Aplikácia lasera a žiarenia v medicíne. Lasery v modernej medicíne

V modernej medicíne sa využívajú mnohé výdobytky vedy a techniky. Napomáhajú včasnej diagnostike chorôb a prispievajú k ich úspešnej terapii. Lekári pri svojej činnosti aktívne využívajú možnosti laserového žiarenia. V závislosti od vlnovej dĺžky môže pôsobiť na tkanivá tela rôznymi spôsobmi. Preto vedci vynašli mnoho multifunkčných medicínskych zariadení, ktoré sú široko používané v klinickej praxi. Rozoberme si aplikáciu lasera a žiarenia v medicíne trochu podrobnejšie.

Laserová medicína sa rozvíja v troch hlavných oblastiach: v chirurgii, terapii a diagnostike. Účinok laserového žiarenia na tkanivá je určený dosahom žiarenia, vlnovou dĺžkou a energiou fotónu žiariča. Vo všeobecnosti možno všetky typy laserových účinkov v medicíne na telo rozdeliť do dvoch skupín

Laserové žiarenie nízkej intenzity;
- laserové žiarenie vysokej intenzity.

Ako pôsobí laserové žiarenie nízkej intenzity na telo?

Vystavenie takémuto laseru môže spôsobiť zmeny v tkanivách tela, biofyzikálne, ako aj chemické procesy. Takáto terapia tiež vedie k zmenám metabolizmu (metabolických procesov) a k jeho bioaktivácii. Účinok lasera s nízkou intenzitou spôsobuje morfologické a funkčné zmeny nervové tkanivo.

Tento efekt tiež stimuluje kardiovaskulárny systém a mikrocirkuláciu.
Ďalší laser s nízkou intenzitou zvyšuje biologickú aktivitu bunkových a tkanivových kožných elementov, vedie k aktivácii vnútrobunkových procesov vo svaloch. Jeho použitie umožňuje spustiť redoxné procesy.
Okrem iného podobný spôsob vplyv má pozitívny vplyv na celkovú stabilitu tela.

Aký terapeutický účinok sa dosiahne pri použití laserového žiarenia nízkej intenzity?

Táto metóda terapie pomáha odstrániť zápal, znížiť opuch, odstrániť bolestivé pocity a aktivácia regeneračných procesov. Okrem toho stimuluje fyziologické funkcie a imunitnú odpoveď.

Kedy môžu lekári používať laserové žiarenie nízkej intenzity?

Táto metóda expozície je indikovaná pre pacientov s akútnymi a chronickými zápalové procesy rôzne lokalizácie, poranenia mäkkých tkanív, popáleniny, omrzliny a kožné ochorenia. Má zmysel používať ho pri periférnych ochoreniach nervový systém, ochorenia pohybového aparátu a mnohé ochorenia srdca a ciev.

Nízkointenzívne laserové žiarenie sa využíva aj v terapii dýchacieho systému, tráviaceho traktu, genitourinárny systém, ORL ochorenia a poruchy imunitného stavu.

Táto metóda terapie je široko používaná v zubnom lekárstve: na korekciu ochorení slizníc ústna dutina, periodontálne ochorenie a TMJ (temporomandibulárny kĺb).

Okrem toho takýto laser lieči nekazivé lézie, ktoré vznikli v tvrdých tkanivách zubov, kazy, pulpitídu a parodontitídu, bolesť tváre, zápalové lézie a poranenia maxilofaciálnej oblasti.

Medicínska aplikácia vysokointenzívneho laserového žiarenia

Laserové žiarenie vysokej intenzity sa najčastejšie používa v chirurgii a v jej rôznych oblastiach. Vplyv vysokointenzívneho laserového žiarenia totiž pomáha prerezávať tkanivo (pôsobí ako laserový skalpel). Niekedy sa používa na dosiahnutie antiseptického účinku, na vytvorenie koagulačného filmu a na vytvorenie ochrannej bariéry proti agresívnym vplyvom. Okrem toho je možné takýto laser použiť na zváranie kovových protéz a rôznych ortodontických aparátov.

Ako pôsobí na telo vysokointenzívne laserové žiarenie?

Tento spôsob expozície spôsobuje tepelné popáleniny tkanív alebo vedie k ich zrážaniu. Spôsobuje vyparovanie, horenie alebo zuhoľnatenie príslušných oblastí.

Pri použití laserového svetla s vysokou intenzitou

Táto metóda ovplyvňovania tela je široko používaná pri vykonávaní rôznych chirurgických zákrokov v oblasti urológie, gynekológie, oftalmológie, otolaryngológie, ortopédie, neurochirurgie atď.

Laserová chirurgia má zároveň množstvo výhod:

Prakticky bezkrvná operácia;
- maximálna aseptickosť (sterilita);
- minimum pooperačných komplikácií;
- minimálny vplyv na susedné tkanivá;
- krátke pooperačné obdobie;
- vysoká presnosť;
- zníženie pravdepodobnosti tvorby jaziev.

Laserová diagnostika

Táto diagnostická metóda je progresívna a vyvíja sa. Umožňuje vám identifikovať mnohé z najzávažnejších chorôb v počiatočnom štádiu vývoja. Existujú dôkazy, že laserová diagnostika pomáha pri odhaľovaní rakoviny kože, kostného tkaniva a vnútorné orgány... Používa sa v oftalmológii na detekciu šedého zákalu a určenie jeho štádia. Okrem toho túto metódu výskumu praktizujú hematológovia – s cieľom skúmať kvalitatívne a kvantitatívne zmeny v krvinkách.

Laser efektívne vymedzuje hranice zdravých a patologických tkanív, možno ho použiť v kombinácii s endoskopickým zariadením.

Využitie žiarenia v medicíne iného charakteru

Lekári široko používajú rôzne druhy žiarenia v terapii, diagnostike a prevencii rôznych stavov. Ak sa chcete dozvedieť o použití žiarenia, stačí kliknúť na odkazy, ktoré vás zaujímajú:

Röntgenové lúče v medicíne
- rádiové vlny
- tepelné a ionizujúce lúče
- ultrafialové žiarenie v medicíne
- infračervené žiarenie v medicíne

ÚVOD

Hlavnými nástrojmi, ktoré chirurg používa na pitvu tkaniva, sú skalpel a nožnice, t.j. rezné nástroje. Rany a rezy urobené skalpelom a nožnicami sú však sprevádzané krvácaním, čo si vyžaduje špeciálne opatrenia na zastavenie krvácania. Okrem toho môžu rezné nástroje pri kontakte s tkanivom šíriť mikroflóru a bunky malígneho nádoru pozdĺž línie rezu. V tejto súvislosti chirurgovia už dlho snívali o tom, že budú mať k dispozícii taký nástroj, ktorý by vytvoril nekrvavý rez a súčasne zničil patogénnu mikroflóru a nádorové bunky v operačnej rane. Zákroky na „suchom operačnom poli“ sú ideálne pre chirurgov všetkých typov.

Pokusy o vytvorenie „ideálneho“ skalpelu siahajú do konca minulého storočia, kedy bol navrhnutý takzvaný elektrický nôž, ktorý využíva vysokofrekvenčné prúdy. Tento prístroj v pokročilejších verziách je v súčasnosti pomerne široko používaný chirurgmi rôznych špecializácií. S nahromadením skúseností sa však odhalili negatívne aspekty „elektrochirurgie“, z ktorých hlavnou je príliš veľká zóna tepelné popálenie tkaniva v oblasti rezu. Je známe, že čím širšia je oblasť popálenia, tým horšie sa operačná rana hojí. Okrem toho pri použití elektrického noža je potrebné zapojiť telo pacienta do elektrického obvodu. Elektrochirurgické zariadenia nepriaznivo ovplyvňujú činnosť elektronických zariadení a monitorovacích zariadení pre životne dôležitú činnosť tela počas operácie. Kryochirurgické zariadenia tiež spôsobujú značné poškodenie tkaniva, čím sa zhoršuje proces hojenia. Rýchlosť disekcie tkaniva kryoskalpelom je veľmi nízka. V skutočnosti to nie je pitva, ale deštrukcia tkaniva. Významná oblasť popálenia sa pozoruje aj pri použití plazmového skalpelu. Ak vezmeme do úvahy, že laserový lúč má výrazné hemostatické vlastnosti, ako aj schopnosť utesniť bronchioly, žlčové cesty a pankreatické vývody, potom sa použitie laserovej technológie v chirurgii stáva mimoriadne sľubným. Niektoré zo stručne vymenovaných výhod použitia laserov v chirurgii sa týkajú predovšetkým laserov s oxidom uhličitým (CO2 lasery). Okrem nich sa v medicíne využívajú lasery, ktoré fungujú na iných princípoch a na iných pracovných látkach. Tieto lasery majú zásadne odlišné vlastnosti pri pôsobení na biologické tkanivá a používajú sa na relatívne úzke indikácie, najmä v kardiovaskulárnej chirurgii, v onkológii, na liečbu chirurgické ochorenia kože a viditeľných slizníc atď.

LASERY A ICH POUŽITIE V MEDICÍNE

Napriek spoločnej povahe svetla a rádiových vĺn sa optika a rádiová elektronika dlhé roky vyvíjali nezávisle, nezávisle od seba. Zdá sa, že zdroje svetla – excitované častice a generátory rádiových vĺn – majú len málo spoločného. Až od polovice 20. storočia sa objavili práce na vytvorení molekulárnych zosilňovačov a generátorov rádiových vĺn, ktoré položili základ novej samostatnej oblasti fyziky - kvantovej elektroniky.

Kvantová elektronika študuje metódy zosilnenia a generovania elektromagnetických oscilácií pomocou stimulovanej emisie kvantových systémov. Pokroky v tejto oblasti vedomostí sa čoraz viac uplatňujú vo vede a technike. Zoznámime sa s niektorými javmi, ktoré sú základom kvantovej elektroniky a fungovania optických kvantových generátorov – laserov.

Lasery sú svetelné zdroje fungujúce na základe procesu stimulovanej (stimulovanej, indukovanej) emisie fotónov excitovanými atómami alebo molekulami pod vplyvom žiarenia fotónov rovnakej frekvencie. Charakteristickým rysom tohto procesu je, že fotón vznikajúci zo stimulovanej emisie je identický s vonkajším fotónom, ktorý spôsobil jeho výskyt vo frekvencii, fáze, smere a polarizácii. Toto definuje jedinečné vlastnosti kvantové generátory: vysoká koherencia žiarenia v priestore a čase, vysoká monochromatickosť, úzka smerovosť lúča žiarenia, obrovská koncentrácia toku energie a schopnosť zaostrovania do veľmi malých objemov. Lasery vznikajú na základe rôznych aktívnych médií: plynných, kvapalných alebo pevných. Môžu vyžarovať žiarenie vo veľmi širokom rozsahu vlnových dĺžok – od 100 nm (ultrafialové svetlo) do 1,2 μm (infračervené žiarenie) – a môžu pracovať v kontinuálnom aj pulznom režime.

Laser sa skladá z troch zásadne dôležitých jednotiek: žiariča, čerpacieho systému a zdroja energie, ktorých činnosť je zabezpečená pomocou špeciálnych pomocných zariadení.

Emitor je určený na premenu energie pumpy (prevod zmesi hélia a neónu 3 do aktívneho stavu) na laserové žiarenie a obsahuje optický rezonátor, čo je vo všeobecnosti systém starostlivo vyrobených reflexných, refrakčných a zaostrovacích prvkov. , v ktorých vnútornom priestore dochádza k určitému druhu elektromagnetických fluktuácií v optickom rozsahu. Optický rezonátor musí mať minimálne straty v pracovnej časti spektra, vysokú presnosť pri výrobe jednotiek a ich vzájomnej inštalácii.

Vytvorenie laserov sa ukázalo ako možné vďaka implementácii troch základných fyzikálnych myšlienok: stimulovaná emisia, vytvorenie termodynamicky nerovnovážnej inverznej populácie energetických hladín atómov a použitie kladných spätná väzba.

Excitované molekuly (atómy) sú schopné emitovať luminiscenčné fotóny. Táto emisia je spontánny proces. Je náhodný a chaotický v čase, frekvencii (môžu existovať prechody medzi nimi rôzne úrovne), v smere šírenia a polarizácie. Ďalšie žiarenie - stimulované alebo indukované - vzniká interakciou fotónu s excitovanou molekulou, ak sa energia fotónu rovná rozdielu medzi príslušnými energetickými hladinami. Pri stimulovanom (indukovanom) žiarení závisí počet prechodov za sekundu od počtu fotónov vstupujúcich do látky za rovnaký čas, t.j. od intenzity svetla, ako aj od počtu excitovaných molekúl. Inými slovami, čím vyššia je populácia zodpovedajúcich excitovaných energetických stavov, tým väčší je počet vynútených prechodov.

Indukované žiarenie je vo všetkých ohľadoch identické s dopadajúcim žiarením, teda aj vo fáze, preto môžeme hovoriť o koherentnom zosilňovaní elektromagnetickej vlny, čo sa používa ako prvá základná myšlienka v princípoch laserového žiarenia.

Druhou myšlienkou, ktorá sa realizuje pri vytváraní laserov, je vytvorenie termodynamicky nerovnovážnych systémov, v ktorých na rozdiel od Boltzmannovho zákona pre viac vysoký stupeň je tam viac častíc ako tá nižšia. Stav média, v ktorom sa aspoň pre dve energetické hladiny ukáže, že počet častíc s vyššou energiou prevyšuje počet častíc s menšou energiou, sa nazýva stav s prevrátenou populáciou hladín a médium sa nazýva aktívne. Pracovnou substanciou lasera je aktívne prostredie, v ktorom fotóny interagujú s excitovanými atómami a spôsobujú ich nútené prechody na nižšiu úroveň s emisiou kvánt indukovaného (stimulovaného) žiarenia. Stav s inverznou populáciou úrovní sa formálne získa z Boltzmannovho rozdelenia pre T< 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.

Stav populačnej inverzie môže byť vytvorený výberom častíc s nižšou energiou alebo zámerným excitovaním častíc, napríklad svetlom alebo elektrickým výbojom. Samotný stav s negatívnou teplotou už dlho neexistuje.

Tretia myšlienka, využívaná v princípoch laserového žiarenia, pochádza z rádiofyziky a spočíva vo využití pozitívnej spätnej väzby. Pri jeho realizácii zostáva časť generovaného stimulovaného žiarenia vo vnútri pracovnej látky a spôsobuje stimulovanú emisiu čoraz viac excitovaných atómov. Na realizáciu takéhoto procesu je aktívne médium umiestnené v optickom rezonátore, ktorý sa zvyčajne skladá z dvoch zrkadiel, vybraných tak, že žiarenie v ňom vznikajúce mnohokrát prechádza aktívnym prostredím a mení ho na generátor koherentného stimulovaného žiarenia.

Prvý takýto generátor v mikrovlnnej oblasti (maser) skonštruovali v roku 1955 nezávisle sovietski vedci N.G.Basoiy a A.M.Prokhorov a americkí vedci - C. Townes a ďalší.Keďže prevádzka tohto zariadenia bola založená na stimulovaných molekulách žiarenia amoniaku, potom generátor sa nazýval molekulárny.

V roku 1960 bol vytvorený prvý kvantový generátor vo viditeľnej oblasti žiarenia - laser s rubínovým kryštálom ako pracovnou látkou (aktívnym médiom). V tom istom roku bol vytvorený hélium-neónový plynový laser. Všetky v súčasnosti vytvorené obrovské množstvo laserov možno klasifikovať podľa typu pracovnej látky: rozlišujú medzi plynovými, kvapalinovými, polovodičovými a pevnolátkovými lasermi. V závislosti od typu lasera sa energia na vytvorenie invertovanej populácie komunikuje rôznymi spôsobmi: excitácia veľmi intenzívnym svetlom - "optické čerpanie", elektrický výboj plynu, v polovodičových laseroch - elektrický prúd. Podľa charakteru žiary sa lasery delia na pulzné a kontinuálne.

Uvažujme o princípe fungovania tuhého rubínového lasera. Rubín je kryštál oxidu hlinitého Al 2 0 3, obsahujúci vo forme nečistoty asi 0,05 % iónov Cr 3+ chrómu. Chrómové ióny sú excitované optickým čerpaním pomocou vysokovýkonných pulzných svetelných zdrojov. Jeden z návrhov používa rúrkový reflektor s eliptickým prierezom. Vo vnútri reflektora je umiestnená rovná xenónová záblesková lampa a rubínová tyč, ktorá sa nachádza pozdĺž čiar prechádzajúcich ohniskami elipsy (obr. 1). Vnútorný povrch hliníkového reflektora je dobre leštený alebo postriebrený. Hlavnou vlastnosťou eliptického reflektora je, že svetlo vychádzajúce z jedného z jeho ohniska (xenónová výbojka) a odrážajúce sa od stien dopadá do iného ohniska reflektora (rubínová tyč).

Rubínový laser pracuje podľa trojúrovňovej schémy (obr. 2 a). V dôsledku optického čerpania prechádzajú ióny chrómu z úrovne zeme 1 do krátkodobého excitovaného stavu 3. Potom nastáva nežiarivý prechod do dlhodobého (metastabilného) stavu 2, z ktorého je pravdepodobnosť spontánneho radiačného prechodu je relatívne malý. Preto dochádza k akumulácii excitovaných iónov v stave 2 a vzniká populačná inverzia medzi hladinami 1 a 2. Za normálnych podmienok dochádza k prechodu z 2. na 1. hladinu spontánne a je sprevádzaný luminiscenciou s vlnovou dĺžkou 694,3 nm. . V dutine lasera sú dve zrkadlá (pozri obr. 1), jedno z nich má koeficient odrazu R intenzity svetla odrazeného a dopadajúceho na zrkadlo, druhé je polopriepustné a prepúšťa časť dopadajúceho žiarenia (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.

