. ежедневно или через день;
- курс лечения 3-10 процедур, повторный через 1-2 месяца.

Техника безопасности

Глаза врача и пациента защищают очками СЗС-22, СЗО-33;
- нельзя смотреть на источник излучения;
- стены кабинета должны быть матовыми;
- нажимать на кнопку «пуск» после установки излучателя на патологический очаг.

Слово LASER (Light Amplifacation by the Stimulated Emission ) с английского переводится как Усиление Света путем Стимулирования Излучения . Само действие лазера было описано еще Энштейном в далеком 1917 году, но первый работающий лазер был построен лишь спустя 43 года Теодором Мейманом, который работал в компании Hugрes Aircraft. Для получения миллисекундных импульсов лазерного излучения он использовал кристалл искусственного рубина как активную среду. Длина волны того лазера была 694 нм. Через некоторое время был испробован уже лазер с длиной волны в 1060 нм, что является ближней ИК-областью спектра. В качестве активной среды в этом лазере выступали стеклянные стержни, легированные неодимом.

Но практического применения в то время лазер не имел. Ведущие специалисты-физики искали ему предназначение в различных сферах деятельности человека. Первые экспериментальные опыты с лазером в медицине были не совсем успешные. Лазерное излучение, на тех волнах довольно плохо поглощалось, точно контролировать мощность еще не было возможности. Однако в 60-х годах лазер на красном рубине хорошо себя показал в офтальмологии.

История применения лазеров в медицине

В 1964 году был разработан и опробован аргоновый ионный лазер. Это был лазер непрерывного излучения с сине-зеленой областью спектра и длиной волны в 488 нм. Это газовый лазер и контролировать мощность его было легче. Гемоглобин хорошо поглощал его излучение. Спустя короткое время стали появляться лазерные системы на основе аргонового лазера, которые помогали в лечении заболеваний сетчатки глаза.

В том же 64 году в лаборатории Bell был разработан лазер на алюмоитриевом гранате, легированным неодимом () и . СО2 — это газовый лазер, у которого излучение имеет непрерывный характер, с длиной волны 1060 нм. Вода очень хорошо поглощает его излучение. А так как мягкие ткани у человека в основном состоят из воды, то лазер СО2 стал хорошей альтернативой обычному скальпелю. При использовании этого лазера для разрезания тканей сводится к минимуму кровопотеря. В 70-х годах углекислотные лазеры нашли широкое применение в госпиталях при институтах в США. Сфера применения в то время для лазерных скальпелей: гинекология и отоларингология.

1969 год стал годом разработки первого импульсного лазера на красителях, а уже в 1975 году появился первый эксимерный лазер. Начиная с этого времени лазер стал активно использоваться и внедряться в различные сферы деятельности.

Широкое распространение лазеры в медицине начали получать в 80-х годах в больницах и клиниках США. В большинстве своем тогда использовались углекислотные и аргоновые лазеры и применялись они в хирургии и офтальмологии. В недостатки лазеров того времени можно записать то, что у них было постоянное непрерывное излучение, которое исключало возможность более точной работы, что приводило к тепловым поражениям тканей вокруг обрабатываемой зоны. Успешное применение лазерных технологий в то время требовало колоссального опыта работы.

Следующим шагом в разработке лазерных технологий для медицины стало изобретение импульсного лазера. Такой лазер позволял воздействовать исключительно на проблемную зону, без повреждения окружающих тканей. И в 80-х годах появились первые . Это стало началом применения лазеров в косметологии. Такие лазерные системы могли удалять капиллярные гемангиомы и родимые пятна. Чуть позже появились лазеры способные . Это были лазеры с модуляцией добротности (Q-switched lser).

Начало 90-х годов были разработаны и внедрены технологии сканирования. Точность лазерной обработки теперь контролировалась компьютером и появилась возможность проводить лазерную шлифовку кожи (), что значительно подняло популярность и .

Сегодня область применения лазеров в медицине очень широкая. Это хирургия, офтальмология, стоматология, нейрохирургия, косметология, урология, гинекология, кардиология и т.д. Вы можете себе представить, что когда то лазер лишь был неплохой альтернативой скальпелю, а сегодня с его помощью можно удалять раковые клетки, производить очень точные операции на различных органах, диагностировать серьезные заболевания на самых ранних стадиях, такие как рак. Сейчас лазерные технологии в медицине идут в сторону развития комбинированных методов лечения, когда на ряду с лазерной терапией применяют физиотерапию,медикаменты, УЗ. К примеру в лечении гнойных заболеваний был разработан комплекс мероприятий, который включает лазерную обработку, использование антиоксидантов и различных биологически активных материалов.

