Лазерное излучение в медицине представляет собой вынужденную или стимулированную волну оптического диапазона длиной от 10 нм до 1000 мкм (1 мкм=1000 нм).

Лазерное излучение имеет :
- когерентность - согласованное протекание во времени нескольких волновых процессов одной частоты;
- монохроматичность - одна длина волны;
- поляризованность - упорядоченность ориентации вектора напряженности электромагнитного поля волны в плоскости, перпендикулярной ее распространению.

Физическое и физиологическое действие лазерного излучения

Лазерное излучение (ЛИ) обладает фотобиологической активностью. Биофизические и биохимические реакции тканей на ЛИ различны и зависят от диапазона, длины волны и энергии фотона излучения:

ИК-излучение (1000 мкм - 760 нм, энергия фотонов 1-1,5 ЭВ) проникает на глубину 40-70 мм, вызывает колебательные процессы - тепловое действие;
- видимое излучение (760-400 нм, энергия фотонов 2,0-3,1 ЭВ) проникает на глубину 0,5-25 мм, вызывает диссоциацию молекул и активацию фотохимических реакций;
- УФ-излучение (300-100 нм, энергия фотонов 3,2-12.4 ЭВ) проникает на глубину 0,1-0,2 мм, вызывает диссоциацию и ионизацию молекул -фотохимическое действие.

Физиологическое действие низкоинтенсивного лазерного излучения (НИЛИ) реализуется нервным и гуморальным путем :

Изменение в тканях биофизических и химических процессов;
- изменение обменных процессов;
- изменение метаболизма (биоактивация);
- морфологические и функциональные изменения в нервной ткани;
- стимуляция сердечно-сосудистой системы;
- стимуляция микроциркуляции;
- повышение биологической активности клеточных и тканевых элементов кожи, активизирует внутриклеточные процессы в мышцах, окислительно-восстановительные процессы, образование миофибрилл;
- повышает устойчивость организма.

Высокоинтенсивное лазерное излучение (10,6 и 9,6 мкм) вызывает :

Термический ожог ткани;
- коагуляцию биологических тканей;
- обугливание, сгорание, испарение.

Лечебное действие низкоинтенсивного лазера (НИЛИ)

Противовоспалительное, снижение отечности ткани;
- аналгезирующее;
- стимуляция репаративных процессов;
- рефлексогенное воздействие - стимуляция физиологических функций;
- генерализованное воздействие - стимуляция иммунного ответа.

Лечебное действие высокоинтенсивного лазерного излучения

Антисептическое действие, образование коагуляционной пленки, защитный барьер от токсических агентов;
- резание тканей (лазерный скальпель);
- сварка металлических протезов, ортодонтических аппаратов.

Показания НИЛИ

Острые и хронические воспалительные процессы;
- травма мягких тканей;
- ожог и отморожение;
- кожные заболевания;
- заболевания периферической нервной системы;
- заболевания опорно-двигательного аппарата;
- сердечно-сосудистые заболевания;
- заболевания органов дыхания;
- заболевания желудочно-кишечного тракта;
- заболевания мочеполовой системы;
- заболевания уха, горла, носа;
- нарушения иммунного статуса.

Показания к лазерному излучению в стоматологии

Заболевания слизистой оболочки полости рта;
- заболевания пародонта;
- некариозные поражения твердых тканей зубов и кариес;
- пульпит, периодонтит;
- воспалительный процесс и травма челюстно-лицевой области;
- заболевания ВНЧС;
- лицевые боли.

Противопоказания

Опухоли доброкачественные и злокачественные;
- беременность до 3-х месяцев;
- тиреотоксикоз, диабет 1 типа, болезни крови, недостаточность функции дыхания, почек, печени, кровообращения;
- лихорадочные состояния;
- психические заболевания;
- наличие имплантированного водителя ритма;
- судорожные состояния;
- индивидуальная непереносимость фактора.

Аппаратура

Лазеры - техническое устройство, испускающее излучение в узком оптическом диапазоне. Современные лазеры классифицируются :

По активному веществу (источник индуцированного излучения) -твердотельные, жидкостные, газовые и полупроводниковые;
- по длине волны и излучения - инфракрасные, видимые и ультрафиолетовые;
- по интенсивности излучения - низкоинтенсивные и высокоинтенсивные;
- по режиму генерации излучения - импульсный и непрерывный.

Аппараты комплектуются излучающими головками и специализированными насадками - стоматологические, зеркальные, акупунктурные, магнитные и др., обеспечивающие эффективность проводимого лечения. Сочетанное использование лазерного излучения и постоянного магнитного поля усиливает лечебный эффект. Серийно производятся в основном три вида лазерной терапевтической аппаратуры:

1) на базе гелий-неоновых лазеров, работающих в непрерывном режиме генерации излучения с длиной волны 0,63 мкм и выходной мощностью 1-200 мВт:

УЛФ-01, «Ягода»
- АФЛ-1, АФЛ-2
- ШАТЛ-1
- АЛТМ-01
- ФАЛМ-1
- «Платан-М1»
- «Атолл»
- АЛОК-1 - аппарат лазерного облучения крови

2) на базе полупроводниковых лазеров, работающих в непрерывном режиме генерации излучения с длиной волны 0,67-1,3 мкм и выходной мощностью 1-50 мВт:

АЛТП-1, АЛТП-2
- «Изель»
- «Мазик»
- «Вита»
- «Колокольчик»

3) на базе полупроводниковых лазеров, работающих в импульсном режиме генерации излучения с длиной волны 0,8-0,9 мкм, мощностью импульса 2-15 Вт:

- "Узор", "Узор-2К"
- "Лазурит-ЗМ"
- "Люзар-МП"
- "Нега"
- "Азор-2К"
- "Эффект"

Аппараты для магнитолазерной терапии:

- "Млада"
- АМЛТ-01
- "Светоч-1"
- "Лазурь"
- "Эрга"
- МИЛТА - магнито-инфракрасный

Техника и методика лазерного излучения

Воздействие ЛИ проводят на очаг поражения или органа, сегментарно-метамерной зоны (накожно), биологически активной точки. При лечении глубокого кариеса и пульпита биологическим методом облучение проводят в области дна кариозной полости и шейки зуба; периодонтита - световод вводят в корневой канал, предварительно механически и медикаментозно обработанный, и продвигают до верхушки корня зуба.

