Використання лазерного випромінювання у медицині. Лазери, що застосовуються у медичній техніці

Надіслати свою гарну роботу до бази знань просто. Використовуйте форму нижче

Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань у своєму навчанні та роботі, будуть вам дуже вдячні.

Розміщено на http://www.allbest.ru/

Вступ

1. Лазери та їх застосування в медицині

2. Застосування високоінтенсивного лазерного випромінювання у хірургії (загальні принципи)

3. Світловий пробій

Висновок

Список використаної літератури

Вступ

Лазери або оптичні квантові генератори - це сучасні джерела когерентного випромінювання, що мають цілу низку унікальних властивостей. Створення лазерів стало одним із найчудовіших досягнень фізики другої половини XX століття, яке призвело до революційних змін у багатьох галузях науки і техніки. До теперішнього часу створено велику кількість лазерів з різними характеристиками - газових, твердотільних, напівпровідникових, що випромінюють світло у різних оптичних діапазонах. Лазери можуть працювати в імпульсному та безперервному режимах. Потужність випромінювання лазерів може змінюватися в межах від часток мілівата до 10 12 -10 13 Вт (в імпульсному режимі). Лазери знаходять широке застосування у військовій техніці, технології обробки матеріалів, в медицині, оптичних системах навігації, зв'язку і локації, в прецизійних інтерференційних експериментах, в хімії, просто в побуті і т. д.

Однією з найважливіших властивостей лазерного випромінювання є надзвичайно високий рівень його монохроматичності, недосяжна у випромінюванні нелазерних джерел. Це та інші унікальні властивості лазерного випромінювання виникають у результаті узгодженого, кооперативного випромінювання світлових квантів багатьма атомами робочої речовини.

Щоб зрозуміти принцип роботи лазера, потрібно уважніше вивчити процеси поглинання та випромінювання атомами квантів світла. Атом може бути в різних енергетичних станах з енергіями E 1 , E 2 і т. д. Теоретично Бора ці стани називаються стабільними. Насправді стабільним станом, у якому атом без зовнішніх збурень може бути нескінченно довго, є лише стан із найменшою енергією. Цей стан називають основним. Усі інші стани нестабільні. Збуджений атом може перебувати в цих станах лише дуже короткий час, близько 10 - 8 с, після цього він мимоволі переходить в один із нижчих станів, випускаючи квант світла, частоту якого можна визначити з другого постулату Бору. Випромінювання, що випускається при мимовільному переході атома з одного стану в інший, називають спонтанним. На деяких енергетичних рівнях атом може перебувати значно більший час, 10 - 3 с. Такі рівні називаються метастабільними.

Перехід атома у більш високий енергетичний стан може відбуватися при резонансному поглинанні фотона, енергія якого дорівнює різниці енергій атома в кінцевому та початковому станах.

Переходи між енергетичними рівнями атома не обов'язково пов'язані з поглинанням чи випромінюванням фотонів. Атом може придбати або віддати частину своєї енергії та перейти в інший квантовий стан у результаті взаємодії з іншими атомами чи зіткнень з електронами. Такі переходи називають безвипромінними.

У 1916 році А. Ейнштейн передбачив, що перехід електрона в атомі з верхнього енергетичного рівня на нижній може відбуватися під впливом зовнішнього електромагнітного поля, частота якого дорівнює своїй частоті переходу. Випромінювання, що виникає при цьому, називають вимушеним або індукованим. Вимушене випромінювання має дивовижну властивість. Воно різко відрізняється від спонтанного випромінювання. В результаті взаємодії збудженого атома з фотоном атом випускає ще один фотон тієї ж частоти, що поширюється в тому ж напрямку. На мові хвильової теорії це означає, що атом випромінює електромагнітну хвилю, у якої частота, фаза, поляризація та напрямок поширення такі самі, як і у початкової хвилі. В результаті вимушеного випромінювання фотонів амплітуда хвилі, що розповсюджується в середовищі, зростає. З точки зору квантової теорії, в результаті взаємодії збудженого атома з фотоном, частота якого дорівнює частоті переходу, з'являються два абсолютно однакові фотона-близнюки.

Саме індуковане випромінювання є фізичною основою лазерів.

1 . Лазери та їх застосування в медицині

Незважаючи на загальну природу світлових та радіохвиль, багато років оптика та радіоелектроніка розвивалися самостійно, незалежно один від одного. Здавалося, що джерела світла – збуджені частки та генератори радіохвиль – мають мало спільного. Лише з середини XX століття з'явилися роботи зі створення молекулярних підсилювачів та генераторів радіохвиль, які започаткували нову самостійну галузь фізики - квантову електроніку.

Квантова електроніка вивчає методи посилення та генерації електромагнітних коливань з використанням вимушеного випромінювання квантових систем. Досягнення у цій галузі знань знаходять дедалі більше застосування у науці та техніці. Ознайомимося з деякими явищами, що лежать в основі квантової електроніки та оптичних квантових генераторів - лазерів.

Лазери є джерела світла, що працюють на базі процесу вимушеного (стимульованого, індукованого) випромінювання фотонів збудженими атомами або молекулами під впливом фотонів випромінювання, що мають ту ж частоту. Відмінною рисою цього процесу є те, що фотон, що виникає при вимушеному випромінюванні, ідентичний зовнішній фотон, що викликав його появу, за частотою, фазою, напрямом і поляризації. Це визначає унікальні властивості квантових генераторів: висока когерентність випромінювання у просторі та в часі, висока монохроматичність, вузька спрямованість пучка випромінювання, величезна концентрація потоку потужності та здатність фокусуватися у дуже малі обсяги. Лазери створюються з урахуванням різних активних середовищ: газоподібної, рідкої чи твердої. Вони можуть давати випромінювання в широкому діапазоні довжин хвиль - від 100 нм (ультрафіолетовий світло) до 1.2 мкм (інфрачервоне випромінювання) - і можуть працювати як в безперервному, так і в імпульсному режимах.

Лазер складається із трьох принципово важливих вузлів: випромінювача, системи накачування та джерела живлення, робота яких забезпечується за допомогою спеціальних допоміжних пристроїв.

Випромінювач призначений для перетворення енергії накачування (переведення гелій-неонової суміші 3 в активний стан) в лазерне випромінювання і містить оптичний резонатор, що представляє собою в загальному випадку систему ретельно виготовлених відбивають, заломлюючих і фокусуючих елементів, у внутрішньому просторі якого збуджується і підтримується певний тип електромагнітних коливань оптичного діапазону Оптичний резонатор повинен мати мінімальні втрати у робочій частині спектра, високу точність виготовлення вузлів та їх взаємної установки.

Створення лазерів виявилося можливим внаслідок реалізації трьох фундаментальних фізичних ідей: вимушеного випромінювання, створення термодинамічно нерівноважної інверсної населеності енергетичних рівнів атомів та використання позитивного зворотного зв'язку.

Збуджені молекули (атоми) здатні випромінювати фотони люмінесценції. Таке випромінювання є спонтанним процесом. Воно випадково і хаотично за часом, частотою (можуть бути переходи між різними рівнями), за напрямом поширення та поляризації. Інше випромінювання - вимушене, або індуковане - виникає при взаємодії фотона з збудженою молекулою, якщо енергія фотона дорівнює різниці відповідних рівнів енергії. При вимушеному (індукованому) випромінюванні кількість переходів, що здійснюються в секунду, залежить від числа фотонів, що потрапляють у речовину за цей же час, тобто від інтенсивності світла, а також від збуджених молекул. Іншими словами, кількість вимушених переходів буде тим більшою, чим вища населеність відповідних збуджених енергетичних станів.

Індуковане випромінювання тотожно падаючому у всіх відносинах, у тому числі і по фазі, тому можна говорити про когерентне посилення електромагнітної хвилі, що використовується як перша основна ідея в принципах лазерної генерації.

Друга ідея, реалізована під час створення лазерів, полягає у створенні термодинамічно нерівноважних систем, у яких всупереч закону Больцмана, більш високому рівні перебуває більше частинок, ніж нижчому. Стан середовища, в якому хоча б для двох енергетичних рівнів виявляється, що кількість частинок з більшою енергією перевищує кількість частинок з меншою енергією, називається станом з інверсною населеністю рівнів, а середовище - активним. Саме активне середовище, в якому фотони взаємодіють зі збудженими атомами, викликаючи їх вимушені переходи на нижчий рівень з випромінюванням квантів індукованого (вимушеного) випромінювання, є робочою речовиною лазера. Стан з інверсною населеністю, рівнів формально виходить із розподілу Больцмана для Т< О К, поэтому иногда называется состоянием с "отрицательной" температурой. По мере распространения света в активной среде 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.

Стан з інверсною населеністю можна створити, відбираючи частинки з меншою енергією або спеціально збуджуючи частки, наприклад світлом або електричним розрядом. Сам собою стан з негативною температурою довго не існує.

Третя ідея, що використовується в принципах лазерної генерації, виникла в радіофізиці і полягає у використанні позитивного зворотного зв'язку. При її здійсненні частина вимушеного випромінювання, що генерується, залишається всередині робочої речовини і викликає вимушене випромінювання все новими і новими збудженими атомами. Для реалізації такого процесу активне середовище поміщають в оптичний резонатор, що складається зазвичай з двох дзеркал, підібраних так, щоб випромінювання, що виникає в ньому, багаторазово проходило через активне середовище, перетворюючи її в генератор когерентного вимушеного випромінювання.

Перший такий генератор у діапазоні НВЧ (мазер) був сконструйований у 1955 р. незалежно радянськими вченими Н.Г. Басон і А.М. Прохоровим і американськими - Ч. Таунсом та інших. Оскільки робота цього приладу було засновано вимушеному випромінюванні молекул аміаку, то генератор був названий молекулярним.

У 1960 р. було створено перший квантовий генератор видимого діапазону випромінювання - лазер із кристалом рубіну як робочої речовини (активного середовища). У тому ж році було створено газовий гелій-неоновий лазер. Все велике різноманіття створених нині лазерів можна класифікувати за видами робочої речовини: розрізняють газові, рідинні, напівпровідникові та твердотільні лазери. Залежно від типу лазера енергія до створення інверсної населеності повідомляється різними способами: збудження дуже інтенсивним світлом - " оптична накачування " , електричним газовим розрядом, в напівпровідникових лазерах - електричним струмом. За характером світіння лазери поділяють на імпульсні та безперервні.

Розглянемо принцип роботи твердотільного рубінового лазера. Рубін - це кристал окису алюмінію Аl 2 0 3 містить у вигляді домішки приблизно 0,05% іонів хрому Сг 3 + . Порушення іонів хрому здійснюють методом оптичного накачування за допомогою імпульсних джерел світла великої потужності. В одній із конструкцій застосовують трубчастий відбивач, що має у перерізі форму еліпса. Усередині відбивача поміщені пряма імпульсна ксенонова лампа і рубіновий стрижень, розташовані вздовж ліній, що проходять через фокуси еліпса (рис. 1). Внутрішня поверхня алюмінієвого відбивача добре відполірована або посріблена. Основна властивість еліптичного відбивача полягає в тому, що світло, що вийшло з одного його фокусу (ксенонової лампи) і відбите від стінок, потрапляє в інший фокус відбивача (рубіновий стрижень).

Рубіновий лазер працює за трирівневою схемою (рис. 2 а). В результаті оптичного накачування іони хрому переходять з основного рівня 1 в короткоживуче збуджений стан З. Потім відбувається безвипромінювальний перехід у довгоживучий (метастабільний) стан 2, з якого ймовірність спонтанного випромінювального переходу відносно мала. Тому відбувається накопичення збуджених іонів у стані 2 і створюється інверсна населеність між рівнями 1 та 2. У звичайних умовах перехід з 2-го на 1-й рівень відбувається спонтанно та супроводжується люмінесценцією з довжиною хвилі 694,3 нм. У резонаторі лазера є два дзеркала (див. рис. 1), одне з яких має коефіцієнт відображення R інтенсивності відбитого і падаючого на дзеркало світла), інше дзеркало напівпрозоре і пропускає частину випромінювання, що падає на нього (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. лазер пробой медицинское биологическое

Поряд з рубіновим лазером, що працює за трирівневою схемою, широкого поширення набули чотирирівневі схеми лазерів на іонах рідкісноземельних елементів (неодим, самарій та ін), впроваджених у кристалічну або скляну матриці (рис. 24, б). У таких випадках інверсна населеність створюється між двома збудженими рівнями: довгоживучий рівнем 2 і короткоживучим рівнем 2".

Дуже поширеним газовим лазером є гелій-неоновий, збудження в якому виникає при електричному розряді. Активним середовищем у ньому служить суміш гелію та неону у співвідношенні 10:1 та тиску близько 150 Па. Випромінюючими є атоми неону, атоми гелію грають допоміжну роль. На рис. 24 показані енергетичні рівні атомів гелію і неону. Генерація відбувається при переході між 3 та 2 рівнями неону. Щоб створити з-поміж них інверсну населеність, необхідно заселити рівень 3 і спустошити рівень 2. Заселення рівня 3 відбувається з допомогою атомів гелію. При електричному розряді електронним ударом відбувається збудження атомів гелію в довготривалий стан (з часом життя близько 10 3 с). Енергія цього стану дуже близька до енергії рівня 3 неону, тому при зіткненні збудженого атома гелію з незбудженим атомом неону відбувається передача енергії, внаслідок чого заселяється рівень 3 неону. Для чистого неону час життя цьому рівні мало і атоми переходять на рівні 1 чи 2, реалізується больцманівський розподіл. Спустошення 2 рівня неону відбувається в основному за рахунок спонтанного переходу його атомів в основний стан при зіткненнях зі стінками розрядної трубки. Так забезпечується стаціонарна інверсна населеність рівнів 2 та 3 неону.

Основним конструктивним елементом гелій-неонового лазера (рис. 3) є газорозрядна трубка діаметром близько 7 мм. У трубку вмонтовані електроди для створення газового розряду та збудження гелію. На кінцях трубки під кутом Брюстера розташовані вікна, завдяки яким випромінювання виявляється плоскополяризованим. Плоскопаралельні дзеркала резонатора монтуються поза трубкою, одне з них напівпрозоре (коефіцієнт відображення R< 100 %). Таким образом, пучок вынужденного излучения выходит наружу через полупрозрачное зеркало. Это лазер непрерывного действия.

Дзеркала резонатора роблять із багатошаровими покриттями, і внаслідок інтерференції створюється необхідний коефіцієнт відбиття для заданої довжини хвилі. Найчастіше використовуються гелій-неонові лазери, що випромінюють червоне світло з довжиною хвилі 632,8 нм. Потужність таких лазерів невелика, вона перевищує 100 мВт.

Застосування лазерів засноване на властивостях їхнього випромінювання: висока монохроматичність (~ 0,01 нм), досить велика потужність, вузькість пучка та когерентність.

Вузькість світлового пучка і мала його розбіжність дозволили використовувати лазери для вимірювання відстані між Землею та Місяцем (отримувана точність - близько десятків сантиметрів), швидкості обертання Венери та Меркурія та ін.

На когерентності лазерного випромінювання ґрунтується їх застосування в голографії. На основі гелій-неонового лазера з використанням волоконної оптики розроблено гастроскопи, які дозволяють голографічно формувати об'ємне зображення внутрішньої порожнини шлунка.

Монохроматичність лазерного випромінювання дуже зручна при збудженні спектрів комбінаційного розсіювання світла атомами та молекулами.

Широке застосування лазери знайшли у хірургії, стоматології, офтальмології, дерматології, онкології. Біологічні ефекти лазерного випромінювання залежить як від властивостей біологічного матеріалу, і від властивостей лазерного випромінювання.

Усі лазери, які у медицині, умовно поділяються на 2 виду: низкоинтенсивные (інтенсивність вбирається у 10 Вт/см 2 , найчастіше становить близько 0,1 Вт/см 2) - терапевтичні і високоінтенсивні - хірургічні. Інтенсивність найпотужніших лазерів може досягати 10 14 Вт/см 2 , у медицині зазвичай використовуються лазери з інтенсивністю 10 2 - 10 6 Вт/см 2 .

Низькоінтенсивні лазери – це такі, які не викликають помітної деструктивної дії на тканині безпосередньо під час опромінення. У видимій та ультрафіолетовій областях спектру їх ефекти обумовлені фотохімічними реакціями і не відрізняються від ефектів, що викликаються монохроматичним світлом, отриманим від звичайних, некогерентних джерел. У цих випадках лазери є просто зручними монохроматичними джерелами світла, що забезпечують точну локалізацію та дозування впливу. Прикладами може бути використання світла гелій-неонових лазерів на лікування трофічних виразок, ішемічної хвороби серця та інших., і навіть криптонових та інших. лазерів для фотохімічного пошкодження пухлин у фотодинамічної терапії.

Якісно нові явища спостерігаються під час використання видимого чи ультрафіолетового випромінювання високоінтенсивних лазерів. У лабораторних фотохімічних експериментах із звичайними джерелами світла, а також у природі при дії сонячного світла зазвичай здійснюється однофотонне поглинання. Про це йдеться у другому законі фотохімії, сформульованому Штарком та Ейнштейном: кожна молекула, що бере участь у хімічній реакції, що йде під дією світла, поглинає один квант випромінювання, що викликає реакцію. Однофотонність поглинання, що описується другим законом, виконується тому, що при звичайних інтенсивностях світла практично неможливе одночасне попадання в молекулу, що знаходиться в основному стані, двох фотонів. Якби така подія здійснилася, то вираз набув би вигляду:

2hv = Et-Ek,

що означало б підсумовування енергії двох фотонів для переходу молекули з енергетичного стану E k в стан з енергією Е г. Не відбувається також поглинання фотонів електронно-збудженими молекулами, так як їх час життя мало, а зазвичай інтенсивності опромінення, що використовуються, невеликі. Тому концентрація електронно-збуджених молекул низька і поглинання ними ще одного фотона надзвичайно малоймовірне.

