Головна Пори року

Повідомлення про використання лазера в медицині. Попередник: Ігор Рюрикович

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

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 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.

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. 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.

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 розроблені 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 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).

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, 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.

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.


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

За останні півстоліття лазери знайшли застосування в офтальмології, онкології, пластичній хірургії та багатьох інших галузях медицини та медико-біологічних дослідженнях.

Про можливість використання світла для лікування хвороб було відомо тисячі років тому. Стародавні греки та єгиптяни застосовували сонячне випромінювання в терапії, і ці дві ідеї навіть були пов'язані один з одним у міфології - грецький бог Аполлон був богом сонця та зцілення.

І лише після винаходу джерела когерентного випромінювання понад 50 років тому справді було виявлено потенціал використання світла в медицині.

Завдяки особливим властивостям лазери набагато ефективніші, ніж радіація сонця або інших джерел. Кожен квантовий генератор працює у дуже вузькому діапазоні довжин хвиль та випромінює когерентне світло. Також лазери у медицині дозволяють створювати великі потужності. Пучок енергії може бути зосереджений у дуже маленькій точці, завдяки чому досягається її висока густина. Ці властивості призвели до того, що сьогодні лазери використовуються в багатьох галузях медичної діагностики, терапії та хірургії.

Лікування шкіри та очей

Застосування лазерів у медицині почалося з офтальмології та дерматології. Квантовий генератор було відкрито 1960 року. І вже через рік після цього Леон Голдман продемонстрував, як рубіновий червоний лазер у медицині може бути використаний для видалення капілярної дисплазії, різновиду родимих ​​плям та меланоми.

Таке застосування засноване на можливості джерел когерентного випромінювання працювати на певній довжині хвилі. Джерела когерентного випромінювання в даний час широко використовуються для видалення пухлин, татуювань, волосся та родимок.

У дерматології застосовуються лазери різних типів і довжин хвиль, що обумовлено різними видами поразок, що виліковуються, і основної поглинаючої речовини всередині них. також залежить від типу шкіри пацієнта.

Сьогодні не можна практикувати дерматологію чи офтальмологію, не маючи лазерів, оскільки вони стали основними інструментами лікування пацієнтів. Застосування квантових генераторів для корекції зору та широкого спектру офтальмологічних додатків зросло після того, як Чарльз Кемпбелл в 1961 став першим лікарем, що використовував червоний лазер в медицині для лікування пацієнта з відшаруванням сітківки.

Пізніше з цією метою офтальмологи почали застосовувати аргонові джерела когерентного випромінювання у зеленій частині спектра. Тут були задіяні властивості самого ока, особливо його лінзи, фокусувати промінь у сфері відшарування сітківки. Висококонцентрована потужність апарату її буквально приварює.

Хворим з деякими формами макулодистрофії може допомогти лазерна хірургія – лазерна коагуляція та фотодинамічна терапія. У першій процедурі промінь когерентного випромінювання використовується для герметизації кровоносних судин та уповільнення їх патологічного зростання під макулою.

Подібні дослідження були проведені в 1940 роках із сонячним світлом, але для їх успішного завершення лікарям були необхідні унікальні властивості квантових генераторів. Наступним застосуванням аргонового лазера стала зупинка внутрішніх кровотеч. Селективне поглинання зеленого світла гемоглобіном - пігментом червоних кров'яних клітин - використовувалося для блокування кровоточивих кровоносних судин. Для лікування раку руйнують кровоносні судини, що входять в пухлину і постачають її поживними речовинами.

Цього неможливо досягти, використовуючи сонячне світло. Медицина дуже консервативна, як і має бути, але джерела когерентного випромінювання отримали визнання у її областях. Лазери в медицині замінили багато традиційних інструментів.

Офтальмологія та дерматологія також отримали вигоду з ексімерних джерел когерентного випромінювання в ультрафіолетовому діапазоні. Вони стали широко використовуватися зміни форми рогівки (LASIK) для корекції зору. Лазери в естетичній медицині використовуються для видалення плям і зморшок.

Прибуткова косметична хірургія

Такі технологічні розробки неминуче популярні серед комерційних інвесторів, оскільки мають величезний потенціал отримання прибутку. Аналітична компанія Medtech Insight у 2011 р. оцінила обсяг ринку лазерного косметичного обладнання на суму понад 1 млрд. доларів США. Дійсно, незважаючи на зниження загального попиту на медичні системи під час глобального спаду, косметичні операції, що ґрунтуються на використанні квантових генераторів, продовжують користуватися постійним попитом у Сполучених Штатах – домінуючому ринку лазерних систем.

Візуалізація та діагностика

Лазери у медицині відіграють важливу роль у ранньому виявленні раку, а також багатьох інших захворювань. Наприклад, у Тель-Авіві група вчених зацікавилася ІЧ-спектроскопією з використанням інфрачервоних джерел когерентного випромінювання. Причиною цього є те, що рак та здорова тканина можуть мати різну прохідність в інфрачервоному діапазоні. Одним із перспективних застосувань цього методу є виявлення меланом. При раку шкіри рання діагностика дуже важлива для виживання пацієнтів. В даний час виявлення меланоми робиться на око, тому залишається покладатися на майстерність лікаря.

В Ізраїлі щорічно кожна людина може піти на безкоштовний скринінг меланоми. Кілька років тому в одному з великих медичних центрів проводилися дослідження, в результаті яких з'явилася можливість наочно спостерігати різницю в ІЧ-діапазоні різницю між потенційними, але безпечними ознаками та справжньою меланомою.

Кацир, організатор першої конференції SPIE з біомедичної оптики у 1984 році, та його група у Тель-Авіві також розробили оптичні волокна, прозорі для інфрачервоних довжин хвиль, що дозволило поширити цей метод на внутрішню діагностику. Крім того, це може стати швидкою та безболісною альтернативою цервікальному мазку у гінекології.

Блакитний у медицині знайшов застосування у флюоресцентній діагностиці.

Системи на основі квантових генераторів також починають замінювати рентген, який традиційно використовувався у мамографії. Рентгенівські промені ставлять лікарів перед складною дилемою: для достовірного виявлення ракових утворень необхідна їхня висока інтенсивність, але зростання радіації саме собою збільшує ризик захворювання на рак. В якості альтернативи вивчається можливість використання дуже швидких лазерних імпульсів для знімання грудей та інших частин тіла, наприклад мозку.

ОКТ для очей і не тільки

Лазери в біології та медицині знайшли застосування в оптичній когерентній томографії (ОКТ), що викликало хвилю ентузіазму. Цей метод візуалізації використовує властивості квантового генератора і може дати дуже чіткі (порядки мікрона), поперечні та тривимірні зображення біологічної тканини в режимі реального часу. ГКТ вже застосовується в офтальмології, і може, наприклад, дозволити офтальмологу побачити поперечний переріз рогівки для діагностики захворювань сітківки та глаукоми. Сьогодні техніка починає використовуватись також і в інших галузях медицини.

Одна з найбільших областей, що формуються завдяки ГКТ займається отриманням волоконно-оптичних зображень артерій. може бути застосована з метою оцінки стану схильної до розриву нестабільної бляшки.

Мікроскопія живих організмів

Лазери в науці, техніці, медицині також відіграють ключову роль у багатьох видах мікроскопії. У цій галузі було зроблено велику кількість розробок, метою яких є візуалізація того, що відбувається всередині тіла пацієнта без використання скальпеля.

Найскладнішим у видаленні раку є необхідність постійно вдаватися до послуг мікроскопа, щоб хірург міг переконатися, що все зроблено правильно. Можливість робити мікроскопію "наживо" і в реальному часі є значним досягненням.

Нове застосування лазерів у техніці та медицині - сканування в ближній зоні оптичної мікроскопії, яка може робити зображення з набагато більшим дозволом, ніж у стандартних мікроскопів. Цей метод заснований на оптичних волокнах з насічками на торцях, розміри яких менші за довжину хвилі світла. Це дозволило субхвильову візуалізацію та заклало основу для отримання зображення біологічних клітин. Використання цієї технології в ІЧ-лазерах дозволить краще зрозуміти хворобу Альцгеймера, рак та інші зміни в клітинах.

ФДТ та інші методи лікування

Розробки у сфері оптичних волокон допомагають розширити можливості застосування лазерів та інших сферах. Крім того, що вони дозволяють проводити діагностику всередині організму, енергія когерентного випромінювання може бути передана туди, де є необхідність. Це може бути використане у лікуванні. Волоконні лазери стають набагато просунутішими. Вони кардинально змінять медицину майбутнього.

Область фотомедицини, що використовує світлочутливі хімічні речовини, які взаємодіють з тілом особливим чином, може вдатися до допомоги квантових генераторів як для діагностики, так і для лікування пацієнтів. У фотодинамічній терапії (ФДТ), наприклад, лазер та фоточутливий лікарський засіб може відновити зір у хворих з «вологою» формою вікової макулярної дегенерації, основною причиною сліпоти у людей віком від 50 років.

В онкології деякі порфірини накопичуються в ракових клітинах і флуоресціюють при освітленні певною довжиною хвилі, вказуючи на місце розташування пухлини. Якщо ці самі сполуки потім висвітлити іншою довжиною хвилі, вони стають токсичними і вбивають пошкоджені клітини.

Червоний газовий гелій-неоновий лазер у медицині застосовується в лікуванні остеопорозу, псоріазу, трофічних виразок та ін., оскільки дана частота добре поглинається гемоглобіном та ферментами. Випромінювання уповільнює запальні процеси, запобігає гіперемії та набрякам, покращує кровопостачання.

Персоналізоване лікування

Ще дві області, в яких знайдеться застосування для лазерів – генетика та епігенетика.

У майбутньому все відбуватиметься на нанорівні, що дозволить займатися медициною в масштабах клітини. Лазери, які можуть генерувати фемтосекундні імпульси та налаштовуватись на певну довжину хвилі, є ідеальними партнерами для медиків.

Це відчинить двері для персоналізованого лікування, заснованого на індивідуальному геномі пацієнта.

Леон Голдман - родоначальник лазерної медицини

Говорячи про використання квантових генераторів у лікуванні людей, не можна не згадати Леона Голдмана. Він відомий як "батько" лазерної медицини.

Вже через рік після винайдення джерела когерентного випромінювання Голдман став першим дослідником, який застосував його для лікування захворювання шкіри. Техніка, яку застосував учений, проклала шлях подальшому розвитку лазерної дерматології.

Його дослідження в середині 1960 років призвели до використання рубінового квантового генератора в хірургії сітківки ока та до таких відкриттів, як можливість когерентного випромінювання одночасно розрізати шкіру та запечатувати кровоносні судини, обмежуючи кровотечу.

Голдман, який працював протягом більшої частини своєї кар'єри дерматологом в університеті Цинциннаті, заснував Американське товариство лазерів у медицині та хірургії та допоміг закласти основи безпеки лазерів. Помер 1997 р.

Мініатюризація

Перші 2-мікронні квантові генератори були розміром з двоспальне ліжко та охолоджувалися рідким азотом. Сьогодні з'явилися діодні, що вміщаються в долоні, і ще більш мініатюрні Такі зміни прокладають шлях для нових сфер застосування та розробок. Медицина майбутнього матиме крихітними лазерами для хірургії головного мозку.

Завдяки технологічному прогресу відбувається постійне зниження витрат. Подібно до того, як лазери стали звичними в побутовій техніці, вони почали відігравати ключову роль у лікарняному устаткуванні.

Якщо раніше лазери в медицині були дуже великими та складними, то сьогоднішнє їхнє виробництво з оптичного волокна значно знизило вартість, а перехід на нанорівень дозволить ще більше скоротити витрати.

Інші застосування

За допомогою лазерів урологи можуть лікувати стриктуру уретри, доброякісні бородавки, сечові камені, контрактуру сечового міхура та збільшення простати.

Використання лазера в медицині дозволило нейрохірургам робити точні розрізи та проводити ендоскопічний контроль головного та спинного мозку.

Ветеринари застосовують лазери для ендоскопічних процедур, коагуляції пухлин, виконання розрізів та фотодинамічної терапії.

Стоматологи використовують когерентне випромінювання для отворів, в хірургії ясен, для проведення антибактеріальних процедур, зубної десенсибілізації і рото-лицьової діагностики.

Лазерний пінцет

Біомедичні дослідники у всьому світі застосовують оптичні пінцети, клітинні сортувальники, а також багато інших інструментів. Лазерні пінцети обіцяють кращу та швидшу діагностику раку та використовувалися для захоплення вірусів, бактерій, дрібних металевих частинок та ниток ДНК.

В оптичному пінцеті пучок когерентного випромінювання застосовується для утримання та обертання мікроскопічних об'єктів, аналогічно тому, як металевий або пластиковий пінцет здатний підібрати маленькі та тендітні предмети. Окремими молекулами можна маніпулювати, прикріплюючи їх до скель мікронного розміру або кульок з полістиролу. Коли промінь потрапляє в кульку, він викривляється і надає невеликий вплив, підштовхуючи кульку прямо в центр променя.

Це створює оптичну пастку, яка здатна утримувати невелику частинку в пучку світла.

Лазер у медицині: плюси та мінуси

Енергія когерентного випромінювання, інтенсивність якої можна модулювати, використовується для розтину, знищення або зміни клітинної або позаклітинної структури біологічних тканин. Крім того, застосування лазерів у медицині, коротко кажучи, зменшує ризик інфікування та стимулює загоєння. Застосування квантових генераторів у хірургії збільшує точність розсічення, однак вони становлять небезпеку для вагітних і є протипоказання щодо вживання фотосенсибілізуючих ліків.

Складна структура тканин дозволяє зробити однозначну інтерпретацію результатів класичних біологічних аналізів. Лазери в медицині є ефективним інструментом для знищення ракових клітин. Однак потужні джерела когерентного випромінювання діють без розбору і руйнують не тільки уражені, але й тканини, що оточують. Ця властивість - важливий інструмент методу мікродисекції, що використовується для проведення молекулярного аналізу в місці, що цікавить, з можливістю вибіркового руйнування зайвих клітин. Мета даної технології полягає у подоланні гетерогенності, що присутня у всіх біологічних тканинах, для полегшення їх дослідження щодо чітко визначеної популяції. У цьому сенсі лазерна мікродисекція зробила значний внесок у розвиток досліджень, у розуміння фізіологічних механізмів, які сьогодні можна чітко продемонструвати на рівні популяції і навіть однієї клітини.

Функціонал тканинної інженерії сьогодні став основним чинником у розвитку біології. Що станеться, якщо розрізати актинові волокна під час поділу? Чи буде ембріон дрозофіли стабільним, якщо зруйнувати клітину при фолдінг? Які параметри беруть участь у меристемній зоні рослини? Усі ці питання можна вирішити за допомогою лазерів.

Наномедицина

Останнім часом з'явилося безліч наноструктур, що мають властивості, придатні для цілого ряду біологічних застосувань. Найважливішими з них є:

  • квантові точки - крихітні світловипромінюючі частинки нанометрових розмірів, що використовуються у високочутливій клітинній візуалізації;
  • магнітні наночастки, які знайшли застосування у медичній практиці;
  • полімерні частинки для інкапсульованих терапевтичних молекул;
  • металеві наночастинки.

Розвиток нанотехнологій та застосування лазерів у медицині, коротко кажучи, революціонізувало спосіб введення лікарських засобів. Суспензії з наночастинок, що містять лікарські препарати, можуть підвищити терапевтичний індекс багатьох сполук (збільшити розчинність та ефективність, знизити токсичність) шляхом селективного впливу на уражені тканини та клітини. Вони доставляють діючу речовину, а також регулюють вивільнення активного інгредієнта у відповідь на зовнішню стимуляцію. Нанотераності є подальшим експериментальним підходом, що забезпечує подвійне використання наночастинок, сполуки лікарський засіб, терапію та засоби діагностичної обробки зображень, що відкриває шлях до персоналізованого лікування.

Застосування лазерів у медицині та біології для мікродисекції та фотоаблації дозволило на різних рівнях зрозуміти фізіологічні механізми розвитку хвороби. Результати допоможуть визначити найкращі методи діагностики та лікування кожного пацієнта. Розвиток нанотехнологій у тісному зв'язку з досягненнями в галузі візуалізації також буде незамінним. Наномедицина є перспективною новою формою лікування деяких видів раку, інфекційних захворювань чи діагностики.

Ульяновський Державний Університет

Факультет Трансферних спеціальностей

Реферат

З дисципліни:

"Концепції сучасного природознавства"

На тему:

"Лазер та його застосування в медицині"

Виконав:

Студент групи ФМС-17

Альошин Олексій

Ульяновськ, 2009р.

