Применение лазеров в медицине

нанотехнологий и телекоммуникаций Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого http://www.spbstu.ru/

в зависимости от генерируемой длины волны в виде лазера, мазера

или гразера
(LASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation–усиление света путем вынужденного излучения) или в виде мазера (MASER–Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation–микроволновое усиление путем вынужденного излучения) или в виде гразера
(GRASER–Gamma-Ray Amplification of Stimulated Emission of Radiation–усиление гамма-лучей путем вынужденного излучения).

справочное пособие: Интерэксперт.Москва. 1997. 343 с.

1917 году.
В 1939 году молодой советский ученый
В.А. Фабрикант вернулся

к введенному
Эйнштейном в физику понятию
вынужденного излучения.
Исследования Валентина
Александровича Фабриканта
заложили прочный фундамент
для создания лазера.

годы благодаря творческой работе советских ученых Александра Прохорова, Николая Басова

и американца Чарльза Харда Таунса.
В 1955 г. советские ученые разработали квантовый генератор — мазер, активной средой которого были пары аммиака. 
В 1964 году Басов, Прохоров и Таунс (США) стали лауреатами Нобелевской премии, которой они были удостоены за фундаментальные исследования в области квантовой электроники, приведшие к созданию мазеров и лазеров.
Первый работающий лазер был построен лишь в 1960 г.Теодором Мейманом, который работал в компании Hugрes Aircraft.
Для получения миллисекундных импульсов лазерного излучения он использовал кристалл искусственного рубина как активную среду. Длина волны того лазера была 694 нм.
Через некоторое время был испробован уже лазер с длиной волны в 1060 нм, что является ближней ИК-областью спектра. В качестве активной среды в этом лазере выступали стеклянные стержни, легированные неодимом.

гонки, работая в лаборатории Hughes Research, которая соревновалась с другими

ведущими компаниями, такими как Lincoln Labs, IBM, Westinghouse, Siemens, RCA Labs, GE, Bell Labs, TRG. Затем ему еще долго пришлось бороться за свой приоритет, который в конце концов стал общепризнанным. Последние годы жизни Мейман занимался технологиями применения лазеров в медицине.

переходов на энергетические уровни F1 и F2. Затем каждый возбужденный

атом спонтанно (самопроизвольно, т.е. невынужденно) излучает квант (нелазерного излучения) и, потеряв часть своей энергии, переходит на метастабильный уровень E.

Далее, под воздействием вынуждающего кванта с лазерной длиной волны (такие кванты есть в излучении лампы накачки) атом излучает еще один такой же квант, согласованный по фазе с вынуждающим, и переходит на свой основной энергетический уровень.

двух энергетических уровней.
Чтобы получить эту инверсию населенности, в лазерную

среду должна быть введена энергия в соответствующей форме.
Этого можно добиться различным образом, независимо от специфического лазерного процесса. Тем не менее, тот или иной метод возбуждения следует выбирать и оптимизировать специально для соответствующего типа лазера.
Основные методы возбуждения – это возбуждение очень интенсивным светом, так называемая «оптическая накачка», и возбуждение электрическим газовым разрядом. В полупроводниковых лазерах возбуждение осуществляется непосредственно электрическим током. Для возбуждения могут быть использованы также химические реакции.

населенности. По-другому дело обстоит в системах с тремя и большим

числом уровней. В трехуровневой лазерной системе при очень интенсивной накачке с уровня 1 на уровень 3 можно получить на уровне 2 более высокую населенность, чем на уровне 1.

2’ между уровнем 1 и уровнем 2, то можно избежать

проблем трехуровнего лазера в отношении короткой по времени инверсии населенности, при условии, что уровень 2’ является очень короткоживущим. Если лазерный переход осуществляется с уровня 2 на уровень 2’, то уровень 2’ при работе лазера ввиду его короткого существования постоянно опустошается на основной уровень. В этой конфигурации даже при незначительной мощности накачки можно постоянно cохранять инверсию насе- ленности между уровнями 2 и 2’. Лазеры с 4-мя уровнями могут поэтому работать в непрерывном режиме (cw - continuous wave).
 