Лазерные технологии и медицина должны идти рука об руку в будущее. Даже уже сегодня новейшие разработки в лазерной медицине помогают в удалении раковых опухолей, применяются в коррекции тела в косметологии и зрения в офтальмологии. Малоинвазивная хирургия, когда с использованием лазера делаются очень сложные операции.

Дополнительная информация:

Хотя в принципе лазерные технологии сами по себе не являются столь уж новыми в медицине, однако появление устройств с новой длиной вол­ны, современных аппаратов и инструментария прин­ципиально изменило роль лазеров в хирургии и отно­шение к ним.

, незнакомый с лазерными тех­нологиями, вскоре не сможет конкурировав с теми, кто имеет определенные знания и опыт в этой области. Хирургия представляет собой идеаль­ную почву для внедрения новых технологий, кото­рые позволяют осуществлять различные процедуры и вмешательства без специальных приспособлений, с минимумом дискомфорта для пациента, а также умень­шить длительность пребывания в стационаре.

Мы, конечно же, чрезвы­чайно должны быть обязаны Бору за идею оптических резонаторов, Эйнштейну - за идею стимулирован­ного (вынужденного, индуцированного) излучения и ряду других исследователей за все концепции в физике, которые сделали возможным развитие лазеров. Термин лазер представляет собой аббревиатуру, со­ставленную из первых букв следующих слов и значений: light amplification by stimulated emission of radiation — усиление света индуцированным излучением. Концепция ин­дуцированного излучении может быть достаточно просто проиллюстрирована возможностью визуализа­ции единицы знергии (тепловой, электрической), поглощенной атомом, молекулой или ионом лазерной среды, которая может быть представ­лена жидкостью или солидным веществом в их основном состоянии. Атом, молекула или ион перехо­дят затем на более высокий энергетический уровень.

Лазерный луч обладает тремя уникальными свойст­вами: он имеет определен­ное направление с малым отклонением, когерент­ностью, что означает, что каждая волна определен ной длины распространяется в одной фазе со всеми другими волнами, и монохроматичностью. Лазер­ный луч может быть сфокусирован системой линз или, поскольку лазерный луч принадлежит к спектру коротких длин волн, то он может распространяться волоконной оптикой, достигая отдаленных объектов с минимальной потерей энергии.

Большинство медицинских лазеров на сегодняш­ний день используют электричество как основной и изначальный источник энергии. Поскольку они гене­рируют очень много тепла в процессе образования ла­зерной энергии, то при их использовании должен применяться охлаждающий механизм, с помощью воздуха или воды Таким образом, за небольшим исключением (преимущественно небольшие СО, ла­зеры) большинство лазеров в настоящее время достаточно громоздки и требуют специальных контактов и соединений с электрической и водопроводной систе­мой.

Некоторые лазеры, становясь очень популярными, используются в настоящее время в сочетании с нако­нечниками, что позволяет достичь специ­фического хирургического эффекта при контакте с тканями. По существу энергия лазера накаливает наконечник, который затем действует, благодаря ге­нерированному теплу. Многие современные лазеры, могут пе­редавать свою энергию через тонкие гибкие кварцевые волокна, эти волокна способны проходить через просветы даже самых маленьких эндоскопов делают такие лазеры идеально подходящими для применения в хирургии.

Использование лазерных технологий при хирургических вмешательствах обладает существенными преимуществами перед другими традиционными методами .

Одной из областей, где прежде всего в медицине стал применяться лазер, были различные виды сосудистых аномалий кожи и подкожных тканей, бородавки . Также лазер используется для фотоомоложения, безоперационной липосакции. Особенно часто лечат лазерными технологиями сосудистые аномалии: винные пятна, звездчатые ангиомы, телеангиэктазии, пиогенные грануломы, ангиокератомы, пятна цвета кофе с молоком, . Винные пятна различной окраски могут быть успешно излечены или по крайней мере значительно уменьшены. В большинстве таких случаев получают хороший эффект при отсутствии осложнений и неблагоприят­ных побочных реакций.