1. Введення 3

2.Лазер 4

2.1 Влаштування лазера 5

2.2 Класифікація лазерів 9

3. Лазери у медицині 10

3.1 Стоматологія 11

3.2 Хірургія 15

3.3 Судинні захворювання шкіри 16

3.4 Фотоомолоджування шкіри 17

3.5 Видалення татуювань та пігментних плям 18

3.6 Застосування лазера у лікуванні ЛОР-захворювань 19

3.7 Офтальмологія 20

4. Висновок 21

Джерела 22

1. Введення

Вже початок XX століття було відзначено найбільшими досягненнями людського розуму. 7 травня 1895 р. на засіданні Російського фізико-хімічного товариства А. С. Попов продемонстрував винайдений ним пристрій зв'язку без проводів, а через рік аналогічний пристрій запропонував італійський технік і підприємець Г. Марконі. Так народилося радіо. Наприкінці минулого століття був створений автомобіль з бензиновим двигуном, який прийшов на зміну винайденому ще у XVIII ст. парового автомобіля. На початку XX століття вже діяли лінії метро у Лондоні, Нью-Йорку, Будапешті, Відні. 17 грудня 1903 р. американські інженери брати Орвілл і Уілбор Райт пролетіли 260м на створеному ними першому світі аероплані, а ще через 12 років російський інженер І.І.Сікорський сконструював і побудував перший світі багатомоторний літак, давши йому ім'я «Ілля Муромець». Не менш приголомшливими виявилися досягнення у фізиці. Лише за одне десятиліття на рубежі двох століть було зроблено п'ять відкриттів. У 1895р. німецький фізик В. Рентген відкрив новий вид випромінювання, названий пізніше його ім'ям; за це відкриття він отримав у 1901р. Нобелівську премію ставши таким чином першим в історії нобелівським лауреатом. У 1896р. французький фізик Антуан Анрі Беккерель відкрив явище радіоактивності – Нобелівська премія 1903 р. У 1897р. англійський фізик Дж. Дж. Томсон відкрив електрон і наступного року виміряв його заряд – Нобелівська премія 1906р. 14 грудня 1900р. на засіданні Німецького фізичного товариства Макс Планк дав висновок формули для випромінювання чорного тіла; цей висновок спирався на абсолютно нові ідеї, що стали фундаментом квантової теорії – однією з основних фізичних теорій ХХ століття. У 1905 р. молодий Альберт Ейнштейн – йому тоді було лише 26 років – опублікував спеціальну теорію відносності. Всі ці відкриття справляли приголомшливе враження і багатьох спантеличували - вони ніяк не вкладалися в рамки фізики, що існувала, вимагали перегляду її основних уявлень. Тільки-но розпочавшись, 20-е століття сповістило про народження нової фізики, позначив невидиму грань, за якою залишилася колишня фізика, що отримала назву «класична». І ось сьогодні людина отримала у своє розпорядження всемогутній промінь лазера. На що вживе він це нове завоювання розуму? Чим стане лазер: універсальним інструментом, надійним помічником або, навпаки, грізною космічною зброєю, ще одним руйнівником?

2. Лазер

Лазер(англ. laser, скор. від L ight A mplification by S timulated E mission of R adiation- «посилення світла за допомогою вимушеного випромінювання»), оптичний квантовий генератор - пристрій, що перетворює енергію накачування (світлову, електричну, теплову, хімічну та ін) в енергію когерентного, монохроматичного, поляризованого та вузькоспрямованого потоку випромінювання. Фізичною основою роботи лазера є квантовомеханічне явище вимушеного (індукованого) випромінювання. Промінь лазера може бути безперервним, з постійною амплітудою, або імпульсним, що досягає екстремально великих пікових потужностей. У деяких схемах робочий елемент лазера використовується як оптичний підсилювач для випромінювання від іншого джерела. Існує велика кількість видів лазерів, що використовують як робоче середовище всі агрегатні стани речовини. Деякі типи лазерів, наприклад лазери на розчинах барвників або твердотільні поліхроматичні лазери, можуть генерувати цілий набір частот (мод оптичного резонатора) в широкому спектральному діапазоні. Габарити лазерів відрізняються від мікроскопічних для низки напівпровідникових лазерів до розмірів футбольного поля для деяких лазерів на неодимовому склі. Унікальні властивості випромінювання лазерів дозволили використовувати їх у різних галузях науки і техніки, а також у побуті, починаючи з читання та запису компакт-дисків та закінчуючи дослідженнями в галузі керованого термоядерного синтезу. Фізичною основою роботи лазера є явище вимушеного (індукованого) випромінювання. Суть явища у тому, що збуджений атом здатний випромінювати фотон під впливом іншого фотона без його поглинання, якщо енергія останнього дорівнює різниці енергій рівнів атома до і після випромінювання. При цьому випромінюваний фотон когерентний фотону, що викликав випромінювання (є його «точною копією»). У такий спосіб відбувається посилення світла. Цим явище відрізняється від спонтанного випромінювання, в якому випромінювані фотони мають випадковий напрямок поширення, поляризацію та фазу.

Гелій-неоновий лазер. Промінь, що світиться, в центрі - це не власне лазерний промінь, а електричний розряд, що породжує світіння, подібно до того, як це відбувається в неонових лампах. Промінь проектується на екран праворуч у вигляді червоної точки, що світиться. Імовірність того, що випадковий фотон викликає індуковане випромінювання збудженого атома точно дорівнює ймовірності поглинання цього фотона атомом, що знаходиться в незбудженому стані. Тому посилення світла необхідно, щоб збуджених атомів серед було більше, ніж незбуджених (так звана інверсія населенностей). У стані термодинамічної рівноваги ця умова не виконується, тому використовуються різні системи накачування активного середовища лазера (оптичні, електричні, хімічні та ін.). Першоджерелом генерації є процес спонтанного випромінювання, тому для забезпечення наступності поколінь фотонів необхідне існування позитивного зворотного зв'язку, за рахунок якого випромінювані фотони викликають наступні акти індукованого випромінювання. Для цього активне середовище лазера міститься в оптичний резонатор. У найпростішому випадку він є двома дзеркалами, одне з яких напівпрозоре - через нього промінь лазера частково виходить з резонатора. Відбиваючись від дзеркал, пучок випромінювання проходить по резонатору, викликаючи в ньому індуковані переходи. Випромінювання може бути як безперервним, так і імпульсним. При цьому, використовуючи різні прилади (призми, що обертаються, комірки Керра та ін.) для швидкого вимикання і включення зворотного зв'язку і зменшення тим самим періоду імпульсів, можливо створити умови для генерації випромінювання дуже великої потужності (так звані гігантські імпульси. Цей режим роботи лазера називають випромінювання є монохроматичним (одного або дискретного набору довжин хвиль), оскільки ймовірність випромінювання фотона певної довжини хвилі більша, ніж близько розташованої, пов'язаної з розширенням спектральної лінії, а, відповідно, і ймовірність індукованих переходів на цій частоті теж має Максимально, тому поступово в процесі генерації фотони даної довжини хвилі домінуватимуть над усіма іншими фотонами, крім цього, через особливе розташування дзеркал у лазерному промені зберігаються ті фотони, які поширюються в напрямку, паралельному оптичній осі резонатора на невеликій відстані від неї. інші фотони швидко залишають об'єм резонатора. Таким чином, промінь лазера має дуже малий кут розбіжності. Нарешті, промінь лазера має певну поляризацію. Для цього резонатор вводять різні поляроїди, наприклад, ними можуть служити плоскі скляні пластинки, встановлені під кутом Брюстера до напрямку поширення променя лазера.

2.1 Влаштування лазера.

Усі лазери складаються з трьох основних частин:

  • активного (робочого) середовища;
  • системи накачування (джерело енергії);
  • оптичного резонатора (може бути відсутнім, якщо лазер працює в режимі підсилювача).

Кожна з них забезпечує для роботи лазера виконання певних функцій.

Активне середовище

В даний час як робоче середовище лазера використовуються всі агрегатні стани речовини: твердий, рідкий, газоподібний і навіть плазма. У звичайному стані число атомів, що знаходяться на збуджених енергетичних рівнях, визначається розподілом Больцмана:

тут N- Число атомів, які перебувають у збудженому стані з енергією E , N 0 - число атомів, що знаходяться в основному стані, k- Постійна Больцмана, T- Температура середовища. Іншими словами таких атомів дуже мало, тому ймовірність того, що фотон, поширюючись по середовищі, викличе вимушене випромінювання також дуже мала в порівнянні з ймовірністю його поглинання. Тому електромагнітна хвиля, проходячи речовиною, витрачає свою енергію на збудження атомів. Інтенсивність випромінювання у своїй падає за законом Бугера:

тут I 0 - початкова інтенсивність, I l - інтенсивність випромінювання, що пройшло відстань lу речовині, a 1 – коефіцієнт поглинання речовини. Оскільки експоненційна залежність, випромінювання дуже швидко поглинається.

У тому випадку, коли кількість збуджених атомів більша, ніж не збуджених (тобто у стані інверсії населення), ситуація прямо протилежна. Акти вимушеного випромінювання переважають над поглинанням, і випромінювання посилюється згідно із законом:

де a 2 – коефіцієнт квантового посилення. У реальних лазерах посилення відбувається до того часу, поки величина що надходить рахунок вимушеного випромінювання енергії стане рівної величині енергії, що втрачається в резонаторі. Ці втрати пов'язані з насиченням метастабільного рівня робочої речовини, після чого енергія накачування йде тільки на його розігрів, а також з наявністю безлічі інших факторів (розсіяння на неоднорідностях середовища, поглинання домішками, неідеальністю дзеркал, що відображають, корисне і небажане випромінювання в навколишнє. ).

Система накачування

Для створення інверсного населення середовища лазера використовуються різні механізми. У твердотільних лазерах вона здійснюється за рахунок опромінення потужними газорозрядними лампами-спалахами, сфокусованим сонячним випромінюванням (так зване оптичне накачування) та випромінюванням інших лазерів (зокрема напівпровідникових). При цьому можлива робота тільки в імпульсному режимі, оскільки потрібні дуже великі щільності енергії накачування, що викликають при тривалому впливі сильне розігрів і руйнування стрижня робочої речовини. У газових та рідинних лазерах (див. гелій-неоновий лазер, лазер на барвниках) використовується накачування електричним розрядом. Такі лазери працюють у безперервному режимі. Накачування хімічних лазерів відбувається за допомогою протікання в їхньому активному середовищі хімічних реакцій. При цьому інверсія населення виникає або безпосередньо у продуктів реакції, або у спеціально введених домішок з відповідною структурою енергетичних рівнів. Накачування напівпровідникових лазерів відбувається під впливом сильного прямого струму через p-n перехід, і навіть пучком електронів. Існують і інші методи накачування (газодинамічні, що полягають у різкому охолодженні попередньо нагрітих газів; фотодисоціація, окремий випадок хімічної накачування та ін.).

На малюнку: а - трирівнева та б - чотирирівнева схеми накачування активного середовища лазера.

Класична трирівнева система накачування робочого середовища використовується, наприклад, у рубіновому лазері. Рубін являє собою кристалкорунд Al 2 O 3 , легований невеликою кількістю іонівхрому Cr 3+ , які і є джерелом лазерного випромінювання. Через вплив електричного полякристалічних ґрат корунду зовнішній енергетичний рівень хрому E 2 розщеплений (див. ефект Штарка). Саме це уможливлює використання немонохроматичного випромінювання як накачування. При цьому атом переходить із основного стану з енергією. E 0 у збуджене з енергією близько E 2 . У цьому стані атом може бути порівняно недовго (порядку 10 -8 с), майже відразу відбувається безвипромінювальний перехід на рівень E 1 , у якому атом може бути значно довше (до 10 -3 з), це так званий метастабільний рівень. Виникає можливість здійснення індукованого випромінювання під впливом інших випадкових фотонів. Щойно атомів, що у метастабільному стані стає більше, ніж у основному, починається процес генерації.

Слід зазначити, що створити інверсію населення атомів хрому Cr за допомогою накачування безпосередньо з рівня E 0 на рівень E 1 не можна. Це пов'язано з тим, що якщо поглинання та вимушене випромінювання відбуваються між двома рівнями, то обидва ці процеси протікають з однаковою швидкістю. Тому в даному випадку накачування може лише зрівняти населення двох рівнів, чого недостатньо для виникнення генерації.

У деяких лазерах, наприклад, у неодимовому, активним середовищем якого є спеціальний сорт скла, легований іонами неодиму Nd 3+ , використовується чотирирівнева схема накачування. Тут між метастабільним E 2 та основним рівнем E 0 є проміжний - робочий рівень E 1 . Вимушене випромінювання відбувається під час переходу атома між рівнями E 2 та E 1 . Перевагою цієї схеми є те, що поріг генерації досягається, коли населеність метастабільного рівня стає більшою за населення робочого рівня, яка незначна в стані термодинамічної рівноваги, оскільки останній знаходиться досить далеко від основного рівня. Це значно знижує вимоги до джерела накачування. Крім того, подібна схема дозволяє створювати потужні лазери, що працюють у безперервному режимі, що дуже важливо для деяких застосувань.

Оптичний резонатор

В ширину спектральної лінії , зображеної на малюнку зеленим кольором, укладається три власні частоти резонатора . У цьому випадку випромінюване лазером випромінювання буде тримодовим . Для фіолетової лінії випромінювання буде чистим монохроматичним .

Дзеркала лазера не тільки забезпечують існування позитивного зворотного зв'язку, але й працюють як резонатор, посилюючи одні генеровані лазером моди, що відповідають стоячим хвиль цього резонатора, і послаблюючи інші. Якщо на оптичній довжині Lрезонатора укладається ціле (в сенсі «не дробове») число напівхвиль n :

то такі хвилі, проходячи резонатором не змінюють своєї фази і внаслідок інтерференції посилюють один одного. Решта, близько розташовані хвилі, поступово гасять один одного. Таким чином, спектр власних частот оптичного резонатора визначається співвідношенням:

тут c- Швидкість світла у вакуумі. Інтервали між сусідніми частотами резонатора однакові та рівні:

Лінії у спектрі випромінювання з різних причин (доплерівське розширення, зовнішні електричні і магнітне поля, квантовомеханическое ефекти та інших.) завжди мають певну ширину . Тому можуть виникати ситуації, коли ширину спектральної лінії укладається кілька власних частот резонатора. І тут випромінювання лазера буде многомодовым. Синхронізація цих мод дозволяє досягти того, щоб випромінювання являло собою послідовність коротких і потужних імпульсів. Якщо ж , то випромінюванні лазера буде лише одна частота, у разі резонансні властивості системи дзеркал слабо виражені і натомість резонансних властивостей спектральної лінії. При більш строгому розрахунку необхідно враховувати, що посилюються хвилі, що поширюються як паралельно оптичної осі резонатора, а й під малим кутом до неї. Умова посилення тоді набуває вигляду:

Це призводить до того, що інтенсивність пучка променів лазера різна у різних точках площині, перпендикулярній цьому пучку. Тут спостерігається система світлих плям, розділених темними вузловими лініями. Для усунення цих небажаних ефектів використовують різні діафрагми, що розсіюють нитки, а також використовують різні схеми оптичних резонаторів.

2.2 Класифікація лазерів:

· Твердотільні лазери на люмінесцентних твердих середовищах (діелектричнікристали та скла). Як активатори зазвичай використовуються іони рідкоземельних елементів або іони групи заліза Fe. Накачування оптичне і від напівпровідникових лазерів, здійснюється за трьох-або чотирирівневою схемою. Сучасні твердотільні лазери здатні працювати в імпульсному, безперервному та квазінеперервному режимах.

· Напівпровідникові лазери. Формально також є твердотілими, але традиційно виділяються в окрему групу, оскільки мають інший механізм накачування (інжекція надлишкових носіїв заряду через p-n перехід або гетероперехід, електричний пробій у сильному полі, бомбардування швидкими електронами), а квантові переходи відбуваються між дозволеними енергетичними зонами між дискретними рівнями енергії Напівпровідникові лазери - найбільш уживаний у побуті вид лазерів. Крім цього застосовуються в спектроскопії, системах накачування інших лазерів, а також в медицині (див. фотодинамічна терапія).

· Лазери на барвниках. Тип лазерів, що використовує як активне середовище розчин флюоресціюють з утворенням широких спектрів органічних барвників. Лазерні переходи здійснюються між різними коливальними підрівнями першого збудженого та основного синглетних електронних станів. Накачування оптичне, можуть працювати в безперервному та імпульсному режимах. Основною особливістю є можливість перебудови довжини хвилі випромінювання у широкому діапазоні. Застосовуються у спектроскопічних дослідженнях.

· Газові лазери - лазери, активним середовищем яких є суміш газів та парів. Відрізняються високою потужністю, монохроматичності, а також вузькою спрямованістю випромінювання. Працюють у безперервному та імпульсному режимах. Залежно від системи накачування газові лазери поділяють на газорозрядні лазери, газові лазери з оптичним збудженням та збудженням зарядженими частинками (наприклад, лазери з ядерним накачуванням, на початку 80-х проводилися випробування систем протиракетної оборони на їх основі, однак, без особливого успіху), газодинамічні та хімічні лазери. За типом лазерних переходів розрізняють газові лазери на атомних переходах, іонні лазери, молекулярні лазери на електронних, коливальних та обертальних переходах молекул та ексімерні лазери.