могут быть населены более высокие энергетические уровни. Этот процесс называют

«оптической накачкой». В качестве источников света применяются очень интенсивные лампы-вспышки, непрерывно излучающие лампы высокого давления, а также другие лазеры. Так как для стимуляции лазерного перехода используется только часть энергии возбуждения, то длина генерируемой лазерной волны всегда больше, чем длина волны возбуждения.

(3, 4)
средства доставки излучения (5)


Принципиальная схема устройства лазера.

волны в зависимости от своего химического состава. Строго определенная длина

волны излучения связана с одинаковой разницей в энергетических уровнях электронов в молекулах вещества.

которых можно обеспечить инверсию населенности. Это возможно у следующих материалов:
а)

свободные атомы, ионы, молекулы, ионы молекул в газах или парах;
б) молекулы красителей, растворенные в жидкостях;
в) атомы, ионы, встроенные в твердое тело;
г) полупроводники;
д) свободные электроны.
По виду лазерной активной среды различают газовые, жидкостные, полупроводниковые и твердотельные лазеры.

(1064 нм),
александритовый (700-820 нм),
гольмиевый (2100 нм),
эрбиевый (2940

нм).

Особенности: параметры излучения зависят от оптических качеств используемого кристалла. Неоднородности кристаллической структуры могут серьезно ограничивать когерентность лазера. Кристаллы постоянно подвержены разрушениям; концентрация активирующих ионов задается в процессе изготовления лазера и является определенной величиной для данного кристалла.
Применение: хирургия

Источник накачки: импульсная лампа, лазерный диод.

(193 - 353 нм)
на парах меди (510 - 578

нм)
гелий-неоновый (633 нм)

Особенности:
имеют заметно меньшую концентрацию активного вещества из-за низкой концентрации атомов в газе

Применение:
Диагностика, терапия, лазерная хирургия, лечение сетчатки глаза, коррекция зрения, дерматология.

Источник накачки: электрический разряд, химческая реакция горения.

неорганических красителей.
Применение:
научные исследования,
спектроскопия,
косметическая хирургия.
Особенности:
высокую концентрацию активных атомов, которую легко можно

изменять;
активная среда является дешевой и относительно мало подверженной повреждениям;
не столь громоздки, как газовые системы, и проще в эксплуатации

390—435 нм 460—515 нм 570—640 нм

Источник накачки: другой лазер, импульсная лампа.

за счет высокого коэффициента полезного действия (до 60 - 80%

в отличие от 10-30% при традиционных), малогабаритности, надежности.
Рабочее тело – полупроводниковый лазерный диод. Электрическая и оптическая накачка.

Большой вклад в создание данного типа лазеров внесли работы Ж.И. Алферова. Он удостоен Нобелевской премии по физике (премия 2000 года за разработку полупроводниковых гетероструктур и создание быстрых опто- и микроэлектронных компонентов).

до миллиметровых длин волн, в дальнем ИК-диапазоне лазеры плавно переходят

в мазеры.
Интенсивно ведутся исследования в области лазеров в диапазоне рентгеновских волн. Но практическое значение приобрели только два-три десятка типов лазера.
Наиболее широкое биомедицинское применение получили: СО2-лазер, лазер на ионах аргона и криптона, Nd:YAG-лазеры непрерывного и импульсного режима, лазеры на красителях непрерывного и импульсного режима, He-Ne-лазер, эксимерные лазеры, Nd:YAG-лазеры с удвоение частоты (KTP), Er:YAG-лазеры и лазеры на парах металлов также все шире применяются в медицине.

все цуги волн являются синфазными, как во времени, так и

в пространстве.
Излучение является сильно коллимированным, т.е. все лучи в пучке почти параллельны друг другу. На большом расстоянии лазерный пучок лишь незначительно увеличивается в диаметре.
Лазерное излучение является монохроматическим, т.е. все цуги волн имеют одинаковую длину волны, частоту и энергию.
а. когерентность б. коллимированность в. монохроматичность

абсолютные величины энергии и мощности, а их плотность, т.е. распределение

по площади пятна. В коллимированном пучке излучения плотность мощности практически одинакова по всей его длине, в расходящемся пучке она убывает пропорционально углу расходимости, а в сходящемся она максимальна в точке фокуса.