Кожные ангиомы в области лица, сочетающиеся с туберозным склерозом, также хорошо отвечают на лазеротерапию и, в противоположность большим гемангномам, требующим неоднократного при­менения лазера, при этих маленьких ангиомах обычно достаточно бывает одного сеанса.

При лечении поверхностных кожных поражений терапию начинают лазером относитель­но небольшой мощности. Пациенты испытывают минимальный дискомфорт, однако порой могут образовываться волдыри. За 3 недели в большинстве случаен результаты прояв­ляются отчетливо и становится ясно, есть ли необхо­димость в повторном применении лазера или нет. Лазеры в медицине позволяют уже через несколько недель достичь таких же результатов, какие при выжидательной тактике и спонтанной эволюции на­блюдаются лишь через несколько лет.

Статью подготовил и отредактировал: врач-хирург

ВВЕДЕНИЕ

Основными инструментами, которые применяет хирург для диссекции тканей, являются скальпель и ножницы, т. е. режущие инструменты. Однако раны и разрезы, производимые скальпелем и ножницами, сопровождаются кровотечением, требующим применения специальных мер гемостаза. Кроме того, при контакте с тканями режущие инструменты могут распространять микрофлору и клетки злокачественных опухолей вдоль линии разреза. В связи с этим с давних пор хирурги мечтали иметь в своем распоряжении такой инструмент, который производил бы бескровный разрез, одновременно уничтожая патогенную микрофлору и опухолевые клетки в операционной ране. Вмешательства на «сухом операционном поле» являются идеалом для хирургов любого профиля.

Попытки создать «идеальный» скальпель относятся к концу прошлого века, когда был сконструирован так называемый электронож, работающий с использованием токов высокой частоты. Этот прибор в более совершенных вариантах в настоящее время применяют довольно широко хирурги различных специальностей. Однако по мере накопления опыта выявлены отрицательные стороны «электрохирургии», основной из которых является слишком большая зона термического ожога тканей в области проведения разреза. Известно, что чем шире зона ожога, тем хуже заживает хирургическая рана. Кроме того, при использовании электроножа возникает необходимость включения тела больного в электрическую цепь. Электрохирургические аппараты отрицательно влияют на работу электронных приборов и устройств слежения за жизнедеятельностью организма во время операции. Криохирургические аппараты также вызывают значительное повреждение тканей, ухудшающее процесс заживления. Скорость рассечения тканей криоскальпелем очень низка. Фактически при этом происходит не рассечение, а деструкция тканей. Значительную зону ожога наблюдают и при использовании плазменного скальпеля. Если принять во внимание, что луч лазера обладает выраженными гемостатическими свойствами, а также способностью герметизировать бронхиолы, желчевыводящие протоки и протоки поджелудочной железы, то применение лазерной техники в хирургии становится исключительно перспективным. Кратко перечисленные некоторые достоинства применения лазеров в хирургии относятся прежде всего к лазерам на углекислом газе (С0 2 -лазерам). Кроме них, в медицине применяют лазеры, работающие на других принципах и на других рабочих веществах. Эти лазеры обладают принципиально другими качествами при воздействии на биологические ткани и применяющих по сравнительно узким показаниям, в частности в сердечно-сосудистой хирургии, в онкологии, для лечения хирургических заболеваний кожи и видимых слизистых оболочек и др.

ЛАЗЕРЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В МЕДИЦИНЕ

Несмотря на общую природу световых и радиоволн, многие годы оптика и радиоэлектроника развивались самостоятельно, независимо друг от друга. Казалось, что источники света -- возбужденные частицы и генераторы радиоволн -- имеют мало общего. Лишь с середины XX столетия появились работы по созданию молекулярных усилителей и генераторов радиоволн, которые положили начало новой самостоятельной области физики -- квантовой электронике.

Квантовая электроника изучает методы усиления и генерации электромагнитных колебаний с использованием вынужденного излучения квантовых систем. Достижения в этой области знаний находят все большее применение в науке и технике. Ознакомимся с некоторыми явлениями, лежащими в основе квантовой электроники и работы оптических квантовых генераторов -- лазеров.

