Лазеры в медицине

Оглавление

Введение

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

Но это было давно…В настоящее время в медицине   с большим успехом используется лазерное излучение .Уникальные свойства излучения лазеров, обеспечили широкое применение лазеров. Использование квантовой электроники оказалось, в частности, очень полезным для клинической медицины.

 В медицинских целях используются различные виды лазеров. Импульсные твердотельные лазеры применяют преимущественно в офтальмологии для операций по  устранению отслоения сетчатки глаза и при лечении глаукомы. Для этих целей была разработана специальная аппаратура с использованием рубиновых лазеров. Для операций с рассечением тканей импульсные лазеры оказались непригодны, поэтому для этих целей применяют лазеры непрерывного действия.

Основными преимуществами, стимулирующими применение лазеров в медицине, являются радикальность лечения,  снижение сроков вмешательства, уменьшение числа осложнений, кровопотери, улучшение условий стерильности и т. д.

1.Мазеры и лазеры.

Слайд 1

Индуцированное излучение.

 В 1917 г. Эйнштейн предсказал возможность так

называемого индуцированного (вынужденного) излучения света атомами.

Под индуцированным излучением понимается излучение возбужденных атомов

под действием падающего на них света. Замечательной особенностью этого

излучения является то, что возникшая при индуцированном излучении световая

волна не отличается от волны, падающей на атом, ни частотой, ни фазой, ни

поляризацией.

В 1953 г. профессор Чарльз Таунс из Университета Калифорнии в Беркли сумел вместе с коллегами получить первый пучок когерентного излучения, а именно микроволн. Устройство назвали мазером (maser — по первым буквам слов фразы «microwaveamplificationthroughstimulatedemissionofradiation», т.е. «усиление микроволн через стимуляцию излучения».) Позже, в 1964 г., Таунс вместе с русскими физиками Николаем Басовым и Александром Прохоровым получил Нобелевскую премию. Вскоре результаты ученых были распространены и на видимый свет. Так родился лазер.Слово лазер образовано как сочетание первых букв слов английского выражения «LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation»

(«усиление света при помощи индуцированного излучения»).

 (А вот фазер — это фантастическое устройство, получившее известность благодаря сериалу «Звездный путь».)

Основой лазера служит особая среда, которая собственно и будет передавать лазерный луч; это может быть специальный газ, кристалл или диод. Затем нужно закачать в эту среду энергию извне — при помощи электричества, радиоволн, света или химической реакции. Неожиданный приток энергии возбуждает атомы среды, заставляя электроны поглощать энергию и перепрыгивать на более высокоэнергетичные внешние электронные оболочки.

В таком возбужденном, накачанном состоянии среда становится нестабильной. Если после этого направить сквозь нее луч света, то фотоны луча, сталкиваясь с атомами, вызовут внезапное сваливание электронов на более низкие орбиты и высвобождение при этом дополнительных фотонов. Эти фотоны, в свою очередь, заставят еще большее число электронов испустить фотоны — и вскоре начнется цепная реакция «схлопывания» атомов до невозбужденного состояния с практически одновременным высвобождением громадного количества фотонов — триллионов и триллионов их — все в тот же луч. Принципиальная особенность этого процесса состоит в том, что в некоторых веществах при лавинообразном высвобождении все фотоны вибрируют в унисон, т. е. когерентны.(.КОГЕРЕНТНОСТЬ (от лат. cohaerens - находящийся в связи), согласованное протекание во времени нескольких колебательных или волновых процессов. Если разность фаз 2 колебаний остается постоянной во времени или меняется по строго определенному закону, то колебания называются когерентными. Колебания, у которых разность фаз изменяется беспорядочно и быстро по сравнению с их периодом, называются некогерентными)

(Представьте себе выстроенные в ряд костяшки домино. В самом низкоэнергетическом состоянии каждая костяшка лежит плашмя на столе. В высокоэнергетическом, накачанном состоянии костяшки стоят вертикально, подобно накачанным атомам среды. Толкнув одну костяшку, вы можете вызвать внезапное одновременное высвобождение всей этой энергии, точно так же, как это происходит при рождении лазерного луча.)

В лазере способны работать лишь некоторые материалы; это означает, что только в особых веществах при столкновении фотона с возбужденным атомом излучается фотон, когерентный первому.Это свойство вещества приводит к тому, что все фотоны в рождающемся потоке вибрируют в унисон, создавая тонкий лазерный луч. (Вопреки распространенной легенде лазерный луч не вечно остается таким же тонким, как в самом начале. К примеру, лазерный луч, выпущенный в Луну, будет по дороге постепенно расширяться и даст на поверхности Луны пятно размером в несколько километров.)