· Газодинамічні лазери - газові лазери з тепловим накачуванням, інверсія населеностей в яких створюється між збудженими коливально-обертальними рівнями гетероядерних молекул шляхом адіабатичного розширення газової суміші, що рухається з високою швидкістю (частіше N 2 +CO 2 +He або N 2 +CO 2 О, робоча речовина - CO2).

· Ексімерні лазери - різновид газових лазерів, що працюють на енергетичних переходах ексімерних молекул (димерах благородних газів, а також їх моногалогенідів), здатних існувати лише деякий час у збудженому стані. Накачування здійснюється пропусканням через газову суміш пучка електронів, під дією яких атоми переходять у збуджений стан з утворенням ексимерів, що фактично представляють собою середовище з інверсією населення. Ексимерні лазери відрізняються високими енергетичними характеристиками, малим розкидом довжини хвилі генерації та можливості її плавної перебудови у широкому діапазоні.

· Хімічні лазери – різновид лазерів, джерелом енергії для яких служать хімічні реакції між компонентами робочого середовища (суміші газів). Лазерні переходи відбуваються між збудженими коливально-обертальними та основними рівнями складових молекул продуктів реакції. Для здійснення хімічних реакцій у середовищі необхідна постійна присутність вільних радикалів, для чого використовуються різні способи на молекули для їх дисоціації. Відрізняються широким спектром генерації у ближній ІЧ-області, великою потужністю безперервного та імпульсного випромінювання.

· Лазери на вільних електронах - лазери, активним середовищем яких є потік вільних електронів, що коливаються у зовнішньому електромагнітному полі (за рахунок чого здійснюється випромінювання) і поширюються з релятивістською швидкістю у напрямку випромінювання. Основною особливістю є можливість плавної широкодіапазонної перебудови частоти генерації. Розрізняють убітрони та скаттрони, накачування перших здійснюється у просторово-періодичному статичному полі ондулятора, других – потужним полем електромагнітної хвилі. Існують також мазери на циклотронному резонансі та строфотрони, засновані на гальмівному випромінюванні електронів, а також фліматрони, що використовують ефект черенківського та перехідного випромінювань. Оскільки кожен електрон випромінює до 108 фотонів, лазери на вільних електронах є, по суті, класичними приладами і описуються законами класичної електродинаміки.

· Квантові каскадні лазери – напівпровідникові лазери, які випромінюють у середньому та далекому інфрачервоному діапазоні. На відміну від звичайних напівпровідникових лазерів, які випромінюють за допомогою вимушених переходів між дозволеними електронними та дірковими рівнями, розділеними забороненою зоною напівпровідника, випромінювання квантових каскадних лазерів виникає при переході електронів між шарами гетероструктури напівпровідника і складається з двох типів променів, причому вторинний не потребує великих витрат енергії.

· Інші види лазерів, розвиток принципів яких на даний момент є пріоритетним завданням досліджень (рентгенівські лазери, гамма-лазери та ін.).

3. Лазери у медицині

З появою промислових лазерів настала нова епоха в хірургії. При цьому став у нагоді досвід фахівців з лазерної обробки металу. Приварювання лазером сітківки ока - це точкове контактне зварювання; лазерний скальпель - автогенне різання; зварювання кісток - стикове зварювання плавленням; з'єднання м'язової тканини – теж контактне зварювання. Щоб лазерне випромінювання надало якесь дію, треба, щоб тканина його поглинала. Найпопулярніший лазер у хірургії – вуглекислотний. Інші лазери монохроматичні, тобто нагрівають, руйнують або зварюють лише деякі біологічні тканини з певним забарвленням. Наприклад, промінь аргонового лазера вільно проходить через матове склоподібне тіло і віддає свою енергію сітківці, колір якої близький до червоного. Вуглекислотний лазер придатний у більшості випадків, наприклад, коли потрібно розсікти або приварити один до одного тканини різного кольору. Однак у цьому виникає інша проблема. Тканини насичені кров'ю та лімфою, містять багато води, а випромінювання лазера у воді втрачає енергію. Збільшити енергію лазерного променя можна, але це може призвести до пропалювання тканин. Творцям хірургічних лазерів доводиться вдаватися до всіляких хитрощів, що сильно подорожчає апаратуру. Фахівцям із зварювання металів давно відомо, що при різанні пакета тонких металевих листів необхідно, щоб вони щільно прилягали один до одного, а при точковому контактному зварюванні для тісного контакту деталей, що зварюються, необхідний додатковий тиск. Цей метод був використаний і в хірургії: професор О. І. Скобелкін та його співавтори запропонували при зварюванні тканин злегка їх стискати, щоб витіснити кров. Для здійснення нового способу було створено цілий набір інструментів, який застосовується сьогодні у шлунково-кишковій хірургії, при операціях на жовчних шляхах, селезінці, печінці, легенях.

3.1 Стоматологія

Аналіз літературних даних щодо лікування захворювань слизової оболонки рота та пародонту показує, що деякі засоби, особливо антибіотики та стероїдні препарати, змінюють окислювально-відновний потенціал слини, послаблюють активність лізоциму, сприяють розвитку алергічних реакцій, зумовлюють зниження резистентності організму. Все це ускладнює перебіг та лікування патологічного процесу у слизовій оболонці рота та пародонті. Ці фактори викликають необхідність пошуку нових методів лікування – без застосування лікарських засобів. Одним із них є фізіотерапія, а серед найбільш ефективних – низькоінтенсивне лазерне випромінювання. Лазерне випромінювання достовірно підвищує проліферативну активність клітин у 13-35 рази. Було встановлено, що НИЛИ надає на травматичний дефект слизової оболонки рота протизапальну дію, сприяє прискоренню епітелізації та органоспецифічного відновлення тканин слизової оболонки в області дефекту. Такий ефект, насамперед, обумовлений інтенсифікацією синтезу ДНК клітин. Встановлено, що у момент опромінення інтенсивність кровопостачання зростає на 20%. Оптимальна вазоконстрикторна доза опромінення становила 100 мВт/см2 (для ГНЛ) при експозиції 2 хв (12 Дж/см2) [. Александров М.Т, Прохончук А.А., 1981]. З розвитком констрикторної реакції деякі дослідники пов'язують і аналгезуючий ефект лазерного опромінення, що спостерігається в клініці. В експерименті на моделі посттравматичної регенерації слизової оболонки язика відзначено більш швидку та кращу епітелізацію рани після впливу світлом гелій-неонового лазера (щільність потужності 200 мВт/см 2 при одноразовому та 1 мВт/см 2 при щоденному впливі) [Виноградов А. та ін., 1990]. Дослідження ультраструктури ясен після 1, 3 і 6 сеансів щоденного опромінення світлом ГНЛ показали наявність вираженої реакції з боку основних елементів ясен. У епітеліальних клітинах рогового шару збільшується кількість світлих вакуолей та сильно осмованих глибок, а в зернистому шарі – кількість осмованих гранул. У м'язових волокнах з'являється велика кількість мітохондрій, у кровоносних судинах визначаються скупчення еритроцитів. Усе це свідчить про посилення синтезу речовин, у клітинах під впливом НИЛИ [Зазулевская Л.Я. та ін, (1990)]. За підсумками проведених досліджень визначено спектр дії та параметри для безперервного випромінювання з довжиною хвилі 0,63 мкм (лазерна головка КЛО4 для АЛТ «Матрікс»), що надають протизапальний (судинний), що стимулює клітинну проліферацію та інгібує ефекти. Так, стимуляція клітинної проліферації спостерігається при щільності потужності від 10 до 100 мВт/см 2 експозиції на одне поле від 30 до 5 хв; протизапальну та аналгезуючу дію – при щільності потужності 100-200 мВт/см 2 , експозиції на одне поле 2-5 хв; інгібуюча дія – при щільності потужності 100-400 мВт/см 2 та експозиції 1-6 хв. Слід зазначити, що зазначені величини густини потужності лазерного випромінювання досягаються за допомогою спеціальних світловодів. Імпульсні напівпровідникові лазери, зокрема випромінюючі голівки інфрачервоного спектру (ЛО4) до АЛТ «Матрікс», дозволяють здебільшого обходитися без світловодів. Коли вплив проводиться на проекцію зони ураження із застосуванням дзеркальних та дзеркально-магнітних насадок. Це найчастіше ефективніше і вимагає таких високих щільностей потужності. Особливості імпульсного інфрачервоного (ІЧ) випромінювання дозволяють реалізувати методики лазерної терапії з більш високою ефективністю при значно меншому енергетичному навантаженні (щільності потужності). Показано, що лазерне імпульсне інфрачервоне випромінювання стимулює процеси проліферативної активності клітинних структур у дозі від 0,03-0,86 Дж/см 2 з максимальним ефектом при дозі 0,22 Дж/см 2 . Тоді як ГНЛ (безперервне випромінювання червоного спектра) максимальний ефект досягається при 3 Дж/см 2 . Застосування ж у комплексному лікуванні хворих з одонтогенними флегмонами особи поєднаного впливу випромінюваннями обох видів дозволяє отримати найкращі результати лікування, скоротити тривалість непрацездатності в середньому на 8 діб [Платонова В.В., 1990]. Імпульсне ІЧ лазерне випромінювання у поєднанні постійним з магнітним полем 35-50 мТл можна ефективно використовувати на всіх етапах ортодонтичного лікування. Відсутність ускладнень та рецидивів, підвищення продуктивності праці лікарів та середнього медичного персоналу загалом дає загальний економічний ефект 36-43% [Кузнєцова М.А., 2000]. Застосування низькоінтенсивного імпульсного лазерного світла за рахунок загальної (загальнооздоровчої) дії розширює показання для ортодонтичного лікування зубощелепних аномалій:

· За різних несприятливих умов (гінгівіти при тісному положенні зубів, недостатній гігієні порожнини рота, ювенільні, травматичні; пародонтити);

· При виражених запально-дистрофічних ускладненнях в пародонті зубів, що переміщаються, а також у ослаблених дітей з порушенням імунного статусу (імунодефіцити, алергічні явища, сенсибілізація, гормонально-імунологічні розлади і т. п.);

· При підготовці до активного ортодонтичного лікування. НИЛИ статистично достовірно дозволяє купірувати запальні процеси в 1,6 разів швидше (у середньому на 4-6 днів) порівняно з традиційними способами, що у свою чергу скорочує підготовчий етап у 2,3 рази, створюючи оптимальні умови для початку ортодонтичного лікування;

· при видаленні окремих постійних зубів за ортодонтичними показаннями, оголення коронок ретенованих зубів, пластиці вуздечки язика та вуздечок губ, поглибленні присінка порожнини рота. Застосування низькоінтенсивного імпульсного ІЧ НИЛИ у протизапальних і стимулюючих регенерацію дозах дозволяє прискорити загоєння післяопераційних ран м'яких тканин ротової порожнини без утворення тяжів і рубцевих змін в середньому на 4-5 днів у порівнянні зі звичайними способами;

· при усуненні зубощелепних аномалій із застосуванням сучасної незнімної техніки лазерна терапія дозволяє ліквідувати больовий синдром після фіксації та активування елементів апарату, запобігти можливе відповідне травматичне запалення в області застосування ортодонтичних сил, полегшуючи період фізіологічної та психологічної адаптації до ортодонт. ±1,2 місяці (у порівнянні зі звичайними способами) загальні терміни лікування.

ЛТ, забезпечуючи надійну ретенцію, статистично достовірно дає можливість фіксувати в потрібному положенні переміщені зуби і скорочувати завершальний період лікування (в середньому на 4-6 місяців), прискорює прорізування зубів, що затрималися в щелепі, в 4,7 рази без оперативного втручання, нерідко виявляє . Одночасне поєднане застосування низькоінтенсивного імпульсного ІЧ НИЛИ і постійного магнітного поля істотно підвищує профілактичну і лікувальну ефективність переміщення зачатків зубів, що затрималися (зміни положення їх в щелепи і встановлення в напрямку прорізування) і прискорює їх прорізування в 5, Перелічені властивості лазерного випромінювання дозволяють диференційовано застосовувати його в стоматології при захворюваннях слизової оболонки рота, які супроводжуються деструкцією епітелію, уповільненою регенерацією, запаленням, больовим синдромом, а також при ураженнях вірусного генезу (фотодинамічна дія). При запаленні випромінювання лазера викликає загальний та місцевий ефекти. Загальні ефективиражаються у збільшенні неспецифічних гуморальних факторів захисту (комплемент, інтерферон, лізоцим), загальної лейкоцитарної реакції, стимуляції кістково-мозкового кровотворення, підвищенні фагоцитарної активності мікро- та макрофагальної систем. Виникає десенсибілізуючий ефект, відбуваються активація імунокомпетентної системи, клітинного та гуморального специфічного імунологічного захисту, підвищення загальних захисно-пристосувальних реакцій організму. Місцеві ефекти визначаються основними елементами запальної реакції: ексудація, альтерація, проліферація. Ексудація: дилатація судин, активація мікроциркуляції з подальшою вазоконстрикцією – запобігання розвитку фазових порушень мікроциркуляції та нормалізація кровообігу у поєднанні з нормалізацією проникності судинної стінки (судинно-тканинного бар'єру), зменшення набряку тканини. Під впливом випромінювання НІЛІ відбувається оптимальне формування нейтрофільного та моноцитарного бар'єрів, підвищення фагоцитарної активності мікро- та макрофагів, продукції бактерицидних субстанцій та стимуляторів росту, стимуляція проліферації, активація бар'єрних властивостей слизової оболонки рота. Альтерація: активація функцій мітохондрій та інших органел клітин, метаболізму зі збільшенням споживання кисню та активацією тканинного дихання. Одночасно пригнічуються анаеробні процеси, запобігається розвитку ацидозу та вторинних дистрофічних змін, у результаті полегшується регенерація пошкоджених тканин. Проліферація: стимуляція системи ДНК-РНК-білок, збільшення мітотичної (проліферативної) активності клітин, активація реакції сполучної тканини. Морфологічно клітинна реакція проявляється у прискоренні та посиленні утворення фібробластичного бар'єру (на фоні виділення стимуляторів росту), стимуляції утворення грануляційної тканини, прискоренні дозрівання фібробластів, активації утворення колагенових волокон та дозрівання грануляційної тканини. В результаті відбуваються швидка та більш фізіологічна епітелізація, прискорена та повноцінна регенерація слизової оболонки в області ураження. Терапевтична дія (стимуляція) процесів регенерації тканини виражається в активації системи ДНК-РНК-білок, посиленні синтезу нуклеїнових кислот та ядерних білків, зростанні маси ядра, збільшенні синтезу цитоплазматичних білків та накопиченні їх у період інтерфази до критичного рівня. Відбуваються стимуляція мітозів, прискорене та збільшене розмноження клітин сполучної тканини, епітелію. Терапевтичний ефект лазерного на тканини живого організму значно посилюється у постійному магнітному полі (ПМП) з допомогою посилення процесів метаболізму. Магнітолазерна терапія (МЛТ) була запропонована наприкінці 70-х років. та набула найбільшого поширення завдяки високій терапевтичній ефективності, обумовленій потенціюванням дії магнітного поля та лазерного випромінювання [Мостовніков В.А. та ін, 1991; Полонський О.К. та ін, 1981]. При поєднаному магнітолазерному впливі, особливо при лікуванні глибоко розташованих патологічних вогнищ, ефективнішим є застосування НІЛІ ближньої інфрачервоної частини спектру (довжина хвилі 0,8-1,3 мкм) з таких об'єктивних причин. По-перше, максимум пропускання шкірними покривами людини електромагнітного випромінювання перебуває у цьому діапазоні. По-друге, ПМП, орієнтуючи диполі в одну лінію вздовж світлової хвилі колінеарно, сприяє резонансній взаємодії біологічних структур та посилює світлопоглинання в ІЧ діапазоні. Імпульсне ІЧ (λ = 0,89 мкм) лазерне випромінювання більшою мірою впливає на стабільність клітинних мембран, тоді як у комбінації з ПМП цей фактор надає виражену дію на мікроциркуляторні процеси [Зубкова С.М. та ін, 1991]. При проведенні МЛТ застосовують спеціальні магнітні насадки з оптимальною формою поля, що звільняє лікаря необхідність обліку специфічної дії північного і південного полюсів магніту. Оптимальний час МЛТ становить 1,5-2 хв при ПМП 15-75 мТл і потужності імпульсного ІЧ НИЛИ 10-15 Вт; кількість процедур від 5 до 10. Для стимуляції периферичного кровотоку оптимальним є ПМП з індукцією 50 мТл. МЛТ має гіпокоагулюючу, м'яку седативну та гіпотензивну дію, позитивно впливає на окремі компоненти імунної системи [Буйлін В.А., 1997; Москвин С.В., Буйлін В.А., 2005]. Показання до лазеротерапії: пародонтит у стадії загострення, пародонтоз (гіперестезія), герпес губ та герпетичний стоматит дорослих, синдром Мелькерссона-Розенталя, хронічний рецидивуючий афтозний стоматит, десквамативний глосит, хронічний гінгівіт, виразка, виразка ня еритема та ін . Протипоказання: всі форми лейкоплакії, а також явища проліферативного характеру на слизовій оболонці рота (папіломатоз, обмежений гіперкератоз, ромбоподібний глосит); тяжко протікають захворювання серцево-судинної системи (атеросклеротичний кардіосклероз з вираженим порушенням коронарного кровообігу, церебральний склероз з порушенням мозкового кровообігу ІІ-Ш стадії), гіпертонічна хвороба ІІІ стадії, гіпотонія; виражена та важка ступінь емфіземи легень; туберкульозна інтоксикація; пухлини злоякісні; доброякісні пухлини при локалізації в ділянці голови та шиї; тяжкий ступінь цукрового діабету в некомпенсованому стані або за нестійкої компенсації; захворювання крові; стан після інфаркту міокарда (протягом 6 місяців після ексцесу).