Однак якщо збільшити інтенсивність світла, то стає можливим двофотонне поглинання. Наприклад, опромінення розчинів ДНК високоінтенсивним імпульсним лазерним випромінюванням з довжиною хвилі близько 266 нм призводило до іонізації молекул ДНК, подібної до викликаної у-випромінюванням. Вплив ультрафіолету з низькою інтенсивністю іонізації не викликав. Встановлено, що при опроміненні водних розчинів нуклеїнових кислот або їх основ пікосекундними (тривалість імпульсу 30 пс) або наносекундними (10 нс) імпульсами з інтенсивністю вище 10 6 Вт/см 2 призводило до електронних переходів, що завершувалися іонізацією молекул. При пікосекундних імпульсах (рис. 4 а) заселення високих електронних рівнів відбувалося за схемою (S 0 -> S1 -> S n), а при hv hv наносекундних (рис. 4 б) - за схемою (S 0 -> S1 -> Т г -> Т п). В обох випадках молекули отримували енергію, що перевищує енергію іонізації.

Смуга поглинання ДНК розташовується в ультрафіолетовій ділянці 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).

Поглинання будь-якого випромінювання призводить до виділення деякої кількості енергії у вигляді тепла, що розсіюється від збуджених молекул у навколишній простір. Інфрачервоне випромінювання поглинається переважно водою і викликає переважно теплові ефекти. Тому випромінювання високоінтенсивних інфрачервоних лазерів викликає помітну негайну теплову дію на тканині. Під тепловим впливом лазерного випромінювання в медицині розуміють в основному випаровування (різання) та коагуляцію біотканин. Це стосується різних лазерів з інтенсивністю від 1 до 107 Вт/см 2 і з тривалістю опромінення від мілісекунд до декількох секунд. До них відносяться, наприклад, газовий 0 2 -лазер (з довжиною хвилі 10,6 мкм), Nd:YAG-лазep (1,064 мкм) та інші. Nd:YAG-лазep - найбільш широко використовуваний твердотільний чотирирівневий лазер. Генерація здійснюється на переходах іонів неодиму (Nd 3+), введених у кристали Y 3 Al 5 0 12 ітрій-алюмінієвого гранату (YAG).

Поряд із нагріванням тканини відбувається відведення частини тепла за рахунок теплопровідності та струму крові. При температурах нижче 40 °С не оборотні ушкодження не спостерігаються. При температурі 60 ° С починається денатурація білків, коагуляція тканин та некроз. При 100-150 ° С викликається зневоднення та обвуглювання, а при температурах понад 300 ° С тканина випаровується.

Коли випромінювання походить від високоінтенсивного сфокусованого лазера, кількість тепла, що виділяється велике, в тканині виникає температурний градієнт. У місці падіння променя тканина випаровується, у прилеглих областях відбувається обвуглювання та коагуляція (рис. 6). Фотовипар є способом пошарового видалення або розрізання тканини. Внаслідок коагуляції заварюються судини та зупиняється кровотеча. Так сфокусованим променем безперервного 0 2 -лазера () з потужністю близько 2 * 10 3 Вт/см 2 користуються як хірургічним скальпелем для розрізання біологічних тканин.

Якщо зменшувати тривалість дії (10-10 с) і збільшувати інтенсивність (вище 10 6 Вт/см 2 ), то розміри зон обвуглювання та коагуляції стають дуже малими. Такий процес називають фотоабляцією (фотовидаленням) і використовують для пошарового видалення тканини. Фотоабляція виникає при густині енергії 0,01-100 Дж/см 2 .

При подальшому підвищенні інтенсивності (10 Вт/см та вище) можливий ще один процес - "оптичний пробій". Це явище полягає в тому, що через дуже високу напруженість електричного поля лазерного випромінювання (порівняної з напруженістю внутрішньоатомних електричних полів) матерія іонізації, утворюється плазма і генеруються механічні ударні хвилі. Для оптичного пробою не потрібно поглинання квантів світла речовиною у звичному значенні, він спостерігається прозорих середовищах, наприклад, у повітрі.

2. Застосування високоінтенсивного лазерного випромінювання у хірургії (загальні принципи)

Основний метод лікування хірургічних хвороб – операції, пов'язані з розсіченням біотканин. Вплив сильносконцентрованої світлової енергії на біотканину призводить до її сильного нагрівання з подальшим випаром міжтканинної та внутрішньоклітинної рідини, ущільнення та коагуляції тканинних структур. При малих експозиціях руйнування піддаються поверхневі шари біотканини. Зі зростанням експозиції збільшуються глибина та обсяг деструкції.

Хірургічні лазери бувають як безперервні, і імпульсні, залежно від типу активної середовища. Умовно їх можна поділити на три групи за рівнем потужності:

коагулюючі: 1-5 Вт;

випаровують і неглибоко ріжучі: 5-20 Вт;

глибоко ріжучі: 20-100 Вт.

Звичайно, цей поділ значною мірою умовний, оскільки довжина хвилі випромінювання та режим роботи дуже сильно впливають на вимоги щодо вихідної потужності хірургічного лазера.

При використанні лазерного випромінювання великої потужності відбувається дуже швидке підвищення температури тканини у місці контакту лазерного променя з біотканиною. Це призводить до ефекту оборотної денатурації білка (40-53 ° С), подальшого підвищення температур (55-63 ° С) до незворотної деструкції білкових структур. Підвищення температури від 63 до 100 ° С призводить до коагуляції, а від 100 ° С і більше до випаровування та карбонізації біотканини.

Операція, що проводиться безконтактним методом, забезпечує яскраво виражену гемостатичну дію. Вплив здійснюється практично безкровно або з мінімальною крововтратою, що спрощує її виконання та супроводжується незначною травматизацією навколишніх тканин.

Глибина проникнення випромінювання лазера у тканини залежить від часу впливу та ступеня гідратації тканини. Чим вище гідрофільність, тим глибина проникнення менше, і навпаки, що менше ступінь гідратації тканини, то глибше проникає випромінювання. При імпульсному лазерному випромінюванні біотканина не прогрівається на необхідну глибину внаслідок значного поверхневого поглинання, і тому випаровування не відбувається, а має місце лише коагуляція. При тривалому впливі після обвуглювання змінюються параметри поглинання тканини і починається випаровування.

У лазерній хірургії використовується високоінтенсивне лазерне випромінювання (ВІЛІ), яке отримують за допомогою С02, EnYAG-лазера та аргонового лазера.

Лазерні хірургічні інструменти мають високу точність і акуратність виробленої деструктивної дії на оперовані органи і тканини. Це актуально і часом є завжди недостатньою ланкою в ключових етапах операцій, особливо операцій, що проводяться на тканинах і органах з інтенсивним кровопостачанням, щоб викликати коагуляцію фронту деструкції та уникати крововиливу. Також застосування лазерного скальпеля забезпечує абсолютну стерильність операції. Тут можна навести медичні комплекси "Скальпель-1", "Калина", "Розбір", "Ланцет-1" – моделі СО, лазера, призначені для проведення хірургічних операцій у різних галузях медичної практики. Лазерні хірургічні апарати є універсальним різальним засобом та можуть бути використані на ключових етапах хірургічних втручань. Показаннями до застосування лазерного випромінювання під час операції служать: необхідність проведення операцій на органах, що рясно кровопостачаються, коли потрібно повний гемостаз, а його виконання звичайними способами супроводжується великою крововтратою; необхідність стерилізації гнійних ран та профілактики можливого мікробного забруднення чистих операційних ран (ця обставина надзвичайно важлива в регіонах з тропічним кліматом); необхідність прецизійної техніки оперативних втручань; оперативні втручання у хворих із порушенням згортання крові.

Універсальних режимів лазерного на різні тканини немає. Тому підбір оптимальних параметрів та режимів впливу здійснюється хірургом самостійно на основі базових методик застосування лазерних хірургічних установок у медичній практиці. Для хірургічної обробки зазначені методики розроблені співробітниками Російського державного наукового центру лазерної медицини та ММА ім. І.М. Сєченова, Тверської медичної академії на основі узагальнення клінічного досвіду в різних галузях медицини: в хірургічній стоматології та щелепно-лицьовій хірургії, абдомінальній хірургії, хірургії легень та плеври, пластичної хірургії, косметології, гнійної хірургії, опіку , отоларингологія.

Характер взаємодії лазерного випромінювання з біологічною тканиною залежить від щільності потужності лазерного випромінювання та часу взаємодії. Швидкість розрізу тканин лазерним променем на різних етапах операції підбирається хірургом досвідченим шляхом залежно від виду тканини та бажаної якості розрізу при вибраних параметрах лазерного випромінювання. Уповільнення швидкості розрізу може призвести до збільшення карбонізації тканин та утворення глибокої зони коагуляції. У суперімпульсному режимі і особливо в імпульсно-періодичному режимі карбонізація та некроз, пов'язані з перегрівом навколишніх тканин, практично виключені за будь-якої швидкості руху лазерного променя. Наведемо основні характеристики використовуваних у медичній практиці апаратів. Довжина хвилі випромінювання – 10,6 мкм. Вихідна потужність випромінювання (регульована) – 0,1-50 Вт. Потужність у режимі "медимпульс" - 50 Вт. Щільність потужності лазерного опромінення зверху обмежена умовно величиною 50-150 Вт/см2 для імпульсних лазерів та величиною 10 Вт/см2 для лазерів безперервної дії. Діаметр лазерного променя на тканині (перемикач) - 200; 300; 500 мкм. Наведення основного випромінювання променем діодного лазера – 2 мВт, 635 нм. Режими випромінювання (переключаються) - безперервний, імпульсно-періодичний, медімпульс. Час експозиції випромінювання (регульований) - 0,1-25 хв. Тривалість імпульсу випромінювання в імпульсно-періодичному режимі (регульована) – 0,05-1,0 с. Тривалість паузи між імпульсами – 0,05-1,0 с. Пульт керування виносний. Вмикання та вимикання випромінювання - ножна педаль. Видалення продуктів згоряння – система евакуації диму. Радіус операційного простору – до 1200 мм. Система охолодження – автономна, повітряно-рідинного типу. Розміщення в операційній напольне або настільне. Електроживлення (змінний струм) – 220 В, 50 Гц, 600 Вт. Габаритні розміри, маса варіюють. Як можна помітити, основною відмінністю лазера для хірургії від інших медичних лазерів є висока потужність випромінювання, особливо у імпульсі. Це необхідно, щоб за час дії імпульсу тканинна речовина встигла поглинути випромінювання, розігрітися і випаруватися в навколишній повітряний простір. В основному всі хірургічні лазери працюють у середній інфрачервоній області оптичного діапазону.

Для проведення операцій у мобільному варіанті підходить JIM-10 – лазерний хірургічний апарат "Лазермед" – останнє досягнення в галузі лазерної техніки. Побудований на основі напівпровідникових лазерів, що випромінюють на довжині хвилі 1,06 мкм, апарат відрізняється високою надійністю, малими габаритними розмірами та вагою. Вихідна потужність випромінювання – 0-7(10) Вт, габарити в упакованому стані 470 х 350 х 120 мм, маса не більше 8 кг. Цей апарат виконаний у вигляді валізи, яку у разі потреби можна трансформувати у робоче положення.

Також серед продукції інших вітчизняних фірм-виробників можна вказати такі хірургічні комплекси: АЛОД-ОБАЛКОМ "Хірург" (хірургічний лазерний апарат ближнього ІЧ-діапазону з регульованою потужністю випромінювання). Пропонується 5 модифікацій, що відрізняються максимальною потужністю лазерного випромінювання - 6 Вт, 9 Вт, 12 Вт, 15 Вт, 30 Вт. Використовуються для ПТ-терапії (коагуляції, видалення новоутворень, розрізання тканин), установки на основі вуглекислотного, YAG-неодимового (загальна хірургія) та аргонового (офтальмологія) лазера компанії, а також багато інших на основі як газових, так і твердотільних та напівпровідникових активних середовищ.

Існує багато зарубіжних і вітчизняних аналогів, принципи використання яких аналогічні вищевикладеним.

3. Світловий пробій

Світловий пробій (оптичний пробій, оптичний розряд, лазерна іскра), перехід речовини в результаті інтенсивної іонізації в стан плазми під дією електромагнітних полів оптичних частот. Вперше світловий пробій спостерігався в 1963 при фокусуванні у повітрі випромінювання потужного імпульсного лазера на кристалі рубіну, що працює в режимі модульованої добротності. При світловому пробої у фокусі лінзи виникає іскра, ефект сприймається спостерігачем як яскравий спалах, що супроводжується сильним звуком. Для пробою газів на оптичних частотах потрібні величезні електричні поля порядку 106-107 В/см, що відповідає інтенсивності світлового потоку в промені лазера =109-1011 Вт/см 2 (для порівняння, НВЧ-пробою повітря повітря відбувається при напруженості поля =104 В/см). Можливі два механізми Світловий пробій газу під дією інтенсивного світлового випромінювання. Перший з них не відрізняється за своєю природою від пробою газів у полях невеликих частот (сюди відноситься і НВЧ-діапазон). Перші затравальні електрони, що з'явилися з тих чи інших причин у полі, спочатку набирають енергію, поглинаючи фотони при зіткненнях з атомами газу. Цей процес є зворотним по відношенню до гальмівного випромінювання квантів при розсіянні ел-нов нейтр. збудженими атомами. Нагромадивши енергію, достатню для іонізації, ел-н іонізує атом, і замість одного з'являються два повільні ел-на, процес повторюється. Так розвивається лавина (див. Лавинний розряд). У сильних полях такий процес здійснюється досить швидко і в газі спалахує пробій. Другий механізм виникнення Світловий пробій, характерний саме для оптичних частот, має суто квантову природу. Електрони можуть відриватися від атомів в результаті багатоквантового фотоефекту, тобто при одночасному поглинанні кількох фотонів. Одноквантовий фотоефект у разі частот видимого діапазону неможливий, оскільки потенціали іонізації атомів у кілька разів перевищують енергію кванта. Так, напр., Енергія фотона рубінового лазера дорівнює 1,78 еВ, а іонізаційний потенціал аргону дорівнює 15,8 еВ, тобто для відриву електрона потрібно 9 фотонів. Зазвичай багатофотонні процеси малоймовірні, але їх швидкість різко підвищується зі збільшенням щільності числа фотонів, а за тих високих інтенсивностях, у яких спостерігають світловий пробою, ймовірність їх сягає значної величини. У щільних газах, при тисках порядку атмосферного і вище, завжди відбувається лавинна іонізація, багатофотонні процеси тут є лише причиною появи перших ел-нов. У розріджених газах і в полях пікосекундних імпульсів, коли електрони вилітають з області дії поля, не встигнувши випробувати багато зіткнень, лавина не розвивається і Світловою пробою можливий тільки за рахунок безпосереднього виривання ел-нів з атомів під дією світла. Це можливо тільки за дуже сильних світлових полів >107 В/см. При високих тисках світловий пробій спостерігається в набагато слабших полях. Весь механізм Світловою пробою складний і різноманітний.

Основні світлові величини

Світловий пробій спостерігається і в конденсованих середовищах при поширенні в них потужного лазерного випромінювання і може стати причиною руйнування матеріалів і оптичних деталей лазерних пристроїв.

Використання напівпровідникового лазера відкриває нові можливості в якості та термінах лікування. Цей високотехнологічний хірургічний інструмент та апарат може застосовуватися для профілактики та ведення рани у післяопераційному періоді. Це стає можливим за рахунок використання фізіотерапевтичних властивостей лазерного випромінювання інфрачервоного спектру, що має виражений протизапальний ефект, бактеріостатичну та бактерицидну дію, і надає стимулюючий вплив на тканинний імунітет та процеси регенерації. Окремо варто згадати можливість використання діодного лазера для відбілювання зубів на 3-4 тони за одне відвідування. Тим не менш, найчастішими областями застосування лазера є хірургія та пародонтологія.

Результати, отримані під час роботи з лазером, дають підстави стверджувати: діодний лазер - це незамінний помічник лікаря у щоденній роботі, що підтверджується і позитивними відгуками пацієнтів. На їхню думку, застосування даного виду лікування є обґрунтованим і комфортним. Операція проходить безкровно, швидко, післяопераційний етап переноситься легше.

Об'єктивно спостерігаються зменшення термінів загоєння в 2 рази, менші болючі відчуття під час і після операцій, що дозволяють обходитися без анестетиків, швидший перебіг регенерації, відсутність набряків - не дивно, що все більша кількість пацієнтів воліють проведення маніпуляції лазером. Але це ще не все – розроблена методика ведення пацієнтів із захворюванням пародонту дозволяє зменшити кількість та відстрочити проведення клаптевих операцій. Також отримані обнадійливі результати в ендодонтії - дуже перспективним є проведення обробки каналів лазерним світлом.

Області застосування. Діодні лазери відмінно препарують, знезаражують, коагулюють та реконструюють м'які тканини, завдяки чому з їх допомогою можна успішно виконувати такі маніпуляції:

* Корекція ясен при підпротезній підготовці полегшує роботу з матеріалами. Безкровне поле дає безпосередній доступ до поверхонь, закритих слизовою оболонкою.

* Пластика вуздечок - усуваються короткі вуздечки язика та верхньої губи, пластика присінка порожнини рота. Найчастіше успішно проводиться повне видалення вуздечки. У процесі загоєння спостерігається мінімальне утворення набряку – значно менше, ніж рани від втручання скальпелем.

* Обробка пародонтальних кишень при гінгівіті та початковому пародонтиті. Після проведення курсу опромінення досягається швидкий та добрий результат. Також помічено, що тверді зубні відкладення після дії лазерного випромінювання легко видаляються.