Spolu s rubínovým laserom pracujúcim podľa trojúrovňovej schémy sa široko používajú štvorúrovňové schémy laserov založených na iónoch prvkov vzácnych zemín (neodym, samárium atď.) zabudovaných v kryštalickej alebo sklenenej matrici (obr. 24b). V takýchto prípadoch sa vytvorí populačná inverzia medzi dvoma excitovanými úrovňami: dlhotrvajúca úroveň 2 a krátkodobá úroveň 2 ".

Veľmi bežným plynovým laserom je hélium-neónový laser, ktorý je excitovaný elektrickým výbojom. Aktívnym prostredím v ňom je zmes hélia a neónu v pomere 10:1 a tlaku asi 150 Pa. Emitujúce atómy sú neónové, atómy hélia hrajú pomocnú úlohu. Na obr. 24, c ukazuje energetické hladiny atómov hélia a neónu. Generovanie nastáva počas prechodu medzi 3 a 2 úrovňami neónu. Aby sa medzi nimi vytvorila inverzná populácia, je potrebné osídliť úroveň 3 a vyprázdniť úroveň 2. Úroveň 3 je osídlená pomocou atómov hélia. Pri elektrickom výboji nárazom elektrónov sú atómy hélia excitované do dlhotrvajúceho stavu (s životnosťou asi 10 3 s). Energia tohto stavu je veľmi blízka energii úrovne 3 neónu; preto, keď sa excitovaný atóm hélia zrazí s nevybudeným atómom neónu, dochádza k prenosu energie, v dôsledku čoho sa naplní úroveň 3 neónu. Pre čistý neón je životnosť na tejto úrovni krátka a atómy prechádzajú na úroveň 1 alebo 2 a realizuje sa Boltzmannovo rozdelenie. K vyčerpaniu úrovne 2 neónu dochádza najmä v dôsledku spontánneho prechodu jeho atómov do základného stavu pri zrážkach so stenami výbojky. To zaisťuje stacionárnu inverznú populáciu úrovní 2 a 3 neónu.

Hlavným konštrukčným prvkom héliovo-neónového lasera (obr. 3) je plynová výbojka s priemerom asi 7 mm. Rúrka obsahuje elektródy na vytvorenie výboja plynu a excitáciu hélia. Na koncoch trubice v Brewsterovom uhle sú okienka, vďaka ktorým je žiarenie rovinne polarizované. Planparalelné rezonátorové zrkadlá sú namontované mimo trubice, jedno z nich je semitransparentné (koeficient odrazu R< 100%). Таким образом, пучок вынужденного излучения выходит наружу через полупрозрачное зеркало. Это лазер непрерывного действия.

Rezonátorové zrkadlá sú vyrobené s viacvrstvovými povlakmi a vďaka interferencii vzniká potrebný koeficient odrazu pre danú vlnovú dĺžku. Najčastejšie používané hélium-neónové lasery vyžarujú červené svetlo s vlnovou dĺžkou 632,8 nm. Výkon takýchto laserov je nízky, nepresahuje 100 mW.

Použitie laserov je založené na vlastnostiach ich žiarenia: vysoká monochromatickosť (~ 0,01 nm), dostatočne vysoký výkon, úzkosť lúča a koherencia.

Úzkosť svetelného lúča a jeho malá divergencia umožnili pomocou laserov merať vzdialenosť medzi Zemou a Mesiacom (získaná presnosť je asi desiatky centimetrov), rýchlosť rotácie Venuše a Merkúra atď.

Ich aplikácia v holografii je založená na koherencii laserového žiarenia. Na báze hélium-neónového lasera s využitím vláknovej optiky boli vyvinuté gastroskopy, ktoré umožňujú holografické vytváranie objemového obrazu vnútornej dutiny žalúdka.

Monochromatickosť laserového žiarenia je veľmi vhodná na excitáciu Ramanových spektier svetla atómami a molekulami.

Lasery sú široko používané v chirurgii, stomatológii, oftalmológii, dermatológii a onkológii. Biologické účinky laserového žiarenia závisia tak od vlastností biologického materiálu, ako aj od vlastností laserového žiarenia.

Všetky lasery používané v medicíne sa konvenčne delia na 2 typy: nízkointenzívne (intenzita nepresahuje 10 W/cm 2, najčastejšie je to okolo 0,1 W/cm 2) – terapeutické a vysokointenzívne – chirurgické. Intenzita najvýkonnejších laserov môže dosiahnuť 10 14 W / cm 2, v medicíne sa zvyčajne používajú lasery s intenzitou 10 2 - 10 6 W / cm 2.

Nízkointenzívne lasery sú tie, ktoré nespôsobujú citeľný deštruktívny účinok na tkanivo priamo pri ožarovaní. Vo viditeľnej a ultrafialovej oblasti spektra sú ich účinky spôsobené fotochemickými reakciami a nelíšia sa od účinkov spôsobených monochromatickým svetlom prijímaným z bežných, nekoherentných zdrojov. V týchto prípadoch sú lasery jednoducho vhodné monochromatické zdroje svetla, ktoré poskytujú presnú lokalizáciu a dávkovanie expozície. Príklady zahŕňajú použitie héliovo-neónového laserového svetla na liečbu trofické vredy, ischemická choroba srdca a pod., ako aj kryptónových a iných laserov na fotochemické poškodenie nádorov pri fotodynamickej terapii.

Kvalitatívne nové javy sa pozorujú pri použití viditeľného alebo ultrafialového žiarenia z laserov s vysokou intenzitou. Pri laboratórnych fotochemických experimentoch s konvenčnými svetelnými zdrojmi, ako aj v prírode, sa jednofotónová absorpcia zvyčajne uskutočňuje pôsobením slnečného žiarenia. Toto hovorí druhý zákon fotochémie, ktorý sformulovali Stark a Einstein: každá molekula zúčastňujúca sa chemickej reakcie pod vplyvom svetla pohltí jedno kvantum žiarenia, ktoré reakciu vyvolá. Jednofotónová absorpcia opísaná druhým zákonom je splnená, pretože pri bežných intenzitách svetla je prakticky nemožné súčasne zasiahnuť molekulu v základnom stave dvoch fotónov. Ak by k takejto udalosti došlo, výraz by mal formu:

2hv = Et - E k,

čo by znamenalo súčet energie dvoch fotónov na prechod molekuly z energetického stavu E k do stavu s energiou E g. Taktiež nedochádza k absorpcii fotónov elektronicky excitovanými molekulami, keďže ich životnosť je krátka, a zvyčajne používané intenzity ožarovania sú nízke. Preto je koncentrácia elektronicky excitovaných molekúl nízka a absorpcia ďalšieho fotónu nimi je extrémne nepravdepodobná.

Ak sa však intenzita svetla zvýši, potom je možná dvojfotónová absorpcia. Napríklad ožarovanie roztokov DNA vysokointenzívnym pulzným laserovým žiarením s vlnovou dĺžkou asi 266 nm viedlo k ionizácii molekúl DNA podobnej tej, ktorú spôsobuje γ-žiarenie. Vystavenie ultrafialovému žiareniu s nízkou intenzitou ionizácie nespôsobilo. Zistilo sa, že ožarovanie vodných roztokov nukleových kyselín alebo ich báz pikosekundovými (trvanie impulzu 30 ps) alebo nanosekundovými (10 ns) impulzmi s intenzitami nad 106 W/cm 2 viedlo k elektrónovým prechodom, ktoré končili ionizáciou molekúl. Pri pikosekundových impulzoch (obr. 4, a) sa vyskytovala populácia vysokých elektronických úrovní podľa schémy (S 0 -> S1 -> S n) a pri vv hv nanosekundových impulzoch (obr. 4, b) - podľa schému (So -> S1 -> Tg -> Tn). V oboch prípadoch molekuly dostali energiu prevyšujúcu ionizačnú energiu.

Absorpčný pás DNA sa nachádza v ultrafialovej oblasti spektra pri< 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).

Absorpcia akéhokoľvek žiarenia má za následok uvoľnenie určitého množstva energie vo forme tepla, ktoré sa odvádza z excitovaných molekúl do okolitého priestoru. Infračervené žiarenie je absorbované predovšetkým vodou a vyvoláva najmä tepelné účinky. Žiarenie z vysokointenzívnych infračervených laserov preto vytvára znateľný okamžitý tepelný účinok na tkanivo. Pod tepelným účinkom laserového žiarenia sa v medicíne rozumie najmä vyparovanie (rezanie) a koagulácia biologických tkanív. Týka sa to rôznych laserov s intenzitami od 1 do 10 7 W / cm 2 a trvaním ožiarenia od milisekúnd až po niekoľko sekúnd. Patria sem napríklad CO2 plynový laser (s vlnovou dĺžkou 10,6 µm), Nd:YAG laser (1,064 µm) a iné. Nd:YAG laser je najpoužívanejší pevnolátkový štvorúrovňový laser. Lasovanie sa uskutočňuje na prechodoch neodýmových iónov (Nd 3 +) zavedených do Y 3 Al 5 0 12 kryštálov ytrium-hlinitého granátu (YAG).

Spolu so zahrievaním tkaniva sa časť tepla odoberá v dôsledku tepelnej vodivosti a prietoku krvi. Pri teplotách pod 40 ° C nie je pozorované nezvratné poškodenie. Pri teplote 60 °C začína denaturácia bielkovín, koagulácia tkaniva a nekróza. Pri 100-150°C dochádza k dehydratácii a zuhoľnateniu a pri teplotách nad 300°C sa látka vyparuje.

Keď žiarenie pochádza z vysoko intenzívneho zaostreného lasera, množstvo generovaného tepla je veľké, v tkanive vzniká teplotný gradient. V mieste dopadu lúča dochádza k odparovaniu tkaniva, v priľahlých oblastiach dochádza ku karbonizácii a koagulácii (obr. 6). Fotoodparovanie je metóda odstraňovania alebo rezania tkaniva vrstva po vrstve. V dôsledku koagulácie sa cievy utesnia a krvácanie sa zastaví. Takže zaostrený lúč kontinuálneho lasera C02 () s výkonom asi 2 x 103 W / cm2 sa používa ako chirurgický skalpel na rezanie biologických tkanív.

Ak skrátite trvanie expozície (10 - 10 s) a zvýšite intenzitu (nad 10 6 W / cm 2), potom sa veľkosť zón zuhoľnatenia a koagulácie stane zanedbateľnou. Tento proces sa nazýva fotoablácia (odstránenie fotografie) a používa sa na odstránenie tkaniva vrstvu po vrstve. Fotoablácia nastáva pri hustote energie 0,01-100 J/cm2.

S ďalším zvýšením intenzity (10 W / cm a viac) je možný ďalší proces - „optický rozpad“. Tento jav spočíva v tom, že v dôsledku veľmi vysokej intenzity elektrického poľa laserového žiarenia (porovnateľnej s intenzitou vnútroatómových elektrických polí) vzniká látka ionizácie, plazma a mechanické rázové vlny... Optický rozklad nevyžaduje absorpciu svetelných kvánt hmotou v obvyklom zmysle, pozorujeme ho v priehľadných médiách, napríklad vo vzduchu.

V medicíne našli laserové prístroje svoje uplatnenie v podobe laserového skalpelu. Jeho použitie na chirurgické operácie je určené nasledujúcimi vlastnosťami:

Robí relatívne nekrvavý rez, pretože súčasne s disekciou tkanív koaguluje okraje rany a „zvára“ nie príliš veľké krvné cievy;

Laserový skalpel sa vyznačuje stálymi reznými vlastnosťami. Náraz na tvrdý predmet (napríklad do kosti) skalpel nepoškodí. Pre mechanický skalpel by to bolo smrteľné;

Laserový lúč vďaka svojej transparentnosti umožňuje chirurgovi vidieť operovanú oblasť. Čepeľ bežného skalpela, rovnako ako čepeľ elektrického noža, vždy do určitej miery prekáža pracovnému poľu od chirurga;

Laserový lúč reže tkanivo na diaľku bez toho, aby na tkanivo pôsobil mechanicky;

Laserový skalpel zaisťuje absolútnu sterilitu, pretože s tkanivom interaguje iba žiarenie;

Laserový lúč pôsobí striktne lokálne, k odparovaniu tkaniva dochádza len v ohnisku. Priľahlé tkanivo je oveľa menej poškodené ako pri použití mechanického skalpelu;

Klinická prax ukázala, že rana z laserového skalpelu takmer nebolí a rýchlejšie sa hojí.

Praktická aplikácia laserov v chirurgii sa začala v ZSSR v roku 1966 v Inštitúte A. V. Višnevského. Laserový skalpel sa používal pri operáciách vnútorných orgánov hrudníka a brušných dutín. V súčasnosti sa laserový lúč využíva pri plastickej chirurgii, operáciách pažeráka, žalúdka, čriev, obličiek, pečene, sleziny a iných orgánov. Je veľmi lákavé vykonávať operácie pomocou lasera na orgánoch obsahujúcich veľké množstvo krvných ciev, napríklad na srdci, pečeni.

Charakteristika niektorých typov laserov.

V súčasnosti existuje obrovské množstvo laserov, ktoré sa líšia aktívnym médiom, výkonom, prevádzkovými režimami a ďalšími charakteristikami. Netreba ich všetky popisovať. Preto je tu uvedený stručný popis laserov, ktoré celkom plne reprezentujú vlastnosti hlavných typov laserov (prevádzkový režim, čerpacie metódy atď.)

Rubínový laser. Prvým kvantovým generátorom svetla bol rubínový laser vytvorený v roku 1960.

Pracovnou látkou je rubín, čo je kryštál oxidu hlinitého Al 2 O 3 (korund), do ktorého sa pri raste ako nečistota vnáša oxid chrómový Cr 2 Oz. Červená farba rubínu je spôsobená kladným iónom Cr +3. V kryštálovej mriežke Al 2 O 3 nahrádza ión Cr +3 ión Al +3. V dôsledku toho sa v kryštáli objavia dva absorpčné pásy: jeden v zelenej a druhý v modrej časti spektra. Hustota rubínovo červenej farby závisí od koncentrácie iónov Cr + 3: čím vyššia je koncentrácia, tým hustejšia je červená farba. V tmavočervenom rubíne dosahuje koncentrácia iónov Cr +3 1%.

Spolu s modrým a zeleným absorpčným pásom existujú dve úzke energetické hladiny E 1 a E 1 ', pri prechode z ktorých na prízemnú úroveň sa vyžaruje svetlo s vlnovými dĺžkami 694,3 a 692,8 nm. Šírka čiary pri izbovej teplote je približne 0,4 nm. Pravdepodobnosť vynútených prechodov pre 694,3 nm je vyššia ako pre 692,8 nm. Preto je jednoduchšie pracovať s linkou 694,3 nm. Je však možné realizovať generovanie čiar pri 692,8 nm, ak sa použijú špeciálne zrkadlá, ktoré majú veľký koeficient odrazu pre žiarenie l = 692,8 nm a malý pre l = 694,3 nm.

Keď je rubín ožiarený bielym svetlom, modrá a zelená časť spektra sa pohltí a červená sa odrazí. Rubínový laser využíva optické čerpanie xenónovou lampou, ktorá pri prechode prúdového impulzu vytvára záblesky svetla s vysokou intenzitou, čím sa plyn zahrieva na niekoľko tisíc Kelvinov. Nepretržité čerpanie nie je možné, pretože lampa pri tak vysokej teplote nevydrží nepretržitú prevádzku. Výsledné žiarenie je svojou charakteristikou blízke žiareniu absolútne čierneho telesa. Žiarenie je absorbované iónmi Cr +, ktoré sa v dôsledku toho prenášajú na energetické hladiny v oblasti absorpčných pásov. Z týchto hladín však ióny Cr+3 veľmi rýchlo v dôsledku nežiarivého prechodu prechádzajú do hladín Ei, Ei'. V tomto prípade sa prebytočná energia prenáša do mriežky, to znamená, že sa premieňa na energiu vibrácií mriežky, alebo inými slovami, na energiu fotónov. Úrovne E 1, E 1 'sú metastabilné. Životnosť na úrovni E 1 je 4,3 ms. Počas pulzu pumpy sa excitované atómy akumulujú na úrovniach E1, Ei', čím sa vytvorí významná inverzia populácie vzhľadom na hladinu E0 (toto je hladina neexcitovaných atómov).

Rubínový kryštál sa pestuje vo forme okrúhleho valca. Pre laser sa zvyčajne používajú kryštály: dĺžka L = 5 cm, priemer d = 1 cm. V eliptickej dutine s dobre odrážajúcim vnútorným povrchom je umiestnená xenónová výbojka a rubínový kryštál. Aby sa zabezpečilo, že celé žiarenie xenónovej výbojky dopadne na rubín, sú rubínový kryštál a výbojka, ktorá má tiež tvar kruhového valca, umiestnené v ohniskách eliptickej časti dutiny rovnobežnej s jej tvoriacou čiarou. Vďaka tomu je na rubín nasmerované žiarenie s hustotou prakticky rovnou hustote žiarenia na zdroji pumpy.

Jeden z koncov rubínového kryštálu je vyrezaný tak, aby bol zabezpečený úplný odraz a návrat lúča od rezaných hrán. Tento rez nahrádza jedno z laserových zrkadiel. Druhý koniec rubínového kryštálu je vyrezaný v Brewsterovom uhle. Poskytuje výstup z rubínového kryštálu bez odrazu lúča s vhodnou lineárnou polarizáciou. V dráhe tohto lúča je umiestnené druhé zrkadlo rezonátora. Žiarenie z rubínového lasera je teda lineárne polarizované.