3.2 Хірургія

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. Хірургічні лазерні системи забезпечують: ефективну контактну та безконтактну вапоризацію та деструкцію біотканини;

  • сухе операційне поле;
  • мінімальне пошкодження навколишніх тканин;
  • ефективний гемо- та аеростаз;
  • купірування лімфатичних проток;
  • високу стерильність та абластичність;
  • сумісність з ендоскопічними та лапароскопічними інструментами

Це дає можливість ефективно використовувати хірургічні лазери для виконання найрізноманітніших оперативних втручань в урології, гінекології, оториноларингології, ортопедії, нейрохірургії і т. д. На нашу думку, найкращим вибором для хірурга за своїми фізичними властивостями є гольмієвий лазер. Тому основну увагу ми приділяємо саме Гольмієвим лазерам у хірургії.

КТР – лазер

Це добре відомий неодимовий лазер на гранаті (Nd:YAG), спарений з нелінійним кристалом титаніл фосфату калію (КТР), який подвоює частоту світла, що випромінюється до отримання довжини хвилі 532 нм, розташованої в зеленій області спектру. Лазерне лікування судинних порушень ґрунтується на тепловому впливі лазерного випромінювання на судини без зміни структури прилеглих тканин. Зелене випромінювання КТР-лазера проникає крізь поверхневі шари шкіри добре поглинається гемоглобіном крові. В результаті в пошкодженій кровоносній судині відбувається виділення великої кількості тепла, кров згортається, а внутрішня стінка руйнується. Надалі патологічна судина заростає сполучною тканиною, а шкіра набуває природного кольору. Насправді при цьому важливо враховувати час теплової релаксації судини, що відповідає періоду, необхідному передачі тепла межі судини. Цей час залежить насамперед від діаметра судини і може змінюватися від 1 мс (для судини діаметром 50 мкм) до 80 мс (для судини діаметром 400 мкм). При опроміненні надто короткими імпульсами дуже інтенсивним лазером кровоносна судина поглинає досить велику кількість енергії, яка не встигає розсіюватися. Через це всередині судини значно підвищуються температура і тиск, що призводить до розриву його стінки та мікрокрововиливання. Клінічно це проявляється у вигляді пурпури або мікрогеморагії. Зі збільшенням тривалості лазерного імпульсу можна отримати режим селективної коагуляції, коли при поступовому підвищенні температури стінки судини відбувається його спаювання та зникнення. Тривалість імпульсу при цьому повинна бути більшою, ніж час релаксації судини, але обмеженою, інакше велика кількість тепла марно розсіюється назовні, і в зоні навколишньої дерми можуть відбутися значні зміни. На місці лазерної дії відновлюється природний колір шкірного покриву. Тканини навколо судини практично не поглинають випромінювання лазера і залишаються непошкодженими, тому після операції відбувається утворення рубців.

3.4 Фотоомолоджування шкіри

При поглинанні випромінювання КТР-лазера гемоглобіном крові крім фотокоагуляції кровоносних судин та очищення шкіри від пігментних та васкулярних уражень можна отримати й інший ефект – фотоомолоджування шкіри. Фотоомолоджування - це видиме покращення стану шкіри за допомогою лазера або іншого джерела світла. Що відбувається безпосередньо у шкірі при опроміненні її потужними світловими імпульсами? При поглинанні світла та нагріванні стінок судин ті в свою чергу передають тепло назовні. Селективне нагрівання дермального колагену (до температури 55 град. С) викликає стимуляцію у сполучній тканині спеціальних клітин – фібробластів, які починають активно синтезувати новий колаген. Таким чином, у в'янучій шкірі виникають нові волокна колагену та еластину, і вона знову набуває молодого, свіжого вигляду. Синтез нового колагену це біохімічний процес, який потребує певного часу, тому результат стає помітним не відразу. Усього може знадобитися 3 - 6 сеансів з інтервалом 3 тижні. Після курсу процедур відбувається покращення кольору та структури шкіри, обличчя підтягується, покращуються його контури, звужуються пори. Завдяки загальному ліфтингу розгладжуються дрібні та середні зморшки. Таким чином, фотоомолодження за допомогою КТР-лазера – це новий та ефективний неінвазивний метод омолодження шкіри з мінімальним ризиком та без тривалого періоду відновлення для пацієнта.

Лазерна дермабразія - це:

  • мала травматичність операцій, що проводяться;
  • мінімальне теплове пошкодження та швидке відновлення шкірного покриву;
  • мінімальний ризик післяопераційних рецидивів та ускладнень;
  • швидке загоєння ран

Механізм дії пілінгу

Заснований на здатності шкіри швидкого самовідновлення. Будь-яка травмуюча дія – опік, садна, поріз – викликає негайну реакцію організму. За найменшої травми на захист кидаються всі сили - починається процес регенерації. Однак для відновлення шкірного покриву старі матеріали не використовуються. Справа в тому, що при травмі відбувається знищення деформованих клітин, а діяльність молодих та здорових заохочується як ніколи. Звичайно, крім регенерації в шкірі безперервно протікають інші процеси оновлення. Це, наприклад, програма діяльності кератиноцитів – основних клітин епідермісу. Насправді епідерміс складається з верств кератиноцитів різного віку. І кожен шар виконує своє фізіологічне завдання (скажімо, найвищий роговий – це щільний захисний бар'єр із відмерлих клітин). З роками у життєвій програмі кератиноцитів можуть початися збої, тоді клітини разом із накопиченими ушкодженнями затримуються у проміжному шарі. Вихідний негатив (як інфекційні хвороби) неминуче позначається на діяльності інших клітин.
В результаті сповільнюється клітинний поділ в живих тканинах (вони стоншуються), а роговий шар, навпаки, потовщується, надаючи шкірі пергаменту. У цій ситуації пілінг також послужить хорошу службу, одночасно створюючи передумови до ретельного очищення верхнього бар'єру та сприяючи проведенню контрольованого процесу оновлення. Відлущування шкіри, що викликається як штучне пошкодження епідермісу, проводиться за вибірково-дбайливими методиками, без болю і дискомфорту. Якщо регенерація відбувається нормально, шкіра після реабілітації виглядає набагато краще. Ороговілий шар стає більш тонким і однорідним, а дерма пружною.

3.5 Видалення татуювань та пігментних плям

Татуювання зазвичай легше зробити, ніж видалити. Мода на татуювання пройшла через багато країн. До 20 мільйонів американців мають багатобарвні прикраси на різних частинах тіла, і опитування показують, що принаймні половина з них хочуть позбутися цього легковажного вчинку в молодості. Наша країна не зазнала поки що повального захоплення татуюванням, але не слід ігнорувати досвід інших. Існує багато способів видалення барвника зі шкіри, заснованих на різних механізмах деструктивного впливу. Всі ці методи були засновані на одному принципі – видаленні ділянок шкіри з татуюванням: дермабразія шкіри за допомогою алмазної фрези, хірургічні висічення, хімічне видалення зображення шляхом ін'єкції спеціальних кислот, кріохірургія. Однак косметичний результат після такого видалення залишає бажати кращого: занадто висока ймовірність появи естетично неприйнятних рубців, які можуть виявитися ще небажанішими, ніж татуювання.

Лазерне видалення татуювань

За останні роки істотний прогрес набув методу лазерного виведення татуювань. За цей час було отримано величезний клінічний матеріал, а лазерні методи стали найбільш просунутими, а то й єдино прийнятними з погляду одержуваного косметичного результату, способами виведення татуювань. Для руйнування барвників, що становлять основу татуювання, лазер повинен випромінювати таке світло, яке поглинається цим барвником. Для цього використовується спеціальний режим роботи лазера "з модуляцією добротності" (Q-switched), який дозволяє досягти високої потужності лазерних імпульсів за рахунок скорочення їх тривалості. Для виведення випромінювання таких лазерах використовується шарнірний дзеркальний світловод, що дозволяє доставити лазерне випромінювання до робочого інструменту лікаря. Гранули барвників тату вибірково поглинають лазерне випромінювання, розбиваються на дрібні фрагменти та поступово виводяться через лімфатичну систему. У порівнянні з іншими методами лазерне видалення татуювань є безпечнішим методом, оскільки лазерне випромінювання впливає тільки на барвник, а не на навколишню шкіру. Лазер дозволяє виводити татуювання без рубців та шрамів. Для виведення більшості татуювань і дермальних пігментацій потрібно проведення 2 - 5 сеансів. Для виведення великих за площею татуювань може знадобитися понад 10 сеансів. Кількість сеансів залежить від кількох факторів, таких як вік татуювання, її розміри та розташування, глибина, тип та колір пігменту. Важкі для виведення зелені та жовті татуювання. Зазвичай професійно виконані татуювання вимагають більше сеансів їх видалення, ніж аматорські. Зустрічаються такі стійкі види барвників, які залишаються помітними після серії процедур, хоч і значно знебарвлюються.

3.6 Застосування лазера у лікуванні ЛОР-захворювань

В даний час лазерне випромінювання все частіше і частіше знаходить застосування в медицині, в тому числі і потяг ЛОР-захворювань. Позитивні характеристики застосування лазера полягають у тому, що він зменшує запальну реакцію, має виражений аналгезуючий (знеболюючий) ефект, а також при цьому відбувається більш активне відновлення ураженої тканини. Режими лазерного випромінювання, що застосовуються в медицині, не надають шкідливого впливу на організм в цілому. Руйнування тканин лазером практично безкровно, що пов'язане з коагуляцією (згортанням) крові в просвіті капілярів у зоні коагуляційного некрозу та утворенням так званого лазерного тромбу. Серед патологічних станів глотки, що вимагають лазерної корекції, найбільший інтерес становлять різні новоутворення, хронічний гіпертрофічний бічний та гранульозний фарингіт (запалення глотки), залишки піднебінних мигдаликів після перенесеної раніше тонзилектомії (видалення гланд) та ронхопатія.

Застосування лазера на лікування патології глотки значно ефективніше традиційних методів хірургії:

  • втручання не дає ускладнень у післяопераційному періоді,
  • воно легко переноситься хворими,
  • є максимально щадним до тканин,
  • не вимагає проведення антибактеріальної та протизапальної терапії у післяопераційному періоді,
  • не порушує працездатність хворих.

Для ендоскопічної корекції патології порожнини носа широко застосовується діодний лазер. Він успішно використовується для лікування таких захворювань, як:

  • хронічний гіпертрофічний риніт, особливо при збільшенні середніх та задніх кінців носових раковин,
  • рубцеві процеси порожнини носа після перенесених раніше хірургічних втручань та травм,
  • поліпозний етмоїдит (запалення ґратчастої пазухи, що поєднується наявністю в її порожнині поліпів),
  • рецидивуючий поліпоз носа,
  • рецидивні носові кровотечі,
  • новоутворення.

Досить широкого поширення останнім часом набула лазерна хірургія гортані Лазер допомагає впоратися з такою патологією, як різні доброякісні та злоякісні новоутворення гортані, наслідки хронічних запальних захворювань гортані, а також різні форми порушення її іннервації, тобто. паралічі та парези. Грануляції або рубцеві тканини гортані повністю випаровуються лазером. При цьому для візуального контролю над процесом лазерної хірургії використовується ендоскопічна техніка. Після такої операції, як трахеотомія, а також такої маніпуляції, як інтубація трахеї, при тривалому знаходженні канюлі або трубки інтубації в гортані на її поверхні може утворитися так звана гранульома. Лікування постінтубаційних та посттрахеотомічних гранульом гортані та трахеї за допомогою лазера також дуже ефективне, оскільки. в більшості випадків дозволяє повністю відновити просвіт дихальних шляхів.

Дуже успішно застосування лазерної хірургії в лікуванні таких захворювань вуха, як:

  • новоутворення,
  • посттравматичні деформації,
  • хронічний гнійний середній отит.

У хірургії ЛОР-хвороб є велика кількість методів і способів корекції гіперпластичних процесів, які характеризуються розростанням патологічної тканини, а також звужень і різних дефектів зовнішнього і середнього вуха. Лазерна хірургія широко застосовується і на лікування цієї патології. В області зовнішнього слухового проходу найчастіше зустрічаються папіломи та гемангіоми, які легко видаляються лазером. Цим методом лазерної хірургії проводиться видалення поліпів і грануляцій (розростань сполучної тканини) з порожнини середнього вуха з великими дефектами барабанної перетинки при такому захворюванні, як хронічний гнійний середній отит. Особливе місце в хірургії гіперпластичних процесів зовнішнього вуха займають келоїдні рубці вушних раковин. Традиційна хірургія неспроможна повністю вирішити цю проблему. При цьому відзначається велика кількість рецидивів. Введення в практику лазерної хірургії лікування келоїдних рубців стало ефективнішим. За допомогою лазера та операційного мікроскопа в багатьох випадках вдається дуже економно висікти келоїдний рубець з непоганим косметичним ефектом. При цьому ризик рецидиву у післяопераційному періоді низький. Дуже цінним ендоскопічні втручання із застосуванням лазера виявляються при мікрохірургічних операціях барабанної порожнини, коли необхідно з великою точністю видаляти мікроскопічні ділянки патологічних тканин, не руйнуючи при цьому цілісності тонких анатомічних структур середнього та внутрішнього вуха. Деякі з нас страждають від постійного почервоніння очей (коли видно червоні вени), навіть якщо ви добре виспалися! Деякі намагаються застосувати різні медичні препарати, але безуспішно. Причому ми впевнені, що самі почервоніння не викликані сухістю очей або алергічною реакцією на якийсь продукт. Що кажуть із цього приводу провідні офтальмологи...

3.7 Офтальмологія

По-перше, всім необхідно знати, що якщо видно червоні вінки в оці – це цілком нормальне явище, і з цього не потрібно робити трагедію! Деякі, тільки-но бачать червоні вінки, намагаються застосовувати різні препарати, які "обіцяють" впоратися з цією проблемою, і забувають проконсультуватися з лікарем. Але, як стверджують фахівці, застосування деяких препаратів (наприклад, відомий усім Visin), які зменшують вінки, роблять їх менш помітними, здатне привести до абсолютно зворотного результату: після завершення застосування препарату вени можуть ще більше розширитися і стати більш помітними. Розширення вен - це одвічна проблема, з якою стикаються люди, які постійно застосовують (зловживають!) якісь очні медичні препарати. Причини постійної почервоніння очей: Хронічна почервоніння очей може бути викликана певним видом подразнення. Найчастіше почервоніння очей викликає їх сухість та алергія. Сухість очей не завжди здатна викликати їхнє почервоніння. Крім того, із сухістю очей (на ранній та середній стадії) відмінно справляються спеціальні краплі проти сухості очей. Для людей, які страждають на важку форму сухості очей, у клініці пропонують спеціальну процедуру (пунктаційна обтурація). При цій процедурі, невелика пластикова "пробка", що нагадує мініатюрну мітку для м'яча в гольфі, поміщається в одні з двох каналів, що проходить від очей до носа. Ця перегородка перешкоджає попаданню сльози в ніс, тим самим затримуючи її довше в самому оці. Алергія – ще одна типова причина почервоніння очей. Найоптимальніше лікування почервоніння очей алергічного походження - утримувати пацієнта за таких умов, де не було предметів, здатних викликати алергію. Однак, як відомо, часом буває дуже складно визначити, чим викликана алергія. Іноді алергію можуть спровокувати лінзи, які Ви носите. На ринку є медичні препарати, які знижують алергічні реакції. Якщо почервоніння викликана лінзами, то сьогодні є така послуга як лікування лазером. У результаті, зір майже повністю відновлюється, і відпадає будь-яка необхідність використання лінз чи окулярів. Червоність очей може бути також викликана великим навантаженням на очі, просиджуванням годинами у комп'ютера, нестачею вітаміну А. У будь-якому випадку, перед тим як прийняти ті чи інші краплі, що знімають почервоніння очей, слід неодмінно проконсультуватися з лікарем, пройти обстеження і лише потім вирушати в аптеку за медикаментами

4. Висновок

Світло використовувалося для лікування різноманітних хвороб споконвіку. Недарма Ескулап – бог медицини – був сином бога світла Феба Аполлона. Стародавні греки і римляни часто «приймали сонце» як ліки. І перелік хвороб, які приписувалося лікувати світлом, був досить великий. У наш час лазер важливий прилад, без якого ми не уявляємо свого життя. Наука розвивається широкими кроками. Нам треба лише стежити за її успіхами та застосовувати досягнення у повсякденному житті. Одне з головних нововведень у медицині, пов'язане з лазерами. Адже тепер за їх допомогою можна проводити операції без великих розрізів, без остраху занести інфекцію. Такий вид лікування дозволить хворим приймати менше таблеток та препаратів, що дозволить зменшити навантаження на їхню печінку та нирки. Наприкінці я хотів би сказати, що в мене є надія, що в майбутньому, якщо мені знадобиться медична допомога, то вона надаватиметься за допомогою лазера.