* Гінгівопластика. Гінгівальна гіперплазія, що виникає в результаті ортодонтичного лікування, механічного подразнення зустрічається все частіше. Відомо, що стимуляція слизових оболонок тканин призводить до патологічного покриття зуба. Реакція тканини стала, зазвичай потрібно видалення зайвої тканини. Лазерна хірургія є ефективним методом видалення зайвої тканини, що відновлює нормальний зовнішній вигляд слизової оболонки.

* Лікування афтозних виразок та гіперестезій герпесу. Використовуються фізіотерапевтичні можливості діодного лазера. Енергія лазера у вигляді несфокусованого пучка, спрямована на поверхню даних ушкоджень, впливає на нервові закінчення (при гіперестезіях). Найважчі випадки вимагають наявності легкого поверхневого контакту.

* Косметична реконструкція слизової. Ця маніпуляція є досконалим естетичним способом лікування. Лазери дозволяють видаляти тканину пошарово. Відсутність кровотечі дозволяє проводити ці операції з більшою точністю. Десневі тканини легко випаровуються, залишаючи чіткі краї. Параметри ширини, довжини розрізів та висоти гінгівальних контурів легко досягаються.

* Пародонтологічне лікування. У цій ситуації найбільш успішним є комплексний підхід, що поєднує хірургію та фізіотерапію. Є програми лікування, що призводять до тривалої ремісії за дотримання пацієнтом рекомендацій щодо гігієни порожнини рота. При першому відвідуванні проводиться купірування гострого процесу, потім проводиться санація патологічних кишень, при необхідності виконуються хірургічні маніпуляції з використанням додаткових кісткових матеріалів. Далі пацієнт проходить підтримуючий курс лазерної терапії. Період лікування триває в середньому 14 днів.

* Ендодонтичне лікування. Традиційне застосування лазера в ендодонтії - це випарювання залишків пульпи та знезараження каналів. Спеціальні ендодонтичні насадки дозволяють працювати безпосередньо у відкритому каналі до апекса. За допомогою лазера відбувається аблація залишків тканин, знищення бактерій та скління стінок каналів. За наявності фістули лазерний промінь проходить через канал фістули у бік запалення. При цьому на деякий час зупиняється поширення інфекції та пригнічуються симптоми, проте рецидив очевидний, якщо кореневий канал не буде повноцінно оброблений.

* Відбілювання. Не варто відмахуватися від того факту, що це одна з найбільш популярних серед пацієнтів естетичних процедур. За допомогою діодного лазера істотного ефекту, що відбілює, вдається досягти вже за одне відвідування. Сама процедура гранично проста і полягає в активації лазерним випромінюванням попередньо нанесеного гелю, що відбілює.

Переваги. У хірургічній стоматології та пародонтології переваги лазера визначаються такими факторами, як точність та простота доступу до операційного поля. При цьому під час операції відсутня кровотеча, що дозволяє операційному полю залишатися сухим, а це природно забезпечує кращий огляд - в результаті зменшується час проведення операції. Додатково слід зазначити, що під час операції судини коагулюються, тим самим відбувається мінімізація післяопераційного набряку.

Також за рахунок протизапальної та бактеріостатичної дії лазерного випромінювання зменшується ризик виникнення ускладнень. Загоєння ран відбувається швидше, порівняно з використанням традиційних методик.

При лазерному консервативному лікуванні гінгівіту та пародонтиту з глибиною кишень до 5 мм відзначається відсутність кровоточивості та запальних явищ, у ряді випадків спостерігається регенерація кісткової тканини, що підтверджується рентгенологічними дослідженнями.

При проведенні відбілювання, крім невеликого часу, процедури (близько 1 години) значною перевагою є мінімальний прояв гіперчутливості після процедури відбілювання.

Вітчизняні розробки. Як бачите, переваг використання діодних лазерів є чимало. Є правда й одна серйозна вада, властива всім інноваційним розробкам у всіх галузях людського знання - висока ціна. Справді, вартість таких апаратів, особливо виробництва відомих західних брендів, є значною. На щастя, у цій галузі є і російські розробки, причому це той досить рідкісний випадок (коли йдеться про високотехнологічні розробки), коли "російське" не означає "гірше". Ще з радянських часів вітчизняні розробки в галузі лазерних технологій не тільки не поступаються західним аналогам, але часто й перевершують їх – багато прототипів сучасних лазерних систем розроблялися саме в нашій країні.

Існує й вітчизняний напівпровідниковий стоматологічний лазер – це апарат "Ламі С" (спільна розробка УМЦ "Дента-Рус" та НВФ "Опттехніка"), яким вже зацікавилися деякі західні компанії, тому що ця продукція має велике значення. серед усього іншого незаперечною його перевагою є той факт, що вартість лазера в 3 рази нижча порівняно з імпортними аналогами.

В апараті використовуються напівпровідникові лазерні кристали, що працюють від низьковольтних малопотужних (350 Вт) джерел живлення, а не газорозрядні трубки, що потребують спеціального високовольтного джерела живлення. Така конструкція дозволяє вирішити відразу кілька завдань - відсутність високої напруги є певною гарантією безпеки для лікаря та пацієнта, немає шкідливих електромагнітних полів, не потрібне спеціальне охолодження.

Але повернемося до невисокої ціни приладу – це дозволяє значно швидше окупити фінансові вкладення та почати отримувати прибуток. Погодьтеся, крім покращення якості обслуговування пацієнтів, це також дуже важливо за умов комерційного прийому.

З інших особливостей апаратів "Ламі" має сенс відзначити такі - вони не вимагають особливих умов і спеціального обслуговування, малогабаритні і легко транспортуються в межах клініки, мають надійність і стабільність параметрів. Сервісне обслуговування організовано таким чином, що у разі виникнення несправностей на час ремонту лікар отримує інший апарат.

Висновок

Основними інструментами, які застосовує хірург для диссекції тканин, є скальпель та ножиці, тобто ріжучі інструменти. Однак рани та розрізи, що виробляються скальпелем та ножицями, супроводжуються кровотечею, що вимагає застосування спеціальних заходів гемостазу. Крім того, при контакті з тканинами ріжучі інструменти можуть поширювати мікрофлору та клітини злоякісних пухлин уздовж лінії розрізу. У зв'язку з цим з давніх-давен хірурги мріяли мати у своєму розпорядженні такий інструмент, який виробляв би безкровний розріз, одночасно знищуючи патогенну мікрофлору і пухлинні клітини в операційній рані. Втручання на “сухому операційному полі” є ідеалом для хірургів будь-якого профілю.

Спроби створити "ідеальний" скальпель відносяться до кінця минулого століття, коли було сконструйовано так званий електроніж, який працює з використанням струмів високої частоти. Цей прилад у більш досконалих випадках нині застосовують досить широко хірурги різних спеціальностей. Однак у міру накопичення досвіду виявлено негативні сторони "електрохірургії", основною з яких є надто велика зона термічного опіку тканин у сфері проведення розрізу. Відомо, що чим ширша зона опіку, тим гірше гоїться хірургічна рана. Крім того, при використанні електроніжа виникає необхідність включення тіла хворого в електричний ланцюг. Електрохірургічні апарати негативно впливають на роботу електронних приладів та пристроїв стеження за життєдіяльністю організму під час операції. Кріохірургічні апарати також викликають значне пошкодження тканин, що погіршує процес загоєння. Швидкість розтину тканин кріоскальпелем дуже низька. Фактично при цьому відбувається не розтин, а деструкція тканин. Значну зону опіку спостерігають при використанні плазмового скальпеля. Якщо взяти до уваги, що промінь лазера має виражені гемостатичні властивості, а також здатність герметизувати бронхіоли, жовчовивідні протоки і протоки підшлункової залози, то застосування лазерної техніки в хірургії стає виключно перспективним. Коротко перелічені деякі переваги застосування лазерів у хірургії відносяться насамперед до лазерів на вуглекислому газі (С02-лазерам). Крім них, в медицині застосовують лазери, що працюють на інших принципах та інших робочих речовинах. Ці лазери мають принципово інші якості при впливі на біологічні тканини і застосовують за порівняно вузькими показаннями, зокрема в серцево-судинній хірургії, в онкології, для лікування хірургічних захворювань шкіри та видимих слизових оболонок та ін.

Зписок використаної літератури

1. О.М. Ремізів "Медична та біологічна фізика".

2. О.К. Скобелкіна "Лазери у хірургії під редакцією професора".

3. С.Д. Плетньова "Лазери у клінічній медицині" під редакцією".

Розміщено на Allbest.ru

...

Подібні документи

Основні напрямки та цілі медико-біологічного використання лазерів. Заходи захисту від лазерного випромінювання. Проникнення лазерного випромінювання у біологічні тканини, їх патогенетичні механізми взаємодії. Механізм лазерної біостимуляції.

реферат, доданий 24.01.2011

Поняття та призначення лазера, принцип дії та структура лазерного променя, характер його взаємодії з тканиною. Особливості практичного використання лазера в стоматології, оцінка основних переваг та недоліків даного методу лікування зубів.

реферат, доданий 14.05.2011

Загальне поняття про квантову електроніку. Історія розвитку та принцип влаштування лазера, властивості лазерного випромінювання. Низькоінтенсивні та високоінтенсивні лазери: властивості, дія на біологічні тканини. Застосування лазерних технологій у медицині.

реферат, доданий 28.05.2015

Процес лазерного випромінювання. Дослідження у галузі лазерів у діапазоні рентгенівських хвиль. Медичне застосування CO2-лазерів та лазерів на іонах аргону та криптону. Генерація лазерного випромінювання. Коефіцієнт корисної дії лазерів різних типів.

реферат, доданий 17.01.2009

Фізичні основи застосування лазерної техніки у медицині. Типи лазерів, принципи дії. Механізм взаємодії лазерного випромінювання з біотканинами. Перспективні лазерні методи в медицині та біології. Медична лазерна апаратура, що серійно випускається.

реферат, доданий 30.08.2009

Концепція лазерного випромінювання. Механізм впливу лазера на тканини. Його застосування в хірургії для розтину тканин, зупинки кровотечі, видалення патологій та зварювання біотканин; стоматології, дерматології, косметології, лікування захворювань сітківки.

презентація, додано 04.10.2015

Лазерні методи діагностики Оптичні квантові генератори Основні напрямки та цілі медико-біологічного використання лазерів. Ангіографія. Діагностичні можливості голографії Термографія. Лазерна медична установка для променевої терапії.

реферат, доданий 12.02.2005

Фізична природа та лікувальні дії ультразвуку. Основні напрямки його медико-біологічного застосування. Небезпека та побічні ефекти ультразвукового дослідження. Сутність ехокардіографії. Постановка діагнозу захворювань внутрішніх органів.

презентація , додано 10.02.2016

Застосування іонізуючого випромінювання у медицині. Технологія лікувальних процедур. Установки для дистанційної променевої терапії. Застосування ізотопів у медицині. Засоби захисту від іонізуючого випромінювання. Процес отримання та використання радіонуклідів.

презентація , доданий 21.02.2016

Ознайомлення з історією відкриття та властивостями лазерів; приклади використання у медицині. Розгляд будови ока та його функцій. Захворювання органів зору та методи їх діагностики. Вивчення сучасних методів корекції зору за допомогою лазерів.

Лазерне випромінювання в медицині є вимушеною або стимульованою хвилею оптичного діапазону довжиною від 10 нм до 1000 мкм (1 мкм=1000 нм).

Лазерне випромінювання має:
- когерентність - узгоджене перебіг у часі кількох хвильових процесів однієї частоти;
- монохроматичність – одна довжина хвилі;
- поляризованість - упорядкованість орієнтації вектора напруженості електромагнітного поля хвилі в площині, що перпендикулярна її поширенню.

Фізична та фізіологічна дія лазерного випромінювання

Лазерне випромінювання (ЛИ) має фотобіологічну активність. Біофізичні та біохімічні реакції тканин на ЛИ різні і залежать від діапазону, довжини хвилі та енергії фотона випромінювання:

ІЧ-випромінювання (1000 мкм – 760 нм, енергія фотонів 1-1,5 ЕВ) проникає на глибину 40-70 мм, викликає коливальні процеси – теплову дію;
- видиме випромінювання (760-400 нм, енергія фотонів 2,0-3,1 ЕВ) проникає на глибину 0,5-25 мм, викликає дисоціацію молекул та активацію фотохімічних реакцій;
- УФ-випромінювання (300-100 нм, енергія фотонів 3,2-12.4 ЕВ) проникає на глибину 0,1-0,2 мм, викликає дисоціацію та іонізацію молекул -фотохімічну дію.

Фізіологічна дія низькоінтенсивного лазерного випромінювання (НДІ) реалізується нервовим та гуморальним шляхом:

Зміна у тканинах біофізичних та хімічних процесів;
- Зміна обмінних процесів;
- Зміна метаболізму (біоактивація);
- морфологічні та функціональні зміни в нервовій тканині;
- Стимуляція серцево-судинної системи;
- Стимуляція мікроциркуляції;
- підвищення біологічної активності клітинних та тканинних елементів шкіри, активізує внутрішньоклітинні процеси у м'язах, окисно-відновні процеси, утворення міофібрил;
- Підвищує стійкість організму.

Високоінтенсивне лазерне випромінювання (10,6 та 9,6 мкм) викликає:

Термічний опік тканини;
- коагуляцію біологічних тканин;
- обвуглювання, згоряння, випаровування.

Лікувальна дія низькоінтенсивного лазера (НДІ)

Протизапальне, зниження набряклості тканини;
- аналгетичну;
- Стимуляція репаративних процесів;
- рефлексогенний вплив – стимуляція фізіологічних функцій;
- генералізований вплив - стимуляція імунної відповіді.

Лікувальна дія високоінтенсивного лазерного випромінювання

Антисептична дія, утворення коагуляційної плівки, захисний бар'єр від токсичних агентів;
- різання тканин (лазерний скальпель);
- Зварювання металевих протезів, ортодонтичних апаратів.

Показання НИЛИ

Гострі та хронічні запальні процеси;
- травма м'яких тканин;
- опік та відмороження;
- Шкірні захворювання;
- захворювання периферичної нервової системи;
- Захворювання опорно-рухового апарату;
- серцево-судинні захворювання;
- захворювання органів дихання;
- захворювання шлунково-кишкового тракту;
- захворювання сечостатевої системи;
- захворювання вуха, горла, носа;
- Порушення імунного статусу.

Показання до лазерного випромінювання у стоматології

захворювання слизової оболонки порожнини рота;
- захворювання пародонту;
- некаріозні ураження твердих тканин зубів та карієс;
- пульпіт, періодонтит;
- запальний процес та травма щелепно-лицьової області;
- захворювання СНЩС;
- Лицеві болі.

Протипоказання

Пухлини доброякісні та злоякісні;
- вагітність до 3 місяців;
- тиреотоксикоз, діабет 1 типу, хвороби крові, недостатність функції дихання, нирок, печінки, кровообігу;
- гарячкові стани;
- психічні захворювання;
- Наявність імплантованого водія ритму;
- судомні стани;
- Індивідуальна непереносимість фактора.

Апаратура

Лазери - технічний пристрій, що випромінює у вузькому оптичному діапазоні. Сучасні лазери класифікуються:

По активній речовині (джерело індукованого випромінювання) -твердотільні, рідинні, газові та напівпровідникові;
- по довжині хвилі та випромінювання - інфрачервоні, видимі та ультрафіолетові;
- за інтенсивністю випромінювання - низькоінтенсивні та високоінтенсивні;
- за режимом генерації випромінювання - імпульсний та безперервний.

Апарати комплектуються випромінюючими головками та спеціалізованими насадками - стоматологічні, дзеркальні, акупунктурні, магнітні та ін., що забезпечують ефективність лікування, що проводиться. Поєднане використання лазерного випромінювання та постійного магнітного поля посилює лікувальний ефект. Серійно виробляються в основному три види лазерної терапевтичної апаратури:

1) на базі гелій-неонових лазерів, що працюють у безперервному режимі генерації випромінювання з довжиною хвилі 0,63 мкм та вихідною потужністю 1-200 мВт:

УЛФ-01, «Ягода»
- АФЛ-1, АФЛ-2
- ШАТЛ-1
- АЛТМ-01
- ФАЛМ-1
- «Платан-М1»
- "Атол"
- АЛОК-1 – апарат лазерного опромінення крові

2) на базі напівпровідникових лазерів, що працюють у безперервному режимі генерації випромінювання з довжиною хвилі 0,67-1,3 мкм та вихідною потужністю 1-50 мВт:

АЛТП-1, АЛТП-2
- «Ізель»
- «Мазик»
- «Віта»
- «Дзвіночок»

3) на базі напівпровідникових лазерів, що працюють в імпульсному режимі генерації випромінювання з довжиною хвилі 0,8-0,9 мкм, потужністю імпульсу 2-15 Вт:

- "Візерунок", "Візерунок-2К"
- "Лазурит-ЗМ"
- "Люзар-МП"
- "Нега"
- "Азор-2К"
- "Ефект"

Апарати для магнітолазерної терапії:

- "Млада"
- АМЛТ-01
- "Світоч-1"
- "Лазур"
- "Ерга"
- МІЛТА - магніто-інфрачервоний

Техніка та методика лазерного випромінювання

Чи вплив проводять на вогнище ураження або органу, сегментарно-метамерної зони (нашкірно), біологічно активної точки. При лікуванні глибокого карієсу та пульпіту біологічним методом опромінення проводять у ділянці дна каріозної порожнини та шийки зуба; періодонтиту - світловод вводять у кореневий канал, попередньо механічно та медикаментозно оброблений, і просувають до верхівки кореня зуба.

Методика проведення лазерного опромінення - стабільна, стабільно-скануючий або скануючий, контактний або дистанційний.

Дозування

Відповідні реакції на ЛІ залежать від параметрів дозування:

Довжина хвилі;
- методика;
- режим роботи - безперервний чи імпульсний;
- Інтенсивність, щільність потужності (ПМ): низькоінтенсивне-М'яке (1-2 мВт) застосовують для впливу на рефлексогенні зони; середня (2-30 мВт) та жорстка (30-500 мВт) - на область патологічного вогнища;
- час на одне поле - 1-5 хв, сумарний час трохи більше 15 хв. щодня чи через день;
- курс лікування 3-10 процедур, повторний через 1-2 місяці.