ПЛОТНОСТЬ ЭНЕРГИИ И МОЩНОСТИ

длительности воздействия – от часов и минут до фемтосек (10-15с).

Особенности временных характеристик излучения отражаются в спецификации установок – это режимы длительных воздействий: непрерывной генерации (мин, с), свободной генерации (мс, мкс), различной длительности импульсов, а также коротких и ультракоротких экспозиций: модулированной добротности (нс), синхронизации мод (пс - 10-12 с) и другие.

Схема проявления биоэффектов в зависимости от длительности лазерного воздействия.

стекла или пластмассы (полистирол, полиметилметакрилат, политетрафторэтилен) и имеющих разные показатели

преломления. Основное требование: показатель преломления оболочки по своей величине меньше, чем показатель преломления сердцевины; что позволяет свету при прохождении по оптическому волокну претерпеть ряд последовательных полных внутренних отражений на границе раздела оболочки и сердцевины и лишает луч возможности выхода за пределы отдельного волокна.

путем скрепления только на концах (гибкие конструкции) или сплавляя вместе

до слияния оболочек (жесткие конструкции). Световоды могут передавать на большие расстояния без значительных потерь энергии свет различного диапазона (средний и ближний ИК, видимый, УФ до 200 нм) и лазерное излучение.
В медицине с диагностическими целями световоды используют при фиброгастроскопии, бронхоскопии и др.

фотохимическое взаимодействие, термическое взаимодействие и нелинейные процессы. При этом доминируют

при:
- низкой плотности мощности и продолжительном времени экспозиции – фотохимические процессы,
- более высокой плотности мощности и более коротком времени воздействия – термические процессы,
- воздействии плотности мощности более 10 Вт/см2 с ультракоротким временем облучения (нс и короче) – нелинейные эффекты. Степень того или иного воздействия зависит:
а) от свойств лазерного излучения (длина волны, плотность энергии, длительность облучения и частота повторения);
б) от свойств биологического материала (коэффициент поглощения, коэффициент рассеяния, плотность и т.д.).

действие и разрушающее действие (подготовка проб для диагностики) - диагностика:
Рассеяние,

поглощение, переизлучение
Фотоионизация
Фотобиохимические действия (терапия):
Однофотонное поглощение
Многофотонное поглощение
Разрушающее действие (хирургия):
Фотоионизация
Тепловое воздействие
Гидроудар
Фотохимическое

мВт)
Диагностика
Воздействие на акупунктурные точки
Внутривенное лазерное облучение крови
Среднеэнергетическое (200-2000 мВт)
Фотодинамическая терапия

Гипертермия (лазерная сварка)
Физиотерапия (воздействие на очаг)
Эндоскопическая диагностика (оптоволокно)
Высокоэнергетическое (20-100 Вт)
Хирургия (лазерный скальпель), в том числе
онкология
косметология
В импульсе может быть сосредоточена достаточна большая энергия.

т.е. в соответствии с законами физической оптики. Не только ткани,

но и сама клетка, её внешние и внутренние структуры оптически неоднородны. Биологическая среда – активно преобразует световую энергию, например, во вторичное излучение, колебательные процессы, электронное возбуждение и т.д
Биополимеры способны выступать в роли преобразователей-осцилляторов, возникает переизлучение с формированием колебательных гармоник, работающих как аккумуляторы.
При этом создаются сгустки волновых процессов
– уединённые электромагнитные волны солитоны.
Солито́н — структурно устойчивая уединённая волна,
распространяющаяся в нелинейной среде.

интерференционная картина, которая образуется при взаимной интерференции когерентных волн, имеющих

случайные сдвиги фаз и/или случайный набор интенсивностей. На такой картине, как правило, можно отчётливо наблюдать светлые пятна, крапинки (их и называют спеклами), которые разделены тёмными участками изображения.
Спекл-картина образуется, например, при когерентном освещении случайно-неоднородных объектов, таких, как шероховатая поверхность, или при пропускании когерентного излучения через прозрачную среду с флуктуирующим в пространстве показателем преломления. Когерентное излучение может быть реализовано, прежде всего, лазерами.