Список літератури:

1.Бруннер Ст. Довідник з лазерної техніки: Пер. з ним. . - М: Енергоатоміздат, 1991
2. Звелто О. Принципи лазерів . - М: Мир, 1990

3.Тарасов Л.В. Фізика процесів у генераторах когерентного оптичного випромінювання . - М: Радіо і зв'язок, 1981

Світло використовувалося для лікування різноманітних хвороб споконвіку. Стародавні греки і римляни часто «приймали сонце» як ліки. І перелік хвороб, які приписувалося лікувати світлом, був досить великий.

Справжній світанок фототерапії припав на 19 століття – з винаходом електричних ламп з'явилися нові можливості. Наприкінці XIX століття червоним світлом намагалися лікувати віспу та кір, поміщаючи пацієнта у спеціальну камеру з червоними випромінювачами. Також різні «колірні ванни» (тобто світло різних кольорів) успішно застосовувалися на лікування психічних захворювань. Причому лідируючу позицію у сфері світлолікування до початку ХХ століття займала Російська Імперія.

На початку шістдесятих років з'явилися перші медичні лазерні пристрої. Сьогодні лазерні технології застосовуються практично за будь-яких захворювань.

1. Фізичні основи застосування лазерної техніки у медицині

1.1 Принцип дії лазера

Основою лазерів служить явище індукованого випромінювання, існування якого було постулировано А. Ейнштейном в 1916 р. У квантових системах, що мають дискретні рівні енергії, існують три типи переходів між енергетичними станами: індуковані переходи, спонтанні переходи і безвипромінювальні релаксаційні. Властивості індукованого випромінювання визначають когерентність випромінювання та посилення в квантовій електроніці. Спонтанне випромінювання обумовлює наявність шумів, служить затравним поштовхом у процесі посилення і порушення коливань і разом з безвипромінювальними релаксаційними переходами відіграє важливу роль при отриманні та утриманні термодинамічно нерівноважного випромінюючого стану.

При індукованих переходах квантова система може переводитися з одного енергетичного стану до іншого як з поглинанням енергії електромагнітного поля (перехід з нижнього енергетичного рівня на верхній), так і з випромінюванням електромагнітної енергії (перехід з верхнього рівня на нижній).

Світло поширюється у вигляді електромагнітної хвилі, у той час як енергія при випромінюванні випромінювання та поглинанні сконцентрована у світлових квантах, при цьому при взаємодії електромагнітного випромінювання з речовиною, як було показано Ейнштейном в 1917 р., поряд з поглинанням і спонтанним випромінюванням виникає ) випромінювання, що утворює основу розробки лазерів.

Посилення електромагнітних хвиль за рахунок вимушеного випромінювання або ініціювання коливань електромагнітного випромінювання, що самозбуджуються, в діапазоні сантиметрових хвиль і тим самим створення приладу, названого мазером(microwave amplification by stimulated emission of radiation), було реалізовано 1954 р. За пропозицією (1958 р.) поширити цей принцип посилення значно більш короткі світлові хвилі 1960 р. було розроблено перший лазер(Light amplification by stimulated emission of radiation).

Лазер є джерелом світла, за допомогою якого може бути отримано когерентне електромагнітне випромінювання, яке відоме нам з радіотехніки та техніки надвисоких частот, а також у короткохвильовій, особливо інфрачервоній та видимій областях спектру.

1.2 Типи лазерів

Існуючі типи лазерів можна класифікувати за кількома ознаками. Насамперед по агрегатному стану активного середовища: газові, рідинні, твердотільні. Кожен із цих великих класів розбивається більш дрібні: по характерним особливостям активного середовища, типу накачування, способу створення інверсії тощо. Наприклад, з твердотільних досить чітко виділяється великий клас напівпровідникових лазерів, у яких найширше використовується інжекційне накачування. Серед газових виділяють атомарні, іонні та молекулярні лазери. Особливе місце серед інших лазерів займає лазер на вільних електронах, в основі роботи якого лежить класичний ефект генерації світла релятивістськими зарядженими частинками у вакуумі.

1.3 Характеристики лазерного випромінювання

Випромінювання лазера відрізняється від випромінювання звичайних джерел світла такими характеристиками:

Висока спектральна щільність енергії;

Монохроматичність;

Високою тимчасовою та просторовою когерентністю;

Висока стабільність інтенсивності лазерного випромінювання в стаціонарному режимі;

Можливість генерації дуже коротких світлових імпульсів.

Ці особливі властивості випромінювання лазера забезпечують йому різноманітні застосування. Вони визначаються головним чином принципово відмінним від звичайних джерел світла процесом генерації випромінювання з допомогою вимушеного випромінювання.

Основними характеристиками лазера є: довжина хвилі, потужність і режим роботи, який буває безперервним чи імпульсним.

Лазери знаходять широке застосування в медичній практиці і насамперед у хірургії, онкології, офтальмології, дерматології, стоматології та інших галузях. Механізм взаємодії лазерного випромінювання з біологічним об'єктом ще не до кінця вивчений, але можна відзначити, що мають місце або теплові впливи, або резонансні взаємодії з клітинами тканин.

Лазерне лікування безпечне, воно дуже актуальне для людей з алергією на медичні препарати.

2. Механізм взаємодії лазерного випромінювання з біотканинами

2.1 Види взаємодії

Важлива для хірургії властивість лазерного випромінювання - здатність коагулювати кровонасичену (васкуляризовану) біотканину.

В основному, коагуляціявідбувається за рахунок поглинання кров'ю лазерного випромінювання, її сильного нагріву до закипання та утворення тромбів. Таким чином, поглинаючою мішенню при коагуляції може бути гемоглобін або водна складова крові. Це означає, що добре коагулювати біотканину буде випромінювання лазерів в області оранжево-зеленого спектру (КТР-лазер, на парах міді) та інфрачервоних лазерів (неодимовий, гольмієвий, ербієвий у склі, СО2-лазер).

Однак, при дуже високому поглинанні в біотканині, як, наприклад, у гранатового ербієвого лазера з довжиною хвилі 2,94 мкм, лазерне випромінювання поглинається на глибині 5 - 10 мкм і може взагалі не досягти об'єкта впливу - капіляра.

Хірургічні лазери поділяються на дві великі групи: абляційні(від лат. ablatio - «відібрання»; в медицині - хірургічне видалення, ампутація) та неабляційнілазери. Абляційні лазери ближче до скальпеля. Необляційні лазери діють за іншим принципом: після обробки якогось об'єкта, наприклад, бородавки, папіломи або гемангіоми, таким лазером цей об'єкт залишається на місці, але через якийсь час у ньому проходить серія біологічних ефектів і він відмирає. На практиці це виглядає так: новоутворення муміфікується, засихає та відпадає.

У хірургії застосовуються CO2-лазери безперервної дії. Принцип ґрунтується на тепловій дії. Переваги лазерної хірургії полягають у тому, що вона є безконтактною, практично безкровною, стерильною, локальною, дає гладке загоєння розсіченій тканині, а звідси добрі косметичні результати.

В онкології було помічено, що лазерний промінь має руйнівну дію на пухлинні клітини. Механізм руйнування заснований на термічному ефекті, внаслідок якого виникає різниця температур між поверхневими та внутрішніми частинами об'єкта, що призводить до сильних динамічних ефектів та руйнування пухлинних клітин.

Сьогодні також дуже перспективний такий напрямок, як фотодинамічна терапія. З'являється безліч статей щодо клінічного застосування даного методу. Суть його полягає в тому, що в організм пацієнта вводять спеціальну речовину. фотосенсибілізатор. Ця речовина вибірково накопичується раковою пухлиною. Після опромінення пухлини спеціальним лазером відбувається серія фотохімічних реакцій із кисню, який вбиває ракові клітини.

Одним із способів впливу лазерним випромінюванням на організм є внутрішньовенне лазерне опромінення крові(ВЛОК), яке в даний час успішно використовується в кардіології, пульмонології, ендокринології, гастроентерології, гінекології, урології, анестезіології, дерматології та інших галузях медицини. Глибоке наукове опрацювання питання та прогнозованість результатів сприяють застосуванню ВЛОК як самостійно, так і в комплексі з іншими методами лікування.

Для ВЛОК зазвичай використовують лазерне випромінювання в червоній області спектру
(0,63 мкм) потужністю 1,5-2 мВт. Лікування проводять щодня чи через день; на курс від 3 до 10 сеансів. Час дії при більшості захворювань 15-20 хв за сеанс для дорослих та 5-7 хв для дітей. Внутрішньовенна лазерна терапія може бути здійснена практично в будь-якому стаціонарі чи поліклініці. Перевагою амбулаторної лазеротерапії є зменшення можливості розвитку внутрішньолікарняної інфекції, створюється хороше психоемоційне тло, дозволяючи хворому протягом тривалого часу зберігати працездатність, проводячи при цьому процедури та отримуючи повноцінне лікування.

В офтальмології лазери застосовують як лікування, так діагностики. За допомогою лазера роблять приварювання сітківки ока, зварювання судин очної судинної оболонки. Для мікрохірургії з лікування глаукоми служать аргонові лазери, що випромінюють у синьо-зеленій області спектра. Для корекції зору давно та успішно використовуються ексімерні лазери.

У дерматології за допомогою лазерного випромінювання лікують багато важких та хронічних захворювань шкіри, а також виводять татуювання. При опроміненні лазером активується регенеративний процес, відбувається активація обміну клітинних елементів.

Основний принцип застосування лазерів у косметології полягає в тому, що світло впливає тільки на той об'єкт чи речовину, яка поглинає його. У шкірі світло поглинається особливими речовинами – хромофорами. Кожен хромофор поглинає у певному діапазоні довжин хвиль, наприклад, для помаранчевого та зеленого спектру це гемоглобін крові, для червоного спектру – меланін волосся, а для інфрачервоного спектру – клітинна вода.

При поглинанні випромінювання відбувається перетворення енергії лазерного променя тепло на тій ділянці шкіри, який містить хромофор. За достатньої потужності лазерного променя це призводить до теплового руйнування мішені. Таким чином, за допомогою лазера можна селективно впливати, наприклад, коріння волосся, пігментні плями та інші дефекти шкіри.

Однак внаслідок перенесення тепла відбувається нагрівання та сусідніх областей, навіть якщо вони містять мало світлопоглинаючих хромофорів. Процеси поглинання та перенесення тепла залежать від фізичних властивостей мішені, глибини залягання та її розміру. Тому в лазерній косметології важливо ретельно підбирати не лише довжину хвилі, а й енергію та тривалість лазерних імпульсів.

У стоматології лазерне випромінювання є найбільш ефективним фізіотерапевтичним засобом лікування пародонтозу та захворювань слизової оболонки порожнини рота.

Лазерний промінь застосовується замість акупунктури. Переваги застосування лазерного променя у тому, що немає контакти з біологічним об'єктом, отже, процес протікає стерильно і безболісно за великої ефективності.

Світловодні інструменти та катетери для лазерної хірургії призначені для доставки потужного лазерного випромінювання до місця проведення оперативного втручання при відкритих, ендоскопічних та лапароскопічних операціях в урології, гінекології, гастроентерології, хірургії, артроскопії, дерматології. Дозволяють здійснювати різання, висічення, абляцію, вапоризацію та коагуляцію тканин при проведенні хірургічних операцій у контакті з біотканиною або безконтактному режимі застосування (при видаленні торця волокна від біотканини). Виведення випромінювання може здійснюватися як з торця волокна, так і через віконце на бічній поверхні волокна. Можуть використовуватися як у повітряному (газовому), так і водному (рідкому) середовищі. За окремим замовленням для зручності користування катетери комплектуються легкознімною ручкою - тримачем світловода.

У діагностиці лазери застосовуються виявлення різних неоднорідностей (пухлин, гематом) і вимірювання параметрів живого організму. Основи діагностичних операцій зводяться до пропускання через тіло пацієнта (чи його органів) лазерного променя і з спектру чи амплітуді минулого чи відбитого випромінювання виводять діагноз. Відомі методи виявлення ракових пухлин в онкології, гематом в травматології, а також з вимірювання параметрів крові (практично будь-яких, від артеріального тиску до вмісту цукру і кисню).

2.2 Особливості лазерної взаємодії за різних параметрів випромінювання

Для цілей хірургії промінь лазера повинен бути достатньо потужним, щоб нагрівати біотканину вище 50 - 70 ° С, що призводить до її коагуляції, різання або випаровування. Тому в лазерній хірургії, говорячи про потужність лазерного випромінювання того чи іншого апарату, оперують цифрами, що позначають одиниці, десятки та сотні Вт.

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

1. Коагулюючі: 1 – 5 Вт.

2. Випаровують і неглибоко ріжучі: 5 - 20 Вт.

3. Глибоко ріжучі: 20 – 100 Вт.

Кожен тип лазера насамперед характеризується довжиною хвилі випромінювання. Довжина хвилі визначає ступінь поглинання лазерного випромінювання біотканиною, отже, і глибину проникнення, і ступінь нагріву як області хірургічного втручання, і навколишньої тканини.

Враховуючи, що вода міститься практично у всіх типах біотканини, можна сказати, що для хірургії переважно використовувати такий тип лазера, випромінювання якого має коефіцієнт поглинання у воді більше 10 см-1 або, що те саме, глибина проникнення якого не перевищує 1 мм.

Інші важливі характеристики хірургічних лазерів,
визначальні їх застосування у медицині:

потужність випромінювання;

безперервний чи імпульсний режим роботи;

здатність коагулювати кровонасичену біотканину;

можливість передачі випромінювання по оптичному волокну.

При впливі лазерного випромінювання на біотканину спочатку відбувається її нагрівання, а потім уже випаровування. Для ефективного розрізання біотканини потрібне швидке випаровування в місці розрізу з одного боку, і мінімальне супутнє нагрівання навколишніх тканин з іншого боку.

При однаковій середній потужності випромінювання короткий імпульс нагріває тканину швидше, ніж безперервне випромінювання, і при цьому поширення тепла до навколишніх тканин мінімальне. Але якщо імпульси мають низьку частоту повторення (менше 5 Гц), то безперервний розріз провести складно, це більше схоже на перфорацію. Отже, лазер переважно повинен мати імпульсний режим роботи з частотою повторення імпульсів більше 10 Гц, а тривалість імпульсу - мінімально можливу для отримання високої потужності пікової.

На практиці оптимальна вихідна потужність для хірургії знаходиться в діапазоні від 15 до 60 Вт залежно від довжини хвилі лазерного випромінювання та області застосування.

3. Перспективні лазерні методи в медицині та біології

Розвиток лазерної медицини йде за трьома основними гілками: лазерна хірургія, лазерна терапія та лазерна діагностика. Унікальні властивості лазерного променя дозволяють виконувати раніше неможливі операції новими ефективними та мінімально інвазивними методами.

Зростає інтерес до немедикаментозних методів лікування, включаючи фізіотерапію. Нерідко виникають ситуації, коли необхідно проводити не одну фізіопроцедуру, а кілька, і тоді пацієнтові доводиться переходити з однієї кабіни в іншу, кілька разів одягатися та роздягатися, що створює додаткові проблеми та втрату часу.

Різноманітність методик терапевтичного впливу вимагає застосування лазерів із різними параметрами випромінювання. Для цих цілей служать різні випромінюючі головки, які містять один або кілька лазерів та електронне пристрій сполучення сигналів управління від базового блоку з лазером.

Випромінювальні головки поділяються на універсальні, що дозволяють використовувати їх як зовнішньо, (з використанням дзеркальних та магнітних насадок), так і внутрішньопорожнинно з використанням спеціальних оптичних насадок; матричні, що мають велику площу випромінювання і використовуються поверхнево, а також спеціалізовані. Різні оптичні насадки дозволяють доставляти випромінювання до необхідної зони впливу.