Остановимся немного на физической природе лазера.

Вероятность того, что переход между двумя состояниями атома произойдет в течение определенного интервала времени, зависит от. произведения волновых функций, описывающих эти состояния, на величину, характеризующую переход. Таким образом, с квантовомеханической точки зрения не существует различия между переходом из состояния А в состояние В (А->В) и переходом из ВвА (В->А), так как в описание каждого перехода входит одно и то же произведение волновых функций и величины, характерной для перехода. На фиг. 13.27 схематически изображены два эквивалентных процесса возбуждения и высвечивания; в каждом из них фотон имеет энергию hv=Ев—Еа

Отсюда следует, что если на атом в состоянии В (в возбужденном состоянии) падает фотон с энергией hv=Ев—Еа,то этот фотон стимулирует процесс высвечивания. (Фотон не может возбудить атом, так как атом уже возбужден, но может вызвать процесс, эквивалентный возбуждению, — высвечивание с переходом атома в исходное состояние.) Такой процесс называется вынужденным, или стимулированным, излучением; он показан схематически на фиг. 13.28.

Существенной особенностью вынужденного излучения, делающей его не только интересным для исследования, но и полезным, является то, что падающий и испущенный атомом фотоны оказываются в фазе. Иными словами, они распространяются в одном направлении и колеблются в такт. Таким образом, эти фотоны усиливают друг друга. Если мы имеем некоторое количество атомов и часть из них находится в одном и том же возбужденном состоянии, то единственный падающий фотон может стимулировать вынужденное излучение этих атомов. Каждый испущенный фотон может в свою очередь стимулировать испускание фотонов другими атомами, так что система в целом может почти разом излучить всю энергию возбуждения в виде сгустка фотонов, находящихся в фазе друг с другом. Что мы выигрываем в результате такого процесса? Так как все возбужденные атомы в конце концов отдали бы свою энергию

Слайд 2.

Рис 1 Падающий фотон с энергией hvвозбуждает атом, переводя электрон в состояние с более высокой энергией (а); электрон возвращается в основное состояние и испускает фотон с энергией hv

Согласно квантовой механике, эти два процесса математически эквивалентны. Физическое их различие заключается в том, что в первом процессе энергия hvпоглощается, а во втором возбуждения в результате самопроизвольного испускания, мы, стало быть, лишь стимулировали процесс, который так или иначе должен был произойти. Различие заключается в том, что в самопроизвольном процессе фотоны излучаются в случайных направлениях и с разными фазами, а при вынужденном излучении фотоны испускаются практически одновременно и в фазе.

Как использовать вынужденное излучение, чтобы создавать интенсивные пучки когерентного излучения (т. е. излучения, в котором фазы всех волн совпадают)? Если это излучение находится в диапазоне световых волн, то устройство для его получения называют лазером (слово «лазер» составлено из первых букв английского названия, которое в переводе означает «усилитель света, основанный на вынужденном излучении»^[1]).

Слайд 3

        Слайд 4.

Рис 3Некоторые уровни энергии атомов хрома в кристалле рубина.

Излучение накачки {стрелки, направленные вверх) возбуждает электрон в две энергетические полосы Ег и Еу, затем происходит переход в состояние Evкоторое является рабочим состоянием лазера. Лазерное излучение {красная стрелка) состоит из красных фотонов {Х= 6934А).

При создании лазера необходимо решить две главные проблемы: 1) «накачать» энергию в систему атомов так, чтобы достаточное число атомов находилось в возбужденном состоянии, и 2) добиться того, чтобы большинство фотонов испускалось в одном направлении.

Если верхнее (возбужденное) состояние оказывается узким (подобно состоянию В), то падающее излучение также должно иметь строго определенную энергию. Источник белого света в данном случае не подходит, так как он испускает фотоны в широком интервале энергий, и лишь немногие из них имеют энергию, подходящую для эффективной «перекачки» атомов в верхнее состояние. В 1960 г. Чарльз Таунс и Артур Шавлов из Колумбийского университета обратили внимание на интересное свойство кристаллов рубина, которое, по-видимому, позволяло решить эту задачу. Рубин состоит из бесцветной окиси алюминия, которая содержит в виде примеси небольшое количество хрома. Примесь хрома и придает рубину его характерный красный цвет. На фиг. 13.29 приведены некоторые энергетические состояния атомов хрома в рубине. Отличительная особенность этой диаграммы состоит в том, что энергетические уровни Е2и Еъ на самом деле представляют собой полосы. Это означает, что состояние атома не связано с одной точно определенной энергией, а может иметь любую энергию в окрестности Е2 и Е3. Так как полосы достаточно широки, белый свет от источника оптической накачки содержит большое число фотонов с энергиями внутри полос, что позволяет производить накачку. Сначала происходит переход с каждой из полос в состояние Ех. Следовательно, лазерным будет переход Ех -* Е0, и соответствующее излучение лежит в красной части спектра при 6934 А.