Hélium-neónový laser. Aktívne médium je plynná zmes hélia a neónu. Generovanie sa uskutočňuje v dôsledku prechodov medzi energetickými hladinami neónu a hélium hrá úlohu sprostredkovateľa, prostredníctvom ktorého sa energia prenáša na atómy neónu, aby sa vytvorila obrátená populácia.

Neon môže v princípe generovať laserové učenie ako výsledok viac ako 130 rôznych prechodov. Najintenzívnejšie sú však čiary s vlnovou dĺžkou 632,8 nm, 1,15 a 3,39 μm. Vlna 632,8 nm je vo viditeľnej časti spektra, zatiaľ čo 1,15 a 3,39 mikrónov je v infračervenej oblasti.

Keď prúd prechádza zmesou hélia a neónu nárazom elektrónov, atómy hélia sa excitujú do stavov 2 3 S a 2 2 S, ktoré sú metastabilné, pretože prechod z nich do základného stavu je zakázaný kvantovou mechanikou. pravidlá výberu. Pri prechode prúdu sa atómy hromadia na týchto úrovniach. Keď sa excitovaný atóm hélia zrazí s nevybudeným atómom neónu, excitačná energia sa prenesie na druhý. Tento prechod sa uskutočňuje veľmi efektívne vďaka dobrej koincidencii energií zodpovedajúcich úrovní. V dôsledku toho sa na úrovniach 3S a 2S neónu vytvára obrátená populácia vzhľadom na úrovne 2P a 3P, čo vedie k možnosti generovania laserového žiarenia. Laser môže pracovať v nepretržitom režime. Žiarenie z hélium-neónového lasera je lineárne polarizované. Typicky je tlak hélia v komore 332 Pa a tlak neónu 66 Pa. Konštantné napätie na trubici je asi 4 kV. Jedno zo zrkadiel má koeficient odrazu asi 0,999 a druhé, cez ktoré uniká laserové žiarenie, je asi 0,990. Ako zrkadlá sa používajú viacvrstvové dielektriká, pretože nižšie koeficienty odrazu nezaručujú dosiahnutie prahu laserového žiarenia.

Plynové lasery... Predstavujú možno v súčasnosti najpoužívanejší typ laserov a možno v tomto smere dokonca prekonávajú rubínové lasery. Väčšina realizovaných výskumov je venovaná aj plynovým laserom. Medzi rôznymi typmi plynových laserov sa vždy nájde taký, ktorý uspokojí takmer akúkoľvek požiadavku na laser, s výnimkou veľmi vysokého výkonu vo viditeľnej oblasti spektra v pulznom režime. Na mnohé experimenty pri štúdiu nelineárnych optických vlastností materiálov sú potrebné vysoké výkony. V súčasnosti sa v plynových laseroch nedosahujú vysoké výkony z jednoduchého dôvodu, že atómová hustota v nich nie je dostatočne vysoká. Takmer na všetky ostatné účely sa však dá nájsť špecifický typ plynového lasera, ktorý prekoná ako opticky čerpané lasery v pevnej fáze, tak aj polovodičové lasery. Vynaložilo sa veľké úsilie, aby tieto lasery konkurovali plynovým laserom av niektorých prípadoch sa dosiahol určitý úspech, vždy to však bolo na hranici možností, zatiaľ čo plynové lasery nevykazujú žiadne známky klesajúcej popularity.

Zvláštnosti plynových laserov sú často spôsobené tým, že bývajú zdrojom atómových alebo molekulárnych spektier. Preto sú vlnové dĺžky prechodov presne známe. Sú určené atómovou štruktúrou a zvyčajne sú nezávislé od podmienok životné prostredie... Stabilita vlnovej dĺžky lasera pri určitom úsilí sa môže výrazne zlepšiť v porovnaní so stabilitou spontánnej emisie. Lasery sú teraz k dispozícii s lepšou monochromaticitou ako akékoľvek iné zariadenie. Pri vhodnom výbere aktívneho média je možné vykonať laserové žiarenie v ktorejkoľvek časti spektra, od ultrafialového (~ 200 A) po ďaleko infračervené (~ 0,4 mm), čiastočne pokrývajúce mikrovlnnú oblasť.

Rovnako nie je dôvod pochybovať o tom, že v budúcnosti bude možné vytvárať lasery pre vákuovú ultrafialovú oblasť spektra. Tenkosť pracovného plynu zaisťuje optickú homogenitu média s nízkym indexom lomu, čo umožňuje aplikovať jednoduchú matematickú teóriu na popis štruktúry rezonátorových vidov a dáva istotu, že vlastnosti výstupného signálu sú blízke teoretických. Hoci účinnosť premeny elektrickej energie na energiu stimulovaného žiarenia v plynovom laseri nemôže byť taká vysoká ako v polovodičovom laseri, vzhľadom na jednoduchosť ovládania výboja sa plynový laser ukazuje ako najvhodnejší pre väčšinu účelov v prevádzka ako jedno z laboratórnych prístrojov. Vzhľadom na vysoký výkon v kontinuálnom režime (na rozdiel od pulzného výkonu) povaha plynových laserov im umožňuje v tomto smere prekonať všetky ostatné typy laserov.

C0 2 -laser s uzavretým objemom. Molekuly oxidu uhličitého, podobne ako iné molekuly, majú pruhované spektrum v dôsledku prítomnosti vibračných a rotačných energetických hladín. Prechod používaný v CO 2 laseri produkuje žiarenie s vlnovou dĺžkou 10,6 mikrónov, to znamená, že leží v infračervenej oblasti spektra. Pomocou vibračných úrovní je možné mierne meniť frekvenciu žiarenia v rozsahu od približne 9,2 do 10,8 mikrónov. Energia sa prenáša na molekuly CO 2 z molekúl dusíka N 2, ktoré sú samotné excitované nárazom elektrónov, keď prúd prechádza cez zmes.

Excitovaný stav molekuly dusíka N 2 je metastabilný a je vo vzdialenosti 2318 cm -1 od úrovne zeme, čo je veľmi blízko energetickej hladine (001) molekuly CO 2 . V dôsledku metastability excitovaného stavu N 2 sa pri prechode prúdu hromadí počet excitovaných atómov. Pri zrážke N 2 s CO 2 nastáva rezonančný prenos excitačnej energie z N 2 na CO 2 . V dôsledku toho dochádza k inverzii populácie medzi hladinami (001), (100), (020) molekúl CO2. Zvyčajne sa hélium pridáva na zníženie populácie úrovne (100), ktorá má dlhú životnosť, ktorá zhoršuje lasing pri prechode na túto úroveň. Za typických podmienok sa zmes plynov v laseri skladá z hélia (1330 Pa), dusíka (133 Pa) a oxidu uhličitého (133 Pa).

Pri prevádzke CO 2 lasera sa molekuly CO 2 rozkladajú na CO a O, čím je aktívne médium oslabené. Potom sa CO rozkladá na C a O a uhlík sa ukladá na elektródy a steny trubice. To všetko zhoršuje výkon CO 2 lasera. Na prekonanie škodlivých účinkov týchto faktorov sa do uzavretého systému pridáva vodná para, ktorá stimuluje reakciu

CO + O® CO2.

Používajú sa platinové elektródy, ktorých materiál je katalyzátorom tejto reakcie. Pre zvýšenie rezervy aktívneho média je rezonátor napojený na prídavné kapacity s obsahom CO 2, N 2, He, ktoré sa pridávajú v požadovanom množstve do objemu rezonátora pre udržanie optimálnych podmienok pre prevádzku lasera. Takýto uzavretý CO 2 laser je schopný pracovať mnoho tisíc hodín.

Tečúca CO 2 -laser. Dôležitou modifikáciou je prietokový CO 2 -laser, v ktorom sa cez rezonátor kontinuálne prečerpáva zmes plynov CO 2, N 2, He. Takýto laser dokáže generovať súvislé koherentné žiarenie s výkonom nad 50 W na meter dĺžky svojho aktívneho média.

Neodymový laser. Názov môže byť zavádzajúci. Telo lasera nie je neodýmový kov, ale obyčajné sklo s prímesou neodýmu. Ióny atómov neodýmu sú náhodne rozdelené medzi atómy kremíka a kyslíka. Čerpanie sa vykonáva bleskovými lampami. Lampy vyžarujú žiarenie v rozsahu vlnových dĺžok od 0,5 do 0,9 mikrónov. Objavuje sa široký pás vzrušených stavov. Atómy robia nežiarivé prechody do hornej úrovne lasera. Každý prechod dáva inú energiu, ktorá sa premieňa na vibračnú energiu celej „mriežky“ atómov.

Laserové žiarenie, t.j. prechod do prázdnej nižšej úrovne má vlnovú dĺžku 1,06 mikrónu.

T-laser. V mnohých praktických aplikáciách zohráva významnú úlohu CO 2 laser, v ktorom je pracovná zmes pod atmosférickým tlakom a excitovaná priečnym elektrickým poľom (T-laser). Keďže elektródy sú umiestnené rovnobežne s osou rezonátora, na získanie veľkých hodnôt intenzity elektrického poľa v rezonátore sú potrebné relatívne malé potenciálne rozdiely medzi elektródami, čo umožňuje pracovať v pulznom režime pri atmosférickom tlaku. tlak, keď je koncentrácia CO 2 v rezonátore vysoká. V dôsledku toho je možné získať vysoký výkon, zvyčajne dosahujúci 10 MW a viac v jednom pulze žiarenia s trvaním menej ako 1 μs. Frekvencia opakovania impulzov v takýchto laseroch je zvyčajne niekoľko impulzov za minútu.

Plynovo-dynamické lasery. Zmes CO 2 a N 2 zahriata na vysokú teplotu (1000-2000 K), keď vyteká vysokou rýchlosťou cez expandujúcu dýzu, je silne ochladzovaná. V tomto prípade sú horná a dolná energetická úroveň tepelne izolovaná rôznymi rýchlosťami, v dôsledku čoho sa vytvára obrátená populácia. Následne po vytvorení optického rezonátora na výstupe z dýzy je možné generovať laserové žiarenie v dôsledku tohto obráteného súboru. Lasery fungujúce na tomto princípe sa nazývajú plynodynamické. Umožňujú získať veľmi vysoký výkon žiarenia v nepretržitom režime.

Farbiace lasery. Farbivá sú vysoko komplexné molekuly s vysoko vibračnými energetickými hladinami. Energetické hladiny v pásme spektra sú umiestnené takmer nepretržite. V dôsledku intramolekulárnej interakcie molekula veľmi rýchlo (v časoch rádovo 10 -11 -10 -12 s) neradiačne prechádza na nižšiu energetickú hladinu každého pásu. Preto sa po excitácii molekúl, po veľmi krátkom čase, všetky excitované molekuly koncentrujú na spodnej úrovni pásu E1. Potom majú možnosť uskutočniť radiačný prechod na ktorúkoľvek z energetických úrovní nižšieho pásma. V intervale zodpovedajúcom nulovej šírke pásma je teda možné vyžarovanie prakticky akejkoľvek frekvencie. To znamená, že ak sa molekuly farbiva vezmú ako aktívna látka na generovanie laserového žiarenia, potom v závislosti od ladenia rezonátora je možné dosiahnuť takmer nepretržité ladenie frekvencie generovaného laserového žiarenia. Preto sa používajú farbiace lasery s laditeľnou frekvenciou generovania. Farebné lasery sú čerpané plynovými výbojkami alebo žiarením z iných laserov.

Pridelenie výrobných frekvencií je dosiahnuté tým, že prah výroby je vytvorený len pre úzky frekvenčný rozsah. Napríklad polohy hranola a zrkadla sú zvolené tak, aby sa do prostredia vracali len lúče s určitou vlnovou dĺžkou po odraze od zrkadla v dôsledku rozptylu a rôznych uhlov lomu. Len pre tieto vlnové dĺžky sa poskytuje laser. Otáčaním hranola je možné plynule ladiť frekvenciu žiarenia farebného lasera. Lasovanie sa uskutočňovalo s mnohými farbivami, ktoré umožnili získať laserové žiarenie nielen v celom optickom rozsahu, ale aj vo významnej časti infračervenej a ultrafialovej oblasti spektra.

Polovodičové lasery. Hlavným príkladom fungovania polovodičových laserov je magnetooptická pamäť (MO).

Princíp činnosti pohonu MO.

Pohon MO je postavený na kombinácii magnetického a optického princípu ukladania informácií. Informácie sa zaznamenávajú pomocou laserového lúča a magnetického poľa a čítanie pomocou iba jedného lasera.

V procese zápisu na MO disk laserový lúč zahrieva určité body na diskoch a vplyvom teploty prudko klesá odpor proti prepólovaniu vyhrievaného bodu, čo umožňuje magnetickému poľu zmeniť polaritu. bodu. Po ukončení ohrevu sa odpor opäť zvýši. Polarita vyhrievaného bodu zostáva v súlade s magnetickým poľom, ktoré naň pôsobí v čase zahrievania.

V pohonoch MO, ktoré sú dnes k dispozícii, sa na zaznamenávanie informácií používajú dva cykly: cyklus vymazania a cyklus zápisu. Počas procesu vymazávania má magnetické pole rovnakú polaritu, ktorá zodpovedá binárnym nulám. Laserový lúč zohreje postupne celú oblasť, ktorá sa má vymazať, a tak zapíše na disk sekvenciu núl. Počas zapisovacieho cyklu je polarita magnetického poľa obrátená, čo zodpovedá binárnemu poli. V tomto cykle sa laserový lúč zapína len v tých oblastiach, ktoré by mali obsahovať binárne jednotky, pričom oblasti s binárnymi nulami zostávajú nezmenené.

V procese čítania z MO disku sa využíva Kerrov efekt, ktorý spočíva v zmene roviny polarizácie odrazeného laserový lúč v závislosti od smeru magnetického poľa odrazového prvku. Reflexným prvkom je v tomto prípade bod zmagnetizovaný počas záznamu na povrch disku, zodpovedajúci jednému bitu uloženej informácie. Pri čítaní sa využíva laserový lúč nízkej intenzity, ktorý nevedie k zahrievaniu čítanej plochy, takže sa pri čítaní neničia uložené informácie.

Táto metóda, na rozdiel od bežnej metódy používanej v optické disky nedeformuje povrch disku a umožňuje opätovné nahrávanie bez dodatočného vybavenia. Táto metóda má oproti tradičnému magnetickému záznamu výhodu aj z hľadiska spoľahlivosti. Keďže prevrátenie magnetizácie sekcií disku je možné len pod vplyvom vysokej teploty, pravdepodobnosť náhodného prevrátenia magnetizácie je veľmi nízka, na rozdiel od tradičného magnetického záznamu, ktorého stratu môžu spôsobiť náhodné magnetické polia.

Oblasť použitia MO diskov je určená ich vysokými vlastnosťami z hľadiska spoľahlivosti, objemu a vymeniteľnosti. MO disk je potrebný pre úlohy, ktoré vyžadujú veľa miesta na disku. Ide o úlohy, ako je spracovanie obrazu a zvuku. Nízka rýchlosť prístupu k dátam však neumožňuje použiť MO disky na úlohy s kritickou reaktivitou systémov. Preto sa použitie MO diskov pri takýchto úlohách obmedzuje na ukladanie dočasných alebo záložných informácií na nich. Pre MO disky je veľmi výhodné využitie zálohovanie pevných diskov alebo databáz. Na rozdiel od streamerov tradične používaných na tieto účely sa pri ukladaní zálohovacích informácií na MO disky výrazne zvyšuje rýchlosť obnovy dát po zlyhaní. Dôvodom je skutočnosť, že disky MO sú zariadenia s náhodným prístupom, čo vám umožňuje obnoviť iba údaje, v ktorých bola zistená chyba. Navyše pri tomto spôsobe obnovy nie je potrebné úplne vypínať systém, kým sa dáta úplne neobnovia. Vďaka týmto výhodám v kombinácii s vysokou spoľahlivosťou ukladania dát je použitie MO diskov na zálohovanie ziskové, aj keď drahšie ako páskové jednotky.

Použitie MO diskov sa odporúča aj pri práci s veľkým množstvom súkromných informácií. Jednoduchá vyberateľnosť diskov umožňuje ich používanie len počas práce, bez obáv o ochranu počítača počas mimopracovných hodín, dáta je možné ukladať na samostatnom, chránenom mieste. Táto istá vlastnosť robí MO disky nepostrádateľnými v situácii, keď je potrebné prepravovať veľké objemy z miesta na miesto, napríklad z práce domov a späť.

Hlavné perspektívy rozvoja MO diskov sú spojené predovšetkým so zvýšením rýchlosti záznamu dát. Nízka rýchlosť je určená predovšetkým dvojpriechodovým algoritmom zápisu. V tomto algoritme sa nuly a jednotky zapisujú rôznymi prechodmi, pretože magnetické pole, ktoré určuje smer polarizácie konkrétnych bodov na disku, nedokáže dostatočne rýchlo zmeniť svoj smer.

Najrealistickejšou alternatívou k dvojpriechodovému záznamu je technológia zmeny fázy. Takýto systém už zaviedli niektoré výrobné firmy. Existuje niekoľko ďalších vývojov v tomto smere týkajúcich sa polymérnych farbív a modulácií magnetického poľa a výkonu laserového žiarenia.

Technológia založená na zmene fázového stavu je založená na schopnosti látky prejsť z kryštalického stavu do amorfného. Stačí osvetliť určitý bod na povrchu disku laserovým lúčom určitého výkonu a látka sa v tomto bode premení do amorfného stavu. Tým sa v tomto bode mení odrazivosť disku. Zápis informácií je oveľa rýchlejší, no zároveň dochádza k deformácii povrchu disku, čo obmedzuje počet cyklov prepisovania.