Методика проведения лазерного облучения - стабильная, стабильно-сканирующая или сканирующая, контактная или дистанционная.

Дозирование

Ответные реакции на ЛИ зависят от параметров дозирования:

Длина волны;
- методика;
- режим работы - непрерывный или импульсный;
- интенсивность, плотность мощности (ПМ): низкоинтенсивное ЛИ -мягкое (1-2 мВт) применяют для воздействия на рефлексогенные зоны; среднее (2-30 мВт) и жесткое (30-500 мВт) - на область патологического очага;
- время воздействия на одно поле - 1-5 мин, суммарное время не более 15 мин. ежедневно или через день;
- курс лечения 3-10 процедур, повторный через 1-2 месяца.

Техника безопасности

Глаза врача и пациента защищают очками СЗС-22, СЗО-33;
- нельзя смотреть на источник излучения;
- стены кабинета должны быть матовыми;
- нажимать на кнопку «пуск» после установки излучателя на патологический очаг.

В современной медицине используется множество достижений науки и техники. Они помогают своевременной диагностике заболеваний и способствуют их успешной терапии. Медики активно применяют в своей деятельности возможности лазерного излучения. В зависимости от длины волн оно может по-разному влиять на ткани организма. Поэтому учеными было изобретено много медицинских многофункциональных приборов, которые широко используются в клинической практике. Обсудим применение лазера и излучений в медицине чуть более подробно.

Лазерная медицина развивается по трем основным направлениям: в хирургии, терапии и диагностике. Влияние лазерного излучения на ткани определяется диапазоном излучения, длиной волны и энергией фотона излучателя. В целом все виды влияния лазера в медицине на организм можно разделить на две группы

Низкоинтенсивное лазерное излучение;
- высокоинтенсивное лазерное излучение.

Как влияет на организм низкоинтенсивное лазерное излучение?

Воздействие таким лазером может вызывать изменение в тканях организма биофизичеческих, а также химических процессов. Также такая терапия приводит к изменениям метаболизма (обменных процессов) и к его биоактивации. Влияние лазером низкой интенсивности вызывает морфологические и функциональные изменения нервных тканей.

Также такое воздействие стимулирует сердечно-сосудистую систему и микроциркуляцию.
Еще лазер низкой интенсивности повышает биологическую активность клеточных, а также тканевых кожных элементов, приводит к активации внутриклеточных процессов в мышцах. Его использование позволяет запустить окислительно-восстановительные процессы.
Кроме всего прочего подобный метод воздействия положительно сказывается на общей устойчивости организма.

Какой лечебный эффект достигается при применении низкоинтенсивного лазерного излучения?

Такой способ терапии способствует устранению воспаления, снижению отечности, устранению болезненных ощущений и активации процессов регенерации. Кроме того он стимулирует физиологические функции и иммунный ответ.

В каких случаях медики могут применять низкоинтенсивное лазерное излучение?

Такой метод воздействия показан пациентам с острыми и хроническими воспалительными процессами различной локализации, травмами мягких тканей, ожогами, обморожениями и кожными недугами. Есть смысл использовать его при недугах периферический нервной системы, болезнях опорно-двигательного аппарата и при многих заболеваниях сердца и сосудов.

Также низкоинтенсивное лазерное излучение применяется в терапии органов дыхания, пищеварительного тракта, мочеполовой системы, ЛОР-заболеваний и нарушений иммунного статуса.

Такой метод терапии широко применяется в стоматологии: при коррекции недугов слизистых оболочек ротовой полости, болезней пародонта и ВНЧС (височно-нижнечелюстного сустава).

Кроме того таким лазером лечат некариозные поражения, возникшие в твердых тканях зубов, кариес, пульпиты и периодонтиты, лицевые боли, воспалительные поражения и травмы челюстно-лицевого участка.

Применение в медицине высокоинтенсивного лазерного излучения

Высокоинтенсивное лазерное излучение чаще всего применяют в хирургии, причем в разных ее областях. Ведь влияние высокоинтенсивным лазерным излучением помогает разрезать ткани (действует как лазерный скальпель). Иногда его используют для достижения антисептического эффекта, для формирования коагуляционной пленки и для образования защитного барьера от агрессивных воздействий. Кроме того такой лазер может применяться при сварке металлических протезов и различных ортодонтических приспособлений.

Как влияет высокоинтенсивное лазерное излучение на организм?

Такой метод воздействия вызывает термический ожог тканей или приводит к их коагуляции. Он становится причиной испарения, сгорания или обугливания соответствующих участков.

Когда используется высокоинтенсивное лазерное излучение

Такой метод воздействия на организм широко применяется при выполнении самых разных оперативных вмешательств в области урологии, гинекологии, офтальмологии, отоларингологии, ортопедии, нейрохирургии и пр.

