Лазери в медицині, контент-платформа

Лазер - пристрій для отримання вузьких пучків світлової енергії високої інтенсивності. Лазери були створені в 1960 р СРСР) і Ч. Таунсом (США), відзначеними за це відкриття Нобелівської пре-МДП 1964 р Існують різні типи лазерів - газові, рідинні і працюють на твердих тілах. Лазерне випромінювання може бути безперервним і імпульсним.

Сам термін "лазер" - це абревіатура від англійського "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", т. Е. "Посилення світла вимушеним випромінюванням". З фізики відомо, що "лазер - це джерело когерентного електромагнітного випромінювання, що виникає в результаті вимушеного випускання фотонів активним середовищем, що знаходиться в оптичному резонаторі". Для лазерного випромінювання характерна монохроматичность, висока щільність і впорядкованість потоку світлової енергії. Різноманіття використовуваних в наші дні джерел такого випромінювання визначає різноманітність областей застосування лазерних установок.

У медицину лазери увійшли в кінці 1960-х років. Незабаром сформувалися три напрямки лазерної медицини, відмінність між якими визначалося потужністю світлового потоку лазера (і, як наслідок, видом його біологічного впливу). Випромінювання низької потужності (мВт) в основному використовується в терапії крові, середньої потужності (Вт) - в ендоскопії та фотодинамічної терапії злоякісних пухлин, а високою Вт) - в хірургії та косметології. Хірургічне застосування лазерів (т. Зв. "Лазерні скальпелі") засновано на прямому механічному впливі високоінтенсивного випромінювання, яке дозволяє різати і "зварювати" тканини. Той же ефект лежить в основі застосування лазерів в косметології і естетичній медицині (в останні роки поряд зі стоматологією одна з найприбутковіших галузей охорони здоров'я). Однак у біологів найбільший інтерес викликає феномен терапевтичного впливу лазерів. Відомо, що низькоінтенсивне лазерне вплив призводить до таких позитивних ефектів, як підвищення тонусу, стійкість до стресів, поліпшення роботи нервової, імунної ендокринної систем, усунення ішемічних процесів, загоєнню хронічних виразок і багатьом іншим. Лазерна терапія, безумовно, високоефективна, але, що дивно, до цих пір немає чіткого уявлення про її біологічних механізмах! Вчені поки лише розробляють моделі, які пояснюють цей феномен. Так, відомо, що низькоінтенсивне лазерне випромінювання (НИЛИ) впливає на проліферативний потенціал клітин (тобто стимулює їх поділ і розвиток). Вважається, що причина цього в локальних змінах температури, які можуть стимулювати процеси біосинтезу в тканинах. НИЛИ також зміцнює системи антиоксидантного захисту організму (тоді як випромінювання високої інтенсивності, навпаки, призводить до масової появи активних форм кисню.) Швидше за все, саме цими процесами і пояснюється терапевтичну дію НИЛИ. Але, як уже згадувалося, існує й інший тип лазерної терапії - т. Зв. фотодинамічна терапія, застосовувана для боротьби із злоякісними утвореннями. Вона заснована на використанні відкритих ще в 60-і роки фотосенсибилизаторов - специфічних речовин, здатних вибірково накопичуватися в клітинах (в основному ракових). При лазерному опроміненні середньої потужності молекула фотосенсибілізатора поглинає світлову енергію, переходить в активну форму і викликає цілий ряд руйнівних процесів в ракової клітки. Так, пошкоджуються мітохондрії (внутрішньоклітинні енергетичні структури), істотно змінюється кисневий обмін, що призводить до появи величезної кількості вільних радикалів. Нарешті, сильне нагрівання води всередині клітини викликає руйнування її мембранних структур (зокрема зовнішньої клітинної оболонки). Все це в підсумку призводить до інтенсивної загибелі пухлинних клітин. Фотодинамічна терапія - порівняно нова галузь лазерної медицини (розвивається з середини 80-х років) і поки ще не настільки популярна, як, скажімо, лазерна хірургія або офтальмологія. проте саме на неї зараз покладають основні надії лікарі-онкологи.

В цілому можна сказати, що лазерна терапія в наші дні - одна з найбільш динамічно розвиваються галузей медицини. Причому, що дивно, не тільки традиційної. Деякі терапевтичні ефекти лазерів найлегше пояснюються наявністю в організмі систем енергетичних каналів і точок, які використовуються при акупунктурних впливах. Відомі випадки, коли локальна обробка лазером окремих тканин викликала позитивні зміни в інших частинах організму. Ученим ще належить відповісти на безліч питань, пов'язаних з цілющими властивостями лазерного випромінювання, що, безумовно, відкриє нові перспективи розвитку медицини в XXI столітті.