V súčasnosti sa už vyvíja technológia, ktorá umožňuje zmeniť polaritu magnetického poľa na opačnú v priebehu niekoľkých nanosekúnd. To umožní meniť magnetické pole synchrónne s príchodom dát na záznam. Existuje aj technológia založená na modulácii laserového žiarenia. Pri tejto technológii disk pracuje v troch režimoch: režim nízkej intenzity čítania, režim strednej intenzity zápisu a režim vysokej intenzity zápisu. Modulácia intenzity laserového lúča vyžaduje zložitejšiu štruktúru disku a pridanie iniciačného magnetu pred predpätie magnetu, ktorý má opačnú polaritu ako mechanizmus pohonu disku. Vo veľmi jednoduchý prípad disk má dve pracovné vrstvy – inicializačnú a nahrávaciu. Inicializačná vrstva je vyrobená z takého materiálu, že inicializačný magnet môže zmeniť svoju polaritu bez dodatočného pôsobenia lasera.

Samozrejme, MO disky sú sľubné a rýchlo sa rozvíjajúce zariadenia, ktoré dokážu vyriešiť vznikajúce problémy s veľkým množstvom informácií. Ich ďalší vývoj však závisí nielen od technológie záznamu na nich, ale aj od pokroku v oblasti iných pamäťových médií. A ak sa nevynájde efektívnejší spôsob ukladania informácií, dominantnú úlohu pravdepodobne prevezmú MO disky.

V súčasnosti je ťažké si predstaviť pokrok v medicíne bez laserových technológií, ktoré otvorili nové možnosti v riešení mnohých zdravotné problémy... Štúdium mechanizmov účinku laserového žiarenia rôznych vlnových dĺžok a úrovní energie na biologické tkanivá umožňuje vytvárať laserové medicínske multifunkčné zariadenia, ktorých rozsah použitia v klinickej praxi je taký široký, že je veľmi ťažké odpovedať otázka: na liečbu ktorých chorôb sa lasery nepoužívajú?
Vývoj laserovej medicíny prebieha v troch hlavných odvetviach: laserová chirurgia, laserová terapia a laserová diagnostika.

V laserovej chirurgii sa používajú dostatočne výkonné lasery s priemerným výkonom žiarenia v desiatkach wattov, ktoré sú schopné silne zahriať biologické tkanivo, čo vedie k jeho prerezaniu alebo vypareniu. Tieto a ďalšie charakteristiky chirurgických laserov určujú použitie rôznych typov laserov v chirurgii, pracujúcich na rôznych laserových aktívnych médiách.

Jedinečné vlastnosti laserového lúča vám umožňujú vykonávať skôr nemožné operácie nové účinné a minimálne invazívne metódy.

Chirurgické laserové systémy poskytujú:

efektívne kontaktné a bezkontaktné odparovanie a deštrukcia biologického tkaniva;
suché operačné pole;
minimálne poškodenie okolitých tkanív;
účinná hemo- a aerostáza;
zastavenie lymfatických ciest;
vysoká sterilita a ablasticita;
kompatibilita s endoskopickými a laparoskopickými nástrojmi

To umožňuje efektívne využívať chirurgické lasery na vykonávanie širokej škály chirurgických zákrokov:
V urológii:

Medzi ženami

Plastická operácia malých pyskov, malých pyskov, hrádze.
Plastická chirurgia hrádze pri popôrodných a traumatických ruptúrach
Plastická cikatrická deformita krčka maternice
Refloration (obnovenie panenskej blany)

Muž

Laserová korekcia uzdičky penisu
Circumcisia (laserová liečba fimózy)
Odstránenie genitálnych bradavíc, močovej trubice, perinea, perianálnej zóny

V gynekológii:

Laserová terapia pozadia a prekanceróznych ochorení krčka maternice (erózia, leukoplakia, polyp, nabotové cysty, kondylómy, dysplázia).
Laserová terapia a laserové odstránenie genitálnych bradavíc (v závislosti od prevalencie procesu).
Laserová terapia a laserové odstránenie genitálnych bradavíc kože perinea a perianálnej zóny.
Liečba dystrofických ochorení vulvy

V ortopédii: Liečba hallux valgus, zarastených nechtov atď.

Kozmetológia tiež nie je ignorovaná. Laser sa používa na epiláciu, ošetrovanie cievnych a pigmentových defektov kože, odstraňovanie bradavíc a papilómov, resurfacing kože, odstraňovanie tetovaní a stareckých škvŕn a pod.

História vynálezu lasera sa začala v roku 1916, keď Albert Einstein vytvoril teóriu interakcie žiarenia s hmotou, ktorá sledovala myšlienku možnosti vytvorenia kvantových zosilňovačov a generátorov elektromagnetických vĺn.

V roku 1960 navrhol americký fyzik Theodore Meiman na základe prác N. Basova, A. Prokhorova a C. Townesa prvý rubínový laser s vlnovou dĺžkou 0,69 mikrónu. V tom istom roku Dr. Leon Goldman ako prvý používal rubínový laser na zničenie vlasových folikulov. Takto sa začala história rozsiahleho uplatňovania laserových technológií v estetickej medicíne.

V roku 1983 Anderson a Parrish navrhli metódu selektívnej fototermolýzy, ktorá je založená na schopnosti biologických tkanív selektívne absorbovať svetelné žiarenie určitej vlnovej dĺžky, čo vedie k ich lokálnej deštrukcii. Pri absorpcii hlavnými chromofórmi kože – vodou, hemoglobínom alebo melanínom – sa elektromagnetická energia laserového žiarenia premení na teplo, ktoré spôsobí zahrievanie a koaguláciu chromofórov.

Laserová kozmetológia je jednou z najrýchlejšie rastúcich oblastí estetickej medicíny. Pred pár rokmi sa viditeľné omladenie spájalo s prácou. plastický chirurg, tak dnes sú v každom prestížnom kozmetickom salóne prístroje vyspelej technológie - foto, IPL systém alebo laser. Energia svetla prišla na pomoc kozmetológom.

Dnes je veľa rôznych laserový prístroj a do kozmetológie sa dostali vďaka laserovému resurfacingu. Bola to ona, ktorá slúžila ako charakteristický znak pre kozmetologický laser. Silný lúč svetla pred očami vyhladil zjazvené nerovnosti pokožky, odstránil vrchnú vrstvu epidermy a s ňou aj nežiadúcu pigmentáciu.Potom už nevadilo, že ťažko poranená koža sa hojila 2 týždne - hlavná vec bol vyborny vysledok, ktory bol spokojny ako lekar, tak aj pacient. Jazvy a jazvy sú naliehavým problémom za každých okolností.

Laserové odstránenie chĺpkov sa objavil nie viac ako pred 30 rokmi. Bolo to spôsobené objavením sa teórie „selektívnej fototermolýzy“. Hovorí, že akékoľvek farebné ľudské tkanivá (vlasy, cievy na povrchu kože, starecké škvrny) selektívne absorbujú svetlo, pričom sa zahrievajú a ničia. Táto teória bola dokázaná v roku 1986 skupinou vedcov zo Spojených štátov v hlave s dermatológom Roxom Andersonom. Tak na základe toho v roku 1994 vzniklo prvé zariadenie na fotoepilácia, a laserový prístroj pre laserovú epiláciu vstúpila na trh až v roku 1996.

Čo je " selektívna fototermolýza"Ide o to, že laserový lúč dopadajúci na živé tkanivo, najmä na kožu, pôsobí na zložky kože rôznymi spôsobmi. Hlavnými zložkami kože, ktoré absorbujú svetlo, sú voda, melanín a hemoglobín. Tieto látky sa nazývajú kožné chromofóry Spektrum absorpcie týchto látok je rozdielne.

Kozmetické prístroje s umelými zdrojmi svetla a tepla umožňujú vďaka optimalizovanému spektru žiarenia selektívne ovplyvňovať napríklad štruktúry cieľových tkanív, čo spôsobuje ich zrážanie. Pri vykonávaní postupov s použitím fotometód na dosiahnutie účinku sa účinok uskutočňuje na povrchové krvné cievy (hemoglobín), na vlasy a vlasové folikuly(melanín), kolagén a elastín v derme. Pri vykonávaní terapie akné (akné), selektívny účinok na zápalové odpadový produkt baktérií. Tak či onak, výsledkom činnosti je priviesť zodpovedajúcu štruktúru cieľových tkanív na kritickú teplotu, pri ktorej samotná a/alebo okolité tkanivá podliehajú nezvratným zmenám. Proces selektívneho zahrievania cieľových tkanivových štruktúr pomocou zdroja veľký rozsahžiarenie sa nazýva selektívna fototermolýza.

Na princípe selektívnej fototermolýzy s využitím nanotechnológie bol vyvinutý nový vysoko účinný postup frakčnej fototermolýzy (fraxel). Zlepšuje kvalitu pleti, odstraňuje nežiaduce pigmentácie a vrásky, poskytuje výborný lifting tkanív tváre, krku a dekoltu. Dobrý výsledok poskytujú sedenia frakčnej fototermolýzy pri liečbe následkov akné (jazvy po akné). Na rozdiel od iných korekčných metód je procedúra Fraxel pohodlná a prakticky bezbolestná a poskytuje aj rýchlu rehabilitáciu.

Takže banálne predstavy o laseri ako o obrovskom aparáte, niečom ako hyperboloid inžiniera Garina, sa prepadli do leta. Od vynálezu prvého rubínového lasera s veľkosťou jednoizbového bytu uplynulo viac ako 50 rokov. A teraz sú to kompaktné lekárske zariadenia, ktoré fungujú vo všetkých oblastiach medicíny a kozmetológie.

ÚVOD

1 LASERY A ICH POUŽITIE V MEDICÍNE

2 HLAVNÉ NÁVODY A ÚČELY LEKÁRSKEHO A BIOLOGICKÉHO POUŽITIA LASEROV

3 FYZIKÁLNE ZÁKLADY APLIKÁCIE LASEROV V LEKÁRSKEJ PRAXI

4 OCHRANA PRED LASEROVÝM ŽIARENÍM

5 PRENIKNUTIE LASEROVÉHO ŽIARENIA DO BIOLOGICKÝCH TKANIV

6 PATOGENETICKÝCH MECHANIZMOV INTERAKCIE LASEROVÉHO ŽIARENIA S BIOLOGICKÝMI TKANIVÁMI

7 MECHANIZMY LASEROVEJ BIOSTIMULÁCIE

LITERATÚRA

ÚVOD

Pokusy o vytvorenie „ideálneho“ skalpelu siahajú do konca minulého storočia, kedy bol navrhnutý takzvaný elektrický nôž, ktorý využíva vysokofrekvenčné prúdy. Tento prístroj v pokročilejších verziách je v súčasnosti pomerne široko používaný chirurgmi rôznych špecializácií. S nahromadením skúseností sa však odhalili negatívne aspekty „elektrochirurgie“, z ktorých hlavnou je príliš veľká zóna tepelných popálenín tkanív v oblasti rezu. Je známe, že čím širšia je oblasť popálenia, tým horšie sa operačná rana hojí. Okrem toho pri použití elektrického noža je potrebné zapojiť telo pacienta do elektrického obvodu. Elektrochirurgické zariadenia nepriaznivo ovplyvňujú činnosť elektronických zariadení a monitorovacích zariadení pre životne dôležitú činnosť tela počas operácie. Kryochirurgické zariadenia tiež spôsobujú značné poškodenie tkaniva, čím sa zhoršuje proces hojenia. Rýchlosť disekcie tkaniva kryoskalpelom je veľmi nízka. V skutočnosti to nie je pitva, ale deštrukcia tkaniva. Významná oblasť popálenia sa pozoruje aj pri použití plazmového skalpelu. Ak vezmeme do úvahy, že laserový lúč má výrazné hemostatické vlastnosti, ako aj schopnosť utesniť bronchioly, žlčové cesty a pankreatické vývody, potom sa použitie laserovej technológie v chirurgii stáva mimoriadne sľubným. Niektoré zo stručne vymenovaných výhod použitia laserov v chirurgii sa týkajú predovšetkým laserov s oxidom uhličitým (CO2 lasery). Okrem nich sa v medicíne využívajú lasery, ktoré fungujú na iných princípoch a na iných pracovných látkach. Tieto lasery majú zásadne odlišné vlastnosti pri pôsobení na biologické tkanivá a používajú sa na relatívne úzke indikácie, najmä v kardiovaskulárnej chirurgii, v onkológii, na liečbu chirurgických ochorení kože a viditeľných slizníc atď.

1 LASERY A ICH POUŽITIE V MEDICÍNE

Lasery sú svetelné zdroje fungujúce na základe procesu stimulovanej (stimulovanej, indukovanej) emisie fotónov excitovanými atómami alebo molekulami pod vplyvom žiarenia fotónov rovnakej frekvencie. Charakteristickým rysom tohto procesu je, že fotón vznikajúci zo stimulovanej emisie je identický s vonkajším fotónom, ktorý spôsobil jeho výskyt vo frekvencii, fáze, smere a polarizácii. To určuje jedinečné vlastnosti kvantových generátorov: vysoká koherencia žiarenia v priestore a čase, vysoká monochromatickosť, úzka smerovosť lúča žiarenia, obrovská koncentrácia toku energie a schopnosť zaostrenia do veľmi malých objemov. Lasery vznikajú na základe rôznych aktívnych médií: plynných, kvapalných alebo pevných. Môžu vyžarovať žiarenie vo veľmi širokom rozsahu vlnových dĺžok – od 100 nm (ultrafialové svetlo) do 1,2 μm (infračervené žiarenie) – a môžu pracovať v kontinuálnom aj pulznom režime.

Laser sa skladá z troch zásadne dôležitých jednotiek: žiariča, čerpacieho systému a zdroja energie, ktorých činnosť je zabezpečená pomocou špeciálnych pomocných zariadení.

Excitované molekuly (atómy) sú schopné emitovať luminiscenčné fotóny. Táto emisia je spontánny proces. Je náhodný a chaotický v čase, frekvencii (môžu existovať prechody medzi rôznymi úrovňami), v smere šírenia a polarizácie. Ďalšie žiarenie - stimulované alebo indukované - vzniká interakciou fotónu s excitovanou molekulou, ak sa energia fotónu rovná rozdielu medzi príslušnými energetickými hladinami. Pri stimulovanom (indukovanom) žiarení závisí počet prechodov za sekundu od počtu fotónov vstupujúcich do látky za rovnaký čas, t.j. od intenzity svetla, ako aj od počtu excitovaných molekúl. Inými slovami, čím vyššia je populácia zodpovedajúcich excitovaných energetických stavov, tým väčší je počet vynútených prechodov.

Druhou myšlienkou, ktorá sa realizuje pri vytváraní laserov, je vytvorenie termodynamicky nerovnovážnych systémov, v ktorých je na rozdiel od Boltzmannovho zákona viac častíc na vyššej úrovni ako na nižšej. Stav média, v ktorom sa aspoň pre dve energetické hladiny ukáže, že počet častíc s vyššou energiou prevyšuje počet častíc s menšou energiou, sa nazýva stav s prevrátenou populáciou hladín a médium sa nazýva aktívne. Pracovnou substanciou lasera je aktívne prostredie, v ktorom fotóny interagujú s excitovanými atómami a spôsobujú ich nútené prechody na nižšiu úroveň s emisiou kvánt indukovaného (stimulovaného) žiarenia. Stav s inverznou populáciou úrovní sa formálne získa z Boltzmannovho rozdelenia pre T< 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.

Prvý takýto generátor v mikrovlnnej oblasti (maser) navrhli v roku 1955 nezávisle sovietski vedci N. G. Basoiy a A. M. Prokhorov a americkí vedci - C. Townes a ďalší. Keďže prevádzka tohto zariadenia bola založená na stimulovanej emisii molekúl amoniaku, potom bol generátor pomenovaný molekulárny.

Použitie laserov je založené na vlastnostiach ich žiarenia: vysoká monochromatickosť (~ 0,01 nm), dostatočne vysoký výkon, úzkosť lúča a koherencia.

Monochromatickosť laserového žiarenia je veľmi vhodná na excitáciu Ramanových spektier svetla atómami a molekulami.

Nízkointenzívne lasery sú tie, ktoré nespôsobujú citeľný deštruktívny účinok na tkanivo priamo pri ožarovaní. Vo viditeľnej a ultrafialovej oblasti spektra sú ich účinky spôsobené fotochemickými reakciami a nelíšia sa od účinkov spôsobených monochromatickým svetlom prijímaným z bežných, nekoherentných zdrojov. V týchto prípadoch sú lasery jednoducho vhodné monochromatické zdroje svetla, ktoré poskytujú presnú lokalizáciu a dávkovanie expozície. Príklady zahŕňajú použitie svetla z hélium-neónových laserov na liečbu trofických vredov, ischemickej choroby srdca atď., ako aj kryptónových a iných laserov na fotochemické poškodenie nádorov vo fotodynamickej terapii.

2hv = Et - E k,

Ak sa však intenzita svetla zvýši, potom je možná dvojfotónová absorpcia. Napríklad ožarovanie roztokov DNA vysokointenzívnym pulzným laserovým žiarením s vlnovou dĺžkou asi 266 nm viedlo k ionizácii molekúl DNA podobnej tej, ktorú spôsobuje γ-žiarenie. Vystavenie ultrafialovému žiareniu s nízkou intenzitou ionizácie nespôsobilo. Zistilo sa, že ožarovanie vodných roztokov nukleových kyselín alebo ich báz pikosekundovými (trvanie impulzu 30 ps) alebo nanosekundovými (10 ns) impulzmi s intenzitami nad 106 W/cm 2 viedlo k elektrónovým prechodom, ktoré končili ionizáciou molekúl. Pre pikosekundové impulzy (obr. 4, a) sa populácia vysokých elektronických úrovní vyskytla podľa schémy (S 0 -> S1 -> S n) a pre nanosekundové impulzy hv hv (obr. 4, b) - podľa schému (So -> S1 - Tg -> Tp). V oboch prípadoch molekuly dostali energiu prevyšujúcu ionizačnú energiu.