При этом лазерная хирургия имеет массу плюсов:

Практически бескровные операции;
- максимальная асептичность (стерильность);
- минимум послеоперационных осложнений;
- минимум воздействия на соседние ткани;
- короткий послеоперационный период;
- высокоточность;
- снижение вероятности формирования рубцов.

Лазерная диагностика

Этот метод диагностики является прогрессивным и развивающимся. Он позволяет определить многие серьезнейшие заболевания на ранней стадии развития. Есть данные, что лазерная диагностика помогает в выявлении рака кожи, костных тканей и внутренних органов. Ее применяют в офтальмологии – для обнаружения катаракты и определения ее стадии. Кроме того такой метод исследования практикуют гематологи – для того чтобы исследовать качественные и количественные изменения кровяных клеточек.

Лазер эффективно определяет границы здоровых и патологических тканей, его можно использовать в сочетании с эндоскопической аппаратурой.

Использование излучения в медицине прочей природы

Медики широко используют различные виды излучений в терапии, диагностике и профилактике разных состояний. Чтобы узнать про применение излучений просто перейдите по интересующим ссылкам:

Рентгеновские лучи в медицине
- радиоволны
- тепловые и ионизирующие лучи
- ультрафиолетовое излучение в медицине
- инфракрасное излучение в медицине

Слово LASER (Light Amplifacation by the Stimulated Emission ) с английского переводится как Усиление Света путем Стимулирования Излучения . Само действие лазера было описано еще Энштейном в далеком 1917 году, но первый работающий лазер был построен лишь спустя 43 года Теодором Мейманом, который работал в компании Hugрes Aircraft. Для получения миллисекундных импульсов лазерного излучения он использовал кристалл искусственного рубина как активную среду. Длина волны того лазера была 694 нм. Через некоторое время был испробован уже лазер с длиной волны в 1060 нм, что является ближней ИК-областью спектра. В качестве активной среды в этом лазере выступали стеклянные стержни, легированные неодимом.

Но практического применения в то время лазер не имел. Ведущие специалисты-физики искали ему предназначение в различных сферах деятельности человека. Первые экспериментальные опыты с лазером в медицине были не совсем успешные. Лазерное излучение, на тех волнах довольно плохо поглощалось, точно контролировать мощность еще не было возможности. Однако в 60-х годах лазер на красном рубине хорошо себя показал в офтальмологии.

История применения лазеров в медицине

В 1964 году был разработан и опробован аргоновый ионный лазер. Это был лазер непрерывного излучения с сине-зеленой областью спектра и длиной волны в 488 нм. Это газовый лазер и контролировать мощность его было легче. Гемоглобин хорошо поглощал его излучение. Спустя короткое время стали появляться лазерные системы на основе аргонового лазера, которые помогали в лечении заболеваний сетчатки глаза.

В том же 64 году в лаборатории Bell был разработан лазер на алюмоитриевом гранате, легированным неодимом () и . СО2 — это газовый лазер, у которого излучение имеет непрерывный характер, с длиной волны 1060 нм. Вода очень хорошо поглощает его излучение. А так как мягкие ткани у человека в основном состоят из воды, то лазер СО2 стал хорошей альтернативой обычному скальпелю. При использовании этого лазера для разрезания тканей сводится к минимуму кровопотеря. В 70-х годах углекислотные лазеры нашли широкое применение в госпиталях при институтах в США. Сфера применения в то время для лазерных скальпелей: гинекология и отоларингология.

1969 год стал годом разработки первого импульсного лазера на красителях, а уже в 1975 году появился первый эксимерный лазер. Начиная с этого времени лазер стал активно использоваться и внедряться в различные сферы деятельности.

Широкое распространение лазеры в медицине начали получать в 80-х годах в больницах и клиниках США. В большинстве своем тогда использовались углекислотные и аргоновые лазеры и применялись они в хирургии и офтальмологии. В недостатки лазеров того времени можно записать то, что у них было постоянное непрерывное излучение, которое исключало возможность более точной работы, что приводило к тепловым поражениям тканей вокруг обрабатываемой зоны. Успешное применение лазерных технологий в то время требовало колоссального опыта работы.

Следующим шагом в разработке лазерных технологий для медицины стало изобретение импульсного лазера. Такой лазер позволял воздействовать исключительно на проблемную зону, без повреждения окружающих тканей. И в 80-х годах появились первые . Это стало началом применения лазеров в косметологии. Такие лазерные системы могли удалять капиллярные гемангиомы и родимые пятна. Чуть позже появились лазеры способные . Это были лазеры с модуляцией добротности (Q-switched lser).

Начало 90-х годов были разработаны и внедрены технологии сканирования. Точность лазерной обработки теперь контролировалась компьютером и появилась возможность проводить лазерную шлифовку кожи (), что значительно подняло популярность и .

Сегодня область применения лазеров в медицине очень широкая. Это хирургия, офтальмология, стоматология, нейрохирургия, косметология, урология, гинекология, кардиология и т.д. Вы можете себе представить, что когда то лазер лишь был неплохой альтернативой скальпелю, а сегодня с его помощью можно удалять раковые клетки, производить очень точные операции на различных органах, диагностировать серьезные заболевания на самых ранних стадиях, такие как рак. Сейчас лазерные технологии в медицине идут в сторону развития комбинированных методов лечения, когда на ряду с лазерной терапией применяют физиотерапию,медикаменты, УЗ. К примеру в лечении гнойных заболеваний был разработан комплекс мероприятий, который включает лазерную обработку, использование антиоксидантов и различных биологически активных материалов.