Техніка безпеки

Очі лікаря та пацієнта захищають окулярами СЗС-22, СЗО-33;
- Не можна дивитися на джерело випромінювання;
- стіни кабінету мають бути матовими;
- натискати на кнопку «пуск» після встановлення випромінювача на патологічне вогнище.

ВСТУП

1 ЛАЗЕРИ ТА ЇХ ЗАСТОСУВАННЯ В МЕДИЦІНІ

2 ОСНОВНІ НАПРЯМКИ І ЦІЛІ МЕДИКО-БІОЛОГІЧНОГО ВИКОРИСТАННЯ ЛАЗЕРІВ

3 ФІЗИЧНІ ОСНОВИ ЗАСТОСУВАННЯ ЛАЗЕРІВ У МЕДИЧНІЙ ПРАКТИЦІ

4 ЗАХОДИ ЗАХИСТУ ВІД ЛАЗЕРНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ

5 ПРОНИКНЕННЯ ЛАЗЕРНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ У БІОЛОГІЧНІ ТКАНИНИ

6 ПАТОГЕНЕТИЧНІ МЕХАНІЗМИ ВЗАЄМОДІЇ ЛАЗЕРНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ З БІОЛОГІЧНИМИ ТКАНИНАМИ

7 МЕХАНІЗМИ ЛАЗЕРНОЇ БІОСТИМУЛЯЦІЇ

ВИКОРИСТАНА ЛІТЕРАТУРА

ВСТУП

Основними інструментами, які застосовує хірург для диссекції тканин, є скальпель та ножиці, тобто ріжучі інструменти. Однак рани та розрізи, що виробляються скальпелем та ножицями, супроводжуються кровотечею, що вимагає застосування спеціальних заходів гемостазу. Крім того, при контакті з тканинами ріжучі інструменти можуть поширювати мікрофлору та клітини злоякісних пухлин уздовж лінії розрізу. У зв'язку з цим з давніх-давен хірурги мріяли мати у своєму розпорядженні такий інструмент, який виробляв би безкровний розріз, одночасно знищуючи патогенну мікрофлору і пухлинні клітини в операційній рані. Втручання на "сухому операційному полі" є ідеалом для хірургів будь-якого профілю.

Спроби створити «ідеальний» скальпель відносяться до кінця минулого століття, коли було сконструйовано так званий електроніж, який працює з використанням струмів високої частоти. Цей прилад у більш досконалих випадках нині застосовують досить широко хірурги різних спеціальностей. Однак у міру накопичення досвіду виявлено негативні сторони «електрохірургії», основною з яких є надто велика зона термічного опіку тканин у сфері проведення розрізу. Відомо, що чим ширша зона опіку, тим гірше гоїться хірургічна рана. Крім того, при використанні електроніжа виникає необхідність включення тіла хворого в електричний ланцюг. Електрохірургічні апарати негативно впливають на роботу електронних приладів та пристроїв стеження за життєдіяльністю організму під час операції. Кріохірургічні апарати також викликають значне пошкодження тканин, що погіршує процес загоєння. Швидкість розтину тканин кріоскальпелем дуже низька. Фактично при цьому відбувається не розтин, а деструкція тканин. Значну зону опіку спостерігають при використанні плазмового скальпеля. Якщо взяти до уваги, що промінь лазера має виражені гемостатичні властивості, а також здатність герметизувати бронхіоли, жовчовивідні протоки і протоки підшлункової залози, то застосування лазерної техніки в хірургії стає виключно перспективним. Коротко перелічені деякі переваги застосування лазерів у хірургії ставляться насамперед лазерів на вуглекислому газі (С0 2 -лазерам). Крім них, в медицині застосовують лазери, що працюють на інших принципах та інших робочих речовинах. Ці лазери мають принципово інші якості при впливі на біологічні тканини і застосовують за порівняно вузькими показаннями, зокрема в серцево-судинній хірургії, в онкології, для лікування хірургічних захворювань шкіри та видимих слизових оболонок та ін.

1 ЛАЗЕРИ ТА ЇХ ЗАСТОСУВАННЯ В МЕДИЦІНІ

Друга ідея, реалізована під час створення лазерів, полягає у створенні термодинамічно нерівноважних систем, у яких всупереч закону Больцмана, більш високому рівні перебуває більше частинок, ніж нижчому. Стан середовища, в якому хоча б для двох енергетичних рівнів виявляється, що кількість частинок з більшою енергією перевищує кількість частинок з меншою енергією, називається станом з інверсною населеністю рівнів, а середовище - активним. Саме активне середовище, в якому фотони взаємодіють зі збудженими атомами, викликаючи їх вимушені переходи на нижчий рівень з випромінюванням квантів індукованого (вимушеного) випромінювання, є робочою речовиною лазера. Стан з інверсною населеністю, рівнів формально виходить із розподілу 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.

Перший такий генератор у діапазоні НВЧ (мазер) був сконструйований у 1955 р. незалежно радянськими вченими Н. Г. Басоїм та А. М. Прохоровим та американськими – Ч. Таунсом та ін. Оскільки робота цього приладу була заснована на вимушеному випромінюванні молекул аміаку, то генератор був названий молекулярним.

У 1960 р. було створено перший квантовий генератор видимого діапазону випромінювання - лазер із кристалом рубіну як робочої речовини (активного середовища). У тому ж році було створено газовий гелій-неоновий лазер. Все велике різноманіття створених нині лазерів можна класифікувати за видами робочої речовини: розрізняють газові, рідинні, напівпровідникові та твердотільні лазери. Залежно від типу лазера енергія до створення інверсної населеності повідомляється різними способами: збудження дуже інтенсивним світлом - «оптична накачування», електричним газовим розрядом, у напівпровідникових лазерах - електричним струмом. За характером світіння лазери поділяють на імпульсні та безперервні.

Розглянемо принцип роботи твердотільного рубінового лазера. Рубін - це кристал окису алюмінію Аl 2 0 3 містить у вигляді домішки приблизно 0,05% іонів хрому Сг 3+ . Порушення іонів хрому здійснюють методом оптичного накачування за допомогою імпульсних джерел світла великої потужності. В одній із конструкцій застосовують трубчастий відбивач, що має у перерізі форму еліпса. Усередині відбивача поміщені пряма імпульсна ксенонова лампа і рубіновий стрижень, розташовані вздовж ліній, що проходять через фокуси еліпса (рис. 1). Внутрішня поверхня алюмінієвого відбивача добре відполірована або посріблена. Основна властивість еліптичного відбивача полягає в тому, що світло, що вийшло з одного його фокусу (ксенонової лампи) і відбите від стінок, потрапляє в інший фокус відбивача (рубіновий стрижень).

Рубіновий лазер працює за трирівневою схемою (рис. 2 а). В результаті оптичного накачування іони хрому переходять з основного рівня 1 в короткоживуче збуджений стан З. Потім відбувається безвипромінювальний перехід в довгоживучий (метастабільний) стан 2, з якого ймовірність спонтанного випромінювального переходу відносно мала. Тому відбувається накопичення збуджених іонів у стані 2 і створюється інверсна населеність між рівнями 1 та 2. У звичайних умовах перехід з 2-го на 1-й рівень відбувається спонтанно та супроводжується люмінесценцією з довжиною хвилі 694,3 нм. У резонаторі лазера є два дзеркала (див. рис. 1), одне з яких має коефіцієнт відображення R інтенсивності відбитого і падаючого на дзеркало світла), інше дзеркало напівпрозоре і пропускає частину випромінювання, що падає на нього (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.

Основним конструктивним елементом гелій-неонового лазера (рис. 3) є газорозрядна трубка діаметром близько 7 мм. У трубку вмонтовані електроди для створення газового розряду та збудження гелію. На кінцях трубки під кутом Брюстера розташовані вікна, завдяки яким випромінювання виявляється плоскополяризованим. Плоскопаралельні дзеркала резонатора монтуються поза трубкою, одне з них напівпрозоре (коефіцієнт відображення R< 100%). Таким образом, пучок вынужденного излучения выходит наружу через полупрозрачное зеркало. Это лазер непрерывного действия.

На когерентності лазерного випромінювання ґрунтується їх застосування в голографії. .На основі гелій-неонового лазера з використанням волоконної оптики розроблені гастроскопи, які дозволяють голографічно формувати об'ємне зображення внутрішньої порожнини шлунка.

2hv = Et-Ek,

Однак якщо збільшити інтенсивність світла, то стає можливим двофотонне поглинання. Наприклад, опромінення розчинів ДНК високоінтенсивним імпульсним лазерним випромінюванням з довжиною хвилі близько 266 нм призводило до іонізації молекул ДНК, подібної до викликаної у-випромінюванням. Вплив ультрафіолету з низькою інтенсивністю іонізації не викликав. Встановлено, що при опроміненні водних розчинів нуклеїнових кислот або їх основ пікосекундними (тривалість імпульсу 30 пс) або наносекундними (10 нс) імпульсами з інтенсивністю вище 10 6 Вт/см 2 призводило до електронних переходів, що завершувалися іонізацією молекул. При пікосекундних імпульсах (рис. 4 а) заселення високих електронних рівнів відбувалося за схемою (S 0 -> S1 -> S n), а при hv hv наносекундних (рис. 4. б) - за схемою (S 0 -> S1 - Т г -> Т п). В обох випадках молекули отримували енергію, що перевищує енергію іонізації.

Поглинання будь-якого випромінювання призводить до виділення деякої кількості енергії у вигляді тепла, що розсіюється від збуджених молекул у навколишній простір. Інфрачервоне випромінювання поглинається переважно водою і викликає переважно теплові ефекти. Тому випромінювання високоінтенсивних інфрачервоних лазерів викликає помітну негайну теплову дію на тканині. Під тепловим впливом лазерного випромінювання в медицині розуміють в основному випаровування (різання) та коагуляцію біотканин. Це стосується різних лазерів з інтенсивністю від 1 до 107 Вт/см 2 і з тривалістю опромінення від мілісекунд до декількох секунд. До них відносяться, наприклад, газовий С0 2 -лазер (з довжиною хвилі 10,6 мкм), Nd:YAG-лазep (1,064 мкм) та інші. Nd:YAG-лазep - найбільш широко використовуваний твердотільний чотирирівневий лазер. Генерація здійснюється на переходах іонів неодиму (Nd 3+), введених у кристали Y 3 Al 5 0 12 ітрій-алюмінієвого гранату (YAG).

Коли випромінювання походить від високоінтенсивного сфокусованого лазера, кількість тепла, що виділяється велике, в тканині виникає температурний градієнт. У місці падіння променя тканина випаровується, в прилеглих областях відбувається обвуглювання і коагуляція (рис. 6). Фотовипар є способом пошарового видалення або розрізання тканини. Внаслідок коагуляції заварюються судини та зупиняється кровотеча. Так сфокусованим променем безперервного С02-лазера () з потужністю близько 2103 Вт/см2 користуються як хірургічним скальпелем для розрізання біологічних тканин.

Якщо зменшувати тривалість дії (10 - 10 с) і збільшувати інтенсивність (вище 10 6 Вт/см 2 ), то розміри зон обвуглювання та коагуляції стають дуже малими. Такий процес називають фотоабляцією (фотовидаленням) і використовують для пошарового видалення тканини. Фотоабляція виникає при густині енергії 0,01-100 Дж/см 2 .

При подальшому підвищенні інтенсивності (10 Вт/см і вище) можливий ще один процес – оптичний пробій. Це явище полягає в тому, що через дуже високу напруженість електричного поля лазерного випромінювання (порівняної з напруженістю внутрішньоатомних електричних полів) матерія іонізації, утворюється плазма і генеруються механічні ударні хвилі. Для оптичного пробою не потрібно поглинання квантів світла речовиною у звичному значенні, він спостерігається прозорих середовищах, наприклад у повітрі.

2 ОСНОВНІ НАПРЯМКИ І ЦІЛІ МЕДИКО-БІОЛОГІЧНОГО ВИКОРИСТАННЯ ЛАЗЕРІВ

Сучасні напрямки медико-біологічного застосування лазерів можна розділити на дві основні групи Перша - використання лазерного випромінювання як інструмент дослідження. І тут лазер грає роль унікального світлового джерела при спектральних дослідженнях, лазерної мікроскопії, голографії та інших. Друга група - основні шляхи використання лазерів як інструмент на біологічні об'єкти. Можна виділити три типи такого впливу.

Перший тип - вплив на тканини патологічного вогнища імпульсним або безперервним лазерним випромінюванням при щільності потужності порядку 10 5 Вт/м 2 недостатньою для глибокого зневоднення, випаровування тканин і виникнення в них дефекту. Цьому типу впливу відповідає, зокрема, застосування лазерів у дерматології та онкології для опромінення патологічних тканинних утворень, що призводить до їхньої коагуляції. Другий тип-розтин тканин, коли під впливом випромінювання лазера безперервного або частотно-періодичного (імпульси, що йдуть з великою частотою) дії частина тканини випаровується і в ній виникає дефект. В цьому випадку щільність потужності випромінювання може перевищувати використовувану при коагуляції на два порядки (10 7 Вт/м 2) і більше. Цьому типу впливу відповідає застосування лазерів у хірургії. Третій тип - вплив на тканини та органи низькоенергетичного випромінювання (одиниці або десятки ватів на квадратний метр), що зазвичай не викликає явних морфологічних змін, але призводить до певних біохімічних та фізіологічних зрушень в організмі, тобто вплив фізіотерапевтичного типу. До цього типу слід віднести застосування гелій-неонового лазера з метою біостимуляції при мляво поточних ранових процесах, трофічних виразках та ін.

Завдання досліджень механізму біологічної дії лазерної радіації зводиться до вивчення тих процесів, які лежать в основі інтегральних ефектів, що викликаються опроміненням: коагуляції тканин, їх розсічення, біостимуляційних зрушень в організмі.

3 ФІЗИЧНІ ОСНОВИ ЗАСТОСУВАННЯ ЛАЗЕРІВ У МЕДИЧНІЙ ПРАКТИЦІ

Принцип дії лазерів ґрунтується на квантово-механічних процесах, що протікають в обсязі робочого середовища випромінювача, пояснення яким дає квантова електроніка - область фізики, що досліджує взаємодію електромагнітного випромінювання з електронами, що входять до складу атомів та молекул робочого середовища.

Відповідно до принципів квантової електроніки будь-яка атомна система у процесі свого внутрішнього руху перебуває у станах з певними значеннями енергії, які називаються квантовими, тобто має строго певні (дискретні) значення енергії. Набір цих значень енергії утворює спектр атомної системи.

За відсутності зовнішнього збудження атомна система прагне стану, у якому її внутрішня енергія мінімальна. При зовнішньому збудженні перехід атома в стани з більшою енергією супроводжується поглинанням порції енергії, що дорівнює різниці енергій кінцевого Е і початкового Е станів. Цей процес записується у такому вигляді:

Em - E n =nV mn, (1)

де V mn - частота переходу зі стану п стан m; h – постійна Планка.

Як правило, середня тривалість перебування (час життя) атома у збудженому стані мала і збуджений атом мимоволі (спонтанно) переходить у стан з меншою енергією, випускаючи при цьому квант світла (фотон) з енергією, що визначається за формулою (1). При спонтанних переходах атоми випромінюють кванти світла хаотично, не взаємопов'язано. Вони розлітаються поступово в усіх напрямках. Процес спонтанних переходів спостерігається при світінні нагрітих тіл, наприклад ламп розжарювання та ін. Таке випромінювання немонохроматично.

При взаємодії збудженого атома із зовнішнім випромінюванням, частота якого відповідає частоті переходу атома зі стану з більшою енергією в стан із меншою енергією, існує ймовірність (тим більша, ніж вища інтенсивність зовнішнього випромінювання) переведення цим зовнішнім випромінюванням атома у стан із меншою енергією. При цьому атом випромінює квант світла, що має ті ж частоту v mn фазу, напрям поширення і поляризацію, що і змушує цей перехід квант світла зовнішнього випромінювання.

Такі переходи називаються вимушеними (індукованими). Саме наявність вимушеного випромінювання забезпечує можливість генерування когерентного випромінювання оптичних квантових генераторах-лазерах.

Тепер розглянемо, що станеться при розповсюдженні світла через систему, в якій є атоми з енергією Е т і Е n (для визначення приймемо E m >En). Число атомів з енергією Е га позначимо N m, а число атомів з енергією E n -N„. Числа N m і N„ прийнято називати населеністю рівнів з енергією Е ш та Е п відповідно.

У природних умовах більш високому енергетичному рівні частинок менше, ніж нижчому для будь-якого значення температури. Тому для будь-якого нагрітого тіла а величина негативна і відповідно до формули (2) поширення світла в речовині супроводжується його ослабленням. Для посилення світла необхідно мати N m >N n . Такий стан речовини називають станом із інверсією населеності. І тут поширення світла через речовину супроводжується його посиленням з допомогою енергії збуджених атомів.

Отже, процесу посилення випромінювання необхідно забезпечити перевищення населеності верхнього рівня переходу над нижнім.

p align="justify"> Для створення інверсії населеності застосовують різні способи, що полягають у використанні зовнішнього джерела збудження.

Атомну систему з інверсією населення прийнято називати активним середовищем. Для отримання генерації випромінювання необхідно вирішити проблему зворотного зв'язку. Активне середовище поміщають в оптичний резонатор, який у найпростішому випадку є двома взаємно паралельними плоскими дзеркалами, що обмежують з двох протилежних сторін активне середовище. При цьому одне з дзеркал резонатора частково пропускає випромінювання генерації і через нього здійснюється виведення випромінювання з резонатора, а інше дзеркало повністю відбиває випромінювання, що падає на нього.