Keď žiarenie pochádza z vysoko intenzívneho zaostreného lasera, množstvo generovaného tepla je veľké, v tkanive vzniká teplotný gradient. V mieste dopadu lúča dochádza k odparovaniu tkaniva, v priľahlých oblastiach dochádza ku karbonizácii a koagulácii (obr. 6). Fotoodparovanie je metóda odstraňovania alebo rezania tkaniva vrstva po vrstve. V dôsledku koagulácie sa cievy utesnia a krvácanie sa zastaví. Ako chirurgický skalpel na rezanie biologických tkanív sa teda používa zaostrený lúč kontinuálneho C0 2 lasera () s výkonom asi 2 10 3 W / cm 2 .

S ďalším zvýšením intenzity (10 W / cm a viac) je možný ďalší proces - „optický rozpad“. Tento jav spočíva v tom, že v dôsledku veľmi vysokej intenzity elektrického poľa laserového žiarenia (porovnateľnej s intenzitou vnútroatómových elektrických polí) vzniká látka ionizácie, plazma a vznikajú mechanické rázové vlny. Optický rozklad nevyžaduje absorpciu svetelných kvánt hmotou v obvyklom zmysle, pozorujeme ho v priehľadných médiách, napríklad vo vzduchu.

2 HLAVNÉ NÁVODY A ÚČELY LEKÁRSKEHO A BIOLOGICKÉHO POUŽITIA LASEROV

Moderné trendy v medicínskej a biologickej aplikácii laserov možno rozdeliť do dvoch hlavných skupín: Prvou je využitie laserového žiarenia ako výskumného nástroja. V tomto prípade plní laser úlohu unikátneho svetelného zdroja v spektrálnych štúdiách, laserovej mikroskopii, holografii atď. Druhou skupinou sú hlavné spôsoby využitia laserov ako nástroja na ovplyvňovanie biologických objektov. Možno rozlíšiť tri typy takéhoto vplyvu.

Prvým typom je vplyv na tkanivá patologického ložiska pulzným alebo kontinuálnym laserovým žiarením s hustotou výkonu rádovo 10 5 W / m 2, nedostatočnou na hlbokú dehydratáciu, odparovanie tkanív a objavenie sa defektu v nich. . Tomuto typu ožiarenia zodpovedá najmä použitie laserov v dermatológii a onkológii na ožarovanie patologických tkanivových útvarov, čo vedie k ich zrážaniu. Druhým typom je disekcia tkaniva, kedy pod vplyvom laserového žiarenia kontinuálneho alebo frekvenčne periodického (vysokofrekvenčne nasledujúce pulzy) pôsobenia dochádza k odpareniu časti tkaniva a vzniku defektu. V tomto prípade môže hustota výkonu žiarenia prekročiť hustotu použitú na koaguláciu o dva rády (107 W/m2) a viac. Tento typ expozície zodpovedá použitiu laserov v chirurgii. Tretím typom je pôsobenie nízkoenergetického žiarenia na tkanivá a orgány (jednotky alebo desiatky wattov na meter štvorcový), ktorá zvyčajne nespôsobuje zjavné morfologické zmeny, ale vedie k určitým biochemickým a fyziologickým zmenám v organizme, t.j. účinkom fyzioterapeutického typu. Tento typ by mal zahŕňať použitie hélium-neónového lasera za účelom biostimulácie v prípade pomalých procesov rany, trofických vredov atď.

Úloha štúdia mechanizmu biologického pôsobenia laserového žiarenia sa redukuje na štúdium tých procesov, ktoré sú základom integrálnych účinkov spôsobených žiarením: koagulácia tkaniva, disekcia, biostimulačné posuny v tele.

3 FYZIKÁLNE ZÁKLADY APLIKÁCIE LASEROV V LEKÁRSKEJ PRAXI

Princíp činnosti laserov je založený na kvantových mechanických procesoch vyskytujúcich sa v objeme pracovného média žiariča, ktorých vysvetlenie podáva kvantová elektronika - oblasť fyziky, ktorá študuje interakciu elektromagnetického žiarenia s elektrónmi, ktoré tvoria atómy a molekuly pracovného média.

Podľa princípov kvantovej elektroniky je akýkoľvek atómový systém v procese svojho vnútorného pohybu v stavoch s určitými hodnotami energie, nazývanými kvantové, to znamená, že má prísne definované (diskrétne) hodnoty energie. Súbor týchto energetických hodnôt tvorí energetické spektrum atómového systému.

Pri absencii vonkajšieho budenia má atómový systém tendenciu do stavu, v ktorom je jeho vnútorná energia minimálna. Pri externej excitácii je prechod atómu do stavov s vyššou energiou sprevádzaný absorpciou časti energie rovnajúcej sa rozdielu medzi energiami koncových E m a počiatočných E „stavov. Tento proces je napísaný takto:

Em - E n = nV mn, (1)

kde V mn je frekvencia prechodu zo stavu n do stavu m; h je Planckova konštanta.

Priemerná doba zotrvania (životnosť) atómu v excitovanom stave je spravidla malá a excitovaný atóm spontánne (spontánne) prechádza do stavu s nižšou energiou, pričom vyžaruje kvantum svetla (fotónu) s energiou určenou podľa vzorca (1). Atómy počas spontánnych prechodov vyžarujú kvantá svetla chaoticky, nie vzájomne prepojené. Lietajú rovnomerne vo všetkých smeroch. Proces spontánnych prechodov sa pozoruje pri žiare vyhrievaných telies, napríklad žiaroviek atď. Takéto žiarenie je nemonochromatické.

Pri interakcii excitovaného atómu s vonkajším žiarením, ktorého frekvencia zodpovedá frekvencii prechodu atómu zo stavu s vyššou energiou do stavu s nižšou energiou, existuje pravdepodobnosť (čím väčšia, tým vyššia intenzita vonkajšieho žiarenia), že toto vonkajšie žiarenie prenesie atóm do stavu s nižšou energiou. V tomto prípade atóm vyžaruje kvantum svetla, ktoré má rovnakú frekvenciu v mn, fázu, smer šírenia a polarizáciu ako kvantum vonkajšieho žiarenia vynucujúceho tento prechod.

Takéto prechody sa nazývajú vynútené (indukované). Práve prítomnosť stimulovaného žiarenia umožňuje generovať koherentné žiarenie v optických kvantových oscilátoroch-laseroch.

Teraz uvažujme, čo sa stane, keď sa svetlo bude šíriť systémom, v ktorom sú atómy s energiami E t a E n (pre istotu budeme brať E m> En). Počet atómov s energiou E g budeme označovať N m a počet atómov s energiou E n -N „. Čísla N m a N „sa zvyčajne nazývajú populáciou úrovní s energiami E w a E n.

V prirodzených podmienkach je pri akejkoľvek teplote menej častíc na vyššej energetickej úrovni ako na nižšej. Preto pre každé zahrievané teleso a je záporná hodnota a podľa vzorca (2) je šírenie svetla v hmote sprevádzané jeho zoslabovaním. Na zosilnenie svetla potrebujete mať N m > N n. Tento stav hmoty sa nazýva stav s populačnou inverziou. V tomto prípade je šírenie svetla látkou sprevádzané jeho zosilňovaním v dôsledku energie excitovaných atómov.

Pre proces zosilnenia žiarenia je teda potrebné zabezpečiť, aby populácia hornej úrovne prechodu prekročila spodnú.

Na vytvorenie populačnej inverzie sa používajú rôzne metódy, ktoré spočívajú vo využití externého zdroja budenia.

Atómový systém s inverziou populácie sa bežne označuje ako aktívne médium. Na získanie generovania žiarenia je potrebné vyriešiť problém spätnej väzby. Aktívne médium je umiestnené v optickom rezonátore, ktorý v najjednoduchšom prípade pozostáva z dvoch vzájomne rovnobežných plochých zrkadiel, obmedzujúcich aktívne médium z dvoch protiľahlých strán. V tomto prípade jedno z rezonátorových zrkadiel čiastočne prepúšťa generované žiarenie a cez neho je žiarenie z rezonátora odstránené a druhé zrkadlo úplne odráža dopadajúce žiarenie.

Vývoj laserového žiarenia v rezonátore je zastúpený v nasledovne... Po vytvorení populačnej inverzie vonkajším zdrojom budenia v pracovnom médiu sa na vývoji procesu generovania bude podieľať len žiarenie, ktoré sa šíri pozdĺž osi rezonátora. Toto žiarenie, ktoré dosiahne povrch plne odrážajúceho zrkadla dutiny a odrazí sa od neho, opäť vstupuje do aktívneho média a šíri sa v ňom a je zosilnené v dôsledku nútených prechodov. Po odraze od čiastočne odrážajúceho zrkadla rezonátora sa časť zosilneného žiarenia vracia do aktívneho prostredia a opäť sa zosilňuje, pričom časť žiarenia rezonátor opúšťa. Ďalej sa tieto procesy opakujú mnohokrát, pokiaľ existuje vonkajší zdroj budenia atómového systému.

Aby bol proces tvorby žiarenia stabilný, je potrebné, aby zosilnenie žiarenia v aktívnom médiu pre dvojitý prechod v dutine bolo rovnaké alebo väčšie ako celkové straty žiarenia pozdĺž tej istej dráhy. Celkové straty zahŕňajú straty v aktívnom prostredí a žiarenie, ktoré je odvádzané z rezonátora cez čiastočne odrážajúce zrkadlo.

V moderných laseroch môže uhol divergencie (9) laserového lúča dosiahnuť hranicu difrakcie a môže sa pohybovať rádovo od niekoľkých oblúkových sekúnd až po desiatky oblúkových minút.

Výkon laserového žiarenia odstránený z jednotkového objemu aktívneho média je v konečnom dôsledku určený výkonom externého budiaceho zdroja dodávaného do jednotkového objemu aktívneho média. Maximálny celkový výkon (energia) laserového žiarenia je v pomerne širokom rozmedzí úmernom objemu aktívneho média a maximálnemu výkonu (energii) externého zdroja budenia (čerpadla).

Hlavnými znakmi laserového žiarenia, ktoré ho predurčujú na využitie v rôznych oblastiach medicíny, sú vysoká smerovosť, monochromatickosť a energetická náročnosť.

Vysoká smerovosť laserového žiarenia sa vyznačuje tým, že uhlová divergencia jeho lúča vo voľnom priestore dosahuje hodnoty merané v desiatkach oblúkových sekúnd. To umožňuje prenášať laserové žiarenie v lúči na značné vzdialenosti bez výrazného zväčšenia jeho priemeru. Vysoká monochromatickosť a smerovosť pulzného aj kontinuálneho laserového žiarenia umožňuje jeho zaostrenie do bodov úmerných vlnovej dĺžke žiarenia samotného lasera. Takéto ostré zaostrenie umožňuje ožarovať biomedicínske predmety bunkovej úrovni... Okrem toho takéto zaostrovanie umožňuje získať požadovaný terapeutický účinok pri nízkych energiách laserového žiarenia. Toto je obzvlášť dôležité pri použití laserového žiarenia na spracovanie biologických objektov citlivých na svetlo.

2. Uhol divergencie laserového lúča (6).

1 - nepriehľadné zrkadlo, 2 - polopriepustné zrkadlo, 3 - laserový svetelný lúč.

Použitie ostrého zaostrovania pri vysokých výkonoch a energiách žiarenia umožňuje odparovanie a narezanie biologického tkaniva, čo viedlo k použitiu lasera v chirurgii.

Pre predmety, ktoré sú necitlivé na svetlo ( zhubné nádory), je možné ožarovať silným žiarením veľké plochy.

Vo všetkých prípadoch povaha účinku laserového žiarenia na biologické tkanivá závisí od vlnovej dĺžky, hustoty výkonu a režimu žiarenia – kontinuálneho alebo pulzného.

Žiarenie v červenej a infračervenej oblasti spektra, keď je absorbované biologickými tkanivami, sa premieňa na teplo, ktoré môže byť vynaložené na odparovanie látky, vytváranie akustických vibrácií a vyvolávanie biochemických reakcií.

Žiarenie vo viditeľnej oblasti spektra okrem tepelných účinkov poskytuje podmienky na stimuláciu fotochemických reakcií. Klinicky významný efekt má teda použitie nízkointenzívneho žiarenia z hélium-neónového lasera (vlnová dĺžka žiarenia 0,63 mikrónu), čo vedie k urýchlenému hojeniu trofických a hnisavých rán, vredov a pod., Mechanizmus účinku tohto typu však žiarenia nie je úplne pochopené. Niet pochýb o tom, že výskum v tomto smere prispeje k efektívnejšej a zmysluplnejšej aplikácii tohto typu žiarenia v klinickej praxi.

Pri použití laserov pracujúcich v kontinuálnom režime žiarenia prevláda tepelný efekt, ktorý sa pri stredných výkonoch prejavuje koagulačným efektom a pri vysokých výkonoch efektom odparovania biologického tkaniva.

V pulznom režime je pôsobenie žiarenia na biologické objekty komplikovanejšie. Interakcia žiarenia so živým tkanivom je tu explozívna a je sprevádzaná jednak tepelnými (koagulačnými, vyparovacími) účinkami a jednak tvorbou kompresných a redakčných vĺn v biologickom tkanive, šíriacich sa hlboko do biologického tkaniva. Pri vysokých hustotách výkonu je možná ionizácia atómov biologického tkaniva.

Rozdiel v parametroch laserového žiarenia teda vedie k rozdielu v mechanizme a výsledkoch interakcie, čo poskytuje laserom široké pole pôsobnosti na riešenie rôznych medicínskych problémov.

V súčasnosti sa lasery používajú v takých oblastiach medicíny, ako je chirurgia, onkológia, oftalmológia, terapia, gynekológia, urológia, neurochirurgia, ako aj na diagnostické účely.

V chirurgii našiel laserový lúč široké uplatnenie ako univerzálny skalpel, ktorý svojimi reznými a hemostatickými vlastnosťami prevyšuje elektrický nôž. Mechanizmus interakcie laserového skalpelu s biologickými tkanivami je charakterizovaný nasledujúcimi znakmi.

1. Absencia priameho mechanického kontaktu nástroja s biologickým tkanivom, vylúčenie rizika infekcie operovaných orgánov a zabezpečenie prevádzky vo voľnom operačnom poli.

2. Hemostatický účinok žiarenia, ktorý umožňuje získať prakticky nekrvavé rezy, zastaviť krvácanie z krvácajúcich tkanív.

3. Vnútorný sterilizačný účinok žiarenia, ktorý je aktívnym prostriedkom boja proti infekcii rany, ktorý zabraňuje komplikáciám v pooperačnom období.

4. Možnosť riadenia parametrov laserového žiarenia, umožňujúca získať rôzne efekty pri interakcii žiarenia s biologickými tkanivami.

5. Minimálny vplyv na blízke tkanivá.

Rôznorodosť problémov v chirurgii si vyžiadala komplexné štúdium možností využitia laserov s rôznymi parametrami a režimami žiarenia.

V chirurgii sa ako svetelný skalpel najviac používajú plynové lasery s oxidom uhličitým (vlnová dĺžka žiarenia 10,6 mikrónov), pracujúce v pulznom a kontinuálnom režime s výkonom žiarenia do 100 wattov.

Mechanizmus pôsobenia žiarenia z CO2 lasera spočíva v zahrievaní biologického tkaniva v dôsledku jeho silnej absorpcie laserového žiarenia. Hĺbka prieniku tohto žiarenia nepresahuje 50 mikrónov. V závislosti od hustoty výkonu žiarenia sa jeho účinok prejavuje v účinkoch rezu alebo povrchovej koagulácie biologického tkaniva.

Rez tkaniva sa vykonáva zaostreným laserovým lúčom v dôsledku jeho odparovania po vrstvách. Objemová hustota výkonu v tomto prípade dosahuje niekoľko stoviek kilowattov na 1 cm3. Povrchová koagulácia tkaniva sa dosiahne jeho vystavením rozostrenému laserovému žiareniu pri objemových hustotách rádovo niekoľko stoviek wattov na 1 cm3.

S výkonom laserového žiarenia 20 W, priemerom zaostreného laserového lúča 1 mm (hustota povrchového výkonu 2,5 kW / cm2) a hĺbkou prieniku žiarenia 50 μm je objemová hustota výkonu laserového žiarenia použitého na ohrev biologického tkaniva dosahuje 500 kW / cm3. Takáto extrémne vysoká objemová hustota výkonu laserového žiarenia zaisťuje rýchle zahriatie a deštrukciu biologického tkaniva v oblasti laserového lúča. V tomto prípade sa biologické tkanivo rozkladá najskôr odparovaním kvapaliny a karbonizáciou pevných fáz. Úplná karbonizácia biologického tkaniva sa pozoruje v teplotnom rozmedzí 200-220 ° C. Karbonizovaný rám biologického tkaniva existuje až do teplôt 400-450 °C a pri ďalšom zvyšovaní teploty dochádza k jeho vyhoreniu. Počas spaľovania karbonizovanej konštrukcie je teplota plynných produktov spaľovania 800-1000 ° C.

Hĺbka rezu je určená rýchlosťou pohybu hraníc vrstvy deštrukcie biologického tkaniva hlboko do nej. V tomto prípade rýchlosť pohybu špecifikovanej hranice závisí od rýchlosti pohybu zaostrovacieho bodu laserového lúča pozdĺž línie rezu. Čím pomalšia je rýchlosť, ktorou sa zaostrovací bod pohybuje pozdĺž línie rezu, tým hlbší je rez a naopak.