Лазерные технологии и медицина должны идти рука об руку в будущее. Даже уже сегодня новейшие разработки в лазерной медицине помогают в удалении раковых опухолей, применяются в коррекции тела в косметологии и зрения в офтальмологии. Малоинвазивная хирургия, когда с использованием лазера делаются очень сложные операции.

Дополнительная информация:

ВВЕДЕНИЕ

Основными инструментами, которые применяет хирург для диссекции тканей, являются скальпель и ножницы, т. е. режущие инструменты. Однако раны и разрезы, производимые скальпелем и ножницами, сопровождаются кровотечением, требующим применения специальных мер гемостаза. Кроме того, при контакте с тканями режущие инструменты могут распространять микрофлору и клетки злокачественных опухолей вдоль линии разреза. В связи с этим с давних пор хирурги мечтали иметь в своем распоряжении такой инструмент, который производил бы бескровный разрез, одновременно уничтожая патогенную микрофлору и опухолевые клетки в операционной ране. Вмешательства на «сухом операционном поле» являются идеалом для хирургов любого профиля.

Попытки создать «идеальный» скальпель относятся к концу прошлого века, когда был сконструирован так называемый электронож, работающий с использованием токов высокой частоты. Этот прибор в более совершенных вариантах в настоящее время применяют довольно широко хирурги различных специальностей. Однако по мере накопления опыта выявлены отрицательные стороны «электрохирургии», основной из которых является слишком большая зона термического ожога тканей в области проведения разреза. Известно, что чем шире зона ожога, тем хуже заживает хирургическая рана. Кроме того, при использовании электроножа возникает необходимость включения тела больного в электрическую цепь. Электрохирургические аппараты отрицательно влияют на работу электронных приборов и устройств слежения за жизнедеятельностью организма во время операции. Криохирургические аппараты также вызывают значительное повреждение тканей, ухудшающее процесс заживления. Скорость рассечения тканей криоскальпелем очень низка. Фактически при этом происходит не рассечение, а деструкция тканей. Значительную зону ожога наблюдают и при использовании плазменного скальпеля. Если принять во внимание, что луч лазера обладает выраженными гемостатическими свойствами, а также способностью герметизировать бронхиолы, желчевыводящие протоки и протоки поджелудочной железы, то применение лазерной техники в хирургии становится исключительно перспективным. Кратко перечисленные некоторые достоинства применения лазеров в хирургии относятся прежде всего к лазерам на углекислом газе (С0 2 -лазерам). Кроме них, в медицине применяют лазеры, работающие на других принципах и на других рабочих веществах. Эти лазеры обладают принципиально другими качествами при воздействии на биологические ткани и применяющих по сравнительно узким показаниям, в частности в сердечно-сосудистой хирургии, в онкологии, для лечения хирургических заболеваний кожи и видимых слизистых оболочек и др.

ЛАЗЕРЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В МЕДИЦИНЕ

Несмотря на общую природу световых и радиоволн, многие годы оптика и радиоэлектроника развивались самостоятельно, независимо друг от друга. Казалось, что источники света -- возбужденные частицы и генераторы радиоволн -- имеют мало общего. Лишь с середины XX столетия появились работы по созданию молекулярных усилителей и генераторов радиоволн, которые положили начало новой самостоятельной области физики -- квантовой электронике.

Квантовая электроника изучает методы усиления и генерации электромагнитных колебаний с использованием вынужденного излучения квантовых систем. Достижения в этой области знаний находят все большее применение в науке и технике. Ознакомимся с некоторыми явлениями, лежащими в основе квантовой электроники и работы оптических квантовых генераторов -- лазеров.

Лазеры представляют собой источники света, работающие на базе процесса вынужденного (стимулированного, индуцированного) испускания фотонов возбужденными атомами или молекулами под воздействием фотонов излучения, имеющих ту же частоту. Отличительной чертой этого процесса является то, что фотон, возникающий при вынужденном испускании, идентичен вызвавшему его появление внешнему фотону по частоте, фазе, направлению и поляризации. Это определяет уникальные свойства квантовых генераторов: высокая когерентность излучения в пространстве и во времени, высокая монохроматичность, узкая направленность пучка излучения, огромная концентрация потока мощности и способность фокусироваться в очень малые объемы. Лазеры создаются на базе различных активных сред: газообразной, жидкой или твердой. Они могут давать излучение в весьма широком диапазоне длин волн - от 100 нм (ультрафиолетовый свет) до 1.2 мкм (инфракрасное излучение) - и могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режимах.

Лазер состоит из трех принципиально важных узлов: излучателя, системы накачки и источника питания, работа которых обеспечивается с помощью специальных вспомогательных устройств.

Излучатель предназначен для преобразования энергии накачки (перевода гелий-неоновой смеси 3 в активное состояние) в лазерное излучение и содержит оптический резонатор, представляющий собой в общем случае систему тщательно изготовленных отражающих, преломляющих и фокусирующих элементов, во внутреннем пространстве которого возбуждается и поддерживается определенный тип электромагнитных колебаний оптического диапазона. Оптический резонатор должен иметь минимальные потери в рабочей части спектра, высокую точность изготовления узлов и их взаимной установки.

Создание лазеров оказалось возможным в результате реализации трех фундаментальных физических идей: вынужденного излучения, создания термодинамически неравновесной инверсной населенности энергетических уровней атомов и использования положительной обратной связи.