Проблему направленности можно решить следующим образом. Кристаллу рубина придают форму цилиндра со строго параллельными основаниями . Одно основание цилиндра посеребрено и представляет собой зеркало, а другое покрыто серебром лишь частично, так что некоторая доля излучения может пройти через него.

Слайд 5.

. Схема рубинового лазера.

Излучение накачки создается интенсивным источником белого света. Испущенные фотоны отражаются параллельными зеркалами и накапливаются. Направленный пучок образуется фотонами, вылетающими через частично отражающий торец цилиндра.

Накачка производится с помощью разрядной лампы большой мощности, которая имеет форму спирали, обвивающей цилиндрический кристалл. Как только при самопроизвольном переходе Е^Е0 образуется один фотон, начинается усиление света вынужденным излучением. Фотоны, движущиеся параллельно оси цилиндра, отражаются от его торцов и снова проходят через кристалл, стимулируя испускание дополнительных фотонов. Часть этого излучения выходит через не полностью отражающий торец и образует лазерный пучок. Большая часть самопроизвольно испущенных фотонов движется непараллельно оси; эти фотоны отражаются в кристалле и в конце концов выходят через боковую поверхность цилиндра. Они не вносят вклада в лазерный пучок, однако достаточное число фотонов отражается от торцов цилиндра и поддерживает действие лазера.

Энергия непрерывно накачивается в кристалл источником света, и некоторая ее доля (обычно очень незначительная) испускается в виде лазерного пучка; это излучение когерентно, почти монохроматично и имеет высокую степень направленности. Однако лазер никоим образом не является «источником» энергии. В действительности в пучок преобразуется только малая доля затраченной энергии. Однако вся излучаемая энергия сосредоточена в тонком пучке с малой площадью поперечного сечения и с высокой монохроматичностью.

Слайд 6 .

2. Типы лазеров и их особенности.

Новые лазеры сейчас открывают едва ли не каждый день; как правило, речь идет об обнаружении нового вещества, способного работать в лазере, или изобретении нового метода закачки энергии в рабочее тело.

На сегодняшний день существует ошеломляющее разнообразие лазеров, которые можно классифицировать по материалу рабочего тела и способу закачки энергии (это может быть электричество, мощный световой луч, даже химический взрыв). Перечислим несколько типов лазеров.

• Газовые лазеры. Эта категория включает и чрезвычайно распространенные гелий-неоновые лазеры, дающие очень знакомый красный луч. Накачивают их при помощи радиоволн или электричества. Гелий-неоновые лазеры обладают небольшой мощностью. А вот газовые лазеры на углекислом газе можно использовать при подрывных работах, для резки и плавки металлов в тяжелой промышленности; они способны давать чрезвычайно мощный и совершенно невидимый луч;

• Химические лазеры. Эти мощные лазеры заря жаются от химической реакции Такие лазеры достаточно мощны, чтобы найти применение в военной области. В США химический принцип накачки применяется в воздушных и наземных боевых лазерах, способных давать луч мощностью в миллионы ватт и предназначенных для сбивания в полете ракет малой дальности.

• Эксимерные лазеры. Эти лазеры получают энергию также от химической реакции, в которой обычно задействованы инертный газ (т.е. аргон, криптон или ксенон) и какой-нибудь фторид или хлорид. Они дают ультрафиолетовый свет и могут использоваться в элек тронной промышленности для вытравливания крохотных транзисторов на полупроводниковых чипах, а также в хирургии глаза для проведения тончайших операций по технологии Lasik.

• Полупроводниковые лазеры. Диоды, которые мы так широко используем во всевозможных электрон ных устройствах, могут давать мощные лазерные лучи, которые используются в промышленности для резки и сварки. Эти же полупроводниковые лазеры работа ют и в кассовых аппаратах, считывая штрихкоды с выбранных вами товаров.

• Лазеры на красителях. В этих лазерах в качестве рабочего тела используются органические красите ли. Они исключительно полезны в получении ультра коротких импульсов света, которые часто имеют длительность порядка одной триллионной доли секунды.

Слайд 7.

3. Применение лазеров в медицине.

 После выхода в 1970 году фильма «Звездные войны» игрушечные световые мечи мгновенно обрели немыслимую популярность среди мальчишек.