Лазеры представляют собой источники света, работающие на базе процесса вынужденного (стимулированного, индуцированного) испускания фотонов возбужденными атомами или молекулами под воздействием фотонов излучения, имеющих ту же частоту. Отличительной чертой этого процесса является то, что фотон, возникающий при вынужденном испускании, идентичен вызвавшему его появление внешнему фотону по частоте, фазе, направлению и поляризации. Это определяет уникальные свойства квантовых генераторов: высокая когерентность излучения в пространстве и во времени, высокая монохроматичность, узкая направленность пучка излучения, огромная концентрация потока мощности и способность фокусироваться в очень малые объемы. Лазеры создаются на базе различных активных сред: газообразной, жидкой или твердой. Они могут давать излучение в весьма широком диапазоне длин волн - от 100 нм (ультрафиолетовый свет) до 1.2 мкм (инфракрасное излучение) - и могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режимах.

Лазер состоит из трех принципиально важных узлов: излучателя, системы накачки и источника питания, работа которых обеспечивается с помощью специальных вспомогательных устройств.

Излучатель предназначен для преобразования энергии накачки (перевода гелий-неоновой смеси 3 в активное состояние) в лазерное излучение и содержит оптический резонатор, представляющий собой в общем случае систему тщательно изготовленных отражающих, преломляющих и фокусирующих элементов, во внутреннем пространстве которого возбуждается и поддерживается определенный тип электромагнитных колебаний оптического диапазона. Оптический резонатор должен иметь минимальные потери в рабочей части спектра, высокую точность изготовления узлов и их взаимной установки.

Создание лазеров оказалось возможным в результате реализации трех фундаментальных физических идей: вынужденного излучения, создания термодинамически неравновесной инверсной населенности энергетических уровней атомов и использования положительной обратной связи.

Возбужденные молекулы (атомы) способны излучать фотоны люминесценции. Такое излучение является спонтанным процессом. Оно случайно и хаотично по времени, частоте (могут быть переходы между разными уровнями), по направлению распространения и поляризации. Другое излучение -- вынужденное, или индуцированное -- возникает при взаимодействии фотона с возбужденной молекулой, если энергия фотона равна разности соответствующих уровней энергии. При вынужденном (индуцированном) излучении число переходов, совершаемых в секунду, зависит от числа фотонов, попадающих в вещество за это же время, т. е. от интенсивности света, а также от числа возбужденных молекул. Другими словами, число вынужденных переходов будет тем больше, чем выше населенность соответствующих возбужденных энергетических состояний.

Индуцированное излучение тождественно падающему во всех отношениях, в том числе и по фазе, поэтому можно говорить о когерентном усилении электромагнитной волны, что используется в качестве первой основополагающей идеи в принципах лазерной генерации.

Вторая идея, реализуемая при создании лазеров, заключается в создании термодинамически неравновесных систем, в которых вопреки закону Больцмана, на более высоком уровне находится больше частиц, чем на более низком. Состояние среды, в котором хотя бы для двух энергетических уровней оказывается, что число частиц с большей энергией превосходит число частиц с меньше энергией, называется состоянием с инверсной населенностью уровней, а среда -- активной. Именно активная среда, в которой фотоны взаимодействуют с возбужденными атомами, вызывая их вынужденные переходы на более низкий уровень с испускание квантов индуцированного (вынужденного) излучения, является рабочим веществом лазера. Состояние с инверсной населенностью, уровней формально получается из распределения Больцмана для Т < О К, поэтому иногда называется состоянием с «отрицательной» температурой. По мере распространения света в активной сред интенсивность его возрастает, имеет место явление, обратное поглощению, т. е. усиление света. Это означает, что в законе Бугера kX < 0, поэтому инверсная населенность соответствует среде с отрицательным показателем поглощения.

Состояние с инверсной населенностью можно создать, отбирая частицы с меньшей энергией или специально возбуждая частицы, например, светом или электрическим разрядом. Само по себе состояние с отрицательной температурой долго не существует.

Третья идея, используемая в принципах лазерной генерации, возникла в радиофизике и заключается в использовании положительной обратной связи. При ее осуществлении часть генерируемого вынужденного излучения остается внутри рабочего вещества и вызывает вынужденное излучение все новыми и новыми возбужденными атомами. Для реализации такого процесса активную среду помещают в оптический резонатор, состоящий обычно из двух зеркал, подобранных так, чтобы возникающее в нем излучение многократно проходило через активную среду, превращая ее в генератор когерентного вынужденного излучения.