Возбужденные молекулы (атомы) способны излучать фотоны люминесценции. Такое излучение является спонтанным процессом. Оно случайно и хаотично по времени, частоте (могут быть переходы между разными уровнями), по направлению распространения и поляризации. Другое излучение -- вынужденное, или индуцированное -- возникает при взаимодействии фотона с возбужденной молекулой, если энергия фотона равна разности соответствующих уровней энергии. При вынужденном (индуцированном) излучении число переходов, совершаемых в секунду, зависит от числа фотонов, попадающих в вещество за это же время, т. е. от интенсивности света, а также от числа возбужденных молекул. Другими словами, число вынужденных переходов будет тем больше, чем выше населенность соответствующих возбужденных энергетических состояний.

Индуцированное излучение тождественно падающему во всех отношениях, в том числе и по фазе, поэтому можно говорить о когерентном усилении электромагнитной волны, что используется в качестве первой основополагающей идеи в принципах лазерной генерации.

Вторая идея, реализуемая при создании лазеров, заключается в создании термодинамически неравновесных систем, в которых вопреки закону Больцмана, на более высоком уровне находится больше частиц, чем на более низком. Состояние среды, в котором хотя бы для двух энергетических уровней оказывается, что число частиц с большей энергией превосходит число частиц с меньше энергией, называется состоянием с инверсной населенностью уровней, а среда -- активной. Именно активная среда, в которой фотоны взаимодействуют с возбужденными атомами, вызывая их вынужденные переходы на более низкий уровень с испускание квантов индуцированного (вынужденного) излучения, является рабочим веществом лазера. Состояние с инверсной населенностью, уровней формально получается из распределения Больцмана для Т < О К, поэтому иногда называется состоянием с «отрицательной» температурой. По мере распространения света в активной сред интенсивность его возрастает, имеет место явление, обратное поглощению, т. е. усиление света. Это означает, что в законе Бугера kX < 0, поэтому инверсная населенность соответствует среде с отрицательным показателем поглощения.

Состояние с инверсной населенностью можно создать, отбирая частицы с меньшей энергией или специально возбуждая частицы, например, светом или электрическим разрядом. Само по себе состояние с отрицательной температурой долго не существует.

Третья идея, используемая в принципах лазерной генерации, возникла в радиофизике и заключается в использовании положительной обратной связи. При ее осуществлении часть генерируемого вынужденного излучения остается внутри рабочего вещества и вызывает вынужденное излучение все новыми и новыми возбужденными атомами. Для реализации такого процесса активную среду помещают в оптический резонатор, состоящий обычно из двух зеркал, подобранных так, чтобы возникающее в нем излучение многократно проходило через активную среду, превращая ее в генератор когерентного вынужденного излучения.

Первый такой генератор в диапазоне СВЧ (мазер) был сконструирован в 1955 г. независимо советскими учеными Н. Г. Басоиым и А. М. Прохоровым и американскими -- Ч. Таунсом и др.. Так как работа этого прибора была основана на вынужденном излучении молекул аммиака, то генератор был назван молекулярным.

В 1960 г. был создан первый квантовый генератор видимого диапазона излучения -- лазер с кристаллом рубина в качестве рабочего вещества (активной среды). В том же году был создан газовый гелий-неоновый лазер. Все огромное многообразие созданных в настоящее время лазеров можно классифицировать по видам рабочего вещества: различают газовые, жидкостные, полупроводниковые и твердотельные лазеры. В зависимости от типа лазера энергия для создания инверсной населенности сообщается разными способами: возбуждение очень интенсивным светом -- «оптическая накачка», электрическим газовым разрядом, в полупроводниковых лазерах -- электрическим током. По характеру свечения лазеры подразделяют на импульсные и непрерывные.

Рассмотрим принцип работы твердотельного рубинового лазера. Рубин -- это кристалл окиси алюминия Аl 2 0 3 , содержащий в виде примеси примерно 0,05% ионов хрома Сг 3+ . Возбуждение ионов хрома осуществляют методом оптической накачки с помощью импульсных источников света большой мощности. В одной из конструкций применяют трубчатый отражатель, имеющий в сечении форму эллипса. Внутри отражателя помещены прямая ксеноновая импульсная лампа и рубиновый стержень, расположенные вдоль линий, проходящих через фокусы эллипса (рис. 1). Внутренняя поверхность алюминиевого отражателя хорошо отполирована или посеребрена. Основное свойство эллиптического отражателя заключается в том, что свет, вышедший из одного его фокуса (ксеноновой лампы) и отраженный от стенок, попадает в другой фокус отражателя (рубиновый стержень).

Рубиновый лазер работает по трехуровневой схеме (рис. 2 а). В результате оптической накачки ионы хрома переходят с основного уровня 1 в короткоживущее возбужденное состояние З. Затем происходит безызлучательный переход в долгоживущее (метастабильное) состояние 2, с которого вероятность спонтанного излучательного перехода относительно мала. Поэтому происходит накопление возбужденных ионов в состоянии 2 и создается инверсная населенность между уровнями 1 и 2. В обычных условиях переход со 2-го на 1-й уровень происходит спонтанно и сопровождается люминесценцией с длиной волны 694,3 нм. В резонаторе лазера есть два зеркала (см. рис. 1), одно из которых имеет коэффициент отражения R интенсивности отраженного и падающего на зеркало света), другое зеркало полупрозрачное и пропускает часть падающего на него излучения {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.

Наряду с рубиновым лазером, работающим по трехуровневой схеме, широкое распространение получили четырехуровневые схемы лазеров на ионах редкоземельных элементов (неодим, самарий и др.), внедренных в кристаллическую или стеклянную матрицы (рис. 24, б). В таких случаях инверсная населенность создается между двумя возбужденными уровнями: долгоживущий уровнем 2 и короткоживущим уровнем 2".