Я думаю, что те мальчишки, которые планировали стать врачами мечтали не об оружии, которое направлено на уничтожение, а о хирургическом лазерном скальпеле, который будет помогать сохранять жизни . Сегодня эта мечта стала реальностью. Лазеры сейчас широко применяются в хирургии и не только. А вот создание лазерного меча пока только в перспективе.

Слайд 8.

Лазеры в хирургии делятся на 3 группы: хирургичесие, терапевтические и диагностические.

Слайд 9.

Важное для хирургии свойство лазерного излучения - способность коагулироватьбиоткань (Процесс слипания, укрупнения и выпадения в осадок частиц вещества из коллоидного раствора.)  

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

Слайд 9.

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

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

Слайд 10.

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

Слайд 11.

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

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

Внутривенная лазерная терапия может быть осуществлена практически в любом стационаре или поликлинике. Преимуществом амбулаторной лазеротерапии является уменьшение возможности развития внутрибольничной инфекции, создается хороший психоэмоциональный фон, позволяя больному на протяжении длительного времени сохранять работоспособность, проводя при этом процедуры и получая полноценное лечение.

Слайд 12.

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

В дерматологии с помощью лазерного излучения лечат многие тяжёлые и хронические заболевания кожи, а также выводят татуировки. При облучении лазером активируется регенеративный процесс, происходит активация обмена клеточных элементов [4].

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

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

Слайд 13

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

.

Световодные инструменты и катетеры для лазерной хирургии предназначены для доставки мощного лазерного излучения к месту проведения оперативного вмешательства при открытых, эндоскопических и лапароскопических операциях в урологии, гинекологии, гастроэнтерологии, общей хирургии, артроскопии, дерматологии. Позволяют осуществлять резание и  иссечение тканей при проведении хирургических операций в контакте с биотканью или в бесконтактном режиме применения (при удалении торца волокна от биоткани).

Слайд 14

В диагностике лазеры применяются для обнаружения различных неоднородностей (опухолей, гематом) и измерения параметров живого организма. Основы диагностических операций сводятся к пропусканию через тело пациента (либо один из его органов) лазерного луча и по спектру или амплитуде прошедшего или отражённого излучения выводят диагноз.

Слайды 15 и 16.

Выводы.

1.Лазеры очень поспособствовали развитию медицины. Благодаря им стало возможно то, что раньше считалось невероятным и немыслимым. С их помощью врачи  спасли не одну тысячу жизней.
2.Каждый вид лазера используется в своей области, дело не ограничивается медициной. Да и в медицине используются десятки видов лазеров для разных применений.
3.Все возрастающий интерес к использованию лазеров в медицине привел к необходимости создания специальных лазерных отделений и операционных, достаточно приспособленных к безопасной эксплуатации. Главным вопросом становится защита медицинского и технического персонала от влияния вредных факторов лазерного излучения.
4. Учитывая, что комбинированные методы лечения наиболее эффективны, на современном этапе онкологии лазерное излучение можно использовать при комбинированном лечении опухолей. Излучение лазера в некоторых случаях целесообразно комбинировать с ионизирующим излучением, лекарственными противоопухолевыми препаратами, хирургическими операциями.
5.Наука не стоит на месте. Появляются новые виды лазеров. Еще недавно был открыт лазер на основе графена, работающий почти на всех возможных частотах.В лабораториях появляются всё более мощные системы лазеров достигающие громадных температур. Перспектива развития лазеров ещё невероятна велика

Список литературы

1. Физика и физический мирДж. Мэрион
   ИздательствоМир
   1975г. 624 с.
2. Физика невозможногоМичиоКаку2009 г.Альпина нон-фикшн
3. Лазеры в клинической медицине. Под ред. Д. С. Плетнева. — М., Медицина.
4. Плетнев Д. С. и др. Применение лазеров в онкологическй практике. — Хирургия.
5. Хромов Б. М. Лазеры в экспериментальной хирургии. — Медицина.
6. Дударев А.Л. Лучевая терапия, Л.: Медицина, 1982, 191 с.
7. 5.Лазерная и магнитно-лазерная терапия в медицине, Тюмень, 1984, 144 с.
8. Современные методы лазерной терапии, Отв. Ред. Б.И. Хубутия, - Рязань.:1988 г.,126 с.
9. Лазерные методы лечения и ангиографические исследования в офтальмологии, Сб. науч. тр. Под ред. С.Н. Федорова, 1983 г., 284 с.
10. Лазеры в клинической медицине , Н. Д. Девятков, - М.: Медицина, 1981 г., 399 с.
11. Лазеры в хирургии. Под ред. О.К. Скобелкина .- М .: Медицина, 1989, 254 с.
12. Журнал "Медтехника" ,1995 г.-№3; 1996 г.-№4