Первый такой генератор в диапазоне СВЧ (мазер) был сконструирован в 1955 г. независимо советскими учеными Н. Г. Басоиым и А. М. Прохоровым и американскими -- Ч. Таунсом и др.. Так как работа этого прибора была основана на вынужденном излучении молекул аммиака, то генератор был назван молекулярным.

В 1960 г. был создан первый квантовый генератор видимого диапазона излучения -- лазер с кристаллом рубина в качестве рабочего вещества (активной среды). В том же году был создан газовый гелий-неоновый лазер. Все огромное многообразие созданных в настоящее время лазеров можно классифицировать по видам рабочего вещества: различают газовые, жидкостные, полупроводниковые и твердотельные лазеры. В зависимости от типа лазера энергия для создания инверсной населенности сообщается разными способами: возбуждение очень интенсивным светом -- «оптическая накачка», электрическим газовым разрядом, в полупроводниковых лазерах -- электрическим током. По характеру свечения лазеры подразделяют на импульсные и непрерывные.

Рассмотрим принцип работы твердотельного рубинового лазера. Рубин -- это кристалл окиси алюминия Аl 2 0 3 , содержащий в виде примеси примерно 0,05% ионов хрома Сг 3+ . Возбуждение ионов хрома осуществляют методом оптической накачки с помощью импульсных источников света большой мощности. В одной из конструкций применяют трубчатый отражатель, имеющий в сечении форму эллипса. Внутри отражателя помещены прямая ксеноновая импульсная лампа и рубиновый стержень, расположенные вдоль линий, проходящих через фокусы эллипса (рис. 1). Внутренняя поверхность алюминиевого отражателя хорошо отполирована или посеребрена. Основное свойство эллиптического отражателя заключается в том, что свет, вышедший из одного его фокуса (ксеноновой лампы) и отраженный от стенок, попадает в другой фокус отражателя (рубиновый стержень).

Рубиновый лазер работает по трехуровневой схеме (рис. 2 а). В результате оптической накачки ионы хрома переходят с основного уровня 1 в короткоживущее возбужденное состояние З. Затем происходит безызлучательный переход в долгоживущее (метастабильное) состояние 2, с которого вероятность спонтанного излучательного перехода относительно мала. Поэтому происходит накопление возбужденных ионов в состоянии 2 и создается инверсная населенность между уровнями 1 и 2. В обычных условиях переход со 2-го на 1-й уровень происходит спонтанно и сопровождается люминесценцией с длиной волны 694,3 нм. В резонаторе лазера есть два зеркала (см. рис. 1), одно из которых имеет коэффициент отражения R интенсивности отраженного и падающего на зеркало света), другое зеркало полупрозрачное и пропускает часть падающего на него излучения {R < 100%). Кванты люминесценции в зависимости от направления их движения либо вылетают из боковой поверхности рубинового стержня и теряются, либо, многократно отражаясь от зеркал, сами вызывают вынужденные переходы. Таким образом, пучок, перпендикулярный зеркалам, будет иметь наибольшее развитие и выходит наружу через полупрозрачное зеркало. Такой лазер работает в импульсном режиме.

Наряду с рубиновым лазером, работающим по трехуровневой схеме, широкое распространение получили четырехуровневые схемы лазеров на ионах редкоземельных элементов (неодим, самарий и др.), внедренных в кристаллическую или стеклянную матрицы (рис. 24, б). В таких случаях инверсная населенность создается между двумя возбужденными уровнями: долгоживущий уровнем 2 и короткоживущим уровнем 2".

Очень распространенным газовым лазером является гелий-неоновый, возбуждение в котором возникает при электрическом разряде. Активной средой в нем служит смесь гелия и неона в соотношении 10:1 и давлении около 150 Па. Излучающими являются атомы неона, атомы гелия играют вспомогательную роль. На рис. 24, в показаны энергетические уровни атомов гелия и неона. Генерация происходит при переходе между 3 и 2 уровнями неона. Для того чтобы создать между ними инверсную населенность, необходимо заселить уровень 3 и опустошить уровень 2. Заселение уровня 3 происходит с помощью атомов гелия. При электрическом разряде электронным ударом происходит возбуждение атомов гелия в долгоживущее состояние (со временем жизни около 10 3 с). Энергия этого состояния очень близка к энергии уровня 3 неона, поэтому при соударении возбужденного атома гелия с невозбужденным атомом неона происходит передача энергии, в результате чего заселяется уровень 3 неона. Для чистого неона время жизни на этом уровне мало и атомы переходят на уровни 1 или 2, реализуется больцмановское распределение. Опустошение уровня 2 неона происходит в основном за счет спонтанного перехода его атомов в основное состояние при соударениях со стенками разрядной трубки. Так обеспечивается стационарная инверсная населенность уровней 2 и 3 неона.