Процес розвитку генерації у резонаторі представляється у такому вигляді. Після створення зовнішнім джерелом збудження в робочому середовищі інверсії населеності брати участь у розвитку процесу генерації буде лише випромінювання, яке поширюється вздовж осі резонатора. Це випромінювання, досягнувши поверхні дзеркала резонатора, що повністю відображає, і відбившись від нього, знову потрапляє в активне середовище і, поширюючись в ній, за рахунок вимушених переходів посилюється. Відбивши від частково відбиває дзеркала резонатора, частина посиленого випромінювання повертається в активне середовище і знову посилюється, а частина випромінювання виходить з резонатора. Далі зазначені процеси повторюються багаторазово, доки існує зовнішнє джерело збудження атомної системи.

Для того щоб процес генерації випромінювання був стійким, необхідно, щоб посилення випромінювання в активному середовищі за подвійний прохід в резонаторі було одно або більше повних втрат випромінювання на тому ж шляху. У повні втрати входять втрати в активному середовищі і те випромінювання, яке виводиться з резонатора через дзеркало, що частково відображає.

У сучасних лазерах кут розбіжності (9) лазерного пучка може досягати дифракційної межі та складати по порядку величин від кількох кутових секунд до десятків кутових хвилин.

Потужність лазерного випромінювання, що знімається з одиниці об'єму активного середовища, зрештою визначається потужністю зовнішнього джерела збудження, що підводиться до одиниці об'єму активного середовища. Максимальна повна потужність (енергія) лазерного випромінювання у досить широких межах пропорційна обсягу активного середовища та максимальної потужності (енергії) джерела зовнішнього збудження (накачування).

Основними особливостями лазерного випромінювання, що роблять його перспективним для застосування у різних галузях медицини, є високі спрямованість, монохроматичність та енергоємність.

Висока спрямованість лазерного випромінювання характеризується тим, що кутове розходження його пучка у вільному просторі досягає величин, що вимірюються десятками кутових секунд. Завдяки цьому можлива передача лазерного випромінювання у пучку на значні відстані без суттєвого збільшення його діаметра. Високі монохроматичність і спрямованість як імпульсного, так і безперервного лазерного випромінювання дозволяють фокусувати його в плями, які можна порівняти з довжиною хвилі випромінювання самого лазера. Таке гостре фокусування уможливлює опромінення медико-біологічних об'єктів на клітинному рівні. Крім того, таке фокусування дозволяє отримувати необхідний лікувальний ефект при невеликих енергіях лазерного випромінювання. Останнє особливо важливе при використанні лазерного випромінювання для обробки біооб'єктів, чутливих до світла.

2. Кут розходження лазерного пучка (6).

1 – непрозоре дзеркало, 2 – напівпрозоре дзеркало, 3 – лазерний світловий пучок.

Використання гострого фокусування при великих потужностях та енергіях опромінення дозволяє здійснювати випаровування та розріз біотканини, що й зумовило застосування лазера в хірургії.

Для об'єктів, малочутливих до світла (злоякісні пухлини), можливе опромінення потужним випромінюванням великих площах.

У всіх випадках характер впливу лазерного випромінювання на біологічні тканини залежить від довжини хвилі, щільності потужності та режиму випромінювання – безперервного чи імпульсного.

Випромінювання в червоній та інфрачервоній областях спектру при поглинанні біотканинами перетворюється на теплоту, яка може витрачатися на випаровування речовини, генерацію акустичних коливань, викликати біохімічні реакції.

Випромінювання у видимій області спектру, крім теплових ефектів, забезпечує умови для стимуляції фотохімічних реакцій. Так, застосування низькоінтенсивного випромінювання гелій-неонового лазера (довжина хвилі випромінювання 0,63 мкм) має клінічно достовірну дію, що призводить до прискорення загоєння трофічних і гнійних ран, виразок та ін. Однак механізм дії цього виду випромінювання до кінця не вивчений. Безперечно, що дослідження в цьому напрямку сприятимуть більш ефективному та осмисленому застосуванню цього виду випромінювання у клінічній практиці.

При використанні лазерів, що працюють у безперервному режимі випромінювання, переважає в основному теплова дія, яка проявляється при середніх рівнях потужностей в ефекті коагуляції, а при великих потужностях в ефекті випаровування біотканини.

В імпульсному режимі дія випромінювання на біологічні об'єкти складніша. Взаємодія випромінювання з живою тканиною тут носить вибуховий характер і супроводжується як тепловими (коагуляція, випаровування) ефектами, так і утворенням у біотканині хвиль стиснення та розрідження, що поширюються в глиб біотканини. При високих густинах потужності можлива іонізація атомів біотканини.

Таким чином, відмінність у параметрах лазерного випромінювання веде до відмінності у механізмі та результатах взаємодії, забезпечуючи лазерам широке поле діяльності для вирішення різних медичних завдань.

В даний час лазери застосовують у таких галузях медицини, як хірургія, онкологія, офтальмологія, терапія, гінекологія, урологія, нейрохірургія, а також з діагностичною метою.

У хірургії лазерний промінь знайшов широке застосування як універсальний скальпель, що перевершує за своїми ріжучими і кровоспинними властивостями електроніж. Механізм взаємодії лазерного скальпеля з біотканинами характеризується такими особливостями.

1. Відсутність прямого механічного контакту інструменту з біотканиною, що усуває небезпеку інфікування оперованих органів та забезпечує проведення операції на вільному операційному полі.

2. Гемостатична дія випромінювання, що дозволяє отримати практично безкровні розрізи, зупиняти кровотечу з тканин, що кровоточать.

3. Власна стерилізуюча дія випромінювання, що є активним засобом боротьби з інфікуванням ран, що запобігає ускладненням у післяопераційному періоді.

4. Можливість керування параметрами лазерного випромінювання, що дозволяє отримувати різні ефекти при взаємодії випромінювання з біотканинами.

5. Мінімальний вплив на довколишні тканини.

Різноманітність проблем, які у хірургії, зумовило необхідність всебічного вивчення можливостей застосування лазерів з різними параметрами і режимами випромінювання.

У хірургії як світловий скальпель найбільш широке застосування знайшли газові вуглекислотні лазери (довжина хвилі випромінювання 10,6 мкм), що працюють в імпульсному та безперервному режимі з потужністю випромінювання до 100 Вт.

Механізм дії випромінювання С02-лазера полягає в нагріванні біотканини за рахунок сильного поглинання нею лазерного випромінювання. Глибина проникнення цього випромінювання вбирається у 50 мкм. Залежно від густини потужності випромінювання його вплив проявляється в ефектах розрізу або поверхневої коагуляції біотканини.

Розріз тканини здійснюють сфокусованим лазерним променем за рахунок пошарового випаровування. Об'ємна щільність потужності при цьому досягає кількох сотень кіловат на 1 см 3 . Поверхнева коагуляція тканин досягається впливом на неї розфокусованим лазерним випромінюванням при об'ємних щільності близько декількох сотень ват на 1 см 3 .

При потужності лазерного випромінювання 20 Вт, діаметрі сфокусованого пучка лазерного випромінювання 1 мм (поверхнева щільність потужності 2,5 кВт/см 2) та глибині проникнення випромінювання 50 мкм об'ємна щільність потужності лазерного випромінювання, що йде на нагрівання біотканини, досягає 50 кВт. Така надзвичайно висока об'ємна щільність потужності лазерного випромінювання забезпечує швидке нагрівання та руйнування біотканини в зоні дії лазерного променя. При цьому спочатку відбувається розкладання біотканини з випаровуванням рідкої та карбонізацією твердої фаз. Повна карбонізація біотканини спостерігається в інтервалі температур 200-220 °С. Карбонізований каркас біотканини існує до температур 400-450 ° С і при подальшому підвищенні температури - вигоряє. При горінні карбонізованого каркасу температура газоподібних продуктів згоряння становить 800-1000 °С.

Глибина розрізу визначається швидкістю переміщення меж шару руйнування біотканини вглиб її. У цьому швидкість переміщення зазначеної межі залежить від швидкості переміщення точки фокусування лазерного променя вздовж лінії розрізу. Чим нижче швидкість переміщення точки фокусування вздовж лінії розрізу, тим більша глибина розрізу, і навпаки.

На відміну від випромінювання, = 10,6 мкм випромінювання АИГ-Nd-лазера має на порядок більшу глибину проникнення в біотканини, що, безсумнівно, є сприятливим фактором при коагуляції великих кровоносних судин при масивних кровотечах, а також для руйнування глибоколежачих пухлин.

Таким чином, випромінювання АІГ-Nd-лазера має яскраво виражену коагулюючу (ріжучу дію випромінювання цього лазера значно поступається такому С0 2 -лазера) дією, що і визначає його область практичного застосування.

4 ЗАХОДИ ЗАХИСТУ ВІД ЛАЗЕРНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ

Працюючи з лазерними установками потенційну небезпеку організму людини (пацієнта, медичного персоналу) представляє неконтрольоване пряме і розсіяне лазерне випромінювання. Найбільшу небезпеку воно становить для зору оператора, що працює з лазерною установкою. Однак розсіяне інфрачервоне лазерне випромінювання безперервних вуглекислотних лазерів установок Скальпель-1, Ромашка-1, Ромашка-2 повністю затримується шарами слізної рідини і рогівки ока і не досягає очного дна. Оскільки глибина проникнення лазерного випромінювання вбирається у 50 мкм, близько 70% його енергії поглинається слізної рідиною і близько 30% -роговицею.

Високоінтенсивне випромінювання вуглекислотного лазера, особливо якщо воно сфокусоване, може викликати локальне опікове ураження шкіри відкритих частин тіла – рук, обличчя. Вплив лазерного випромінювання на організм людини не проявляється тільки при інтенсивності опромінення нижче безпечного рівня, яке для вуглекислотного лазера безперервної дії становить для очей 0,1 Вт/см2. Відомо, що в клінічних умовах для досягнення необхідного клінічного ефекту застосовують рівні прямого опромінення, що в сотні і тисячі разів перевищують безпечний рівень, тому при роботі з вуглекислотними лазерними установками необхідне дотримання певних заходів захисту.

У приміщенні, де виконують операції з використанням вуглекислотного лазера, доцільно стіни і стеля покрити матеріалом з мінімальною здатністю, що відбиває, а апаратуру і прилади з гладкими блискучими поверхнями розмістити таким чином, щоб на них ні за яких обставин не міг потрапити прямий промінь, або відгородити їх ширмами, з темними матовими поверхнями. Перед входом до приміщення, в якому знаходиться установка, має бути встановлене світлове табло («Не_входить»__«Увімкнено лазер»), що вмикається під час лазерної операції.

Захист очей хворих та персоналу від прямого чи відбитого випромінювання вуглекислотного лазера надійно гарантується окулярами із звичайного оптичного скла. Бажано, щоб окуляри були виготовлені таким чином, щоб виключалася можливість попадання лазерного випромінювання через щілини між оправою та обличчям та забезпечувалося широке поле зору. Окуляри надягають тільки на час виконання лазерного етапу хірургічного втручання, щоб запобігти безпосередньому впливу лазерного опромінення на очі.

При роботі з вуглекислотними лазерними установками використання лазерних хірургічних інструментів підвищує небезпеку пошкодження шкіри рук та обличчя хірурга за рахунок відображення інструментів лазерного променя. Ця небезпека різко знижується при застосуванні інструментів, що мають спеціальне чорніння. «Чорнені» інструменти поглинають близько 90% лазерного випромінювання, що потрапляє на них, з довжиною хвилі 10,6 мкм. Інші інструменти - ранорозширювачі, кровоспинні затискачі, пінцети, апарати, що зшивають - також можуть відображати лазерний промінь. Однак у руках досвідченого хірурга будь-яке хірургічне втручання може бути виконане без направлення лазерного променя ці інструменти. Існує також небезпека займання операційного матеріалу, серветок, простирадлом та ін. при попаданні на них прямо спрямованого лазерного випромінювання, тому при роботі з ним необхідно в зоні передбачуваної лазерної обробки використовувати м'який матеріал, змочений в ізотонічному розчині хлориду натрію. Доцільно також у момент виконання лазерного етапу операції видаляти з поля дії лазерного випромінювання прилади та інструменти, виготовлені з пластичних мас, здатних спалахувати при високій температурі.

Не слід також забувати, що лазерна установка одночасно є пристроєм, що працює з використанням електроенергії. У зв'язку з цим при роботі з нею необхідно дотримуватись правил електробезпеки, що виконуються при експлуатації електроустановок споживачів.

Персонал, який працює з лазерними установками, повинен пройти спеціальну підготовку та мати відповідну кваліфікацію. Усі особи, які працюють з лазерним випромінюванням, регулярно, не менше одного разу на рік, повинні піддаватися медичному обстеженню, що включає огляд офтальмологом, терапевтом та невропатологом. Крім того, необхідний клінічний аналіз крові з перевіркою рівня гемоглобіну, числа лейкоцитів та лейкоцитарної формули. Проводять також основні печінкові проби.

При акуратному дотриманні викладених вище правил небезпека ушкодження органів, тканин та біологічних середовищ людського організму практично відсутня. Так, за 10-річний період роботи з різними лазерними установками, якими загалом було виконано кілька тисяч різних операцій, ми не спостерігали жодного випадку ураження очей та шкіри лазерним випромінюванням, а також змін у стані здоров'я в жодного із співробітників установи, пов'язаних із роботою на лазерних установках.

5 ПРОНИКНЕННЯ ЛАЗЕРНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ У БІОЛОГІЧНІ ТКАНИНИ

Закономірності, що керують проникненням випромінювання у тканини, мають безпосереднє відношення до проблеми механізму біологічної дії лазерної радіації. Одна з причин того, що випромінювання проникає на обмежену глибину, полягає в поглинанні лазерного випромінювання біологічними тканинами, а воно є, за рідкісним винятком, обов'язковою початковою ланкою, яка передує ланцюгу змін, що розвиваються в опроміненому організмі. Глибина проникнення лазерного випромінювання у тканини дуже важлива у практичному відношенні, оскільки вона є одним із факторів, що визначають межі можливого застосування лазерів у клініці.

Поглинання - це не єдиний процес, що призводить до ослаблення лазерного випромінювання при проходженні через біологічні тканини. Одночасно з поглинанням випромінювання відбувається ряд інших фізичних процесів, зокрема відображення світла від поверхні між двома середовищами, заломлення при проходженні кордону, що розділяє два оптично різнорідні середовища, розсіювання світла частинками тканини та ін. Таким чином, можна говорити про загальне послаблення випромінювання крім поглинання, втрати за рахунок інших явищ, і справжнє поглинання випромінювання. За відсутності розсіювання поглинання серед характеризується двома параметрами: поглинальною здатністю і глибиною поглинання. Поглинальна здатність визначається як відношення енергії, поглиненої в середовищі, до енергії випромінювання, що падає на поверхню середовища. Це відношення завжди менше 1, тому що випромінювання частково проходить крізь неї. Глибина поглинання характеризує просторовий розподіл поглиненої енергії серед. У найпростішому випадку (експоненційне згасання світла в речовині) вона дорівнює відстані, на якій потужність випромінювання зменшується в 2718 рази по відношенню до потужності випромінювання на поверхні середовища. Величина, обернена до глибини поглинання, називається коефіцієнтом поглинання. Він має розміреність см-1. Якщо поряд з поглинанням відбувається розсіювання світла, то відстань, на якому в результаті спільної дії цих процесів випромінювання загасає в раз, є глибиною ослаблення або проникнення випромінювання, а зворотна їй величина - коефіцієнт ослаблення, що також має розмірність см -1 .

При теоретичному розгляді питань поглинання лазерного випромінювання тканинами для спрощення завдання можна прийняти, що випромінювання є плоскою хвилею, що падає на рівну поверхню об'єкта, а коефіцієнт поглинання на всій ділянці, що опромінюється, однаковий і не залежить від інтенсивності світла. У цьому випадку енергія (потужність) випромінювання зі збільшенням глибини буде зменшуватися експоненційно, і розподіл її виражається рівнянням:

Р=Р 0 ехр (1)

де Р – потужність випромінювання на глибині; Ро - потужність випромінювання, що падає на поверхню тканини; - Коефіцієнт поглинання тканини (нехтуємо втратами на відображення світла від гкані).

У реальних умовах при опроміненні біологічних об'єктів таке просте співвідношення між товщиною шару тканини і кількістю поглиненої енергії порушується, наприклад, за рахунок відмінностей у коефіцієнтах поглинання різних ділянок тканини, що опромінюється. Так, коефіцієнт поглинання меланінових гранул сітківки ока у 1000 разів більший, ніж навколишньої тканини. Враховуючи, що світлопоглинання є молекулярним процесом, який в кінцевому рахунку залежить від концентрації поглинаючих випромінювання молекул, величина поглинання на клітинному і субклітинному рівнях може значно змінюватися навіть від органели до органели. Нарешті, поглинання є функцією довжини хвилі, отже, коефіцієнт поглинання широко варіює для лазерів, що випромінюють у різних областях спектру.

У ряді ранніх досліджень про величину поглинання біологічних тканин судили на підставі результатів вимірювань світлопропускання. При цьому здебільшого досліди були проведені з рубіновим та неодимовим лазерами. Так, при опроміненні рубіновим лазером мишей було встановлено, що через шкіру проникає від 45 до 60% енергії, а через шкіру та м'язи, що підлягають - від 20 до 30%. Розробці методу визначення коефіцієнтів пропускання та відображення тканин були присвячені дослідження Г. Г. Шамаєвої та ін. (1969). Дані, отримані за допомогою цього методу при опроміненні щурів неодимовим лазером, були використані для розрахунку коефіцієнта поглинання шкіри, що становив 99 см -1 .

Л. І. Дерлеменко (1969), М. І. Данко та ін. (1972) за допомогою інтегрального фотометра визначали поглинання випромінювання неодимового лазера тканинами м'язів та печінки щурів. Через шар тканини завтовшки 1 мм при опроміненні м'язів проходило 27-32% випромінювання, а печінки - 20-23%. Для шарів тканини товщиною 6 мм ці значення склали відповідно 3 та 1,5%.