Очень распространенным газовым лазером является гелий-неоновый, возбуждение в котором возникает при электрическом разряде. Активной средой в нем служит смесь гелия и неона в соотношении 10:1 и давлении около 150 Па. Излучающими являются атомы неона, атомы гелия играют вспомогательную роль. На рис. 24, в показаны энергетические уровни атомов гелия и неона. Генерация происходит при переходе между 3 и 2 уровнями неона. Для того чтобы создать между ними инверсную населенность, необходимо заселить уровень 3 и опустошить уровень 2. Заселение уровня 3 происходит с помощью атомов гелия. При электрическом разряде электронным ударом происходит возбуждение атомов гелия в долгоживущее состояние (со временем жизни около 10 3 с). Энергия этого состояния очень близка к энергии уровня 3 неона, поэтому при соударении возбужденного атома гелия с невозбужденным атомом неона происходит передача энергии, в результате чего заселяется уровень 3 неона. Для чистого неона время жизни на этом уровне мало и атомы переходят на уровни 1 или 2, реализуется больцмановское распределение. Опустошение уровня 2 неона происходит в основном за счет спонтанного перехода его атомов в основное состояние при соударениях со стенками разрядной трубки. Так обеспечивается стационарная инверсная населенность уровней 2 и 3 неона.

Основным конструктивным элементом гелий-неонового лазер - (рис. 3) является газоразрядная трубка диаметром около 7 мм. В трубку вмонтированы электроды для создания газового разряда и возбуждения гелия. На концах трубки под углом Брюстера расположены окна, благодаря которым излучение оказывается плоскополяризованным. Плоскопараллельные зеркала резонатора монтируются вне трубки, одно из них полупрозрачное (коэффициент отражения R < 100%). Таким образом, пучок вынужденного излучения выходит наружу через полупрозрачное зеркало. Это лазер непрерывного действия.

Зеркала резонатора делают с многослойными покрытиями, и вследствие интерференции создается необходимый коэффициент отражения для заданной длины волны. Чаще всего используются гелий-неоновые лазеры, излучающие красный свет с длиной волны 632,8 нм. Мощность таких лазеров небольшая, она не превышает 100 мВт.

Применение лазеров основано на свойствах их излучения: высокая монохроматичность (~ 0,01 нм), достаточно большая мощность, узость пучка и когерентность.

Узость светового пучка и малая его расходимость позволили использовать лазеры для измерения расстояния между Землей и Луной (получаемая точность -- около десятков сантиметров), скорости вращения Венеры и Меркурия и др.

На когерентности лазерного излучения основано их применение в голографии. .На основе гелий-неонового лазера с использованием волоконной оптики разработаны гастроскопы, которые позволяют голографически формировать объемное изображение внутренней полости желудка.

Монохроматичность лазерного излучения очень удобна при возбуждении спектров комбинационного рассеяния света атомами и молекулами.

Широкое применение лазеры нашли в хирургии, стоматологии, офтальмологии, дерматологии, онкологии. Биологические эффекты лазерного излучения зависят как от свойств биологического материала, так и от свойств лазерного излучения.

Все лазеры, используемые в медицине, условно подразделяются на 2 вида: низкоинтенсивные (интенсивность не превышает 10 Вт/см 2 , чаще всего составляет около 0,1 Вт/см 2) -- терапевтические и высокоинтенсивные -- хирургические. Интенсивность наиболее мощных лазеров может достигать 10 14 Вт/см 2 , в медицине обычно используются лазеры с интенсивностью 10 2 -- 10 6 Вт/см 2 .

Низкоинтенсивные лазеры -- это такие, которые не вызывают заметного деструктивного действия на ткани непосредственно во время облучения. В видимой и ультрафиолетовой областях спектра их эффекты обусловлены фотохимическими реакциями и не отличаются от эффектов, вызываемых монохроматическим светом, полученным от обычных, некогерентных источников. В этих случаях лазеры являются просто удобными монохроматическими источниками света, обеспечивающими точную локализацию и дозированность воздействия. Примерами может служить использование света гелий-неоновых лазеров для лечения трофических язв, ишемической болезни сердца и др., а также криптоновых и др. лазеров для фотохимического повреждения опухолей в фотодинамической терапии.

Качественно новые явления наблюдаются при использовании видимого или ультрафиолетового излучения высокоинтенсивных лазеров. В лабораторных фотохимических экспериментах с обычными источниками света, а также в природе при действии солнечного света обычно осуществляется однофотонное поглощение. Об этом говорится во втором законе фотохимии, сформулированном Штарком и Эйнштейном: каждая молекула, участвующая в химической реакции, идущей под действием света, поглощает один квант излучения, который вызывает реакцию. Однофотонность поглощения, описываемая вторым законом, выполняется потому, что при обычных интенсивностях света практически невозможно одновременное попадание в молекулу, находящуюся в основном состоянии, двух фотонов. Если бы такое событие осуществилось, то выражение приобрело бы вид:

2hv = E t - E k ,

что означало бы суммирование энергии двух фотонов для перехода молекулы из энергетического состояния E k в состояние с энергией Е г. Не происходит также поглощения фотонов электронно-возбужденными молекулами, так как их время жизни мало, а обычно используемые интенсивности облучения невелики. Поэтому концентрация электронно-возбужденных молекул низка, и поглощение ими еще одного фотона чрезвычайно маловероятно.