Na rozdiel od žiarenia s = 10,6 μm má YAG-Nd laserové žiarenie rádovo väčšiu hĺbku prieniku do biologických tkanív, čo je nepochybne priaznivý faktor pre koaguláciu veľkých cievy s masívnym krvácaním, ako aj na ničenie hlboko uložených nádorov.

Žiarenie YAG-Nd lasera má teda výraznú koaguláciu (rezný účinok žiarenia tohto lasera je výrazne nižší ako u CO2 lasera), čo určuje oblasť jeho praktického použitia.

4 OCHRANA PRED LASEROVÝM ŽIARENÍM

Pri práci s laserovými systémami predstavuje nekontrolované priame a rozptýlené laserové žiarenie potenciálne nebezpečenstvo pre ľudský organizmus (pacient, zdravotnícky personál). Predstavuje najväčšie nebezpečenstvo pre zrak operátora pracujúceho s laserovým systémom. Rozptýlené infračervené laserové žiarenie kontinuálnych laserov na oxid uhličitý zariadení Scalpel-1, Romashka-1, Romashka-2 je však úplne zadržané vrstvami slznej tekutiny a rohovky oka a nedosahuje fundus. . Keďže hĺbka prieniku laserového žiarenia nepresahuje 50 mikrónov, asi 70 % jeho energie pohltí slzná tekutina a asi 30 % rohovka.

Laserové žiarenie s vysokou intenzitou oxidu uhličitého, najmä ak je zaostrené, môže spôsobiť lokálne popáleninové poškodenie kože otvorených častí tela – rúk a tváre. Vplyv laserového žiarenia na ľudský organizmus sa neprejaví len vtedy, keď je intenzita žiarenia pod bezpečnou hranicou, čo je pre kontinuálny oxid uhličitý laser 0,1 W / cm 2 pre oči. Je známe, že v klinickom prostredí sa na dosiahnutie požadovaného klinického účinku používajú úrovne priameho žiarenia, ktoré sú stokrát a tisíckrát vyššie ako bezpečná úroveň, preto pri práci s laserovými systémami oxidu uhličitého sú potrebné určité ochranné opatrenia treba dodržať.

V miestnosti, kde sa vykonávajú operácie pomocou laseru na oxid uhličitý, je vhodné obložiť steny a strop materiálom s minimálnou odrazivosťou, zariadenia a prístroje s hladkým lesklým povrchom umiestniť tak, aby za žiadnych okolností nedošlo k priamemu s matnými tmavými povrchmi by na ne mohol spadnúť lúč alebo ich oplotiť od obrazoviek. Pred vstupom do miestnosti, kde sa jednotka nachádza, musí byť nainštalovaná svetelná tabuľa („Do not_input“ __ „Laser on“), ktorá musí byť počas prevádzky lasera zapnutá.

Ochranu zraku pacientov a personálu pred priamym alebo odrazeným žiarením oxidu uhličitého lasera spoľahlivo zaručia okuliare z bežného optického skla. Je žiaduce, aby boli okuliare vyrobené tak, aby bola vylúčená možnosť preniknutia laserového žiarenia cez štrbiny medzi rámom a tvárou a aby bolo zabezpečené široké zorné pole. Okuliare sa nosia iba počas laserovej fázy chirurgického zákroku, aby sa zabránilo priamemu vystaveniu očí laserovému žiareniu.

Pri práci s lasermi na báze oxidu uhličitého zvyšuje používanie laserových chirurgických nástrojov riziko poškodenia pokožky rúk a tváre chirurga odrazom laserového lúča od nástrojov. Toto nebezpečenstvo sa výrazne znižuje pri použití nástrojov so špeciálnym "začiernením". „Začiernené“ prístroje absorbujú asi 90 % laserového žiarenia, ktoré na ne dopadá s vlnovou dĺžkou 10,6 mikrónov. Laserový lúč môžu odrážať aj iné nástroje - navíjače, hemostaty, pinzety, zošívačky. V rukách skúseného chirurga je však možné vykonať akýkoľvek chirurgický zákrok bez nasmerovania laserového lúča na tieto nástroje. Pri priamom nasmerovanom laserovom žiarení hrozí aj vznietenie operačného materiálu, obrúskov, posteľnej bielizne a pod., preto je pri práci s ním potrebné použiť mäkký materiál namočený v izotonickom roztoku chloridu sodného v oblasť navrhovaného laserového ošetrenia.laserový stupeň operácie na odstránenie z oblasti pôsobenia laserového žiarenia prístroje a nástroje vyrobené z plastov, ktoré sa môžu vznietiť pri vysokých teplotách.

Netreba zabúdať ani na to, že laserový systém je tiež zariadenie využívajúce elektrickú energiu. V tomto ohľade je pri práci s ním potrebné dodržiavať pravidlá elektrickej bezpečnosti vykonávané počas prevádzky elektrických inštalácií spotrebiteľov.

Personál pracujúci s laserovými systémami musí byť špeciálne vyškolený a kvalifikovaný. Všetky osoby pracujúce s laserovým žiarením pravidelne, aspoň raz ročne, by mali byť vystavené lekárske vyšetrenie, vrátane vyšetrenia u oftalmológa, terapeuta a neuropatológa. Okrem toho potrebujete klinická analýza krvi s kontrolou hladiny hemoglobínu, počtu leukocytov a leukocytového vzorca. Vykonávajú sa aj základné pečeňové testy.

Pri dôslednom dodržiavaní vyššie uvedených pravidiel prakticky nehrozí poškodenie orgánov, tkanív a biologického prostredia ľudského tela. Takže za 10 rokov práce s rôznymi laserovými prístrojmi, ktoré celkovo vykonali niekoľko tisíc rôznych operácií, sme nezaznamenali ani jeden prípad poškodenia očí a kože laserovým žiarením, ako aj zmeny zdravotného stavu. niektorého zo zamestnancov inštitúcie.súvisiace s prácami na laserových inštaláciách.

5 PRENIKNUTIE LASEROVÉHO ŽIARENIA DO BIOLOGICKÝCH TKANIV

Zákony upravujúce prenikanie žiarenia do tkanív priamo súvisia s problémom mechanizmu biologického pôsobenia laserového žiarenia. Jedným z dôvodov, prečo žiarenie preniká do obmedzenej hĺbky, je absorpcia laserového žiarenia biologickými tkanivami, ktorá je až na vzácne výnimky obligátnym počiatočným článkom, ktorý predchádza reťazcu zmien vznikajúcich v ožarovanom organizme. Hĺbka prieniku laserového žiarenia do tkaniva je z praktického hľadiska veľmi dôležitá, pretože je jedným z faktorov, ktoré určujú hranice možná aplikácia lasery na klinike.

Absorpcia nie je jediným procesom, ktorý tlmí laserové žiarenie pri jeho prechode cez biologické tkanivá. Súčasne s pohlcovaním žiarenia prebieha množstvo ďalších fyzikálnych procesov, najmä odraz svetla od povrchu medzi dvoma prostrediami, lom pri prechode hranicou oddeľujúcou dve opticky odlišné prostredia, rozptyl svetla časticami tkaniva a pod. môžeme hovoriť o všeobecnom útlme žiarenia, ktorý zahŕňa okrem absorpcie aj straty v dôsledku iných javov a skutočnú absorpciu žiarenia. Pri absencii rozptylu je absorpcia v médiu charakterizovaná dvoma parametrami: absorpčnou kapacitou a hĺbkou absorpcie. Absorpčná kapacita je definovaná ako pomer energie absorbovanej v médiu k energii žiarenia dopadajúcej na povrch média. Tento pomer je vždy menší ako 1, keďže žiarenie ním čiastočne prechádza. Hĺbka absorpcie charakterizuje priestorové rozloženie absorbovanej energie v médiu. V najjednoduchšom prípade (exponenciálny rozpad svetla v hmote) sa rovná vzdialenosti, pri ktorej výkon žiarenia klesá 2,718-krát vo vzťahu k výkonu žiarenia na povrchu média. Prevrátená hodnota hĺbky absorpcie sa nazýva koeficient absorpcie. Má rozmer cm -1. Ak spolu s absorpciou dôjde k rozptylu svetla, potom vzdialenosť, na ktorú sa v dôsledku kombinovaného pôsobenia týchto procesov žiarenie niekoľkonásobne zoslabí, je hĺbka útlmu alebo prieniku žiarenia a jeho vzájomná je koeficient útlmu, ktorý má tiež rozmer cm -1.

Pri teoretickom uvažovaní o problematike absorpcie laserového žiarenia tkanivami možno pre zjednodušenie predpokladať, že žiarenie je rovinná vlna dopadajúca na rovný povrch objektu a koeficient absorpcie v celej ožarovanej oblasti je rovnaký a nezávisí od intenzity svetla. V tomto prípade bude energia žiarenia (výkon) s rastúcou hĺbkou exponenciálne klesať a jej rozdelenie je vyjadrené rovnicou:

P = P 0 exp (1)

kde P je výkon žiarenia v hĺbke; Ro je sila žiarenia dopadajúceho na povrch tkaniva; je absorpčný koeficient tkaniva (zanedbávame straty odrazom svetla od tkaniva).

V reálnych podmienkach pri ožarovaní biologických objektov dochádza k narušeniu takéhoto jednoduchého vzťahu medzi hrúbkou vrstvy tkaniva a množstvom absorbovanej energie, napríklad v dôsledku rozdielov v absorpčných koeficientoch rôznych častí ožarovaného tkaniva. Takže absorpčný koeficient melanínových granúl sietnice je 1000-krát vyšší ako koeficient okolitého tkaniva. Vzhľadom na to, že absorpcia svetla je molekulárny proces, ktorý v konečnom dôsledku závisí od koncentrácie molekúl, ktoré absorbujú žiarenie, množstvo absorpcie na bunkovej a subcelulárnej úrovni sa môže výrazne líšiť, dokonca aj od organely k organele. Nakoniec, absorpcia je funkciou vlnovej dĺžky, preto sa absorpčný koeficient pre lasery emitujúce v rôznych spektrálnych oblastiach značne líši.

V mnohých skorých štúdiách sa miera absorpcie biologických tkanív posudzovala na základe výsledkov meraní ich svetelnej priepustnosti. Okrem toho sa vo väčšine prípadov experimenty uskutočnili s rubínovými a neodýmovými lasermi. Keď boli myši ožiarené rubínovým laserom, zistilo sa, že 45 až 60 % energie preniká cez kožu a 20 až 30 % cez kožu a svaly pod ňou. Vývoj metódy na stanovenie koeficientov priepustnosti a odrazu tkanív bol predmetom výskumu G. G. Shamaeva a kol., (1969). Údaje získané touto metódou pri ožiarení potkanov neodýmovým laserom boli použité na výpočet koeficientu absorpcie kožou 9,9 cm-1.

LI Derlemenko (1969), MI Danko a ďalší (1972) pomocou integrálneho fotometra stanovili absorpciu neodýmového laserového žiarenia svalovým a pečeňovým tkanivom u potkanov. Keď boli svaly ožiarené, 27-32% žiarenia prešlo cez vrstvu tkaniva s hrúbkou 1 mm a 20-23% - do pečene. Pre vrstvy tkaniny s hrúbkou 6 mm boli tieto hodnoty 3 a 1,5 %.

Uvedené údaje demonštrujú závislosť absorpcie laserového žiarenia od stupňa zafarbenia tkaniva: hojne pigmentované tkanivo absorbuje žiarenie intenzívnejšie ako svalové tkanivo. Rovnaký vzor sa prejavil v experimentoch s ožarovaním rubínovými a neodýmovými lasermi rôzne nádory u zvierat. Najväčšia absorpcia je charakteristická pre melanómy v dôsledku prítomnosti melanínu v nich.

AM Urazaev a kol., (1978) porovnávali stupeň zoslabenia žiarenia héliovo-neónových (vlnová dĺžka 632,8 nm) a argónových (488 nm) laserov pri prechode rôznymi časťami tela živých depilovaných potkanov alebo prípravkami pripravenými z orgánov zabitých zvierat. Prepustené žiarenie bolo merané fotobunkou a získané údaje boli použité na výpočet hĺbky prieniku laserového žiarenia. Takmer vo všetkých variantoch experimentu prenikalo žiarenie červenej oblasti spektra do väčšej hĺbky ako modrozelenej a najvýraznejšie sa tento rozdiel prejavil pri prechode cez intenzívne vaskularizované orgány s bohatým zásobením krvou.

Porovnanie hĺbky prieniku dusíkového (vlnová dĺžka 337,1 nm), hélium-kadmiového (441,6 nm) a hélium-neónového (632,8 nm) lasera do biologických tkanív bolo uskutočnené v sérii štúdií iných autorov. Merania sa uskutočňovali na rezoch rôznych orgánov myší s použitím dvoch metód; pomocou fotometrickej gule alebo svetelnej sondy. V prvom prípade sa fotometricky určil koeficient odrazu a koeficient útlmu laserového žiarenia v tkanive a ten umožnil vypočítať hĺbku prieniku žiarenia; v druhom sa do vzorky ožiareného tkaniva z opačnej strany laserového lúča koaxiálne zaviedol tenký sklenený svetlovod (priemer 0,75 mm) spojený s fotonásobičom. Pohybom hrotu svetlovodu v rôznych známych vzdialenostiach od miesta dopadu lúča na povrch tkaniva a meraním hustoty svetelného toku boli získané krivky rozloženia intenzity laserového žiarenia v tkanive a hĺbka bola stanovená jeho penetrácia.

Obe použité metódy poskytli podobné výsledky. Najvyššiu penetračnú silu vyznačovalo žiarenie hélium-neónového lasera a najmenšiu hélium-kadmiový laser. Vo všetkých prípadoch hĺbka prieniku nepresiahla 2-2,5 mm.

Zaujímavý problém vyvolali experimenty, ktoré uskutočnili VA Dubrovskiy a OG Astafyeva (1979), v ktorých porovnávali absorpciu červeného žiarenia krvným hemolyzátom s rôznymi fyzikálnymi vlastnosťami: polarizované koherentné žiarenie hélium-neónového lasera; polarizované nekoherentné žiarenie žiarovky prenášané cez polaroid a spektrálne filtre; nepolarizované a nekoherentné žiarenie žiarovky, prenášané len cez spektrálne filtre. Zistilo sa, že priestorová koherencia sa neodráža v absorpcii. Šírka spektra a polarizačné vlastnosti žiarenia majú naň výrazný vplyv: polarizované žiarenie je absorbované menej aktívne ako nepolarizované žiarenie.

Spolu s údajmi o absorpcii laserového žiarenia biologickými tkanivami, ktoré generujú v blízkej ultrafialovej (dusík), viditeľnej (hélium-kadmium, argón, hélium-neón, rubín) a blízkej infračervenej (neodym) spektrálnej oblasti, informácie o absorpcii je prakticky dôležité.žiarenie CO3 lasera, ktoré sa generuje v infračervenej oblasti pri vlnovej dĺžke 10 600 nm. Keďže toto žiarenie je intenzívne absorbované vodou a tá tvorí asi 80 % hmoty väčšiny buniek, pri vystavení biologickým tkanivám žiarením CO2 laserom je takmer úplne absorbované povrchovými vrstvami buniek.

Ako je uvedené vyššie, prienik laserového žiarenia do hĺbky tkanív je obmedzený nielen absorpciou, ale aj inými procesmi, najmä odrazom žiarenia od povrchu tkaniva. Podľa B.A.Kudryashova (1976), s. D. Pletneva (1978) a i., odrážané bielou pokožkou ľudí a zvierat, žiarenie laserov generujúcich v blízkych ultrafialových a viditeľných oblastiach spektra (dusík, hélium-kadmium, argón, hélium-neón, rubín), je 30-40 %; pri infračervenom žiarení neodýmového lasera je táto hodnota o niečo menšia (20-35%) a pri vzdialenejšom infračervenom žiarení CO2 lasera klesá približne na 5%.Pre rôzne vnútorné orgány živočíchov je hodnota odrazivosť svetla (633 nm) kolíše 0,18 (pečeň) až 0,60 (mozog)

V dôsledku zoslabnutia laserového žiarenia nepresahuje hĺbka jeho prieniku do biologických tkanív niekoľko milimetrov a pri praktickej aplikácii laserov treba vychádzať z týchto podmienok. Spolu s prezentovanými materiálmi sú však známe údaje, ktoré umožňujú vyvodiť optimistickejšie závery. to ježe vo všetkých vyššie uvažovaných štúdiách bolo možné posúdiť úlohu rozptylu žiarenia v hĺbke tkaniva. Keď sa napríklad pomocou fotometrickej gule určovali koeficienty priepustnosti a odrazu vzorky tkaniva, odhalený rozdiel v intenzite žiarenia dopadajúceho na povrch vzorky a cez ňu prestupovaného bol (mínus odrazené žiarenie) súčtom straty absorpciou a rozptylom, pričom podiel každého z týchto procesov zostal neznámy. V inom prípade, keď sa intenzita žiarenia, ktorá dosiahla daný bod v hĺbke tkaniva, merala svetelnou sondou, jej koncová strana vnímala len žiarenie, ktoré dopadlo „spredu“. V skutočnosti bod v otázka vnútri tkaniva je osvetlená zo všetkých strán žiarením rozptýleným časticami, ktoré ju obklopujú. V dôsledku toho sa pomocou tejto metódy získali podhodnotené ukazovatele rozloženia intenzity žiarenia do hĺbky, čo neumožňovalo zohľadniť rozptýlené svetlo. Zároveň v intenzívne rozptylujúcich prostrediach, akými sú biologické tkanivá, je podiel rozptýleného žiarenia veľmi významný.