Наведені дані демонструють залежність поглинання лазерного випромінювання від ступеня забарвленості тканини: рясно пігментована тканина поглинає випромінювання інтенсивніше, ніж м'язова тканина. Та ж закономірність виявлялася й у дослідах з опромінення рубіновим та неодимовим лазерами різних пухлин у тварин. Найбільше поглинання притаманно меланом внаслідок наявності у яких меланіну.

А. М. Уразаєв та ін. (1978) порівняли ступінь ослаблення випромінювання гелій-неонового (довжина хвилі 632,8 нм) та аргонового (488 нм) лазерів при проходженні через різні ділянки тіла живих депільованих щурів або через препарати, приготовані з органів забитих тварин. Яке пройшло випромінювання вимірювали за допомогою фотоелемента і отримані дані використовували для розрахунку глибини проникнення лазерного випромінювання. Майже у всіх варіантах досвіду випромінювання червоної області спектра проникало на більшу глибину, ніж синьо-зелене, причому найбільш різко ця різниця була виражена при проходженні через інтенсивно васкуляризовані органи з рясним кровонаповненням.

Порівняння глибини проникнення в біологічні тканини випромінювання азотного (довжина хвилі 337,1 нм), гелій-кадмієвого (441,6 нм) та гелій-неонового (632,8 нм) лазерів проведено у серії досліджень інших авторів. Вимірювання було виконано на зрізах різних органів мишей за допомогою двох методів; із застосуванням фотометричної кулі або світлового зонда. У першому випадку фотометрично визначали коефіцієнт відображення та коефіцієнт ослаблення лазерного випромінювання в тканині, а останній дозволяв розрахувати глибину проникнення випромінювання; у другому в опромінюваний зразок тканини з протилежного боку від лазерного променя співвісно з ним вводили тонкий (діаметр 0,75 мм) скляний світловод, з'єднаний з фотоумножителем. Відсуваючи кінчик світловода різні відомі відстані від точки падіння променя на поверхню тканини і вимірюючи щільність світлового потоку, отримували криві розподілу інтенсивності лазерного випромінювання в тканини і визначали глибину його проникнення.

Обидва використаних способу дали схожі результати. Найбільшою здатністю, що проникає, відрізнялося випромінювання гелій-неонового лазера, найменшою - гелій-кадмієвого. В усіх випадках глибина проникнення вбирається у 2-2,5 мм.

Цікаве завдання було поставлено у дослідах, проведених В. А. Дубровським та О. Г. Астаф'євою (1979), у яких порівнювали величину поглинання червоного випромінювання гемолізатом крові з різними фізичними властивостями: поляризованого когерентного випромінювання гелій-неонового лазера; поляризованого некогерентного випромінювання лампи розжарювання, пропущеного через поляроїд та спектральні фільтри; неполяризованого та некогерентного випромінювання лампи розжарювання, пропущеного лише через спектральні фільтри. Було встановлено, що просторова когерентність не позначається на поглинанні. Виражене впливом геть нього надають ширина спектра і поляризаційні властивості випромінювання: поляризоване випромінювання поглинається менш активно, ніж неполяризоване.

Поряд з наведеними даними про поглинання біологічними тканинами випромінювання лазерів, які генерують у ближній ультрафіолетовій (азотний), видимій (гелій-кадмієвий, аргоновий, гелі й-неоновий, рубіновий) і ближній інфрачервоній (неодимовий) спектральних областях, практично випромінювання СОз-лазера, що генерує інфрачервоної області на довжині хвилі 10 600 нм. Оскільки це випромінювання інтенсивно поглинається водою, а остання становить близько 80% маси більшості клітин, при дії на біологічні тканини випромінюванням СОг-лазера воно практично повністю поглинається поверхневими шарами клітин.

Як зазначалося вище, проникнення лазерного випромінювання у глибину тканин обмежене внаслідок як поглинання, а й інших процесів, зокрема відображення випромінювання від по-нерхности тканини. За даними Б. А. Кудряшова (1976), с. Д. Плетньова (1978) та ін, відображене білою шкірою людини і тварин випромінювання лазерів, що генерують у ближній ультрафіолетовій та видимій областях спектру (азотний, гелій-кадмієвий, аргоновий, гелій-неоновий, рубіновий), становить 30-40%; для інфрачервоного випромінювання неодимового лазера ця величина не-(кільки менше (20-35%), а у разі більш далекого інфрачервоного випромінювання СОг-лазера вона зменшується приблизно до 5%. Для різних внутрішніх органів тварин величина коефіцієнта відбиття світла (633 нм) коливається від 0,18 (печінка) до 0,60 (мозок)

Внаслідок ослаблення лазерного випромінювання глибина його проникнення в біологічні тканини вбирається у кількох міліметрів, і за практичному застосуванні лазерів слід з цих умов. Однак поряд з викладеними матеріалами відомі дані, що дозволяють зробити оптимістичніші висновки. Йдеться тому, що у всіх розглянутих вище дослідженнях вдалося оцінити роль розсіювання випромінювання у глибині тканини. Коли, наприклад, за допомогою фотометричної кулі визначали коефіцієнти пропускання та відбиття зразка тканини, виявлена різниця в інтенсивності випромінювання, що падало на поверхню зразка і пройшло крізь нього, являла собою (за винятком відбитого випромінювання) суму втрат на поглинання та розсіювання, причому частка кожного з цих процесів залишалася невідомою. В іншому випадку, коли інтенсивність випромінювання, що досягла цієї точки в глибині тканини, вимірювали за допомогою світлового зонда, торець останнього сприймав тільки випромінювання, яке падало «спереду». її. Отже, за допомогою зазначеного методу отримували занижені показники розподілу інтенсивності випромінювання по глибині, що не дозволяло враховувати розсіяне світло. Разом з тим, в інтенсивно розсіювальних середовищах, якими є біологічні тканини, частка розсіяного випромінювання дуже значна.

З урахуванням цих положень у серії докладних досліджень. Dougherty та співавт. (1975, 1978) було зроблено спробу з'ясувати вплив світлорозсіювання на глибину проникнення випромінювання у тканини. Автори за допомогою фотоелемента визначали частку світлового випромінювання ксенонової лампи (виділялася область 620-640 нм), що пройшов крізь зрізи різної товщини, отримані з перевивної пухлини молочної залози мишей або з їх нормальних тканин. Отримані величини коефіцієнта світлопропускання використовували для обчислення коефіцієнтів розсіювання (S) та поглинання (К) із співвідношень, встановлених P. Kubelka (1964) та F. Kottler (I960). Значення, отримані для пухлинної тканини, становили S = 13,5 і К = 0,04, звідки видно, частка розсіяного світла набагато перевищує частку поглиненого. I

У другій роботі, проведеної в 1978 р. тією ж групою дослідників, були застосовані два методи, які дозволяли псе величини внутрішньотканинної інтенсивності світла, як знайдені без урахування розсіювання, так і включають його, отримати прямим експериментальним шляхом. У разі використання одного з методів у глибину свіжої пухлини (рабдоміоіфкоми щурів) вводили волоконний світловод товщиною 0,8 мм і його кінець, що виступає з тканини, направляли промінь гелій-неонового лазера потужністю 2 мВт. З протилежного боку зразка вводили інший світловод, з'єднаний з фотометром. Приводячи спочатку світловоди в дотик, а потім розсовуючи їх на відомі відстані, вимірювали інтенсивність випромінювання, що пройшло крізь шар тканини фіксованої товщини. Як і описаних вище дослідах, цей метод не дозволяв врахувати розсіяний немає.

Друга методика була актинометричною (фотохімічною) і полягала в тому, що пухлинну тканину на певну глибину вводили кілька капілярних трубок діаметром 1 мм, заповнених розчином фоточутливої суміші. Опромінюючи потім зразок тканини світлом відомої інтенсивності за допомогою лампи розжарювання (довжини хвиль понад 600 нм), визначали кількість продукту фотохімічної реакції, яке було прямо пропорційно інтенсивності світла і було функцією глибини розташування трубок. Очевидно, за такої схеми проведення експериментів на хід реакції впливало все випромінювання, що дійшло до цієї точки в глибині тканини, у тому числі розсіяне світло. Дані на рис. 2 дозволяють порівняти результати, отримані за допомогою цих методів. З графіка видно, що інтенсивність випромінювання в пухлинної тканини на одній і тій же глибині, визначена актинометричним способом, істотно вища за ту, яку встановлювали за допомогою волоконнооптичної техніки. Так, з кривої актинометрических вимірювань видно, що на глибині 2 см у тканину ще проникає близько 8% випромінювання, тоді як, згідно з другою кривою, ця величина становить менше 0,1%

Таким чином, значна переважання розсіювання видимого світла при проходженні його через біологічні тканини над поглинанням дозволяє зробити висновок, що здатність лазерного випромінювання проникати в тканини вище, ніж прийнято вважати. Якщо врахувати можливість проведення лазерного випромінювання вглиб тканин за допомогою волоконної оптики і подальший розподіл його в товщі осередку, що опромінюється завдяки розсіянню, можна спробувати значно розсунути рамки клінічного застосування лазерів.

6 ПАТОГЕНЕТИЧНІ МЕХАНІЗМИ ВЗАЄМОДІЇ ЛАЗЕРНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ З БІОЛОГІЧНИМИ ТКАНИНАМИ

Монохроматичність, строга спрямованість, когерентність та властивість концентрувати велику кількість енергії на малих площах дають можливість вибірково коагулювати, випаровувати та різати біологічні тканини безконтактно, з гарним гемостазом, стерильністю та абластичністю.

При взаємодії лазерного випромінювання з біологічними тканинами спостерігається цілий ряд ефектів: термічний, обумовлений селективним поглинанням квантів світла, виникнення хвиль здавлення та пружного удару в середовищі, дія потужних електромагнітних полів, що супроводжують у ряді випадків лазерне випромінювання, а також ряд інших ефектів, обумовлених опт самого середовища.

При вплив лазерного випромінювання на тканині важливе значення має ступінь його фокусування. Під час проходження сфокусованого променя лазера через живі тканини інтенсивність випромінювання швидко знижується і для м'язової тканини на глибині 4 см становить лише 1-2% початкової енергії. Ступінь і результат біологічної дії лазерного випромінювання на різні клітини, тканини та органи залежать не тільки від особливостей випромінювання (тип лазера, тривалість і щільність потужності випромінювання, частота імпульсів та ін), але і від фізико-хімічних та біологічних особливостей тканин, що опромінюються або органів /(інтенсивність кровотоку, гетерогенність, теплопровідність, коефіцієнт поглинання та відображення різних проміжних поверхонь усередині середовища та ін.). Найбільш чутливими структурами, що легко руйнуються під впливом лазерного випромінювання, виявилися внутрішньоклітинні компоненти клітини.

Можливість концентрації лазерного випромінювання у вузький пучок призвела до створення лазерного скальпеля, що дозволяє виробляти практично безкровні розрізи різних тканин. В даний час вже накопичено великий досвід використання лазерного випромінювання в експериментальній та клінічній медицині.

Гемостатичні властивості лазерного випромінювання можна підвищити, застосовуючи спеціальні компресійні затискачі та лазерні хірургічні інструменти, що забезпечують короткочасне здавлювання та знекровлення тканин по лінії передбачуваного розрізу. Принцип дозованої компресії дозволяє значно зменшити обсяг термічного некрозу тканин, так як в умовах компресії значно підвищується теплопровідність тканин. У зв'язку з цим та сама щільність енергії сфокусованого променя лазера дає можливість швидше здійснити розсічення тканин при компресії, що забезпечує локальну ішемію тканин.

Використання лазера в комплексі зі спеціальними інструментами забезпечує не тільки розтин тканин, але і так зване біологічне зварювання їх. Ефект зварювання клітинних та тканинних структур відзначений дослідниками, які застосовували лазерний промінь для розтину різних органів. Однак тільки зі створенням спеціальної лазерної хірургічної апаратури вдалося найповніше реалізувати ефект біологічного зварювання тканин порожнистих органів під час їх розсічення. У зоні, що опромінюється спостерігається підвищена світлоабсорбція за рахунок більшої оптичної щільності стиснутих тканин і багаторазового відображення світла від внутрішніх частин апарату, що утворюють замкнутий простір. "Зварювання" тканин порожнистих органів відбувається пошарово вздовж лінії розрізу в зоні локального стиснення тканин, виробленого цими апаратами.

Морфологічним проявом змін, що лежать в основі цього феномену, є коагуляційний термічний некроз компресії тканин, що піддаються, з утворенням по краю розрізу плівки з коагульованих тканинних і клітинних елементів, що з'єднує на одному рівні всі анатомічні шари органу

Наслідком трансформації світлової енергії випромінювання в термічну в слизовій оболонці є деформація та укорочення залоз, зморщування епітеліальних клітин з компактним розташуванням їх ядер. Утворені структури нагадують «частокол». У м'язовій оболонці морфологічні зміни менш виражені. Підслизова основа у зоні «зварювання»

Глибина (мкм) термічних ушкоджень стінки шлунка при гастротомії за допомогою вуглекислотного лазера(за даними світлової мікроскопії)

стає слабко помітною. Ширина зони коагуляційного некрозу по краю тканин, що розсікаються, в цих випадках знаходиться в межах 1-2 мм. Обсяг некротичних пошкоджень може бути зменшений як завдяки збільшенню кількості рідини в тканинах, що розсікаються, так і шляхом використання адекватної лазерної апаратури. Наприклад, при розсіченні скелетного м'яза вуглекислотним лазером ширина зони коагуляційного некрозу, що досягає 1,1-1,2 мм, після попереднього введення рідини в м'яз зменшується на 28-40%

У свою чергу, застосування вдосконаленої в останні роки спеціальної лазерної хірургічної апаратури також дозволяє скоротити зону коагуляційного термічного некрозу до 30-60 мкм (табл. 1).

У зв'язку з виключно високою температурою, властивою лазерному випромінюванню, відбувається надзвичайно швидке випаровування міжтканинної та внутрішньоклітинної рідини, а потім згоряння сухого залишку. Глибина та ступінь дистрофічних змін тканин при впливі різних видів лазерного випромінювання залежать як від спектральних характеристик, так і від сумарної енергії (тривалість впливу) випромінювання. При невеликих експозиціях деструкції піддаються лише поверхневі шари тканин. Послідовне збільшення часу дії випромінювання супроводжується збільшенням обсягу пошкоджених тканин до перфорації органу. Переміщення лазерного променя в поздовжньому або поперечному напрямку веде до випаровування тканин та формування лінійного розрізу органу.

У зоні коагуляційного термічного некрозу відбувається коагуляція стінок судин та крові з утворенням коагуляційного гіаліноподібного тромбу, що закупорює просвіт судини та забезпечує адекватний гемостаз. У разі дозованої компресії під час використання лазерних хірургічних апаратів гемостатичний ефект лазерного випромінювання значною мірою посилюється, оскільки

Схематичне зображення лазерної рани шлунка

Судини з редукованим кровообігом миттєво коагулюються.

Морфологія лазерної рани має характерні риси, що різко відрізняють її від ран іншого походження. Тканини, що зазнали термічного впливу, представлені коагуляційним некрозом, що формує лазерний термічний струп. Останній щільно прикриває поверхню рани. Безпосередньо після лазерної дії важко визначити повний об'єм некротизованих тканин. Кордон тканин, що зазнали коагуляційного некрозу, стабілізується в основному через добу. У цей період у вузькій зоні тканин, що збереглися на кордоні з термічним некрозом виявляють набряк і різного ступеня вираженості розладу кровообігу, що проявляються гіперемією, стазами, периваскулярними діапедезними крововиливами.

На основі гістологічних досліджень виділено такі зони лазерного впливу: зона коагуляційного некрозу, периферичну частину якої становить вузький пухкий («спонгіозний») шар, а центральну – широкий, компактний, та зона запального набряку (рис.23).

Відзначені мікроциркуляторні розлади, найбільш виражені при впливі випромінювання АІГ-Nd-лазера і аргонового лазера (при гемостазі гострих виразок шлунка, що кровоточать). Процес розсічення тканин вуглекислотним лазером супроводжується локальною коагуляцією останніх по лінії розрізу, запобігаючи тим самим пошкодження навколишніх тканин.

У лазерних ранах на відміну ран іншого походження слабо виражені і навіть відсутні перехідні зони від коагулюваних тканин до життєздатним. Регенерація у випадках починається переважно у клітинах зони, не пошкодженої лазерним випромінюванням.

Відомо, що ушкодження тканин супроводжується викидом медіаторів запалення. Серед останніх виділяють плазмові (циркулюючі) медіатори, а також клітинні (локальні) медіатори, пов'язані з діяльністю багатьох клітин - лаброцитів, тромбоцитів, макрофагів, лімфоцитів, поліморфно-ядерних лейкоцитів та ін. Зокрема, роль поліморфно-ядерних лейкоцитів у ран насамперед у лізисі мертвих тканин та фагоцитозі мікробів. Будь-яке зменшення ступеня мікробного обсіменіння призводить до зменшення інтенсивності всіх компонентів запалення. При бактеріологічному дослідженні матеріалу з поверхні ран і 1 г тканини при висіченні гнійних ран і некректомії за допомогою вуглекислотного лазера у 62 хворих зі 100 спостерігалася повна стерильність, а в інших випадках відзначалося зниження вмісту мікробів нижче за критичний рівень (10 5).

Зменшення ступеня мікробного обсіменіння лазерної рани, коагуляційний характер термічного некрозу та тромбоз судин у зоні некрозу сприяють зниженню ексудативного компонента запалення. Наявність слабко вираженої лейкоцитарної реакції, а подекуди і її повна відсутність у краях лазерної рани підтверджено роботами більшості дослідників. Коагульовані тканини не є джерелом вазоактивних посередників, зокрема кінінів, які грають таку важливу роль у становленні та розвитку ексудативної фази запальної реакції.