Основным конструктивным элементом гелий-неонового лазер - (рис. 3) является газоразрядная трубка диаметром около 7 мм. В трубку вмонтированы электроды для создания газового разряда и возбуждения гелия. На концах трубки под углом Брюстера расположены окна, благодаря которым излучение оказывается плоскополяризованным. Плоскопараллельные зеркала резонатора монтируются вне трубки, одно из них полупрозрачное (коэффициент отражения R < 100%). Таким образом, пучок вынужденного излучения выходит наружу через полупрозрачное зеркало. Это лазер непрерывного действия.

Зеркала резонатора делают с многослойными покрытиями, и вследствие интерференции создается необходимый коэффициент отражения для заданной длины волны. Чаще всего используются гелий-неоновые лазеры, излучающие красный свет с длиной волны 632,8 нм. Мощность таких лазеров небольшая, она не превышает 100 мВт.

Применение лазеров основано на свойствах их излучения: высокая монохроматичность (~ 0,01 нм), достаточно большая мощность, узость пучка и когерентность.

Узость светового пучка и малая его расходимость позволили использовать лазеры для измерения расстояния между Землей и Луной (получаемая точность -- около десятков сантиметров), скорости вращения Венеры и Меркурия и др.

На когерентности лазерного излучения основано их применение в голографии. .На основе гелий-неонового лазера с использованием волоконной оптики разработаны гастроскопы, которые позволяют голографически формировать объемное изображение внутренней полости желудка.

Монохроматичность лазерного излучения очень удобна при возбуждении спектров комбинационного рассеяния света атомами и молекулами.

Широкое применение лазеры нашли в хирургии, стоматологии, офтальмологии, дерматологии, онкологии. Биологические эффекты лазерного излучения зависят как от свойств биологического материала, так и от свойств лазерного излучения.

Все лазеры, используемые в медицине, условно подразделяются на 2 вида: низкоинтенсивные (интенсивность не превышает 10 Вт/см 2 , чаще всего составляет около 0,1 Вт/см 2) -- терапевтические и высокоинтенсивные -- хирургические. Интенсивность наиболее мощных лазеров может достигать 10 14 Вт/см 2 , в медицине обычно используются лазеры с интенсивностью 10 2 -- 10 6 Вт/см 2 .

Низкоинтенсивные лазеры -- это такие, которые не вызывают заметного деструктивного действия на ткани непосредственно во время облучения. В видимой и ультрафиолетовой областях спектра их эффекты обусловлены фотохимическими реакциями и не отличаются от эффектов, вызываемых монохроматическим светом, полученным от обычных, некогерентных источников. В этих случаях лазеры являются просто удобными монохроматическими источниками света, обеспечивающими точную локализацию и дозированность воздействия. Примерами может служить использование света гелий-неоновых лазеров для лечения трофических язв, ишемической болезни сердца и др., а также криптоновых и др. лазеров для фотохимического повреждения опухолей в фотодинамической терапии.

Качественно новые явления наблюдаются при использовании видимого или ультрафиолетового излучения высокоинтенсивных лазеров. В лабораторных фотохимических экспериментах с обычными источниками света, а также в природе при действии солнечного света обычно осуществляется однофотонное поглощение. Об этом говорится во втором законе фотохимии, сформулированном Штарком и Эйнштейном: каждая молекула, участвующая в химической реакции, идущей под действием света, поглощает один квант излучения, который вызывает реакцию. Однофотонность поглощения, описываемая вторым законом, выполняется потому, что при обычных интенсивностях света практически невозможно одновременное попадание в молекулу, находящуюся в основном состоянии, двух фотонов. Если бы такое событие осуществилось, то выражение приобрело бы вид:

2hv = E t - E k ,

что означало бы суммирование энергии двух фотонов для перехода молекулы из энергетического состояния E k в состояние с энергией Е г. Не происходит также поглощения фотонов электронно-возбужденными молекулами, так как их время жизни мало, а обычно используемые интенсивности облучения невелики. Поэтому концентрация электронно-возбужденных молекул низка, и поглощение ими еще одного фотона чрезвычайно маловероятно.