Однако если увеличить интенсивность света, то становится возможным двухфотонное поглощение. Например, облучение растворов ДНК высокоинтенсивным импульсным лазерным излучением с длиной волны около 266 нм приводило к ионизации молекул ДНК, подобной вызываемой у-излучением. Воздействие ультрафиолета с низкой интенсивностью ионизации не вызывало. Установлено, что при облучении водных растворов нуклеиновых кислот или их оснований пикосекундными (длительность импульса 30 пс) или наносекундными (10 нс) импульсами с интенсивностями выше 10 6 Вт/см 2 приводило к электронным переходам, завершавшимся ионизацией молекул. При пикосекундных импульсах (рис. 4, а) заселение высоких электронных уровней происходило по схеме (S 0 --> S1 --> S n), а при hv hv наносекундных (рис. 4., б) -- по схеме (S 0 --> S1 -> Т г -> Т п). В обоих случаях молекулы получали энергию, превышающую энергию ионизации.

Полоса поглощения ДНК располагается в ультрафиолетовой области спектра при < 315 нм, видимый свет нуклеиновые кислоты совсем не поглощают. Однако воздействие высокоинтенсивным лазерным излучением около 532 нм переводит ДНК в электронно-возбужденное состояние за счет суммирования энергии двух фотонов (рис. 5).

Поглощение любого излучения приводит к выделению некоторого количества энергии в виде тепла, которое рассеивается от возбужденных молекул в окружающее пространство. Инфракрасное излучение поглощается главным образом водой и вызывает в основном тепловые эффекты. Поэтому излучение высокоинтенсивных инфракрасных лазеров вызывает заметное немедленное тепловое действие на ткани. Под тепловым воздействием лазерного излучения в медицине понимают в основном испарение (резание) и коагуляцию биотканей. Это касается различных лазеров с интенсивностью от 1 до 10 7 Вт/см 2 и с продолжительностью облучения от миллисекунд до нескольких секунд. К ним относятся, например, газовый С0 2 -лазер (с длиной волны 10,6 мкм), Nd:YAG-лазep (1,064 мкм) и другие. Nd:YAG-лазep -- наиболее широко исполь-зуемый твердотельный четырехуровневый лазер. Генерация осуществляется на переходах ионов неодима (Nd 3+),введенных в кристаллыY 3 Al 5 0 12 иттрий-алюминиевого граната (YAG).

Наряду с нагревом ткани происходит отвод части тепла за счет теплопроводности и тока крови. При температурах ниже 40 °С не обратимые повреждение не наблюдаются. При температуре 60 °С начинается денатурация белков, коагуляция тканей и некроз. При 100- 150 °С вызывается обезвоживание и обугливание, а при температурах свыше 300 °С ткань испаряется.

Когда излучение исходит от высокоинтенсивного сфокусированного лазера, количество выделяющегося тепла велико, в ткани возникает температурный градиент. В месте падения луча ткань испаряется, в прилегающих областях пронсходит обугливание и коагуляция (рис. 6). Фотоиспарение является способом послойного удаления или разрезания ткани. В результате коагуляции завариваются сосуды и останавливается кровотечение. Так сфокусированным лучом непрерывного С0 2 -лазера () с мощностью около 2 * 10 3 Вт/см 2 пользуются как хирургическим скальпелем для разрезания биологических тканей.

Если уменьшать длительность воздействия (10 - 10 с) и увеличивать интенсивность (выше 10 6 Вт/см 2), то размеры зон обугливания и коагуляции становятся пренебрежимо малыми. Такой процесс называют фотоабляцией (фотоудалением) и используют для послойного удаления ткани. Фотоабляция возникает при плотностях энергии 0,01--100 Дж/см 2 .

При дальнейшем повышении интенсивности (10 Вт/см и выше) возможен еще один процесс -- «оптический пробой». Это явление заключается в том, что из-за очень высокой напряженности электрического поля лазерного излучения (сравнимой с напряженностью внутриатомных электрических полей) материя ионизации, образуется плазма и генерируются механические ударные волны. Для оптического пробоя не требуется поглощения квантов света веществом в обычном смысле, он наблюдается прозрачных средах, например в воздухе.

лазер глаз медицина зрение

Лазеры, применяемые в медицине

С практической точки зрения, особенно для использования в медицине, лазеры классифицируют по типу активного материала, по способу питания, длине волны и мощности генерируемого излучения.

Активной средой может быть газ, жидкость или твердое тело. Формы активной среды также могут быть различными. Чаще всего для газовых лазеров используются стеклянные или металлические цилиндры, заполненные одним или несколькими газами. Примерно так же обстоит дело и с жидкими активными средами, хотя часто встречаются прямоугольные кюветы из стекла или кварца. Жидкостные лазеры -- это лазеры, в которых активной средой являются растворы определенных соединений органических красителей в жидком растворителе (воде, этиловом или метиловом спиртах и т.п.).

В газовых лазерах активной средой являются различные газы, их смеси или пары металлов. Эти лазеры разделяются на газоразрядные, газодинамические и химические. В газоразрядных лазерах возбуждение осуществляется электрическим разрядом в газе, в газодинамических -- используется быстрое охлаждение при расширении предварительно нагретой газовой смеси, а в химических -- активная среда возбуждается за счет энергии, освобождающейся при химических реакциях компонентов среды. Спектральный диапазон газовых лазеров значительно шире, чем у всех остальных типов лазеров. Он перекрывает область от 150 нм до 600 мкм.

Эти лазеры имеют высокую стабильность параметров излучения по сравнению с другими типами лазеров.

Лазеры на твердых телах имеют активную среду в форме цилиндрического или прямоугольного стержня. Таким стержнем чаще всего является специальный синтетический кристалл, например рубин, александрит, гранат или стекло с примесями соответствующего элемента, например эрбия, гольмия, неодима. Первый действующий лазер работал на кристалле рубина.