Zváženie týchto ustanovení v sérii podrobných štúdií. Dougherty a kol. (1975, 1978) sa pokúsil objasniť vplyv rozptylu svetla na hĺbku prieniku žiarenia do tkanív. Autori pomocou fotobunky určili frakciu svetelného žiarenia z xenónovej výbojky (zvýraznená bola oblasť 620-640 nm), ktoré prešlo cez rôzne hrubé rezy, ktoré boli získané z nádoru štepu mliečnej žľazy myší alebo z ich normálne tkanivá. Získané hodnoty koeficientu priepustnosti svetla boli použité na výpočet koeficientov rozptylu (S) a absorpcie (K) zo vzťahov, ktoré stanovili P. Kubelka (1964) a F. Kottler (I960). Hodnoty získané pre nádorové tkanivo boli S = 13,5 a K = 0,04, z čoho je zrejmé, že podiel rozptýleného svetla je oveľa vyšší ako podiel absorbovaného svetla. ja

V druhej práci, vykonanej v roku 1978 tou istou skupinou výskumníkov, boli aplikované dve metódy, ktoré umožnili získať všetky hodnoty intenzity intersticiálneho svetla, a to ako tie, ktoré boli zistené bez zohľadnenia rozptylu, tak aj tie, ktoré ho zahŕňajú. , ktoré sa majú získať priamo experimentálne. V prípade použitia jednej z metód sa do hĺbky čerstvo vypreparovaného nádoru (rabdomyofóm potkana) zaviedol vláknový svetlovod s hrúbkou 0,8 mm a na jeho koniec vyčnievajúci z tkaniva sa nasmeroval lúč hélium-neónového lasera s výkonom 2 mW. Ďalší svetlovod pripojený k fotometru bol zavedený z opačnej strany vzorky. Prvým privedením optických vlákien do kontaktu a ich následným odtláčaním na známe vzdialenosti sa merala intenzita žiarenia prenášaného cez vrstvu tkaniva s pevnou hrúbkou. Rovnako ako v experimentoch opísaných vyššie, táto metóda neumožnila vziať do úvahy rozptýlené nie.

Druhá technika bola aktinometrická (fotochemická) a spočívala v tom, že sa do nádorového tkaniva v určitej hĺbke zaviedlo niekoľko kapilár s priemerom 1 mm naplnených roztokom fotosenzitívnej zmesi. Po ožiarení vzorky tkaniva svetlom známej intenzity pomocou žiarovky (vlnové dĺžky nad 600 nm) sa určilo množstvo produktu fotochemickej reakcie, ktoré bolo priamo úmerné intenzite svetla a bolo funkciou hĺbky trubíc. Je zrejmé, že pri takejto schéme experimentov bol priebeh reakcie ovplyvnený všetkým žiarením, ktoré dosiahlo daný bod v hĺbke tkaniva, vrátane rozptýleného svetla. Údaje uvedené na obr. 2, nám umožňujú porovnať výsledky získané pomocou týchto metód. Z grafu je vidieť, že intenzita žiarenia v nádorovom tkanive v rovnakej hĺbke, stanovená aktinometrickou metódou, je výrazne vyššia ako tá, ktorá bola stanovená pomocou technológie optických vlákien. Takže z krivky aktinometrických meraní je vidieť, že v hĺbke 2 cm preniká do tkaniva ešte asi 8 % žiarenia, pričom podľa druhej krivky je táto hodnota menšia ako 0,1 % K

Výrazná prevaha rozptylu viditeľného svetla pri jeho prechode cez biologické tkanivá nad absorpciou nám teda umožňuje dospieť k záveru, že schopnosť laserového žiarenia prenikať do tkanív je vyššia, ako sa bežne verí. Ak zoberieme do úvahy možnosť vedenia laserového žiarenia hlboko do tkanív pomocou vláknovej optiky a jeho následnú distribúciu v hrúbke ožarovaného ohniska v dôsledku rozptylu, možno sa pokúsiť výrazne rozšíriť rozsah klinickej aplikácie laserov.

6 PATOGENETICKÝCH MECHANIZMOV INTERAKCIE LASEROVÉHO ŽIARENIA S BIOLOGICKÝMI TKANIVÁMI

Monochromatickosť, prísna orientácia, koherencia a schopnosť sústrediť veľké množstvo energie na malé plochy umožňujú selektívne koagulovať, odparovať a rezať biologické tkanivá bez kontaktu, s dobrou hemostázou, sterilitou a ablasticitou.

Pri interakcii laserového žiarenia s biologickými tkanivami sa pozoruje množstvo efektov: tepelné, v dôsledku selektívnej absorpcie svetelných kvant, objavenie sa kompresných vĺn a elastický dopad v médiu, pôsobenie silných elektromagnetických polí sprevádzajúcich v niektorých prípadoch laserové žiarenie , ako aj množstvo ďalších efektov v dôsledku optických vlastností samotného prostredia.

Keď je laserové žiarenie vystavené tkanivu, je dôležitý stupeň jeho zaostrenia. Pri prechode zaostreného laserového lúča živými tkanivami intenzita žiarenia rapídne klesá a pre svalové tkanivo v hĺbke 4 cm je len 1-2% počiatočnej energie. Stupeň a výsledok biologického účinku laserového žiarenia na rôzne bunky, tkanivá a orgány závisí nielen od charakteristík žiarenia (typ lasera, trvanie a hustota výkonu žiarenia, frekvencia pulzov atď.), ale aj od fyzikálno-chemických vlastností žiarenia. a biologické charakteristiky ožarovaných tkanív alebo orgánov./ (intenzita prietoku krvi, heterogenita, tepelná vodivosť, koeficient absorpcie a odraz rôznych medziľahlých povrchov v médiu atď.). Najcitlivejšie a ľahko zničené štruktúry pod vplyvom laserového žiarenia boli vnútrobunkové zložky bunky.

Schopnosť sústrediť laserové žiarenie do úzkeho lúča viedla k vytvoreniu laserového skalpelu, ktorý umožňuje prakticky bezkrvné rezy v rôznych tkanivách. V súčasnosti už nahromadené skvelá skúsenosť využitie laserového žiarenia v experimentálnej a klinickej medicíne.

Hemostatické vlastnosti laserového žiarenia je možné zvýšiť použitím špeciálnych kompresných svoriek a laserových chirurgických nástrojov, ktoré zabezpečia krátkodobú kompresiu a vykrvácanie tkanív pozdĺž línie zamýšľaného rezu. Princíp dávkovanej kompresie môže tiež výrazne znížiť objem tepelnej nekrózy tkaniva, pretože v podmienkach kompresie sa tepelná vodivosť tkanív výrazne zvyšuje. V tomto ohľade rovnaká hustota energie fokusovaného laserového lúča umožňuje rýchlejšie vypreparovať tkanivá kompresiou, čo poskytuje lokálnu ischémiu tkaniva.

Použitie lasera v kombinácii so špeciálnymi nástrojmi poskytuje nielen disekciu tkanív, ale aj ich takzvané biologické zváranie. Účinok zvárania bunkových a tkanivových štruktúr zaznamenali výskumníci, ktorí použili laserový lúč na pitvu rôznych orgánov. Avšak len vytvorením špeciálneho laserového chirurgického zariadenia bolo možné plne realizovať účinok biologického zvárania tkanív dutých orgánov pri ich disekcii. V ožiarenej oblasti sa pozoruje zvýšená absorpcia svetla v dôsledku vyššej optickej hustoty stlačených tkanív a viacnásobného odrazu svetla od vnútorné časti aparát tvoriaci uzavretý priestor. „Zváranie“ tkanív dutých orgánov prebieha vrstvu po vrstve pozdĺž línie rezu v oblasti lokálnej kompresie tkanív produkovaných týmito zariadeniami.

Morfologickým prejavom zmien, ktoré sú základom tohto javu, je koagulačná tepelná nekróza tkanív vystavených kompresii s tvorbou filmu z koagulovaného tkaniva a bunkových prvkov pozdĺž okraja rezu, ktorý spája všetky anatomické vrstvy orgánu na rovnakej úrovni.

Výsledkom premeny svetelnej energie na tepelnú energiu v sliznici je deformácia a skrátenie žliaz, zvrásnenie epitelových buniek s kompaktným usporiadaním ich jadier. Výsledné štruktúry pripomínajú „palisádu“. Vo svalovej membráne sú morfologické zmeny menej výrazné. Submukóza v zóne „zvárania“.

Hĺbka (μm) tepelného poškodenia steny žalúdka počas gastrotómie pomocou laseru s oxidom uhličitým(podľa údajov zo svetelnej mikroskopie)

sa stáva slabo rozpoznateľným. Šírka zóny koagulačnej nekrózy pozdĺž okraja vyrezaných tkanív je v týchto prípadoch v rozmedzí 1-2 mm. Objem nekrotických lézií je možné zmenšiť tak zvýšením množstva tekutiny v vypreparovaných tkanivách, ako aj použitím adekvátneho laserového zariadenia. Napríklad pri disekcii kostrového svalu laserom na oxid uhličitý sa šírka zóny koagulačnej nekrózy, dosahujúca 1,1-1,2 mm, po predbežnom vstreknutí tekutiny do svalu zníži o 28-40%.

Na druhej strane, použitie vylepšené posledné rokyšpeciálne laserové chirurgické vybavenie môže tiež znížiť oblasť koagulačnej tepelnej nekrózy na 30-60 mikrónov (tabuľka 1).

Splatné výlučne vysoká teplota, vlastné laserovému žiareniu, dochádza k extrémne rýchlemu odparovaniu intersticiálnej a intracelulárnej tekutiny a následnému spáleniu suchého zvyšku. Hĺbka a stupeň dystrofické zmeny tkaniva pri expozícii odlišné typy laserové žiarenie závisí tak od ich spektrálnych charakteristík, ako aj od celkovej energie (doby trvania expozície) žiarenia. Pri malých expozíciách sú zničené iba povrchové vrstvy tkanív. Dôsledné predlžovanie doby ožiarenia je sprevádzané zväčšením objemu poškodených tkanív až po perforáciu orgánu. Pohyb laserového lúča v pozdĺžnom alebo priečnom smere vedie k odparovaniu tkanív a vytvoreniu lineárneho rezu orgánu.

V zóne koagulačnej tepelnej nekrózy dochádza ku koagulácii stien krvných ciev a krvi s tvorbou koagulačného hyalínového trombu, ktorý upcháva lúmen cievy a zabezpečuje primeranú hemostázu. V podmienkach dávkovanej kompresie pri použití laserových chirurgických zariadení sa hemostatický účinok laserového žiarenia výrazne zvyšuje, pretože

Schematické znázornenie laserovej rany žalúdka

Cievy so zníženým krvným obehom sú okamžite koagulované.

Morfológia laserovej rany má charakteristické znaky, ktoré ju výrazne odlišujú od rán iného pôvodu. Tepelne exponované tkanivá sú reprezentované koagulačnou nekrózou, ktorá tvorí laserovú tepelnú chrastu. Ten tesne pokrýva povrch rany. Bezprostredne po expozícii laserom je ťažké určiť celkový objem nekrotického tkaniva. Hranica tkanív vystavených koagulačnej nekróze sa stabilizuje hlavne za deň. V tomto období sa v úzkej zóne zachovalých tkanív na hranici s tepelnou nekrózou, edémom a rôznej miere závažnosť porúch krvného obehu, prejavujúcich sa hyperémiou, stázou, perivaskulárnymi diapedéznymi krvácaniami.

Na základe histologických štúdií boli identifikované tieto zóny laserovej expozície: zóna koagulačnej nekrózy, ktorej obvodová časť je úzka voľná („hubovitá“) vrstva a centrálna časť je široká, kompaktná a zóna zápalového edému (obr. 23).

Boli zaznamenané poruchy mikrocirkulácie, ktoré boli najvýraznejšie pri vystavení YIG-Nd laseru a argónovému laseru (s hemostázou akútnych krvácajúcich žalúdočných vredov). Proces disekcie tkaniva laserom na oxid uhličitý je sprevádzaný striktne lokálnou koaguláciou posledne menovaného pozdĺž línie rezu, čím sa zabráni poškodeniu okolitých tkanív.

V laserových ranách, na rozdiel od rán iného pôvodu, sú prechodné zóny z koagulovaných tkanív do životaschopných málo vyjadrené alebo dokonca chýbajú. Regenerácia v týchto prípadoch začína najmä v bunkách zóny nepoškodenej laserovým žiarením.

Je známe, že poškodenie tkaniva je sprevádzané uvoľňovaním zápalových mediátorov. Medzi poslednými sa rozlišujú plazmatické (cirkulujúce) mediátory, ako aj bunkové (lokálne) mediátory spojené s aktivitou mnohých buniek - žírne bunky, krvné doštičky, makrofágy, lymfocyty, polymorfonukleárne leukocyty atď. Najmä úloha polymorfonukleárnych leukocytov v procese rany je predovšetkým v lýze mŕtvych tkanív a fagocytóze mikróbov. Akékoľvek zníženie stupňa mikrobiálnej kontaminácie vedie k zníženiu intenzity všetkých zložiek zápalu. Bakteriologické vyšetrenie materiálu z povrchu rán a 1 g tkaniva pri excízii hnisavých rán a nekrektómii oxidom uhličitým laserom preukázalo úplnú sterilitu u 62 zo 100 pacientov, v ostatných prípadoch pokles obsahu mikróbov pod bola zaznamenaná kritická úroveň (10 5).

Zníženie stupňa mikrobiálnej kontaminácie laserovej rany, koagulačný charakter tepelnej nekrózy a vaskulárna trombóza v zóne nekrózy prispievajú k zníženiu exsudatívnej zložky zápalu. Prítomnosť slabo vyjadrenej leukocytovej reakcie a niekedy jej úplná absencia na okrajoch laserovej rany bola potvrdená prácami väčšiny výskumníkov. Koagulované tkanivá nie sú zdrojom vazoaktívnych mediátorov, najmä kinínov, ktoré zohrávajú takú dôležitú úlohu pri vzniku a rozvoji exsudatívnej fázy zápalovej odpovede.

Podľa V.I. Eliseenka (1980-1985) sa laserové rany vyznačujú aktívnou včasnou proliferáciou bunkových elementov makrofágovej a fibroblastickej série, ktorá určuje priebeh reparačného procesu ako aseptický produktívny zápal. Proliferácia makrofágov a fibroblastov v ohnisku produktívneho zápalu, počnúc prvým dňom po vystavení laserovému žiareniu, je základom formujúceho sa granulačného tkaniva.

Existujú však dôkazy, že hojenie laserových rán môže prebiehať bežným spôsobom, teda vrátane fázy leukocytovej fúzie nekrotických tkanív. Hojenie laserových rán podľa Yu.G. Parkhomenka (1979, 1983) prebieha hlavne pod laserovou chrastou. Transformácia laserovej chrasty spočíva v jej postupnej organizácii a resorpcii (v parenchýmových orgánoch - pečeni a pankrease) alebo odmietnutí (v orgánoch tráviaceho traktu) pri dozrievaní granulačného tkaniva.

Bunky systému mononukleárnych fagocytov - makrofágy - sú nevyhnutné v procese hojenia laserových rán. Makrofágy riadia diferenciáciu granulocytov a monocytov z kmeňovej bunky, ovplyvňujú funkčnú aktivitu T- a B-lymfocytov a podieľajú sa aj na ich spolupráci. Vylučujú prvých šesť zložiek komplementu, čím sprostredkúvajú zapojenie imunitného systému do zápalovej reakcie. Makrofágy indukujú úlohu fibroblastov a syntézu kolagénu, to znamená, že sú stimulátormi konečnej fázy reparačnej reakcie) počas zápalu. Konkrétne sa našli bunkové kontakty medzi makrofágmi a fibroblastmi granulačného tkaniva.

Dá sa predpokladať, že intenzívna a dlhotrvajúca reakcia makrofágov v laserových ranách, spojená s dlhodobým zachovaním koagulovaných tkanív, je faktorom, ktorý aktívne stimuluje proces tvorby kolagénu.Podľa VI Eliseenko et al. (1982, 1985), funkčnou úlohou proliferujúcich makrofágov je „naprogramovať“ celý priebeh procesu hojenia laserových operačných rán.

Fibroblastická reakcia pri včasnom hojení laserových rán je jedným z popredných miest.

V laserových ranách v období aktívneho rastu granulačného tkaniva (5-10 dní) sa spája vysoká hustota fibroblastov s najdramatickejším zvýšením aktivity NAD (NADPH) lipoamiddehydrogenázy (zastaraná diaforáza) v týchto bunkách, ktorá do určitej miery môže odrážať zvýšenie úrovne energie a syntetických procesov v nich. Neskôr enzymatická aktivita týchto buniek postupne klesá, čo svedčí o ich dozrievaní.

Vo vznikajúcej jazve po laserovej rane dochádza k rýchlemu, difúznemu hromadeniu glykozaminoglykánov hlavnej látky spojivové tkanivo, čo naznačuje dozrievanie granulačného tkaniva. Je známe, že po maximálnom zvýšení počtu fibroblastov a ich dozrievaní sa zvyšuje aj syntéza kolagénových vlákien.

V procese hojenia laserových chirurgických rán gastrointestinálneho traktu existuje jasný vzťah medzi dozrievaním spojivového tkaniva a rastom epitelu.

Reakcia makrofágov, proliferácia fibroblastov a kolagenogenéza sa teda prejavujú veľmi skoro a prejavujú sa tým viac, čím menej výrazná leukocytová infiltrácia, ktorej absencia primárnym zámerom zabezpečuje hojenie laserových rán.