Блоковий принцип дозволяє застосовувати широкий спектр лазерних і світлодіодних головок, що мають різні спектральні, просторово-часові та енергетичні характеристики, що, у свою чергу, піднімає на якісно новий рівень ефективність лікування за рахунок поєднаної реалізації різних методик лазерної терапії. Ефективність лікування визначається насамперед ефективними методиками та апаратурою, яка забезпечує їх реалізацію. Сучасні методики вимагають можливість вибору різних параметрів впливу (режим випромінювання, довжина хвилі, потужність) у широкому діапазоні. Апарат лазерної терапії (АЛТ) повинен забезпечувати ці параметри, їх достовірний контроль та відображення і водночас бути простим та зручним в управлінні.

4. Лазери, що застосовуються у медичній техніці

4.1 CO2-лазери

CO2-лазер, тобто. лазер, що випромінює складової активного середовища якого є вуглекислий газ CO2, займає особливе місце серед всього різноманіття існуючих лазерів. Цей унікальний лазер відрізняється насамперед тим, що для нього характерні і велике енергознімання, і високий ККД. У безперервному режимі отримані величезні потужності - кілька десятків кіловат, імпульсна потужність досягла рівня кілька гігават, енергія імпульсу вимірюється в кілоджоулях. ККД CO2-лазера (близько 30%) перевищує ККД всіх лазерів. Частота проходження в імпульсно-періодичному режимі може становити кілька кілогерців. Довжини хвиль випромінювання CO2-лазера знаходяться в діапазоні 9-10 мкм (ІЧ-діапазон) та потрапляють у вікно прозорості атмосфери. Тому випромінювання CO2-лазера зручне для інтенсивної дії на речовину. Крім того, у діапазон довжин випромінювання CO2-лазера потрапляють резонансні частоти поглинання багатьох молекул.

На малюнку 1 показані нижні коливальні рівні основного електронного стану разом із умовним поданням форми коливань молекули CO2.

Рисунок 20 – Нижні рівні молекули CO2

Цикл лазерного накачування CO2-лазера у стаціонарних умовах виглядає наступним чином. Електрони плазми тліючого розряду збуджують молекули азоту, які передають енергію збудження несиметричному валентному коливанню молекул CO2, що володіє великим часом життя і є верхнім лазерним рівнем. Нижнім лазерним рівнем зазвичай є перший збуджений рівень симетричного валентного коливання, сильно пов'язаний резонансом Фермі з деформаційним коливанням і тому, що швидко релаксує разом з цим коливанням у зіткненнях з гелієм. Очевидно, що той же канал релаксації ефективний у тому випадку, коли нижнім рівнем лазером є другий збуджений рівень деформаційної моди. Таким чином, CO2-лазер - це лазер на суміші вуглекислого газу, азоту та гелію, де CO2 забезпечує випромінювання, N2 - накачування верхнього рівня, а He - спустошення нижнього рівня.

CO2-лазери середньої потужності (десятки - сотні ват) конструюються окремо у вигляді відносно довгих труб з поздовжнім розрядом і поздовжнім прокачуванням газу. Типова конструкція такого лазера показана на малюнку 2. Тут 1 - розрядна трубка, 2 - кільцеві електроди, 3 - повільне оновлення середовища, 4 - розрядна плазма, 5 - зовнішня трубка, 6 - проточна вода, що охолоджує, 7,8 - резонатор.

Малюнок 20 - Схема CO2-лазера з дифузійним охолодженням

Поздовжнє прокачування служить для видалення продуктів дисоціації газової суміші в розряді. Охолодження робочого газу в таких системах відбувається за рахунок дифузії на стінку розрядної трубки, що охолоджується зовні. Істотною є теплопровідність матеріалу стінки. З цієї точки зору доцільним є застосування труб з корундової (Al2O3) або берилієвої (BeO) керамік.

Електроди роблять кільцевими, які не загороджують шлях до випромінювання. Джоулева тепло виноситься теплопровідністю до стін трубки, тобто. використовується дифузійне охолодження. Глухе дзеркало роблять металевим, напівпрозорим - з NaCl, KCl, ZnSe, AsGa.

Альтернативою дифузійного служить конвекційне охолодження. Робочий газ з великою швидкістю продувають через область розряду, і тепло виноситься джоулеве розрядом. Застосування швидкого прокачування дозволяє підняти щільність енерговиділення та енергознімання.

CO2-лазер у медицині застосовується майже виключно як «оптичний скальпель» для різання та випаровування у всіх хірургічних операціях. Ріжуча дія сфокусованого лазерного пучка заснована на вибуховому випаровуванні внутрішньо- та позаклітинної води в області фокусування, завдяки чому руйнується структура матеріалу. Руйнування тканини призводить до характерної форми країв рани. У вузько обмеженій ділянці взаємодії температура 100 °С перевищується лише тоді, коли досягнуто зневоднення (випарне охолодження). Подальше підвищення температури призводить до видалення матеріалу шляхом обвуглювання або випаровування тканини. Безпосередньо у крайових зонах утворюється через погану в загальному випадку теплопровідність тонке некротичне потовщення товщиною 30-40 мкм. З відривом 300-600 мкм не утворюється пошкодження тканини. У зоні коагуляції кровоносні судини діаметром до 0,5-1 мм спонтанно закриваються.

Хірургічні пристрої на основі CO2-лазера в даний час пропонуються в широкому асортименті. Наведення лазерного променя в більшості випадків здійснюється за допомогою системи шарнірно встановлених дзеркал (маніпулятора), що закінчується інструментом з вбудованою оптикою, що фокусує, яким хірург маніпулює в оперованій області.

4.2 Гелій-неонові лазери

У гелій-неоновий лазерробочою речовиною є нейтральні атоми неону. Порушення здійснюється електричним розрядом. У чистому неоні створити інверсію у безперервному режимі важко. Ця складність, що має досить загальний для багатьох випадків характер, обходиться введенням у розряд додаткового газу - гелію, що виконує функцію донора енергії збудження. Енергії двох перших збуджених метастабільних рівнів гелію (рисунок 3) досить точно збігаються з енергіями рівнів 3s та 2s неону. Тому добре реалізуються умови резонансної передачі збудження за схемою.

Малюнок 20 - Схема рівнів He-Ne лазера

При правильно вибраних тисках неону та гелію, що задовольняють умові

можна домогтися заселення одного або обох рівнів 3s і 2s неону, що значно перевищує таке у разі чистого неону, і отримати інверсію населення.

Спустошення нижніх лазерних рівнів відбувається в зіткнених процесах, у тому числі і в зіткненнях зі стінками газорозрядної трубки.

Порушення атомів гелію (і неону) відбувається в слаботочному розряді, що тліє (рисунок 4). У лазерах безперервної дії на нейтральних атомах або молекулах для створення активного середовища найчастіше використовується слабоіонізована плазма позитивного стовпа тліючого розряду. Щільність струму розряду, що тліє, становить 100-200 мА/см2. Напруженість поздовжнього електричного поля така, що кількість електронів і іонів, що виникають на одиничному відрізку розрядного проміжку, компенсує втрати заряджених частинок при їх дифузії до стінок газорозрядної трубки. Тоді позитивний стовп розряду стаціонарний і однорідний. Електронна температура визначається добутком тиску газу на внутрішній діаметр трубки. При малих електронна температура велика, при великих – низька. Постійність величини визначає умови подібності до розрядів. При постійній щільності числа електронів умови та параметри розрядів будуть незмінними, якщо незмінний добуток . Щільність числа електронів у слабоіонізованій плазмі позитивного стовпа пропорційна щільності струму.

Для гелій-неонового лазера оптимальні значення, так само як і парціальний склад газової суміші, дещо відмінні для різних спектральних областей генерації.

В області 0,63 мкм найінтенсивнішої лінії серії - лінії (0,63282 мкм) відповідає оптимальне Тор·мм.

Малюнок 20 - Конструктивна діаграма He-Ne лазера

Характерними значеннями потужності випромінювання гелій-неонових лазерів слід вважати десятки мілліват в областях 0,63 і 1,15 мкм і сотні в області 3,39 мкм. Термін служби лазерів обмежується процесами у розряді та обчислюється роками. З часом у розряді відбувається порушення складу газу. Через сорбцію атомів у стінках та електродах відбувається процес «жорсткості», падає тиск, змінюється відношення парціальних тисків He та Ne.

Найбільша короткочасна стабільність, простота та надійність конструкції гелій-неонового лазера досягаються при встановленні дзеркал резонатора всередину розрядної трубки. Однак за такого розташування дзеркала порівняно швидко виходять з ладу за рахунок бомбардування зарядженими частинками плазми розряду. Тому найбільшого поширення набула конструкція, в якій газорозрядна трубка міститься всередину резонатора (рисунок 5), а її торці забезпечуються вікнами, розташованими під кутом Брюстера до оптичної осі, забезпечуючи тим самим лінійну поляризацію випромінювання. Таке розташування має цілу низку переваг - спрощується юстування дзеркал резонатора, збільшується термін служби газорозрядної трубки та дзеркал, полегшується їх зміна, з'являється можливість керування резонатором та застосування дисперсійного резонатора, виділення мод тощо.

Малюнок 20 – Резонатор He-Ne лазера

Перемикання між смугами генерації (рисунок 6) в гелій-неоновому лазері, що перебудовується, зазвичай забезпечується за рахунок введення призми, а для тонкої перебудовою лінії генерації зазвичай використовується дифракційна решітка.

Малюнок 20 - Використання призми Літроу

4.3 ІАГ-лазери

Тривалентний іон неодиму легко активує багато матриць. З них найперспективнішими виявилися кристали. ітрій-алюмінієвого граната Y3Al5O12 (ІАГ) та скла. Накачування переводить іони Nd3+ з основного стану 4I9/2 у дещо відносно вузьких смуг, що відіграють роль верхнього рівня. Ці смуги утворені поруч збуджених станів, що перекриваються, їх положення і ширини дещо змінюються від матриці до матриці. Зі смуг накачування швидка передача енергії збудження на метастабільний рівень 4F3/2 (рисунок 7).

Рисунок 20 - Енергетичні рівні тривалентних рідкісноземельних іонів

Що ближче до рівня 4F3/2 розташовані смуги поглинання, то вище ККД генерації. Перевагою кристалів ІАГ є інтенсивна червона лінія поглинання.

Технологія росту кристалів заснована на методі Чохральського, коли ІАГ та присадка плавляться в іридієвому тиглі при температурі близько 2000 ° С з подальшим виділенням частини тигля розплаву за допомогою затравки. Температура затравки дещо нижча за температуру розплаву, і при витягуванні розплав поступово кристалізується на поверхні затравки. Кристалографічне орієнтування розплаву, що закристалізувався, відтворює орієнтування затравки. Вирощування кристала здійснюється в інертному середовищі (аргон або азот) за нормального тиску з малою добавкою кисню (1-2%). Як тільки кристал досягає потрібної довжини його повільно остуджують для запобігання руйнуванню через термічну напругу. Процес зростання займає від 4 до 6 тижнів і відбувається під комп'ютерним керуванням.

Неодимові лазери працюють у широкому діапазоні режимів генерації, від безперервного до суттєво імпульсного з тривалістю, що досягає фемтосекунд. Остання досягається методом синхронізації мод у широкій лінії посилення, характерної для лазерного скла.

p align="justify"> При створенні неодимових, як, втім, і рубінових, лазерів реалізовані всі характерні методи управління параметрами лазерного випромінювання, розроблені квантовою електронікою. На додаток до так званої вільної генерації, що триває протягом практично всього часу існування імпульсу накачування, широкого поширення набули режими включеної (модульованої) добротності та синхронізації (самосинхронізації) мод.

У режимі вільної генерації тривалість імпульсів випромінювання становить 0,1...10 мс, енергія випромінювання у схемах посилення потужності становить близько 10 пс при використанні модуляції добротності електрооптичних пристроїв. Подальше скорочення імпульсів генерації досягається застосуванням фільтрів, що просвітлюються, як для модуляції добротності (0,1...10 пс), так і для синхронізації мод (1...10 пс).

При дії інтенсивного випромінювання Nd-ІАГ-лазера на біологічну тканину утворюються досить глибокі некрози (коагуляційне вогнище). Ефект видалення тканини і тим самим ріжуча дія незначні в порівнянні з дією CO2-лазера. Тому Nd-ІАГ-лазер застосовується переважно для коагуляції кровотечі та для некротизування патологічно змінених областей тканини майже у всіх областях хірургії. Оскільки передача випромінювання можлива через гнучкі оптичні кабелі, то відкриваються перспективи застосування Nd-ІАГ-лазера в порожнинах тіла.

4.4 Напівпровідникові лазери

Напівпровідникові лазеривипускають в УФ, видимому або ІЧ-діапазонах (0,32 ... 32 мкм) когерентне випромінювання; як активне середовище застосовуються напівпровідникові кристали.

В даний час відомо понад 40 придатних для лазерів різних напівпровідникових матеріалів. Накачування активного середовища може здійснюватися електронними пучками або оптичним випромінюванням (0,32...16 мкм), в p-n-переході напівпровідникового матеріалу електричним струмом від зовнішньої напруги (інжекція носіїв заряду, 0,57...32 мкм).

Інжекційні лазери відрізняються від інших типів лазерів такими характеристиками:

Високим ККД за потужністю (понад 10%);

Простотою збудження (безпосереднє перетворення електричної енергії на когерентне випромінювання - як і безперервному, і у імпульсному режимах роботи);

Можливість прямої модуляції електричним струмом до 1010 Гц;

Вкрай незначними розмірами (довжина менше 0,5 мм; ширина не більше 0,4 мм; висота не більше 0,1 мм);

Низькою напругою накачування;

механічною надійністю;

Великий термін служби (до 107 год).

4.5 Ексімерні лазери

Ексимерні лазери, Що являють собою новий клас лазерних систем, відкривають для квантової електроніки УФ діапазон. Принцип дії ексимерних лазерів зручно пояснити з прикладу лазера на ксеноні ( нм). Основний стан молекули Xe2 нестійкий. Незбуджений газ складається переважно з атомів. Заселення верхнього лазерного стану, тобто. Створення збудженої стійкості молекули відбувається під дією пучка швидких електронів у складній послідовності зіткнених процесів. Серед цих процесів істотну роль відіграють іонізація та збудження ксенону електронами.

Великий інтерес представляють ексимери галоїдів інертних газів (моногалогенідів шляхетних газів), головним чином тому, що на відміну від димерів шляхетних газів відповідні лазери працюють не тільки при електронно-пучковому, але і при газорозрядному збудженні. Механізм утворення верхніх термів лазерних переходів у цих ексімерах багато в чому незрозумілий. Якісні міркування свідчать про більшу легкість їх утворення, порівняно з випадком димерів шляхетних газів. Існує глибока аналогія між збудженими молекулами, складеними з атомів лужного матеріалу та галогену. Атом інертного газу у збудженому електронному стані схожий на атом лужного металу та галогену. Атом інертного газу в збудженому електронному стані схожий на атом лужного металу, що йде за ним у таблиці Менделєєва. Цей атом легко іонізується, тому що енергія зв'язку збудженого електрона мала. В силу високої спорідненості до електрона галогену цей електрон легко відривається і при зіткненні відповідних атомів охоче перестрибує на нову орбіту, що об'єднує атоми, здійснюючи цим так звану гарпунну реакцію.

Найбільш поширені такі типи ексімерних лазерів: Ar2 (126,5 нм), Kr2 (145,4 нм), Xe2 (172,5 нм), ArF (192 нм), KrCl (222,0 нм), KrF (249,0 нм), XeCl (308,0 нм), XeF (352,0 нм).

4.6 Лазери на барвниках

Відмінною особливістю лазерів на барвникахє можливість роботи в широкому довжини хвиль від ближнього ІЧ до ближнього УФ, плавна перебудова довжини хвилі генерації в діапазоні шириною в кілька десятків нанометрів з монохроматичністю, що досягає 1-1,5 МГц. Лазери на барвниках працюють у безперервному, імпульсному та імпульсно-періодичному режимах. Енергія імпульсів випромінювання досягає сотень джоулів, потужність безперервної генерації - десятків ватів, частота повторення сотень герц, ККД десятків відсотків (при лазерному накачуванні). В імпульсному режимі тривалість генерації визначається тривалістю імпульсів накачування. У режимі синхронізації мод досягається пікосекундний та субпікосекундний діапазони тривалостей.

Властивості лазерів на барвниках визначаються властивостями їхньої робочої речовини органічних барвників. Барвникамиприйнято називати складні органічні сполуки з розгалуженою системою складних хімічних зв'язків, що мають інтенсивні смуги поглинання у видимій та ближній УФ областях спектру. Пофарбовані органічні сполуки містять насичені хромофорні групитипу NO2, N = N, = CO, відповідальні за фарбування. Наявність так званих ауксохромних груптипу NH3, OH надає з'єднанню фарбувальні властивості.

4.7 Аргонові лазери

Аргоновий лазервідноситься до типу газорозрядних лазерів, що генерують на переходах між рівнями іонів головним чином у синьо-зеленій частині видимої та ближньої ультрафіолетової областях спектру.