Разновидностью активного материала в виде твердого тела являются также полупроводники. В последнее время благодаря своей малогабаритности и экономичности полупроводниковая промышленность очень бурно развивается. Поэтому полупроводниковые лазеры выделяют в отдельную группу.

Итак, соответственно типу активного материала выделяют следующие типы лазеров:

Газовые;

Жидкостные;

На твердом теле (твердотельные);

Полупроводниковые.

Тип активного материала определяет длину волны генерируемого излучения. Различные химические элементы в разных матрицах позволяют выделить сегодня более 6000 разновидностей лазеров. Они генерируют излучение от области так называемого вакуумного ультрафиолета (157 нм), включая видимую область (385-760 нм), до дальнего инфракрасного (> 300 мкм) диапазона. Все чаще понятие "лазер", вначале данное для видимой области спектра, переносится также на другие области спектра.

Таблица 1 - лазеры применяемые в медицине.

Тип лазера	Агрегатное состояние активного вещества	Длина волны, нм	Диапазон излучения
			Инфракрасный
YAG:Er YSGG:Er YAG:Ho YAG:Nd	Твердое тело	2940 2790 2140 1064/1320	Инфракрасный
Полупроводниковый, например арсенид галлия	Твердое тело (полупроводник)		От видимого до инфракрасного
Рубиновый	Твердое тело
Гелий-неоновый (He-Ne)			Зеленый, ярко-красный, инфракрасный
На красителях	Жидкость	350-950 (перестраиваемая)	Ультрафиолет - инфракрасный
На парах золота
На парах меди			Зеленый/желтый
Аргоновый			Голубой, зеленый
Эксимерный: ArF KrF XeCI XeF			Ультрафиолет

Например, для более коротковолнового излучения, чем инфракрасное, используется понятие "рентгеновские лазеры", а для более длинноволнового, чем ультрафиолетовое, -- понятие "лазеры, генерирующие миллиметровые волны"

В газовых лазерах используется газ или смесь газов в трубе. В большинстве газовых лазеров используется смесь гелия и неона (HeNe), с первичным выходным сигналом в 632,8 нм (нм = 10~9 м) видимого красного цвета. Впервые такой лазер был разработан в 1961 году и стал предвестником целого семейства газовых лазеров. Все газовые лазеры довольно похожи по конструкции и свойствам.

Например, С02-газовый лазер излучает длину волны 10,6 мкм в дальней инфракрасной области спектра. Аргоновый и криптоновый газовые лазеры работают с кратной частотой, излучая преимущественно в видимой части спектра. Основные длины волн излучения аргонового лазера -- 488 и 514 нм.

Твердотельные лазеры используют лазерное вещество, распределенное в твердой матрице. Одним из примеров является неодим (Кё)-лазер. Термин АИГ является сокращением для кристалла -- алюмоиттриевый гранат, который служит как носитель для ионов неодима. Этот лазер излучает инфракрасный луч с длиной волны 1,064 мкм. Вспомогательные устройства, которые могут быть как внутренними, так и внешними по отношению к резонатору, могут использоваться для преобразования выходного луча в видимый или ультрафиолетовый диапазон. В качестве лазерных сред могут использоваться различные кристаллы с разными концентрациями ионов-активаторов: эрбия (Ег3+), гольмия (Но3+), тулия (Тт3+).

Выберем из этой классификации лазеры, наиболее пригодные и безопасные для медицинского использования. К более известным газовым лазерам, используемым в стоматологии, относятся С02-лазеры, He-Ne-лазеры (гелий-неоновые лазеры). Представляют интерес также газовые эксимерные и аргоновые лазеры. Из твердотельных лазеров наиболее популярным в медицине является лазер на YAG:Er, имеющий в кристалле эрбиевые активные центры. Все чаще обращаются к лазеру на YAG:Ho (с гольмиевыми центрами). Для диагностического и терапевтического применения используется большая группа как газовых, так и полупроводниковых лазеров. В настоящее время в производстве лазеров в качестве активной среды используется свыше 200 видов полупроводниковых материалов.

Таблица 2 - характеристики разнообразных лазеров.

Лазеры можно классифицировать по виду питания и режиму работы. Здесь выделяются устройства непрерывного или импульсного действия. Лазер непрерывного действия генерирует излучение, выходная мощность которого измеряется в ваттах или милливаттах.

При этом степень энергетического воздействия на биоткань характеризуется:

Плотностью мощности - отношение мощности излучения к площади сечения лазерного пучка р = P/s].

Единицы измерения в лазерной медицине -- [Вт/см 2 ], [мВт/см 2 ];

Дозой излучения П, равной отношению произведения мощности излучения [Р и времени облучения к площади сечения лазерного пучка. Выражается в [Вт * с/см 2 ];

Энергией [Е= Рt] -- произведение мощности на время. Единицы измерения -- [Дж], т.е. [Вт с].

С точки зрения мощности излучения (непрерывной или средней) медицинские лазеры делятся на:

Лазеры малой мощности: от 1 до 5 мВт;

Лазеры средней мощности: от 6 до 500 мВт;

Лазеры большой мощности (высокоинтенсивные): более 500 мВт. Лазеры малой и средней мощности причисляют к группе так называемых биостимулирующих лазеров (низкоинтенсивных). Биостимулирующие лазеры находят все более широкое терапевтическое и диагностическое использование в экспериментальной и клинической медицине.

С точки зрения режима работы лазеры делятся на:

Режим излучения непрерывный (волновые газовые лазеры);

Режим излучения смешанный (твердотельные и полупроводниковые лазеры);

Режим с модуляцией добротности (возможен для всех типов лазеров).