7 MECHANIZMY LASEROVEJ BIOSTIMULÁCIE

Samostatne by sme mali zvážiť povahu biostimulačnej aktivity nízkoenergetického laserového žiarenia v červenej oblasti spektra, ktoré sa získava najmä pomocou hélium-neónových laserov. Priaznivý účinok tohto žiarenia bol preukázaný v experimentoch na rôznych biologických objektoch.

V 70-tych rokoch sa uskutočnili pokusy vysvetliť fenomén laserovej biostimulácie špeciálnymi vlastnosťami ("biopole", "bioplazma"), ktoré sú údajne vlastné živým organizmom a dávajú biologický význam špecifickým vlastnostiam laserového žiarenia. V roku 1979 bolo navrhnuté, že biologické účinky nízkoenergetického laserového žiarenia sú spojené s prirodzenými procesmi regulácie svetla pozorovanými u zvierat. Molekulárna podstata počiatočných štádií takýchto procesov je lepšie študovaná v rastlinách, u ktorých bola preukázaná nielen samotná skutočnosť fotoregulácie, ale aj chemická povaha jedného z primárnych akceptorov svetla, fytochrómu. Tento chromoproteín existuje v dvoch formách, z ktorých jedna absorbuje svetlo blízko 660 nm a druhá pri 730 nm. Vzájomnou premenou týchto foriem pri osvetlení sa mení ich kvantitatívny pomer, čo je spúšťací mechanizmus v reťazci procesov, ktoré v konečnom dôsledku vedú ku klíčeniu semien, tvorbe pukov, kvitnutiu rastlín a iným formačným efektom. Hoci niet pochýb o tom, že u zvierat sú základom takých javov, ako je cyklickosť pohlavného rozmnožovania alebo obmedzenie množstva adaptačných reakcií (prelínanie a hibernácia cicavcov, prelety vtákov) na určité obdobia roka, fotoregulačné procesy, ich molekulárne mechanizmy sú nejasné.

Myšlienka existencie určitého fotoregulačného systému v živočíšnych bunkách, možno pripomínajúceho fytochrómny systém rastlín, naznačuje, že biostimulačná aktivita héliovo-neónového laserového žiarenia je dôsledkom jednoduchej zhody jeho spektrálnych charakteristík s absorpčná oblasť komponentov tohto systému. V tomto prípade by sa dalo očakávať, že monochromatické červené svetlo z nekoherentných zdrojov bude tiež biologicky účinné. Experimentálne overenie tohto a ďalších problémov si vyžadovalo citlivé testy, ktoré poskytujú kvantitatívne, vysoko reprodukovateľné a presne merané výsledky. Prevažná väčšina štúdií s hélium-neónovými lasermi bola vykonaná na zvieratách alebo priamo na pacientoch za podmienok, ktoré nespĺňajú tieto požiadavky.

Pri výbere vhodného modelového systému sme vychádzali z dvoch predpokladov: 1) bunky, ktoré sa vyvíjajú alebo prežívajú in vitro, sú relatívne jednoduchým testovacím objektom, ktorý umožňuje presné započítanie podmienok expozície a jej výsledkov; 2) osobitná pozornosť by sa mala venovať reakcii povrchovej membrány buniek, ktorej vysoká citlivosť bola stanovená skôr pri experimentoch s nízkoenergetickým červeným žiarením z rubínového lasera.

V štúdiách, ktoré uskutočnil N.F. Gamaleya a iní, sa študoval účinok héliovo-neónového laserového žiarenia na povrchovú membránu lymfocytov izolovaných z ľudskej krvi. Za týmto účelom sme hodnotili schopnosť lymfocytov vytvárať E-rozety – interagovať s ovčími erytrocytmi. Zistilo sa, že pri nízkych dávkach žiarenia (hustota výkonu 0,1-0,5 W / m2, expozícia 15 s), ktoré sú o jeden a pol až dva rády nižšie ako tie, ktoré sa používajú pri klinickej práci s hélium-neónovým laserom, je malý , ale štatisticky významné zvýšenie schopnosti tvorby ružíc (o 1,2-1,4 krát) u ožiarených lymfocytov v porovnaní s kontrolou. Paralelne s cytomembránovými zmenami sa zvýšila funkčná aktivita lymfocytov, najmä ich schopnosť deliť sa zvýšila 2-6 krát, čo bolo stanovené pri reakcii transformácie blastov s fytohemaglutinínom [Novikov DK, Novikova VI, 1979], hodnotené akumulácia buniek 3 N-tymidín. Pri pokusoch na ľudských krvných leukocytoch sa zistilo, že pri vystavení žiareniu hélium-neónového lasera v rovnakých nízkych dávkach sa fagocytóza buniek zvýši 1,5 až 2-krát. kolibacillus(aj chytanie aj trávenie). Žiarenie z hélium-neónového lasera stimulovalo aj ďalšie bunky. V kultúre myších nádorových buniek (L) bolo teda oneskorenie ich rastu 1. deň po ožiarení nahradené jeho zrýchlením, čo bolo badateľné najmä na 3. – 4. deň, kedy bol počet deliacich sa buniek 2-násobný. väčšia ako pri kontrole.

Ukázalo sa teda, že veľmi nízka intenzita héliovo-neónového laserového žiarenia spôsobuje zmeny v bunkovej membráne odlišné typy a stimuláciu ich funkčnej aktivity. Zmeny v cytoplazmatickej membráne v kultivovaných bunkách čínskeho škrečka ožiarených hélium-neónovým laserom odhalili aj AK Abdvakhitova a kol. nami používané.

V hypotéze, ktorú predložil maďarský chirurg E. Mester spolu so skupinou fyzikov, sa pokúsil vysvetliť biostimulačnú aktivitu laserového žiarenia výlučne jeho polarizáciou: vďaka polarizácii žiarenia je schopný reagovať s tzv. polárnych lipidových molekúl v dvojitej lipidovej vrstve cytoplazmatickej membrány, čo spúšťa reťazec zmien v bunke. Podľa navrhovaného modelu by stimulačný účinok nemal závisieť od vlnovej dĺžky žiarenia. Experimentálne údaje to však nepotvrdzujú.

Spoľahlivá reprodukovateľnosť biostimulačného efektu umožnila ísť ďalej a pokúsiť sa zistiť, či tento efekt spôsobuje len laserové (koherentné, polarizované) žiarenie a ako závisí od vlnovej dĺžky. Na tento účel sa pomocou rozetového testu hodnotil účinok monochromatického červeného svetla (633 ± 5 nm) získaného z xenónovej lampy pomocou difrakčného monochromátora na lymfocyty ľudskej krvi. Zistilo sa, že pri porovnateľnej dávke nekoherentného červeného svetla (3 J / m 3) bol proces tvorby rozety stimulovaný rovnako ako pri použití hélium-neónového lasera.

Ďalej sa porovnával účinok červeného svetla s účinkom žiarenia z iných úzkych spektrálnych oblastí viditeľnej oblasti. Aktivita svetla bola hodnotená jeho vplyvom na tri procesy: tvorbu E-roziet ľudskými lymfocytmi, množenie kultivačných L buniek a uvoľňovanie látky s absorpčným maximom 265 nm do média lymfocytmi z myší. . (Posledný test bol rozvinutím výsledkov uskutočnených pozorovaní a bol založený na skutočnosti, že uvoľňovanie určitého chemického faktora, ktorý má absorpčný pás v oblasti 260-265 nm, sa zvyšuje z exponovaných buniek. na laserové ožarovanie.) a rovnaké spektrálne oblasti: červená (633 nm), zelená (500 a 550 nm) a fialová (415 nm).

Vykonané štúdie teda umožnili odhaliť v rôznych bunkách ľudí a zvierat prítomnosť vysokej citlivosti na svetlo, dokonca výrazne vyššej, ako by sa dalo očakávať na základe klinické výsledky laserová biostimulačná terapia. Táto citlivosť nebola spôsobená koherenciou a polarizáciou svetla a nebola obmedzená na červenú oblasť spektra: spolu s maximom v tejto oblasti boli dve ďalšie - vo fialovej a zelenej oblasti spektra.

Pomocou odlišného metodologického prístupu (stanovenie intenzity syntézy DNA v bunkách kultúry HeLa inkorporáciou značeného tymidínu) T. Y. Karu a kol., (1982, 1983) tiež ukázali, že účinok biostimulácie nie je spojený s koherenciou a polarizáciou svetla. Pri ich experimentoch s ožarovaním buniek červeným svetlom bola maximálna stimulácia syntézy DNA pozorovaná pri dávke 100 J/m2 a pri jej zmene v akomkoľvek smere rapídne klesal účinok. Pri porovnaní radiačnej aktivity v rôznych častiach spektra boli stanovené tri maximá: blízko 400, 630 a 760 nm.

K mechanizmu svetelnej biostimulácie. môže súvisieť s tvorbou v ožiarených bunkách a ich uvoľňovaním chemického faktora, ktorý bol detegovaný v médiu na vrchole absorpcie svetla blízko 265 nm. Na objasnenie podstaty tohto faktora sa uskutočnila papierová chromatografia a elektroforéza na agarózovom géli s vizualizáciou zón etídium bromidom, čo umožnilo detegovať dvojvláknovú DNA s molekulovou hmotnosťou v materiáli vylučovanom bunkami. Dvojvláknová štruktúra DNA bola potvrdená objavením sa hyperchrómneho efektu pri zahrievaní.

Informácie v literatúre o schopnosti nukleových kyselín urýchliť obnovu poškodených tkanív [Belous AM et al., 1974] potvrdili možné zapojenie faktora DNA vylučovaného bunkami do svetelnej biostimulácie. Na overenie tejto hypotézy sa uskutočnil experiment na bunkách línie L, z ktorých niektoré boli ožiarené hélium-neónovým laserom a druhá časť, ktorá nebola ožiarená, bola umiestnená do média odobraného z ožiarené bunky, a preto obsahujú DNA faktor. Stanovenie rýchlosti rastu (mitotickej aktivity) buniek ukázalo, že v oboch skupinách bol vývoj buniek stimulovaný rovnakým spôsobom ako v kontrolnej skupine. Okrem toho deštrukcia DNA v médiu odobratom z ožiarených buniek pomocou enzýmu DNázy zneškodnila toto médium biostimulačnej aktivity. Samotná DNáza nemala prakticky žiadny vplyv na rast buniek.

Preto sa možno domnievať, že pri pôsobení na tkanivá celého organizmu (napríklad pri laserovej terapii trofických vredov) ožarovanie buniek na periférii patologického ložiska vedie k ich uvoľneniu DNA faktora, ktorý stimuluje rast fibroblastických prvkov v tkanivách obklopujúcich vred, čím urýchľuje jeho hojenie. Jednoznačný dôkaz o tom však možno získať len pri pokusoch na zvieratách.

Uvedené údaje sú teda zjavne dôvodom na použitie lasera (alebo všeobecne svetelnej biostimulácie) na terapeutické účely a naznačujú spôsoby ďalší vývoj túto metódu. Tieto údaje majú aj širší fytobiologický význam, spočívajúci v tom, že po prvýkrát bola stanovená špecifická svetelná citlivosť neretinálnych (nezrakových) buniek ľudí a zvierat, ktorá sa vyznačuje množstvom znakov. Táto citlivosť je spektrálne závislá a extrémne vysoká: hustoty výkonu, ktoré sme použili, rovné desatinám wattu na meter štvorcový, sú porovnateľné s tými, ktoré sú účinné pre fotoregulačné systémy rastlín. Test izolácie DNA faktora, takúto fotosenzitivitu majú ľudské bunky a zvieratá rôznych druhov, odobraté z tkanív a orgánov: lymfocyty myší, psov a ľudí, bunky pečene potkanov, bunky kultúr získaných z ľudských fibroblastov, obličky škrečkov a malígne myšie fibroblasty .

Všetky tieto skutočnosti potvrdzujú predpoklad, že cicavce majú špeciálny systém vnímania svetla, možno podobný fytochrómovému systému rastlín a vykonávajúci aj regulačné funkcie. O podobnosti predpokladaného fotosenzitívneho systému živočíchov so systémom fytochrómnej regulácie svedčí porovnanie ich hlavných vlastností. Okrem vysokej citlivosti na svetlo sa fytochromický systém vyznačuje poddávkovaním (spúšťacím) charakterom účinku, čo jeden si pamätá a možno vysvetľuje veľkú variabilitu dávok (s rozdielmi dvoch rádov), ktoré lekári používajú na laserovú biostimuláciu; konjugácia fytochrómového systému (ako aj nami opísané účinky) s bunkovými membránami; kontrola fytochrómového systému nad syntézou DNA, RNA a proteínu, ktorých tvorba v tkanivách ožiarených hélium-neónovým laserom je podľa mnohých autorov tiež posilnená.

V prípade, že živočíšne bunky skutočne majú špecializovaný fotosenzitívny systém, potom pomocou experimentov na určenie spektra účinku (závislosť veľkosti biologickej reakcie od vlnovej dĺžky) sa možno pokúsiť stanoviť absorpčné spektrum (a podľa nej chemická individualita) zlúčeniny, ktorá je primárnym akceptorom svetla a spúšťa reťazec procesov, ktoré v konečnom dôsledku vedú k fotoregulačným účinkom. Korešpondencia medzi akčnými spektrami a absorpčným spektrom akceptora svetla je však dosiahnutá len vtedy, ak je splnených množstvo metodických podmienok pri zostavovaní experimentov, čo je v praxi veľmi náročná úloha.

Napriek tomu si nemožno nevšimnúť podobnosť všetkých troch kriviek charakterizujúcich spektrálnu závislosť rôznych nami testovaných biologických účinkov s typickým absorpčným spektrom porfyrínových zlúčenín. To naznačuje, že akceptorom svetla v hypotetickom systéme fotoregulácie živočíšnych buniek je nejaká zlúčenina zo skupiny porfyrínov, ktoré, ako viete, sú súčasťou mnohých dôležitých biochemických zložiek živočíšneho tela - hemoglobínu, cytochrómov, mnohých SM Zubkov (1978) naznačil, že biostimulačný účinok héliovo-neónového laserového žiarenia je spojený s jeho absorpciou enzýmom katalázou obsahujúcim porfyrín, ktorý má maximum absorpcie svetla ~ 628 nm. Ožarovanie buniek na periférii patologického ložiska vedie k ich uvoľneniu faktora DNA, ktorý stimuluje rast fibroblastických prvkov v tkanivách obklopujúcich vred, čím sa urýchľuje jeho hojenie. Jednoznačný dôkaz o tom však možno získať len pri pokusoch na zvieratách.

Uvedené údaje sú teda zjavne odôvodnením vhodnosti použitia lasera (alebo vo všeobecnosti svetelnej biostimulácie) na terapeutické účely a naznačujú spôsoby ďalšieho rozvoja tejto metódy. Tieto údaje majú aj širší fytobiologický význam, spočívajúci v tom, že po prvýkrát bola stanovená špecifická svetelná citlivosť neretinálnych (nezrakových) buniek ľudí a zvierat, ktorá sa vyznačuje množstvom znakov. Táto citlivosť je spektrálne závislá a extrémne vysoká: použité výkonové hustoty, rovné desatinám wattu na meter štvorcový, sú porovnateľné s tými, ktoré sú účinné pre fotoregulačné systémy rastlín. Ako bolo možné zistiť pomocou testu izolácie faktora DNA, takúto fotosenzitivitu majú ľudské a zvieracie bunky rôznych druhov odobratých z tkanív a orgánov: lymfocyty myší, psov a ľudí, bunky pečene potkanov, bunky získaných kultúr. z ľudských fibroblastov, obličiek škrečkov a malígnych myších fibroblastov.

Všetky tieto skutočnosti potvrdzujú predpoklad, že cicavce majú špeciálny systém vnímania svetla, možno podobný fytochrómovému systému rastlín a vykonávajúci aj regulačné funkcie. O podobnosti domnelého fotosenzitívneho systému živočíchov so systémom regulácie fytochrómu svedčí porovnanie ich hlavných znakov. Okrem vysokej citlivosti na svetlo je fytochromický systém charakterizovaný poddávkovaním (spúšťacím) charakterom účinku, vďaka čomu si človek pamätá a možno vysvetľuje veľkú variabilitu dávok (s rozdielmi dvoch rádov), ktoré lekári používajú na laserová biostimulácia; konjugácia fytochrómového systému (ako aj nami opísané účinky) s bunkovými membránami; kontrola fytochrómového systému nad syntézou DNA, RNA a proteínu, ktorých tvorba v tkanivách ožiarených hélium-neónovým laserom je podľa mnohých autorov tiež posilnená.

V prípade, že živočíšne bunky skutočne majú špecializovaný fotosenzitívny systém, potom pomocou experimentov na určenie spektra účinku (závislosť veľkosti biologickej reakcie od vlnovej dĺžky) sa možno pokúsiť stanoviť absorpčné spektrum (a podľa nej chemická individualita) zlúčeniny, ktorá je primárnym akceptorom svetla a spúšťa reťazec procesov, ktoré v konečnom dôsledku vedú k fotoregulačným účinkom. Korešpondencia medzi akčným spektrom a absorpčným spektrom akceptora svetla je však dosiahnutá len vtedy, ak je splnených množstvo metodických podmienok pri zostavovaní experimentov, čo je v praxi veľmi náročná úloha.

LITERATÚRA

1. A. N. REMIZOV "LEKÁRSKA A BIOLOGICKÁ FYZIKA"

2. „LASERY V CHIRURGII“ REDAKCIA PROF. OK SKOBELKINA

3. REDAKCIA "LASERY V KLINICKEJ MEDICÍNE" OD S. D. PLETNEVA

Aplikácia lasera a žiarenia v medicíne. Lasery v modernej medicíne

ÚVOD

LASERY A ICH POUŽITIE V MEDICÍNE

Charakteristika niektorých typov laserov.

Nové články

Populárne články