За даними В. І. Єлісєєнка (1980-1985), для лазерних ран характерна активна рання проліферація клітинних елементів макрофагального та фібробластичного ряду, що обумовлює перебіг репаративного процесу на кшталт асептичного продуктивного запалення. Проліферація макрофагів і фібробластів в осередку продуктивного запалення, що починається з першої доби після впливу лазерного випромінювання, лежить в основі грануляційної тканини, що формується.

Однак є дані про те, що загоєння лазерних ран може йти звичайним шляхом, тобто включаючи фазу лейкоцитарного розплавлення некротизованих тканин. Загоєння лазерних ран, за даними Ю. Г. Пархоменко (1979, 1983), протікає в основному під лазерним струпом. Перетворення лазерного струпа полягає в поступовій його організації та розсмоктуванні (у паренхіматозних органах - печінці та підшлунковій залозі) або відторгненні (в органах шлунково-кишкового тракту) у міру дозрівання грануляційної тканини.

Істотне значення у процесі загоєння лазерних ран мають клітини системи мононуклеарних фагоцитів – макрофаги. Макрофаги керують диференціюванням гранулоцитів і моноцитів зі стовбурової клітини, впливають на функціональну активність Т-і В-лімфоцитів, а також беруть участь у їх кооперації. Вони секретують шість перших компонентів комплементу, будучи таким чином посередниками залучення імунної системи в запальну реакцію. Макрофаги індукують роль фібробластів та синтез колагену, тобто є стимуляторами завершальної фази репаративної реакції) при запаленні. Зокрема, виявлено клітинні контакти між макрофагами та фібробластами грануляційної тканини.

Можна припустити, що інтенсивна і тривала макрофагальна реакція в лазерних ранах, пов'язана з тривалим збереженням коагульованих тканин, є фактором, що активно стимулює процес колагеноутворення. (1982, 1985), функціональна роль проліферуючих макрофагів полягає у «програмуванні» всього ходу процесу загоєння лазерних хірургічних ран.

Фібробластична реакція у процесах раннього загоєння лазерних ран займає одне з провідних місць.

У лазерних ранах у період активного росту грануляційної тканини (5-10-та доба) висока щільність розташування фібробластів поєднується з найбільш різким збільшенням активності НАД (НАДФ)-ліпоамід-дегідрогенази (устар. діафорази) у цих клітинах, що певною мірою може відображати підвищення рівня рівня енергетичних і синтетичних процесів. Пізніше ферментативна активність цих клітин поступово знижується, що свідчить про їхнє дозрівання.

У рубці лазерної рани, що формується, відбувається швидке, дифузне накопичення глікозаміногліканів основної речовини сполучної тканини, що свідчить про дозрівання грануляційної тканини. Відомо, що після максимального збільшення числа фібробластів та їх дозрівання посилюється синтез колагенових волокон.

У процесі загоєння лазерних хірургічних ран органів шлунково-кишкового тракту простежується чіткий взаємозв'язок дозрівання сполучної тканини зі зростанням епітелію.

Таким чином, реакція макрофагів, проліферація фібробластів та колагеногенез виявляються дуже рано і виражені тим сильніше, чим менш виражена лейкоцитарна інфільтрація, відсутність якої забезпечує загоєння лазерних ран первинним натягом.

7 МЕХАНІЗМИ ЛАЗЕРНОЇ БІОСТИМУЛЯЦІЇ

Окремо слід розглянути питання про природу біостимулюючої активності низькоенергетичного лазерного випромінювання червоної області спектра, яке отримують головним чином за допомогою гелій-неонових лазерів. Благотворний вплив цього випромінювання було встановлено в експериментах різних біологічних об'єктах.

У 70-х роках було зроблено спроби пояснити явище лазерної біостимуляції особливими властивостями («біополь», «біоплазма»), які нібито притаманні живим організмам і надають специфічним характеристикам лазерного випромінювання біологічну значимість. У 1979 р. висунули припущення, що біологічні ефекти низькоенергетичного лазерного випромінювання пов'язані з природними процесами світлової регуляції, що спостерігаються у тварин. Молекулярна основа початкових етапів таких процесів краще вивчена у рослин, для яких встановлено не лише сам факт фоторегуляції, а й хімічна природа одного з первинних акцепторів світлофітохрому. Цей хромопротеїд існує у двох формах, одна з яких поглинає світло близько 660 нм, а інша – 730 нм. Внаслідок взаємоперетворення цих форм при освітленні змінюється їх кількісне співвідношення, що є пусковим механізмом у ланцюгу процесів, що призводять зрештою до проростання насіння, утворення нирок, зацвітання рослин та інших формоутворювальних ефектів. Хоча не викликає сумніву той факт, що і у тварин в основі таких явищ, як циклічність статевого розмноження або приуроченість ряду пристосувальних реакцій (линяння та сплячка ссавців, перельоти птахів) до певних періодів року, лежать фоторегуляторні процеси, молекулярні механізми їх неясні

Уявлення про існування у клітинах тварин певної фоторегуляторної системи, можливо, що нагадує фітохромну систему рослин, дозволяють припустити, що біостимуляційна активність випромінювання гелій-неонового лазера є наслідком простого збігу спектральних характеристик з областю поглинання компонентів цієї системи. У цьому випадку слід очікувати, що монохроматичне червоне світло некогерентних джерел буде також біологічно ефективним. Для експериментальної перевірки цього та інших питань були необхідні чутливі тести, що дають кількісні, добре відтворювані та точно вимірювані результати. Переважна більшість досліджень з гелій-неоновим лазером було проведено на тваринах або безпосередньо на хворих в умовах, що не відповідають цим вимогам.

При виборі відповідної модельної системи виходили з двох передумов: 1) клітини, що розвиваються або переживають в умовах in vitro, є порівняно простий тест-об'єкт, що дозволяє проводити точний облік умов впливу та його результатів; 2) на особливу увагу заслуговує реакція поверхневої мембрани клітин, висока чутливість якого встановлена раніше в дослідах з низькоенергетичним червоним випромінюванням рубінового лазера.

У дослідженнях, проведених Н. Ф. Гамалея та ін., було вивчено вплив випромінювання гелій-неонового лазера на поверхневу мембрану лімфоцитів, виділених з крові людини. З цією метою оцінювали здатність лімфоцитів утворювати Е-розетки – взаємодіяти з еритроцитами барана. Встановлено, що при низьких дозах опромінення (щільність потужності 0,1-0,5 Вт/м 2 експозиція 15 с), які на півтора-два порядки нижче, ніж використовуються в клінічних роботах з гелій-неоновим лазером, відбувається невелике, але статистично достовірне підвищення розеткообразовательной здатності (в 1,2-1,4 рази) у опромінених лімфоцитів порівняно з контролем. Паралельно з цитомембранними змінами підвищувалася функціональна активність лімфоцитів, зокрема в 2- 6 разів зростала їх здатність до поділу, яку визначали в реакції бласттрансформації з фітогемагглютиніном [Новіков Д. К., Новікова В. І., 1979], оцінюючи по нако Н-тимідіну. В експериментах на лейкоцитах крові людини було встановлено, що при дії на них випромінювання гелій-неонового лазера в таких же низьких дозах у 1,5-2 рази посилюється фагоцитоз клітинами кишкової палички (як захоплення, так і перетравлення). Випромінювання гелій-неонового лазера чинило стимулюючу дію також на інші клітини. Так, у культурі пухлинних клітин миші (L) затримка їх зростання в 1-у добу після опромінення змінювалася його прискоренням, яке було особливо помітно на 3-4-у добу, коли кількість клітин, що діляться, в 2 рази більша, ніж у контролі

Таким чином, було показано, що випромінювання гелій-неонового лазера дуже низької інтенсивності викликає зміни в мембрані клітин різних типів та стимуляцію їх функціональної активності. Зміни цитоплазматичної мембрани в культивованих клітинах китайського хом'ячка, опромінених гелій-неоновим лазером, виявили також А. К. Абдвахітова та ін (1982) за допомогою методу флюоресцентних зондів, хоча використані ними дози випромінювання на два порядки перевищували застосовані нами.

У гіпотезі, висунутій угорським хірургом Е. Местером спільно з групою фізиків, зроблено спробу пояснити біостимуляційну активність лазерного випромінювання виключно його поляризованістю: завдяки поляризації випромінювання воно здатне реагувати з полярними молекулами ліпідів у подвійному ліпідному шарі цити. Згідно з запропонованою моделлю, стимулюючий ефект не повинен залежати від довжини хвилі випромінювання. Проте експериментальні дані цього не підтверджують.

Надійна відтворюваність біостимуляційного ефекту дозволила піти далі і спробувати з'ясувати, чи викликається цей ефект лише лазерним (когерентним, поляризованим) випромінюванням і як він залежить від довжини хвилі. З цією метою шляхом застосування тесту на розеткоутворення оцінили вплив на лімфоцити крові людини монохроматичного червоного світла (633 ± 5 нм), отриманого від ксенонової лампи за допомогою дифракційного монохроматора. Встановлено, що при порівнянні дозі некогерентного червоного світла (3 Дж/м 3) процес розеткоутворення стимулювався так само, як і при використанні гелій-неонового лазера.

p align="justify"> Далі ефект червоного світла був зіставлений з дією випромінювання інших вузьких спектральних ділянок видимої області. При цьому активність світла оцінювали за його впливом на три процеси: утворення Е-розеток лімфоцитами людини, розмноження клітин культури L та виділення в середу лімфоцитами мишей речовини з максимумом поглинання 265 нм. (Останній тест був розвитком результатів проведених спостережень і ґрунтувався на тому, що з підданих лазерному опроміненню клітин посилюється виділення певного хімічного фактора, що має смугу поглинання в області 260-265 нм.) Досліди показали, що стимуляція всіх трьох процесів відзначається при опроміненні монохроматичним і тих же спектральних ділянок: червоної (633 нм), зеленої (500 і 550 нм) та фіолетової (415 нм).

Таким чином, проведені дослідження дозволили виявити у різних клітин людини і тварин наявність високої світлової чутливості, навіть значно більшої, ніж можна було очікувати на підставі клінічних результатів лазерної біостимуляційної терапії. Ця чутливість не була обумовлена когерентністю і поляризацією світла і не обмежувалася червоною областю спектру: поряд з максимумом у цій галузі були два інші - у фіолетовому та зеленому ділянках спектру.

Використовуючи інший методичний підхід (визначення інтенсивності синтезу ДНК у клітинах культури HeLa за включенням міченого тимідину), Т. Й. Кару та ін. (1982, 1983) також показали, що ефект біостимуляції не пов'язаний з когерентністю та поляризацією світла. У виконаних ними дослідах з опроміненням клітин червоним світлом максимальна стимуляція синтезу ДНК спостерігалася при дозі 100 Дж/м 2 і ефект швидко знижувався за її зміни в будь-який бік. При порівнянні активності випромінювання в різних ділянках спектра було встановлено три максимуми: близько 400, 630 і 760 нм.

До механізму світлової біостимуляції. може мати відношення утворення в опромінених клітинах і виділення ними того хімічного фактора, який виявляли в середовищі піку світлоабсорбції поблизу 265 нм. Для з'ясування природи цього фактора були проведені хроматографія на папері та електрофорез в агарозному гелі з візуалізацією зон бромистим етидієм, що дозволили виявити в матеріалі, що виділяється клітинами, двоспіральну ДНК з молекулярною масою. Двоспіральність структури ДНК підтверджувалася появою гіперхромного ефекту під час нагрівання.

Наведені в літературі відомості про здатність нуклеїнових кислот прискорювати відновлення пошкоджених тканин [Білоус А. М. та ін, 1974] підтверджували можливу причетність ДНК-фактора, що виділяється клітинами, до світлової біостимуляції. Для перевірки цієї гіпотези був поставлений експеримент на клітинах лінії L, частина з яких опромінювали гелій-неоновим лазеpом, а іншу частину, яка не була опромінена, поміщали, проте, в середу, взяту від опромінених клітин і, отже, містить ДНК-фактор. Визначення швидкості росту (мітотичної активності) клітин показало, що в обох групах розвиток клітин порівняно з контролем стимулювався однаково Більше того, руйнування ДНК у середовищі, взятій від опромінених клітин, за допомогою ферменту ДНКази позбавляло це середовище біостимулюючої активності. Сама ДНКаза зростання клітин практично не впливала.

Отже, можна думати, що і при дії на тканини цілісного організму (наприклад, при лазерній терапії трофічних виразок) опромінення клітин на периферії патологічного вогнища призводить до виділення ними ДНК-фактора, який стимулює зростання фібробластичних елементів у тканинах, що оточують виразку, тим самим прискорюючи її загоєння. Однак однозначний доказ цього може бути отриманий лише в дослідах на тваринах.

Таким чином, представлені дані, мабуть, є обґрунтуванням доцільності застосування лазерної (або взагалі світлової біостимуляції) з лікувальною метою і вказують шляхи подальшого розвитку цього методу. Ці дані мають ширше фітобіологічне значення, що полягає в тому, що вперше встановлена специфічна світлова чутливість неретинальних (незорових) клітин людини і тварин, яка характеризується рядом особливостей. Ця чутливість спектрально залежна і надзвичайно висока: використані нами щільності потужності, рівні десятим часткам вата на квадратний метр, можна порівняти з тими, які є ефективними для фоторегуляторних систем рослин. та тварин різної видової приналежності, взяті з тканин та органів: лімфоцити миші, собаки та людини, печінкові клітини щура, клітини культур, отриманих з фібробластів людини, нирки хом'яка та озлоякісних фібробластів миші.

Всі ці факти підтверджують припущення про те, що у ссавців є спеціальна система сприйняття світла, можливо, подібна до фітохромної системи рослин і також виконує регуляторні функції. Про схожість передбачуваної фоточутливої системи тварин з системою фітохромної регуляції свідчить порівняння їх основних особливостей. , що використовуються клініцистами для лазерної біостимуляції; сполученість фітохромної системи (так само, як і описаних нами ефектів) з клітинними мембранами; контроль фітохромної системи над синтезом ДНК, РНК та білка, утворення яких у тканинах, опромінених гелій-неоновим лазером, за даними багатьох авторів, також посилюється.

У тому випадку, якщо в клітинах тварин дійсно є спеціалізована фоточутлива система, тоді за допомогою дослідів щодо визначення спектру дії (залежності величини біологічної реакції від довжини хвилі) можна спробувати встановити спектр поглинання (а по ньому – і хімічну індивідуальність) тієї сполуки, яка є первинним акцептором світла і запускає ланцюг процесів, що призводять зрештою до фоторегуляторних ефектів. Відповідність між спектрами дії та спектром поглинання світлоакцептора досягається, однак, лише в тому випадку, якщо при постановці експериментів виконується ряд методичних умов, що на практиці є дуже складним завданням

Проте не можна не звернути увагу на подібність усіх трьох кривих, що характеризують спектральну залежність різних апробованих нами біологічних ефектів, з типовим спектром поглинання порфіринових сполук. Це дозволяє вважати, що світлоакцептором в гіпотетичній системі фоторегуляції тварин клітин служить якесь з'єднання з групи порфіринів, що є, як відомо, складовою багатьох важливих біохімічних компонентів організму тварин - гемоглобіну, цитохромів, ряду ферментів та ін С. М. Зубкова ( 1978) висловила припущення, що біостимулююча дія випромінювання гелій-неонового лазера пов'язана з його поглинанням ферментом, що містить ферментом каталазою, що має максимум світлоабсорбції ~628 нм. Опромінення клітин на периферії патологічного вогнища призводить до виділення ними ДНК-фактора, що стимулює зростання фібробластичних елементів у тканинах, що оточують виразку, тим самим прискорюючи її загоєння. Однак однозначний доказ цього може бути отриманий лише в дослідах на тваринах.

Таким чином, представлені дані, мабуть, є обґрунтуванням доцільності застосування лазерної (або взагалі світлової біостимуляції) з лікувальною метою і вказують шляхи подальшого розвитку цього методу. Ці дані мають ширше фітобіологічне значення, що полягає в тому, що вперше встановлена специфічна світлова чутливість неретинальних (незорових) клітин людини і тварин, яка характеризується рядом особливостей. Ця чутливість спектрально залежна і надзвичайно висока: використані щільності потужності, рівні десятим часткам вата на квадратний метр, можна порівняти з тими, які є ефективними для фоторегуляторних систем рослин. Як вдалося встановити за допомогою тесту на виділення ДНК-фактора, таку фоточутливість мають клітини людини і тварин різної видової приналежності, взяті з тканин та органів: лімфоцити миші, собаки та людини, печінкові клітини щура, клітини культур, отриманих з фібробластів людини, нирки хом'яка та озлоякісних фібробластів миші.

Всі ці факти підтверджують припущення про те, що у ссавців є спеціальна система сприйняття світла, можливо, подібна до фітохромної системи рослин і також виконує регуляторні функції. Про схожість передбачуваної фоточутливої системи тварин із системою фітохромної регуляції свідчить порівняння їх основних особливостей. Крім високої світлової чутливості, фітохромної системи властиві недозовий (тригерний) характер дії, який змушує згадати і, можливо, пояснює велику варіабельність доз (з відмінностями у два порядки), які використовуються клініцистами для лазерної біостимуляції; сполученість фітохромної системи (так само, як і описаних нами ефектів) з клітинними мембранами; контроль фітохромної системи над синтезом ДНК, РНК та білка, утворення яких у тканинах, опромінених гелій-неоновим лазером, за даними багатьох авторів, також посилюється.