Зазвичай цей лазер випромінює на довжинах хвиль 0,488 і 0,515 мкм, а також в ультрафіолеті на довжинах хвиль 0,3511 і 0,3638 мкм.

Потужність може досягти 150 Вт (промислові зразки 2 год. 10 Вт, термін служби в межах 100 годин). Схема конструкції аргонового лазера з збудженням постійного струму показаний малюнку 8.

Малюнок 20 - Схема конструкції аргонового лазера

1 – вихідні вікна лазера; 2 – катод; 3 – канал водяного охолодження; 4 – газорозрядна трубка (капіляр); 5 – магніти; 6 – анод; 7 - обвідна газова трубка; 8 – глухе дзеркало; 9 - напівпрозоре дзеркало

Газовий розряд створюється в тонкій газорозрядній трубці (4), діаметром 5 мм - у капілярі, що охолоджується рідиною. Робочий тиск газу не більше десятки Па. Магніти (5) створюють магнітне поле для віджимання розряду від стінок газорозрядної трубки, що не дозволяє розряду торкатися її стінок. Цей захід дозволяє підвищувати вихідну потужність лазерного випромінювання за рахунок зниження швидкості релаксації збуджених іонів, що відбувається в результаті зіткнення зі стінками трубки.

Обвідний канал (7) призначений для вирівнювання тиску по довжині газорозрядної трубки (4) та забезпечення вільної циркуляції газу. За відсутності такого каналу газ накопичується в анодній частині трубки після включення розряду дугового, що може призвести до його гасіння. Механізм сказаного наступний. Під дією електричного поля, прикладеного між катодом (2) і анодом (6) , електрони спрямовуються до анода 6, підвищуючи тиск газу анода. Це вимагає вирівнювання тиску газу газорозрядної трубці для забезпечення нормального перебігу процесу, що здійснюється за допомогою обвідної трубки (7).

Для іонізації нейтральних атомів аргону потрібно через газ пропускати струм щільністю кілька тисяч ампер на квадратний сантиметр. Тому потрібне ефективне охолодження газорозрядної трубки.

Основні сфери застосування аргонових лазерів: фотохімія, термообробка, медицина. Аргоновий лазер, завдяки своїй високій вибірковості по відношенню до автогенних хромофорів, застосовується в офтальмології та дерматології.

5. Лазерна апаратура, що випускається серійно.

Терапевти використовують гелій-неонові лазери невеликої потужності, що випромінюють у видимій ділянці електромагнітного спектру (λ=0,63 мкм). Однією з фізіотерапевтичних установок є лазерна установка УФО-1, призначена для лікування гострих та хронічних захворювань щелепно-лицьової області; може використовуватися для лікування виразок і ран, що довго не гояться, а також у травматології, гінекології, хірургії (післяопераційний період). Використовується біологічна активність червоного променя гелій-неонового лазера (потужність випромінювання
20 мВт, інтенсивність випромінювання поверхні об'єкта 50-150 мВт/см2).

Є відомості про те, що вказаними лазерами лікують захворювання вен (трофічні виразки). Курс лікування складається з 20-25 десятихвилинних сеансів опромінення трофічної виразки малопотужним гелій-неоновим лазером і закінчується, як правило, повним її загоєнням. Подібний ефект спостерігається і при лікуванні лазером травматичних і післяопікових ран. Віддалені наслідки лазерної терапії при трофічних виразках і ранах, що довго не гояться, перевірялися на великій кількості вилікуваних хворих у терміни від двох до семи років. Протягом цих термінів у 97% колишніх хворих на виразки та рани більше не відкривалися і тільки у 3% спостерігалися рецидиви захворювання.

Світлоуколюванням лікують різні захворювання нервової та судинної системи, знімають болі при радикуліті, регулюють кров'яний тиск тощо. Лазер освоює все нові та нові медичні професії. Лазер лікує мозок. Цьому сприяє активність видимого діапазону випромінювання низькоінтенсивних гелій-неонових лазерів. Лазерний промінь, як виявилося, здатний знеболювати, заспокоювати та розслаблювати м'язи, прискорювати регенерацію тканин. Безліч ліків, що мають аналогічні властивості, призначають зазвичай хворим, які перенесли черепно-мозкову травму, що дає надзвичайно заплутану симптоматику. Промінь лазера поєднує у собі дію всіх необхідних препаратів. У цьому переконалися фахівці з ЦНДІ рефлексотерапії МОЗ СРСР та НДІ нейрохірургії ім. До Н. Бурденка АМН СРСР.

Дослідження можливостей лікування лазерним променем доброякісних та злоякісних пухлин ведуться «Московським НД онкологічним інститутом ім. П.А. Герцена», Ленінградським інститутом онкології ім. Н.М. Петрова та іншими онкологічними центрами.

При цьому використовуються лазери різних типів: С02 лазер у безперервному режимі випромінювання (λ = 10,6 мкм, потужність 100 Вт), гелій-неоновий лазер з безперервним режимом випромінювання (λ = 0,63 мкм, потужність 30 мВт), гелій-кадмієвий лазер працює у режимі безперервного випромінювання (λ = 0,44 мкм, потужність 40 мВт), імпульсний лазер на азоті (λ = 0,34 мкм, потужність імпульсу 1,5 кВт, середня потужність випромінювання 10 мВт).

Розроблено та застосовуються три методи впливу лазерного випромінювання на пухлини (доброякісні та злоякісні):

а) Лазерне опромінення-опромінення пухлини розфокусованим лазерним променем, що призводить до загибелі ракових клітин, до втрати здатності розмножуватися.

б) Лазерокоагуляція – руйнування пухлини помірно сфокусованим променем.

в) Лазерна хірургія - висічення пухлини разом із прилеглими тканинами сфокусованим лазерним променем. Розроблено лазерні установки:

«Яхрома»- Потужність до 2,5 Вт на виході світловода при довжині хвилі 6З0 нм, час експозиції від 50 до 750 сек; імпульсний із частотою повторення 104 імп./сек.; на 2-х лазерах - імпульсний лазер на барвниках та лазер на парах міді «ЛДІ-202». «Спектромед»- Потужність 4 Вт при безперервному режимі генерації, довжина хвилі 620-690 нм, час експозиції від 1 до 9999 сек за допомогою пристрою «Експо»; на двох лазерах - безперервний лазер на барвниках «Аметист»та аргоновий лазер «Інверсія»для фотодинамічної терапії злоякісних пухлин (сучасний метод вибіркового на ракові клітини організму).

Метод заснований на відмінності в поглинанні випромінювання лазера клітинами, що відрізняються своїми параметрами. Лікар сприскує фотосенсибілізуючі (придбання організмом специфічної підвищеної чутливості до чужорідних речовин) ліки в область скупчення патологічних клітин. Лазерне випромінювання, що потрапляє на тканини організму, селективно поглинається раковими клітинами, що містять ліки, руйнуючи їх, що дозволяє проводити знищення ракових клітин без шкоди навколишньої тканини.

Апарат лазерний АТКУС-10(ЗАТ «Напівпровідникові прилади»), зображений на малюнку 9, дозволяє впливати на новоутворення лазерним випромінюванням з двома різними довжинами хвиль 661 і 810 нм. Апарат призначений для використання в медичних установах широкого профілю, а також для вирішення різних науково-технічних завдань як джерело потужного лазерного випромінювання. При використанні апарату відсутні виражені деструктивні ураження шкіри та м'яких тканин. Видалення пухлин хірургічним лазером зменшує кількість рецидивів та ускладнень, скорочує терміни загоєння ран, дозволяє забезпечити одноетапність процедури та дає гарний косметичний ефект.

Малюнок 20 - Лазерний апарат АТКУС-10

Як випромінювач використовуються напівпровідникові лазерні діоди. Використовується транспортне волокно оптичне діаметром 600 мкм.

ТОВ НВФ «Техкон» розробив апарат лазерної терапії « Альфа 1М»(Малюнок 10). Як повідомляється на сайті виробника, установка ефективна при лікуванні артрозів, нейродермітів, екземи, стоматитів, трофічних виразок, післяопераційних ран та ін. Поєднання двох випромінювачів – безперервного та імпульсного – дає великі можливості для лікувальних та дослідницьких робіт. Вбудований фотометр дозволяє встановлювати та контролювати потужність опромінення. Дискретне встановлення часу та плавне встановлення частоти імпульсів опромінення зручні для експлуатації апарату. Простота керування дозволяє використання апарату середнім медичним персоналом.

Малюнок 20 – Лазерний терапевтичний апарат «Альфа 1М»

Технічні характеристики апарата наведено у таблиці 1.

Таблиця 7 - Технічні характеристики лазерного терапевтичного апарату "Альфа 1М"

На початку 70-х академіком М.М. Красновим і його колегами з 2-го Московського медичного інституту були зусилля для лікування глаукоми (виникає через порушення відтоку внутрішньоочної рідини і, як наслідок, підвищення внутрішньоочного тиску) за допомогою лазера. Лікування глаукоми проводилося відповідними лазерними установками, створеними разом із фізиками.

Лазерна офтальмологічна установка «Ятаган»немає зарубіжних аналогів. Призначена для проведення хірургічних операцій переднього відділу ока. Дозволяє лікувати глаукому та катаракту, не порушуючи цілісності зовнішніх оболонок ока. В установці використовується імпульсний лазер на рубіні. Енергія випромінювання, що міститься в серії з декількох світлових імпульсів, становить від 0,1 до 0,2 Дж. Тривалість окремого імпульсу від 5 до 70 нс, інтервал між імпульсами від 15 до 20 мкс. Діаметр лазерної плями від 03 до 05 мм. Лазерна установка «Ятаган 4»з тривалістю імпульсу 10-7 с., Довжиною хвилі випромінювання 1,08 мкм і діаметром плями 50 мкм. При такому опроміненні ока вирішального значення набуває не теплова, а фотохімічна і навіть механічна дія лазерного променя (виникнення ударної хвилі). Сутність методу полягає в тому, що лазерний "постріл" певної потужності прямує в кут передньої камери ока і утворює мікроскопічний "канал" для відтоку рідини і тим самим відновлює дренажні властивості райдужної оболонки, створивши нормальний відтік внутрішньоочної рідини. При цьому промінь лазера вільно проходить крізь прозору рогівку і вибухає на поверхні райдужної оболонки. При цьому відбувається не пропалювання, що призводить до запальних процесів райдужної оболонки та швидкої ліквідації протоки, а пробивання отвору. Процедура займає від 10 до 15 хвилин. Зазвичай пробивають 15-20 отворів (проток) для відтоку внутрішньоочної рідини.

На базі Ленінградської клініки очних хвороб Військово-медичної академії група фахівців на чолі з доктором медичних наук професором В. В. Волковим використала свою методику лікування дистрофічних захворювань сітківки та рогівки за допомогою малопотужного лазера ЛГ-75працює в безперервному режимі. При цьому лікуванні на сітківку ока діє випромінювання малої потужності, що дорівнює 25 мВт. Причому випромінювання розсіяне. Тривалість одного сеансу опромінення вбирається у 10 хв. За 10-15 сеансів з інтервалами між ними від одного до п'яти днів лікарі успішно виліковують запалення кератит рогівки та інші хвороби запального характеру. Режими лікування одержані дослідним шляхом.

У 1983 р. американський офтальмолог С. Трокел висловив ідею можливості застосування ультрафіолетового ексимерного лазера для корекції короткозорості. У нашій країні дослідження у цьому напрямі проводились у Московському НДІ «Мікрохірургія ока» під керівництвом професора С.М. Федорова та А. Семенова.

Для проведення подібних операцій спільними зусиллями МНТК «Мікрохірургія ока» та інститутом загальної фізики під керівництвом академіка А. М. Прохорова створено лазерну установку "Профіль 500"з унікальною оптичною системою, які не мають аналогів у світі. При дії на рогівку повністю виключається можливість опіку, оскільки нагрівання тканини не перевищує 4-8єС. Тривалість операції 20-70 секунд залежно від ступеня короткозорості. З 1993 р. «Профіль 500» успішно використовується в Японії, Токіо та Осаці, в Іркутському міжрегіональному лазерному центрі.

Гелій-неоновий лазерний офтальмологічний апарат МАКДЕЛ-08(ЗАТ «МАКДЕЛ-Технології»), зображений на малюнку 11 має цифрову систему управління, вимірювач потужності, світловолоконне підведення випромінювання, комплекти оптичних та магнітних насадок. Лазерний апарат працює від мережі змінного струму частотою 50 Гц з номінальною напругою 220±10%. Дозволяє встановлювати час сеансу (лазерного випромінювання) від 1 до 9999 секунд похибкою трохи більше 10%. Має цифрове табло, що дозволяє проводити початкове встановлення часу та контроль часу до закінчення процедури. У разі потреби сеанс може бути перерваний достроково. Апарат забезпечує частоту модуляцію лазерного випромінювання від 1 до 5 Гц з кроком 1 Гц, крім того є режим безперервного випромінювання, при установці частоти 0 Гц.

Малюнок 20 - Лазерний офтальмологічний апарат МАКДЕЛ-08

Інфрачервоний лазерний апарат МАКДЕЛ-09призначений для корекції акомодаційно-рефракційних порушень зору. Лікування полягає у виконанні 10-12 процедур по 3-5 хвилин. Результати терапії зберігаються протягом 4-6 місяців. У разі зниження показників акомодації необхідно проводити повторний курс. p align="justify"> Процес поліпшення об'єктивних показників зору розтягується на 30-40 днів після проведення процедур. Середні величини позитивної частини відносної акомодації стійко зростають на 2,6 дптр. та досягають рівня нормальних показників. Максимальне збільшення резерву 4,0 дптр, мінімальне 1,0 дптр. Реоциклографічні дослідження показують стійке збільшення об'єму крові в судинах циліарного тіла. Апарат дозволяє встановлювати час сеансу лазерного випромінювання від 1 до 9 хвилин. Цифрове табло на блоці керування дозволяє виконувати початкову установку часу, а також контролювати час до закінчення сеансу. У разі потреби сеанс може бути перерваний достроково. Після закінчення сеансу лікування апарат подає звуковий попереджувальний сигнал. Система регулювання міжцентрової відстані дозволяє встановлювати відстань між центрами каналів від 56 до 68 мм. Установка необхідної міжцентрової відстані може здійснюватися за допомогою лінійки на виконавчому блоці або зображення реперних світлодіодів.

Аргоновий лазер моделі ARGUSфірми Aesculap Meditek (Німеччина) для офтальмології, що застосовується для фотокоагуляції сітківки ока. Лише у Німеччині використовуються понад 500 аргонових лазерів, причому всі вони працюють безпечно та надійно. ARGUS має зручне управління, сумісний із загальноприйнятими моделями щілинних ламп фірм Zeiss та Haag-Streit. ARGUS оптимально підготовлений для роботи разом із Nd:YAG-лазером на одному робочому місці.

Хоча ARGUS спроектований як єдиний блок, штатив з інструментом і лазерний блок можуть бути розміщені один біля одного або в різних місцях і приміщеннях, завдяки сполучному кабелю довжиною до 10 метрів. Штатив інструменту, що регулюється по висоті, надає максимальну свободу для пацієнта і лікаря. Навіть якщо пацієнт сидить в інвалідному візку, лікувати його не становить жодної труднощі.

З метою захисту очей в ARGUS інтегрований малошумний фільтр для лікаря. Фільтр вводиться лазерний пучок при натисканні ножного вимикача, тобто. лише безпосередньо перед запуском лазерного спалаху. Фотоелементи та мікропроцесори контролюють його коректне становище. Оптимальне освітлення зони коагуляції забезпечується спеціальним пристроєм лазерного ведення променя. Пневматичний мікроманіпулятор дозволяє робити точне позиціонування променя однією рукою.

Технічні характеристики апарату:

Тип лазера аргоново-іонний лазер безперервної дії для офтальмологічної ВЕО-керамічної трубки

Потужність на рогівці:

на рогівці: 50 мВт – 3000 мВт для всіх ліній, 50 мВт – 1500 мВт для 514 нм

при блоці живлення з обмеженим споживанням струму:

на рогівці: 50 мВт – 2500 мВт для всіх ліній, 50 мВт – 1000 мВт для 514 нм

Пілотний аргоновий промінь для всіх ліній або 514 нм, максимально 1мВт

Тривалість імпульсу 0,02 - 2,0 сек, регульована в 25 ступенях або плавно

Послідовність імпульсів 0,1 - 2,5 сек., з проміжками, що регулюються в 24 ступенях

Запуск імпульсу ножним вимикачем; в режимі послідовності імпульсів потрібна серія спалахів включається натисканням вимикача ножа;

функція переривається при відпусканні педалі

Підведення променя світловодом, волокно діам. 50 мкм, довжиною 4,5 м, на обох кінцях з роз'ємом SMA

Дистанційне керування для вибору пропонуються:

дистанційне керування 1: налаштування вручну маховичком;

дистанційне керування 2: налаштування контактними майданчиками плівкової клавіатури.