Принцип дії лазерного променя заснований на тому, що енергія сфокусі-теванного світлового пучка різко підвищує температуру в опромінюється місці і викликає коагуляцію (згортання) блологіч. тканини. Особливості Біологічний. дії лазерного випромінювання залежать m типу лазера, потужності енергії, її характеру, структури і биологич. ; Зойств опромінюваних тканин. Вузький світловий пучок великої потужності дає можливість виробляти светокоагу-ляцию строго певної ділянки тканин за частки секунди. Навколишні тканини при цьому не страждають. Крім коагуляції Біологічний. тканини, при великій потужності випромінювання можливо і вибуховий її руйнування від впливу своєрідною ударної хвилі, що утворюється в результаті миттєвого переходу тканинної рідини в газоподібний стан під впливом високої температури. Мають значення вид тканин, пх забарвлення (пігментація), товщина, щільність, ступінь наповнення кров'ю. Чим більше потужність лазерного випромінювання, тим глибше воно проникає і тим сильніше його дія.

Першими використовували лазери для лікування хворих очні лікарі, які застосували їх для коагуляції сітківки ока при її відшаруванні і розриві (), а також для руйнування дрібних внутрішньоочних пухлин і створення оптич. отвори в оці при вторинних катарактах. Крім того, лазерним променем знищують невеликі, поверхнево розташовані пухлини, коагулюють патологич. утворення на поверхні шкіри (пігментні плями, судинні пухлини і т. д.). Лазерне випромінювання використовують і в диагностич. цілях для дослідження кровоносних судин, фотографування внутрішніх органів і ін. З 1970 р лазерний промінь почали застосовувати при хірургічні. операціях в якості «світловий скальпель» для розсічення тканин організму.

У медицині лазери застосовуються як безкровні скальпелі, використовуються при лікуванні офтальмологічних захворювань (катаракта, відшарування сітківки, лазерна корекція зору та ін.). Широке застосування отримали також в косметології (лазерна епіляція, лікування судинних і пігментних дефектів шкіри, лазерний пілінг, видалення татуювань та пігментних плям).

Види хірургічних лазерів

У лазерної хірургії застосовуються досить потужні лазери, що працюють в безперервному або імпульсному режимі, які здатні сильно нагрівати біотканини, що призводить до її резанию або випаровуванню.

Лазери зазвичай називають по типу активної середовища, що генерує лазерне випромінювання. Найбільш відомі в лазерної хірургії неодимовий лазер і лазер на вуглекислому газі (або СО2-лазер).

Деякі інші види високоенергетичних лазерів, що використовуються в медицині, мають, як правило, свої вузькі області застосування. Наприклад, в офтальмології для прецизійного випаровування поверхні рогівки ока застосовуються ексимерні лазери.

У косметології для усунення судинних і пігментних дефектів шкіри використовуються КТР-лазери, лазери на барвнику і на парах міді, для епіляції - олександритовий і рубінові лазери.

Лазер на вуглекислому газі - це перший хірургічний лазер, який активно використовується з 1970-х років по теперішній час.

Висока поглинання в воді і органічних сполуках (типова глибина проникнення 0,1 мм) робить СО2-лазер відповідним для широкого спектра хірургічних втручань, в тому числі для гінекології. оториноларингології. загальної хірургії, дерматології. шкірно-пластичної та косметичної хірургії.

Поверхневе вплив лазера дозволяє сікти біотканини без глибокого опіку. Це також робить CO2-лазер не є небезпечним для очей, т. К. Випромінювання не проходить крізь рогівку і кришталик.

Звичайно, потужний спрямований промінь може пошкодити рогівку, але для захисту досить мати звичайні скляні або пластикові окуляри.

Недолік довжини хвилі 10 мкм полягає в тому, що дуже важко виготовити відповідне оптичне волокно з хорошим пропусканням. І до сих пір найкращим рішенням є дзеркальний шарнірний маніпулятор, хоча це досить дорогий пристрій, складне в юстирування і чутливе до ударів і вібрації.

Іншим недоліком CO2-лазера - це його безперервний режим роботи. У хірургії для ефективного різання необхідно швидко випаровувати біотканини без нагріву навколишніх тканин, для чого потрібна висока пікова потужність, т. Е. Імпульсний режим. Сьогодні в CO2-лазерах для цих цілей застосовують так званий "суперімпульсний" режим (superpulse), при якому лазерне випромінювання має вигляд пачки коротких, але в 2 - 3 рази більше потужних імпульсів, у порівнянні із середньою потужністю безперервного лазера.

Неодимовий лазер - це найпоширеніший тип твердотільного лазера і в промисловості, і в медицині.

Його активне середовище - кристал алюмоїттрієвого граната, активованого іонами неодиму Nd: YAG, - дозволяє отримати потужне випромінювання в ближньому ІЧ-діапазоні на довжині хвилі 1,06 мкм практично в будь-якому режимі роботи з високим ККД і з можливістю волоконного виходу випромінювання.