биологических тканях, приводит к формированию в отраженном световом потоке спекл-поля.

Спеклы - это световые пятна, хаотически расположенные в плоскости наблюдения.

Спекл–поле матового стекла:

Спекл-поле

Pизл=20 мВт, λ=0,6 мкм;
2 – фокусирующая линза f=50 мм;
3 – ПЗС-камерой;

4 – монитор;
5 – персональный компьютер;
6 – ФЭУ-69Б;
7 – одномодовое оптическое волокно.;
8 – цифровой измерительный осциллограф GDS-2062.

Датчик скорости капиллярного кровотока

Структурная схема модели датчика скорости капиллярного кровотока

и при сжатии 230 мм рт.ст.(б).
а) без сжатия руки
б) при

сжатии 230 мм рт.ст.

Датчик скорости капиллярного кровотока

инфракрасной области спектра преобладает поглощение, обусловленное наличием в их составе

неокрашенных белков, нуклеиновых кислот и воды. В видимой области поглощают окрашенные биологические объекты, например, гемоглобин. Вклад рассеяния оказывается существенным в видимой и ближней инфракрасной областях. Для длин волн 0,45─0,59 мкм поглощение и рассеяние дают примерно равные вклады в коэффициент пропускания ткани, а для длин волн 0,59─1,5 мкм рассеяние превалирует над поглощением.

Квантовая электроника, 32(10), 2002).

отражение, поглощение и/или пропускание – только незначительный процент излучения отражается

непосредственно от поверхности Проникающие в ткань лучи частично поглощаются, частично рассеиваются и частично пропускаются

излучения. Рассеяние зависит от негомогенных структур ткани и определяется разными

показателями преломления у разных ячеек и разницей между ячейками и окружающей их средой. Волны с длиной намного большей, чем диаметр ячейки (≥10 мкм), рассеиваются ячеистыми структурами лишь в незначительной степени. Но так как электромагнитный спектр широко используемых лазеров простирается от ИК (1мм - 0,78 мкм) до УФ (0,38 – 0,10 мкм) диапазона длин волн, мы практически всегда имеем дело с рассеянием.

Излучение эксимерного лазера УФ диапазона (193, 248, 308 и 351

мкм), а также ИК-излучение 2,9 мкм Er:YAG-лазера и 10,6 мкм CO2-лазера имеют глубину проникновения от 1 до 20 мкм. Здесь рассеяние играет подчиненную роль. Для света с длиной волны 450-590 нм, что соответствует линиям аргона, глубина проникновения составляет в среднем 0,5-2,5 мм. Как поглощение, так и рассеяние играют здесь значительную роль. Лазерный луч этой длины волны хотя и остается в ткани коллимированным в центре, но он окружен зоной с высоким рассеянием. От 15 до 40% падающего пучка света рассеивается. В области спектра между 590 и 1500 нм, в которую входят линии Nd:YAG-лазера 1,06 и 1,32 мкм, доминирует рассеяние. Глубина проникновения составляет от 2,0 до 8,0 мм.

может существенно меняться, например, при их окрашивании. Такие биообъекты называют

сенсибилизированными, поскольку их чувствительность к свету изменяется. Сенсибилизацию биоматериала используют для изучения механизмов взаимодействия света с отдельными компонентами этого материала, а также в практической диагностике и медицине, например, в ходе проведения сеансов флуоресцентной диагностики и фотодинамической терапии.

режущего инструмента или коагулятора, базируется на превращении электромагнитной энергии лазерного

луча в тепловую энергию. Это преобразование энергии излучения в тепло может произойти только в том случае, если лазерное излучение поглощается специфическими хромофорами ткани.
Так как часть энергии из-за теплопроводности и других процессов транспортируется в соседние области, то нагревается не только облученный объем, но и окружающие его участки. Также и локальным кровотоком in vivo тепло отводится от облученной ткани.
Термические свойства живой ткани определяются в основном тремя процессами:
1. теплопроводность
2. накопление тепла
3. отвод тепла сосудистой системой.