Однако если увеличить интенсивность света, то становится возможным двухфотонное поглощение. Например, облучение растворов ДНК высокоинтенсивным импульсным лазерным излучением с длиной волны около 266 нм приводило к ионизации молекул ДНК, подобной вызываемой у-излучением. Воздействие ультрафиолета с низкой интенсивностью ионизации не вызывало. Установлено, что при облучении водных растворов нуклеиновых кислот или их оснований пикосекундными (длительность импульса 30 пс) или наносекундными (10 нс) импульсами с интенсивностями выше 10 6 Вт/см 2 приводило к электронным переходам, завершавшимся ионизацией молекул. При пикосекундных импульсах (рис. 4, а) заселение высоких электронных уровней происходило по схеме (S 0 --> S1 --> S n), а при hv hv наносекундных (рис. 4., б) -- по схеме (S 0 --> S1 -> Т г -> Т п). В обоих случаях молекулы получали энергию, превышающую энергию ионизации.

Полоса поглощения ДНК располагается в ультрафиолетовой области спектра при < 315 нм, видимый свет нуклеиновые кислоты совсем не поглощают. Однако воздействие высокоинтенсивным лазерным излучением около 532 нм переводит ДНК в электронно-возбужденное состояние за счет суммирования энергии двух фотонов (рис. 5).

Поглощение любого излучения приводит к выделению некоторого количества энергии в виде тепла, которое рассеивается от возбужденных молекул в окружающее пространство. Инфракрасное излучение поглощается главным образом водой и вызывает в основном тепловые эффекты. Поэтому излучение высокоинтенсивных инфракрасных лазеров вызывает заметное немедленное тепловое действие на ткани. Под тепловым воздействием лазерного излучения в медицине понимают в основном испарение (резание) и коагуляцию биотканей. Это касается различных лазеров с интенсивностью от 1 до 10 7 Вт/см 2 и с продолжительностью облучения от миллисекунд до нескольких секунд. К ним относятся, например, газовый С0 2 -лазер (с длиной волны 10,6 мкм), Nd:YAG-лазep (1,064 мкм) и другие. Nd:YAG-лазep -- наиболее широко исполь-зуемый твердотельный четырехуровневый лазер. Генерация осуществляется на переходах ионов неодима (Nd 3+),введенных в кристаллыY 3 Al 5 0 12 иттрий-алюминиевого граната (YAG).

Наряду с нагревом ткани происходит отвод части тепла за счет теплопроводности и тока крови. При температурах ниже 40 °С не обратимые повреждение не наблюдаются. При температуре 60 °С начинается денатурация белков, коагуляция тканей и некроз. При 100- 150 °С вызывается обезвоживание и обугливание, а при температурах свыше 300 °С ткань испаряется.

Когда излучение исходит от высокоинтенсивного сфокусированного лазера, количество выделяющегося тепла велико, в ткани возникает температурный градиент. В месте падения луча ткань испаряется, в прилегающих областях пронсходит обугливание и коагуляция (рис. 6). Фотоиспарение является способом послойного удаления или разрезания ткани. В результате коагуляции завариваются сосуды и останавливается кровотечение. Так сфокусированным лучом непрерывного С0 2 -лазера () с мощностью около 2 * 10 3 Вт/см 2 пользуются как хирургическим скальпелем для разрезания биологических тканей.

Если уменьшать длительность воздействия (10 - 10 с) и увеличивать интенсивность (выше 10 6 Вт/см 2), то размеры зон обугливания и коагуляции становятся пренебрежимо малыми. Такой процесс называют фотоабляцией (фотоудалением) и используют для послойного удаления ткани. Фотоабляция возникает при плотностях энергии 0,01--100 Дж/см 2 .

При дальнейшем повышении интенсивности (10 Вт/см и выше) возможен еще один процесс -- «оптический пробой». Это явление заключается в том, что из-за очень высокой напряженности электрического поля лазерного излучения (сравнимой с напряженностью внутриатомных электрических полей) материя ионизации, образуется плазма и генерируются механические ударные волны. Для оптического пробоя не требуется поглощения квантов света веществом в обычном смысле, он наблюдается прозрачных средах, например в воздухе.