Загальні ознаки: електролюмінесцентний дисплей, індикація потужності в цифровому та аналоговому вигляді, цифрове показання всіх інших параметрів налаштування, показ робочого стану (напр. рекомендації по сервісу) явним текстом

Управління мікропроцесорне, контроль над потужністю, захисним фільтром для лікаря та затворами у 10-мілісекундному режимі

Охолодження

повітрям: інтегровані вентилятори зниженого рівня шуму

водою: витрата від 1 до 4 л/хв, при тиску від 2 до 4 бар та температурі не вище 24 єС

Мережеве харчування для вибору пропонується три різних блоки:

перем. Струм, однофазн з нульовим проводом 230 В, 32 А, 50/60 Гц

перем. струм, однофазн. з органіченням максимально споживаного струму на 25 А

трифазний струм, три фази та нульовий провід, 400 В, 16 А, 50/60 Гц

Протоколування результатів: друк параметрів лікування за допомогою опціонального принтера

Габарити

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

столик: 93см х 40см (Ш х Г)

висота столика: 70 – 90 см

«Лазерний скальпель»знайшов застосування при захворюваннях органів травлення (O.K. Скобелкін), шкірно-пластичної хірургії та при захворюваннях жовчних шляхів (А.А. Вишневський), у кардіохірургії (А. Д. Арапов) та багатьох інших областях хірургії.

У хірургії застосовується СО2 лазери, що випромінюють у невидимій інфрачервоній області електромагнітного спектру, що накладає певні умови при хірургічному втручанні, особливо у внутрішні органи людини. Через невидимість лазерного променя та складність маніпулювання ним (рука хірурга не має зворотного зв'язку не відчуває момент і глибину розсічення) використовуються затискачі та указки, що забезпечують точність розрізу.

Перші спроби застосування лазера в хірургії вдалими були не завжди, травмувалися прилеглі органи, промінь пропалював тканини. Крім того, при необережному поводженні лазерний промінь міг виявитися небезпечним і для лікаря. Але попри перелічені проблеми лазерна хірургія прогресувала. Так, на початку 70-х років під керівництвом академіка Б. Петровського, професор Скобелкін, доктор Брехов та інженер А. Іванов розпочали створення лазерного скальпеля «Скальпель 1»(Рисунок 12).

Малюнок 20 – Лазерна хірургічна установка «Скальпель-1»

Лазерна хірургічна установка «Скальпель 1» застосовується при операціях на органах шлунково-кишкового тракту, при зупинці кровотеч із гострих виразок шлунково-кишкового тракту, при шкірно-пластичних операціях, при гнійних ранах, при гінекологічних операціях. Використано СО2 лазер безперервного випромінювання з потужністю на виході з світловода 20 Вт. Діаметр лазерної плями від 1 до 20 мкм.

Схема механізму дії світла СО2 лазера на тканині представлена ​​малюнку 13.

Малюнок 20 - Схема механізму дії світла CO2 лазера на тканині

За допомогою лазерного скальпеля операції проводять безконтактно, світло CO2-лазера має антисептичну та антибластичну дії, при цьому утворюється щільна коагуляційна плівка, яка обумовлює ефективний гемостаз (просвіти артеріальних судин до 0,5 мм і венозних до 1 мм у діаметрі заварюються і не заварюються. лігатурами), створює бар'єр проти інфекційних (включаючи віруси) та токсичних агентів, забезпечуючи при цьому високоефективну абластику, стимулює посттравматичну регенерацію тканин та запобігає їх рубцевим змінам (див. схему).

"Лазермед"(Конструкторське бюро приладобудування) побудований на основі напівпровідникових лазерів, що випромінюють на довжині хвилі 1,06 мкм. Апарат відрізняється високою надійністю, малими габаритними розмірами та вагою. Доставка випромінювання до біотканини проводиться через лазерний блок або за допомогою світловода. Наведення основного випромінювання проводиться пілотним підсвічуванням напівпровідникового лазера. Лазер 4 класу небезпеки за ГОСТ Р 50723-94, І класу електробезпеки з типом захисту B за ГОСТ Р 50267.0-92.

Лазерний хірургічний апарат "Ланцет-1"(Рисунок 14) - модель СО2-лазера, призначена для проведення хірургічних операцій у різних галузях медичної практики.

Малюнок 20 – Лазерний хірургічний апарат «Ланцет-1»

Апарат горизонтального компонування, портативний, має оригінальну упаковку у вигляді кейсу, відповідає найсучаснішим вимогам, що висуваються до хірургічних лазерних установок як за своїми технічними можливостями, так і забезпечення оптимальних умов праці хірурга, простоті управління і дизайну.

Технічні характеристики апарата наведено у таблиці 2.

Таблиця 7 – Технічні характеристики лазерного хірургічного апарату «Ланцет-1»

Довжина хвилі випромінювання, мкм

Вихідна потужність випромінювання (регульована), Вт

Потужність у режимі Медіпульс, Вт

Діаметр лазерного променя на тканині (перемикач), мкм

Наведення основного випромінювання променем діодного лазера

2 мВт, 635 нм

Режими випромінювання (переключаються)

безперервний, імпульсно-періодичний, Медіпульс

Час експозиції випромінювання (регульований), хв

Тривалість імпульсу випромінювання в імпульсно-періодичному режимі (регульована),

Тривалість паузи між імпульсами,

Пульт керування

виносний

Увімкнення випромінювання

ножна педаль

Видалення продуктів згоряння

система евакуації диму

Радіус операційного простору, мм

Система охолодження

автономна, повітряно-рідинного типу

Розміщення в операційній

настільне

Електроживлення (змінний струм)

220 В, 50 Гц,
600 Вт

Габаритні розміри, мм

маса, кг

6. Медична лазерна апаратура, розроблена КБАС

Насадка оптична універсальна ( НОУ) до лазерів типу ЛДН-111, ЛГ-75-1(Рисунок 15) призначена для фокусування лазерного випромінювання в світловод і зміни діаметра плями при зовнішньому опроміненні.

Малюнок 20 - Оптична насадка універсальна (НОУ)

Насадка застосовується при лікуванні низки захворювань, пов'язаних із порушенням кровообігу, шляхом введення світловоду у вену та опромінення крові, а також при лікуванні дерматологічних та ревматичних захворювань. Насадка проста у користуванні, легко монтується на корпусі лазера, швидко налаштовується на робочий режим. При зовнішньому опроміненні зміна діаметра плями провадиться переміщенням лінзи конденсора.

Технічні характеристики НОУ наведено у таблиці 3.

Таблиця 7 – Технічні характеристики НОУ

Установка фізіотерапевтична "Спрут-1"(Малюнок 16) призначена для лікування низки захворювань у різних галузях медицини: травматологія, дерматологія, стоматологія, ортопедія, рефлексотерапія, невралгія.

Малюнок 20 – Лазерна фізіотерапевтична установка «Спрут-1»

Лікування установкою «Спрут-1» забезпечує відсутність алергічних реакцій, безболісність та асептичність, а також веде до суттєвого скорочення термінів лікування, економії лікарських засобів.

Принцип роботи ґрунтується на використанні стимулюючого впливу енергії лазерного випромінювання з довжиною хвилі 0,63 мкм.

Установка складається з випромінювача, положення якого плавно регулюється щодо горизонтальної площини, блоку живлення з конструктивно включеними до нього лічильником кількості включень та лічильником сумарного напрацювання установки.

Випромінювач та блок живлення кріпляться на легку мобільну підставку.

Технічні характеристики установки "Спрут-1" наведені в таблиці 4.

Таблиця 7 – Технічні характеристики установки фізіотерапевтичної «Спрут-1»

Лазерна офтальмологічна терапевтична установка «Лота»(Рисунок 17) застосовується при лікуванні ерозій та виразок трофічного характеру, після травм, опіків, кератитів і кератокон'юктивітів, післяопераційних кератопатій, а також для прискорення процесу приживлення трансплантата при пересадці рогівки.

Малюнок 20 – Лазерна офтальмологічна терапевтична установка «Лота»

Технічні характеристики установки наведено у таблиці 5.

Таблиця 7 – Технічні характеристики лазерної установки «Лота»

Довжина хвилі випромінювання, мкм

Щільність потужності випромінювання в площині опромінення, Вт/см2

не більше 5х105

Потужність випромінювання на виході установки, мВт

Характер регулювання потужності у вказаному діапазоні

Потужність, ВА

не більше 15

Середнє напрацювання на відмову, годину

не менше 5000

Середній ресурс

не менше 20000

маса, кг

Медичне лазерне встановлення «Альміцин»(Малюнок 18) застосовується в терапії, стоматології, фтизіатрії, пульмонології, дерматології, хірургії, гінекології, проктології та урології. Методи обробки: бактерицидний ефект, стимуляція мікроциркуляції джерела ушкодження, нормалізація імунних та біохімічних процесів, покращення регенерації, збільшення ефективності медикаментозної терапії.

Малюнок 20 - Медичне лазерне встановлення «Альміцин»

Технічні характеристики установки наведені у таблиці 6.

Таблиця 7 – Технічні характеристики медичної лазерної установки «Альміцин»

Спектральний діапазон

близький до УФ

Конструкція

Виведення пучка

світловод

Діаметр світловода, мкм

Довжина світловода, м

Напруга мережі живлення при частоті 50 Гц, В

Споживання енергії, Вт

не більше 200

Управління

автоматичне

Час опромінення, хв

не більше 3

Розміри кожного з блоків, мм

не більше 40 кг

Світловолоконна приставка «Аріадна-10»(Рисунок 19) пропонується замість того, що має малу ступінь рухливості та інерційного дзеркально-шарнірного механізму передачі випромінювання для хірургічних установок (типу «Скальпель-1») на CO2-лазерах.

Основними елементами приставки є: введення випромінювання і світловод загальної хірургії.

Малюнок 20 - Світловолоконна приставка «Аріадна-10»

Світловод приставки працює спільно з димовідсмоктувачем, що дозволяє одночасно з проведенням хірургічних операцій видаляти продукти взаємодії випромінювання з біотканинами з операційного простору.

Завдяки гнучкості світловоду суттєво розширюються можливості використання лазерних хірургічних установок на CO2-лазерах.

Технічні характеристики установки наведені у таблиці 7.

Таблиця 7 – Технічні характеристики світловолоконної приставки «Аріадна-10»

Схема приставки представлена ​​малюнку 20.

Малюнок 20 – Схема світловолоконної приставки «Аріадна-10»

Список використаних джерел

1. Захаров В.П., Шахматов Є.В. Лазерна техніка: навч. допомога. - Самара: Вид-во Самар. держ. аерокосм. ун-ту, 2006. – 278 с.

2. Довідник з лазерної техніки. Пров. з німецької. М., Вища школа, 1991. - 544 с.

3. Жуков Б.М., Лисов Н.А., Бакуцький В.М., Анісімов В.І. Лекції з лазерної медицини: Навчальний посібник. - Самара: ЗМІ, 1993. - 52 с.

4. Застосування лазерної хірургічної установки Скальпель-1 для лікування стоматологічних захворювань. – М.: Міністерство охорони здоров'я СРСР, 1986. – 4 с.

5. Канюков В.М., Терегулов Н.Г., Вінярський В.Ф., Осипов В.В. Розвиток науково-технічних рішень у медицині: Навчальний посібник. – Оренбург: ОГУ, 2000. – 255 с.

Слово LASER (Light Amplifacation by the Stimulated Emission) з англійської перекладається як Посилення Світла шляхом Стимулювання Випромінювання. Сама дія лазера була описана ще Енштейном далекого 1917 року, але перший працюючий лазер був побудований лише через 43 роки Теодором Мейманом, який працював у компанії Hugрes Aircraft. Для отримання мілісекундних імпульсів лазерного випромінювання він використовував кристал штучного рубіну як активне середовище. Довжина хвилі лазера була 694 нм. Через деякий час був випробуваний вже лазер з довжиною хвилі 1060 нм, що є ближньою ІЧ-областю спектра. Як активне середовище в цьому лазері виступали скляні стрижні, леговані неодимом.

Але практичного застосування на той час лазер не мав. Провідні фахівці-фізики шукали йому призначення у різних сферах діяльності. Перші експериментальні досліди з лазером у медицині були не зовсім успішними. Лазерне випромінювання, тих хвилях досить погано поглиналося, точно контролювати потужність ще було можливості. Однак у 60-х роках лазер на червоному рубіні добре показав себе в офтальмології.

Історія застосування лазерів у медицині

У 1964 році було розроблено та випробувано аргоновий іонний лазер. Це був лазер безперервного випромінювання із синьо-зеленою областю спектру та довжиною хвилі 488 нм. Це газовий лазер і контролювати його потужність було легше. Гемоглобін добре поглинав його випромінювання. Через короткий час почали з'являтися лазерні системи на основі аргонового лазера, які допомагали при лікуванні захворювань сітківки ока.

У тому ж 64 році в лабораторії Bell було розроблено лазер на алюмоітрієвому гранаті, легованому неодимом () та . СО2 - це газовий лазер, у якого випромінювання має безперервний характер, з довжиною хвилі 1060 нм. Вода добре поглинає його випромінювання. Оскільки м'які тканини в людини в основному складаються з води, то лазер СО2 став гарною альтернативою звичайному скальпелю. При використанні цього лазера для розрізання тканин зводиться до мінімуму крововтрати. У 70-х роках вуглекислотні лазери знайшли широке застосування в шпиталях при інститутах США. Сфера застосування на той час для лазерних скальпелів: гінекологія та отоларингологія.

1969 став роком розробки першого імпульсного лазера на барвниках, а вже в 1975 з'явився перший ексімерний лазер. Починаючи з цього часу, лазер став активно використовуватися і впроваджуватися в різні сфери діяльності.

Широке поширення лазери в медицині почали отримувати у 80-х роках у лікарнях та клініках США. Здебільшого тоді використовувалися вуглекислотні та аргонові лазери та застосовувалися вони у хірургії та офтальмології. У недоліки лазерів того часу можна записати те, що вони мали постійне безперервне випромінювання, яке виключало можливість більш точної роботи, що призводило до теплових уражень тканин навколо оброблюваної зони. Успішне застосування лазерних технологій на той час вимагало колосального досвіду роботи.

Наступним кроком у розробці лазерних технологій для медицини став винахід імпульсного лазера. Такий лазер дозволяв впливати виключно на проблемну зону, без ушкодження навколишніх тканин. І в 80-х роках з'явилися перші. Це стало початком застосування лазерів у косметології. Такі лазерні системи могли видаляти капілярні гемангіоми та родимі плями. Трохи пізніше з'явилися лазери здатні. Це були лазери з модуляцією добротності (Q-switched lser).

Початок 90-х років було розроблено та впроваджено технології сканування. Точність лазерної обробки тепер контролювалася комп'ютером і з'явилася можливість проводити лазерне шліфування шкіри (), що значно підняло популярність і .

Сьогодні сфера застосування лазерів у медицині дуже широка. Це хірургія, офтальмологія, стоматологія, нейрохірургія, косметологія, урологія, гінекологія, кардіологія тощо. Ви можете собі уявити, що колись лазер лише був непоганою альтернативою скальпелю, а сьогодні з його допомогою можна видаляти ракові клітини, робити дуже точні операції на різних органах, діагностувати серйозні захворювання на ранніх стадіях, такі як рак. Зараз лазерні технології в медицині йдуть у бік розвитку комбінованих методів лікування, коли поруч із лазерною терапією застосовують фізіотерапію, медикаменти, УЗ. Наприклад, у лікуванні гнійних захворювань розробили комплекс заходів, що включає лазерну обробку, використання антиоксидантів і різних біологічно активних матеріалів.

Лазерні технології та медицина повинні йти пліч-о-пліч у майбутнє. Навіть вже сьогодні нові розробки в лазерній медицині допомагають у видаленні ракових пухлин, застосовуються в корекції тіла у косметології та зору в офтальмології. Малоінвазивна хірургія, коли з використанням лазера робляться дуже складні операції.

Додаткова інформація:



Останні матеріали розділу:

Київська Русь. Київська Русь та Україна. Чи є Росія спадкоємицею Київської Русі, чи українці просто тепер відновлюють свою споконвічну давню державу і не дарма іменують її Україна-Русь Інформація про київську русь
Київська Русь. Київська Русь та Україна. Чи є Росія спадкоємицею Київської Русі, чи українці просто тепер відновлюють свою споконвічну давню державу і не дарма іменують її Україна-Русь Інформація про київську русь

Літописне склепіння «Повість временних літ» — єдине письмове джерело, що підтверджує існування так званої Київської Русі. Яка...

Створення та розвиток метричної системи заходів
Створення та розвиток метричної системи заходів

Міжнародна десяткова система вимірювань, в основу якої покладено використання таких одиниць, як кілограм та метр, називається метричною.

Крок у медицину робоча програма
Крок у медицину робоча програма

У квітні у Першому Московському державному медичному університеті імені І. М. Сєченова відбулася конференція «Старт у медицину». Захід...