Тому слідом за CO2-лазерами в медицину прийшли неодимові як для цілей хірургії, так і терапії.

Глибина проникнення такого випромінювання в біологічні тканини дорівнює 6 - 8 мм і досить сильно залежить від її типу. Це означає, що для досягнення такого ж ріжучого або випаровується ефекту, як у CO2-лазера, для неодимового потрібно в кілька разів вища потужність випромінювання. А по-друге, відбувається значне пошкодження підлягають і оточуючих лазерну рану тканин, що негативно позначається на післяопераційному її загоєнні, викликаючи різні ускладнення, типові для опікової реакції - рубцювання, стеноз, стеноз і т. П.

Бажана сфера хірургічного застосування неодимового лазера - це об'ємна і глибока коагуляція в урології. гінекології, онкологічні пухлини, внутрішні кровотечі і т. п. як у відкритих, так і в ендоскопічних операціях.

Важливо пам'ятати, що випромінювання неодимового лазера невидимо і небезпечно для очей навіть в малих дозах розсіяного випромінювання.

Використання в неодимовому лазері спеціального нелінійного кристала КТР (калій-титан-фосфат) дозволяє подвоювати частоту випромінюваного лазером світла. Одержуваний таким чином КТР-лазер, що випромінює у видимій зеленої області спектра на довжині хвилі 532 нм, має здатність ефективно коагулювати кровенасищенние тканини і використовується в судинної і косметичної хірургії.

Кристал алюмоїттрієвого граната, активоване іонами гольмію, - Ho: YAG, здатний генерувати лазерне випромінювання на довжині хвилі 2,1 мкм, яке добре поглинається біотканиною. Глибина його проникнення в біотканини становить близько 0,4 мм, т. Е. Порівнянна з CO2-лазером. Тому гольміевий лазер володіє стосовно хірургії усіма перевагами СО2-лазера.

Але двухмікронное випромінювання гольмієвого лазера в той же час добре проходить через кварцове оптичне волокно, що дозволяє використовувати його для зручної доставки випромінювання до місця хірургічного втручання. Це особливо важливо, зокрема, для проведення малоінвазивних ендоскопічних операцій.

Випромінювання гольмієвого лазера добре коагулює судини розміром до 0,5 мм, що цілком достатньо для більшості хірургічних втручань. Двухмікронное випромінювання, до того ж, цілком безпечно для очей.

Типові вихідні параметри гольмієвого лазера: середня вихідна потужність Вт, максимальна енергія випромінювання - до 6 Дж, частота повторення імпульсів - до 40 Гц, тривалість імпульсу - близько 500 мкс.

Поєднання фізичних параметрів випромінювання гольмієвого лазера виявилося оптимальним для цілей хірургії, що дозволило йому знайти численні застосування в самих різних областях медицини.

Ербіевий (Er: YAG) лазер має довжину хвилі випромінювання 2,94 мкм (середній ІК-діапазон). Режим роботи - імпульсний.

Глибина проникнення в біотканини випромінювання ербіевого лазера становить не більше 0,05 мм (50 мкм), т. Е. Його поглинання ще в раз вище, ніж у CO2-лазера, і він робить винятково поверхневий вплив.

Такі параметри практично не дозволяють коагулировать біотканини.

Основні напрямки застосування ербіевого лазера в медицині:

- перфорація шкіри для взяття проб крові,

- випаровування твердих тканин зуба,

- випаровування поверхні рогівки ока для виправлення далекозорості.

Випромінювання ербіевого лазера безпечно для очей, як і у CO2-лазера, і для нього також немає надійного і дешевого волоконного інструменту.

В даний час існує ціла гама діодних лазерів, що мають широкий спектр довжин хвиль від 0,6 до 3 мкм і параметрів випромінювання. Основними достоїнствами діодних лазерів є високий ККД (до 60%), мініатюрність і великий ресурс роботи (понад 10,000 годин).

Типова вихідна потужність одиночного діода рідко перевищує 1 Вт в безперервному режимі, а енергія імпульсу - не більше 1 - 5 мДж.

Для отримання потужності, достатньої для хірургії, поодинокі діоди об'єднують в набори, які складаються з 10 до 100 елементів, розташовані у вигляді лінійки, або до кожного діода приєднують тонкі волокна, які збирають в джгут. Такі композитні лазери дозволяють отримувати 50 Вт і більше безперервного випромінювання на довжині хвилі нм, які сьогодні застосовуються в гінекології, офтальмології, косметології та ін.

Основний режим роботи діодних лазерів - безперервний, що обмежує можливості їх використання в лазерної хірургії. При спробах реалізувати суперімпульсний режим роботи надто довгі імпульси (близько 0,1 с) на довжинах хвиль генерації діодних лазерів в ближньому ІЧ-діапазоні ризикують викликати надмірне нагрівання і наступне опікове запалення навколишніх тканин.