ВИКОРИСТАНА ЛІТЕРАТУРА

1. А. Н. РЕМІЗОВ «МЕДИЧНА І БІОЛОГІЧНА ФІЗИКА»

2. «ЛАЗЕРИ В ХІРУРГІЇ» ПІД РЕДАКЦІЄЮ ПРОФ. О.К. СКОБЕЛКІНА

3. «ЛАЗЕРИ У КЛІНІЧНІЙ МЕДИЦІНІ» ПІД РЕДАКЦІЄЮ С. Д. ПЛЕТНЄВА

лазер очей медицина зір

Лазери, які застосовуються в медицині

З практичної точки зору, особливо для використання в медицині, лазери класифікують за типом активного матеріалу, за способом живлення, довжиною хвилі і потужністю випромінювання, що генерується.

Активним середовищем може бути газ, рідина чи тверде тіло. Форми активного середовища також можуть бути різними. Найчастіше для газових лазерів використовуються скляні чи металеві циліндри, заповнені одним або декількома газами. Приблизно так само і з рідкими активними середовищами, хоча часто зустрічаються прямокутні кювети зі скла або кварцу. Рідинні лазери - це лазери, у яких активним середовищем є розчини певних сполук органічних барвників у рідкому розчиннику (воді, етиловому чи метиловому спиртах тощо).

У газових лазерах активним середовищем є різні гази, їх суміші чи пари металів. Ці лазери поділяються на газорозрядні, газодинамічні та хімічні. У газорозрядних лазерах збудження здійснюється електричним розрядом у газі, в газодинамічних - використовується швидке охолодження при розширенні попередньо нагрітої газової суміші, а в хімічних - активне середовище збуджується за рахунок енергії, що звільняється при хімічних реакціях компонентів середовища. Спектральний діапазон газових лазерів значно ширше, ніж у всіх інших типів лазерів. Він перекриває ділянку від 150 нм до 600 мкм.

Ці лазери мають високу стабільність параметрів випромінювання проти іншими типами лазерів.

Лазери на твердих тілах мають активне середовище у вигляді циліндричного чи прямокутного стрижня. Таким стрижнем найчастіше є спеціальний синтетичний кристал, наприклад, рубін, олександрит, гранат або скло з домішками відповідного елемента, наприклад, ербія, гольмія, неодима. Перший лазер, що діє, працював на кристалі рубіну.

Різновидом активного матеріалу у вигляді твердого тіла є напівпровідники. Останнім часом завдяки своїй малогабаритності та економічності напівпровідникова промисловість дуже бурхливо розвивається. Тому напівпровідникові лазери виділяють в окрему групу.

Отже, відповідно до типу активного матеріалу виділяють такі типи лазерів:

Газові;

Рідинні;

на твердому тілі (твердотільні);

Напівпровідникові.

Тип активного матеріалу визначає довжину хвилі випромінювання, що генерується. Різні хімічні елементи у різних матрицях дозволяють виділити сьогодні понад 6000 різновидів лазерів. Вони генерують випромінювання від так званого вакуумного ультрафіолету (157 нм), включаючи видиму область (385-760 нм), до далекого інфрачервоного (> 300 мкм) діапазону. Все частіше поняття "лазер", спочатку дане для видимої області спектра, переноситься також інші області спектра.

Таблиця 1 - лазери, що застосовуються в медицині.

Тип лазера	Агрегатний стан активної речовини	Довжина хвилі, нм	Діапазон випромінювання
			Інфрачервоний
YAG: Er YSGG: Er YAG: Ho YAG: Nd	Тверде тіло	2940 2790 2140 1064/1320	Інфрачервоний
Напівпровідниковий, наприклад, арсенід галію	Тверде тіло (напівпровідник)		Від видимого до інфрачервоного
Рубіновий	Тверде тіло
Гелій-неоновий (He-Ne)			Зелений, яскраво-червоний, інфрачервоний
На барвниках	Рідина	350-950 (перебудовується)	Ультрафіолет - інфрачервоний
На парах золота
На парах міді			Зелений/жовтий
Аргоновий			Блакитний, зелений
Ексімерний: ArF KrF XeCI XeF			Ультрафіолет

Наприклад, для більш короткохвильового випромінювання, ніж інфрачервоне, використовується поняття "рентгенівські лазери", а для більш довгохвильового, ніж ультрафіолетове, - поняття "лазери, що генерують міліметрові хвилі"

У газових лазерах використовується газ чи суміш газів у трубі. У більшості газових лазерів використовується суміш гелію і неону (HeNe), з первинним вихідним сигналом 632,8 нм (нм = 10~9 м) видимого червоного кольору. Вперше такий лазер був розроблений у 1961 році та став провісником цілого сімейства газових лазерів. Всі газові лазери досить схожі за конструкцією та властивостями.

Наприклад, С02-газовий лазер випромінює довжину хвилі 10,6 мкм далекої інфрачервоної області спектра. Аргоновий та криптоновий газові лазери працюють з кратною частотою, випромінюючи переважно у видимій частині спектру. Основні довжини хвиль випромінювання аргонового лазера - 488 і 514 нм.

Твердотільні лазери використовують лазерну речовину, розподілену у твердій матриці. Одним із прикладів є неодим (Ке)-лазер. Термін АІГ є скороченням для кристала - алюмоїтрієвий гранат, який служить як носій для іонів неодиму. Цей лазер випромінює інфрачервоний промінь із довжиною хвилі 1,064 мкм. Допоміжні пристрої, які можуть бути як внутрішніми, так і зовнішніми по відношенню до резонатора, можуть використовуватися для перетворення вихідного променя на видимий або ультрафіолетовий діапазон. Як лазерні середовища можуть використовуватися різні кристали з різними концентраціями іонів-активаторів: ербія (Ег3+), гольмія (Но3+), тулію (Тт3+).

Виберемо із цієї класифікації лазери, найбільш придатні та безпечні для медичного використання. До більш відомих газових лазерів, що використовуються в стоматології, належать С02-лазери, He-Ne-лазери (гелій-неонові лазери). Цікаві також газові ексімерні та аргонові лазери. З твердотільних лазерів найбільш популярним у медицині є лазер на YAG: Er, що має в кристалі ербієві активні центри. Все частіше звертаються до лазера на YAG: Ho (з гольмієвими центрами). Для діагностичного та терапевтичного застосування використовується велика група як газових, так і напівпровідникових лазерів. В даний час у виробництві лазерів як активне середовище використовується понад 200 видів напівпровідникових матеріалів.

Таблиця 2 - Показники різноманітних лазерів.

Лазери можна класифікувати за видом харчування та режимом роботи. Тут виділяються пристрої безперервної чи імпульсної дії. Лазер безперервної дії генерує випромінювання, вихідна потужність якого вимірюється у ватах або міліватах.

При цьому ступінь енергетичного впливу на біотканину характеризується:

Щільністю потужності – відношення потужності випромінювання до площі перерізу лазерного пучка р = P/s].

Одиниці виміру в лазерній медицині - [Вт/см 2], [мВт/см 2];

Дозою випромінювання П, що дорівнює відношенню добутку потужності випромінювання [Р та часу опромінення до площі перерізу лазерного пучка. Виявляється у [Вт * з/см 2 ];

Енергією [Е = Рt] - добуток потужності на час. Одиниці виміру - [Дж], тобто. [Вт з].

З точки зору потужності випромінювання (безперервної або середньої) медичні лазери поділяються на:

Лазери малої потужності: від 1 до 5 мВт;

Лазери середньої потужності: від 6 до 500 мВт;

Лазери великої потужності (високоінтенсивні): понад 500 мВт. Лазери малої та середньої потужності зараховують до групи так званих біостимулюючих лазерів (низькоінтенсивних). Біостимулюючі лазери знаходять все ширше терапевтичне та діагностичне використання в експериментальній та клінічній медицині.

З погляду режиму роботи лазери поділяються на:

Режим випромінювання безперервний (хвильові газові лазери);

Режим випромінювання змішаний (твердотільні та напівпровідникові лазери);

Режим із модуляцією добротності (можливий всім типів лазерів).

В даний час важко уявити прогрес у медицині без лазерних технологій, які відкрили нові можливості у вирішенні численних медичних проблем.

Вивчення механізмів впливу лазерного випромінювання різних довжин хвиль і рівнів енергії на біологічні тканини дозволяє створювати лазерні багатофункціональні медичні прилади, діапазон застосування яких у клінічній практиці став настільки широким, що дуже важко відповісти на питання: для лікування яких захворювань лазери не застосовують?

Розвиток лазерної медицини йде за трьома основними гілками: лазерна хірургія, лазерна терапія та лазерна діагностика.

Нашою сферою діяльності є лазери для застосування в хірургії та косметології, що мають досить велику потужність для розрізання, вапоризації, коагуляції та інших структурних змін у біотканині.

У ЛАЗЕРНІЙ ХІРУРГІЇ

Застосовуються досить потужні лазери із середньою потужністю випромінювання десятки ват, які здатні сильно нагрівати біотканину, що призводить до її різання або випаровування. Ці та інші характеристики хірургічних лазерів зумовлюють застосування у хірургії різних видів хірургічних лазерів, що працюють на різних лазерних активних середовищах.

Унікальні властивості лазерного променя дозволяють виконувати раніше неможливі операції новими ефективними та мінімально інвазивними методами.

1. Хірургічні лазерні системи забезпечують:

2. ефективну контактну та безконтактну вапоризацію та деструкцію біотканини;

3. сухе операційне поле;

4. мінімальне пошкодження навколишніх тканин;

5. ефективний гемо- та аеростаз;

6. купірування лімфатичних проток;

7. високу стерильність та абластичність;

8. сумісність з ендоскопічними та лапароскопічними інструментами

Це дає можливість ефективно використовувати хірургічні лазери для виконання найрізноманітніших оперативних втручань в урології, гінекології, оториноларингології, ортопедії, нейрохірургії тощо.

Ольга (княгиня Київська)

[ред.]

Матеріал з Вікіпедії – вільної енциклопедії

(Переспрямовано з Княгиня Ольга) Ольга

В. М. Васнєцов. «Княгиня Ольга»

3-й княгиня Києва

Попередник: Ігор Рюрикович

Наступник: Святослав Ігорович

Віросповідання: Язичництво, перейшло в християнство

Народження: невідома

Династія: Рюриковичі

Чоловік: Ігор Рюрикович

Діти: Святослав Ігорович

Княгиня Ольга, в хрещенні Олена († 11 липня 969) - княгиня, правила Київською Руссю після загибелі чоловіка, князя Ігоря Рюриковича, як регент з 945 до 960 року. Перша з російських правителів прийняла християнство ще до хрещення Русі, перша російська свята.

Приблизно через 140 років після її смерті давньоруський літописець так висловив ставлення російських людей до першого правителя Київської Русі, який прийняв хрещення: Була вона передвісницею християнської землі, як денниця перед сонцем, як зоря перед світанком. Адже вона сяяла, як місяць у ночі; так і вона світилася серед язичників, як перли у багнюці.

1 Біографія

1.1 Походження

1.2 Шлюб та початок правління

1.3 Помста древлянам

1.4 Правління Ольги

2 Хрещення Ольги та церковне шанування

3 Історіографія по Ользі

4 Пам'ять про Святу Ольгу

4.1 У художній літературі

4.2 Кінематограф

5 Першоджерела

[ред.]

Біографія

[ред.]

Походження

Згідно з найраннішим давньоруським літописом, «Повісті Тимчасових Років», Ольга була родом з Пскова. Житіє святої великої княгині Ольги уточнює, що народилася вона в селі Вибути Псковської землі, за 12 км від Пскова вище річкою Великою. Імена батьків Ольги не збереглися, за Житієм вони були не знатного роду, «від мови варязька». На думку норманістів, варязьке походження підтверджується її ім'ям, що має відповідність у давньоскандинавському як Helga. Присутність імовірно скандинавів у тих місцях відзначено рядом археологічних знахідок, які, можливо, датуються 1-ю половиною X століття. З іншого боку, у літописах ім'я Ольги часто передано слов'янською формою «Вольга». Відоме і давньочеське ім'я Olha.

Княгиня Ольга на Пам'ятнику «1000-річчя Росії» у Великому Новгороді

Друкарський літопис (кінець XV століття) і пізніший Піскаревський літописець передають чутку, ніби Ольга була дочкою Віщого Олега, який став правити Київською Руссю як опікун малолітнього Ігоря, сина Рюрика: «Нєці ж кажуть, як Ольгова дочки бе Ольга». Олег же одружив Ігоря та Ольгу.

Так званий Іоакимівський літопис, достовірність якого ставиться істориками під сумнів, повідомляє про знатне слов'янське походження Ольги:

«Коли Ігор змужнів, одружив його Олег, видав за нього дружину від Ізборська, роду Гостомислова, яка Прекраса звалася, а Олег перейменував її і назвав своє ім'я Ольга. Були в Ігоря потім інші дружини, але Ольгу через мудрість її більше шанував».

Болгарські історики висували також версію про болгарське коріння княгині Ольги, спираючись в основному на повідомлення Нового Володимирського Літописця («Ігоря ж ожени [Олег] у Болгарех, поять же за нього княжну Ольгу».) і перекладаючи літописну назву Плесків не як Псков, але як Плиска – болгарська столиця того часу. Назви обох міст дійсно збігаються в давньослов'янській транскрипції деяких текстів, що і стало підставою для автора Нового Володимирського Літописця перекласти повідомлення «Повісті временних літ» про Ольгу з Пскова як про Ольгу з болгар, тому що написання Плесків для позначення Пскова давно вийшло з ужитку.

[ред.]

Шлюб та початок правління

Перша зустріч князя Ігоря з Ольгою.

Худий. В. К. Сазонов

За «Повісті временних літ» Віщий Олег одружив Ігоря Рюриковича, який почав самостійно правити з 912 року, на Ользі 903 року. Дата ця піддається сумніву, оскільки, згідно з Іпатіївським списком тієї ж «Повісті», їхній син Святослав народився лише 942 року.

Можливо, щоб вирішити цю суперечність, пізні Устюзький літопис та Новгородський літопис за списком П. П. Дубровського повідомляють про 10-річний вік Ольги на момент весілля. Дане повідомлення суперечить легенді, викладеній у Ступінній книзі (2-а половина XVI століття), про випадкову зустріч із Ігорем на переправі під Псковом. Князь полював у тамтешніх місцях. Переправляючись річкою на човні, він помітив, що перевізником була юна дівчина, переодягнена в чоловічий одяг. Ігор відразу ж «розгорівся бажанням» і став чіплятися до неї, проте отримав у відповідь гідну відповідь: «Навіщо бентежиш мене, княже, нескромними словами? Нехай я молода і незнана, і одна тут, але знай: краще для мене кинутися в річку, ніж терпіти наругу». Про випадкове знайомство Ігор згадав, коли настав час шукати собі наречену, і послав Олега за дівчиною, що полюбилася, не бажаючи ніякої іншої дружини.

"Княгиня Ольга зустрічає тіло князя Ігоря". Ескіз В. І. Сурікова, 1915

Новгородська Перша літопис молодшого зводу, що містить у найбільш незмінному вигляді відомості з Початкового склепіння XI століття, залишає повідомлення про одруження Ігоря на Ользі не датованим, тобто ранні давньоруські літописці не мали відомостей про дату весілля. Цілком ймовірно, що 903 рік у тексті ПВЛ виник у пізніший час, коли чернець Нестор намагався привести початкову давньоруську історію в хронологічний порядок. Після весілля ім'я Ольги згадується вкотре лише через 40 років, у російсько-візантійському договорі 944 року.

Згідно з літописом, в 945 році князь Ігор гине від рук древлян після неодноразового стягування з них данини. Спадкоємцю престолу Святославу тоді було лише 3 роки, тому фактичним правителем Київської Русі у 945 році стала Ольга. Дружина Ігоря підкорилася їй, визнавши Ольгу представником законного спадкоємця престолу. Рішучий образ дій княгині щодо древлян також міг схилити дружинників на її користь.

[ред.]

Помста древлянам

Деревляни після вбивства Ігоря надіслали до його вдови Ольги сватів звати її заміж за свого князя Мала. Княгиня послідовно розправилася зі старійшинами древлян, та був призвела до покірності народ древлян. Давньоруський літописець докладно викладає помсту Ольги за смерть чоловіка:

«Помста Ольги проти ідолів древлянських». Гравюра Ф. А. Бруні, 1839.

1-а помста княгині Ольги: Свати, 20 древлян, прибули в турі, яку кияни віднесли та кинули у глибоку яму на дворі терема Ольги. Сватів-послів закопали живцем разом із човном. Ольга подивилася на них з терема і запитала: «Чи задоволені честю?» А вони закричали: Ох! Гірше нам смерть Ігоря».

Друга помста Ольги древлянам. Мініатюра з Радзівілівського літопису.

2-а помста: Ольга попросила для поваги прислати до неї нових послів з найкращих чоловіків, що й було охоче виконано древлянами. Посольство зі знатних древлян спалили в лазні, поки ті милися, готуючись до зустрічі з княгинею.

3-я помста: Княгиня з невеликою дружиною приїхала в землі древлян, щоб за звичаєм справити тризну на могилі чоловіка. Опивши під час тризни древлян, Ольга наказала рубати їх. Літопис повідомляє про 5 тисяч перебитих древлян.

Четверта помста Ольги древлянам. Мініатюра з Радзівілівського літопису.

4-а помста: 946 року Ольга вийшла з військом у похід на древлян. За Новгородським Першим літописом київська дружина перемогла древлян у бою. Ольга пройшлася по Древлянській землі, встановила данини та податки, після чого повернулася до Києва. У ПВЛ літописець врізав текст Початкового склепіння про облогу древлянської столиці Іскоростеня. За ПВЛ після безуспішної облоги протягом літа Ольга спалила місто за допомогою птахів, до ніг яких веліла прив'язати запалену клоччя з сіркою. Частину захисників Іскоростеня було перебито, інші підкорилися. Така легенда про спалення міста з допомогою птахів викладається також Саксоном Грамматиком (XII століття) у його компіляції усних датських переказів про подвиги вікінгів і скальдом Сноррі Стурлусоном.