ЛАЗЕР (аббревиатура из начальных букв англ. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - усиление света стимулированным излучением ; син. оптический квантовый генератор ) - техническое устройство, испускающее фокусированное в виде пучка электромагнитное излучение в диапазоне от инфракрасного до ультрафиолетового, обладающее большой энергией и биологическим действием. Л. были созданы в 1955 г. Н. Г. Басовым, А. М. Прохоровым (СССР) и Ч. Таунсом (Ch. Townes, США), удостоенными за это изобретение Нобелевской премии 1964 г.
Главными частями Л. являются рабочее тело, или активная среда, лампа накачки, зеркальный резонатор (рис. 1). Лазерное излучение может быть непрерывным и импульсным. Полупроводниковые Л. могут работать в том и другом режимах. В результате сильной световой вспышки лампы накачки электроны активного вещества переходят из спокойного состояния в возбужденное. Действуя друг на друга, они создают лавину световых фотонов. Отражаясь от резонансных экранов, эти фотоны, пробивая полупрозрачный зеркальный экран, выходят узким монохроматическим световым пучком высокой энергии.
Рабочее тело Л. может быть твердым (кристаллы искусственного рубина с добавкой хрома, некоторые соли вольфрамовой и молибденовой к-т, различные виды стекол с примесью неодима и некоторых других элементов и др.), жидкостью (пиридин, бензол, толуол, бромнафталин, нитробензол и др.), газом (смесь гелия и неона, гелия и паров кадмия, аргон, криптон, углекислый газ и др.).
Для перевода атомов рабочего тела в возбужденное состояние можно применять световое излучение, поток электронов, поток радиоактивных частиц, хим. реакцию.
Если представить активную среду как кристалл искусственного рубина с примесью хрома, параллельные торцы к-рого оформлены в виде зеркала с внутренним отражением и одно из них полупрозрачное, и этот кристалл осветить мощной вспышкой лампы накачки, то в результате такого мощного засвета или, как принято называть, оптической накачки, большее число атомов хрома перейдет в возбужденное состояние.
Возвращаясь в основное состояние, атом хрома спонтанно излучает фотон, который сталкивается с возбужденным атомом хрома, выбивая из него другой фотон. Эти фотоны, встречаясь в свою очередь с другими возбужденными атомами хрома, опять выбивают фотоны, и этот процесс лавинно нарастает. Поток фотонов, многократно отражаясь от зеркальных торцов, все увеличивается до тех пор, пока плотность энергии излучения не достигнет предельного значения, достаточного для преодоления полупрозрачного зеркала, и вырвется наружу в виде импульса монохроматического когерентного (строго направленного) излучения, длина волны к-рого 694,3 нм и длительность импульса 0,5-1,0 мсек с энергией от долей до сотен джоулей.
Оценить энергию вспышки Л. можно на следующем примере: суммарная по спектру плотность энергии на поверхности Солнца составляет 10 4 вт/см 2 , а сфокусированный луч от Л. мощностью 1 Мвт создает интенсивность излучения в фокусе до 10 13 вт/см 2 .
Монохроматичность, когерентность, малый угол расхождения луча, возможность оптической фокусировки позволяют получить высокую концентрацию энергии.
Фокусированный луч Л. может быть направлен на площадь в несколько микрон. Этим достигается колоссальная концентрация энергии и создается чрезвычайно высокая температура в объекте облучения. Лазерное излучение плавит сталь и алмаз, разрушает любой материал.
Лазерные аппараты и области их применения
Особые свойства лазерного излучения - высокая направленность, когерентность и монохроматичность - открывают практически большие возможности для его применения в различных областях пауки, техники и медицины.
Для мед. целей применяются различные Л., мощность излучения которых определяется задачами оперативного или терапевтического лечения. В зависимости от интенсивности облучения и особенностей взаимодействия его с разными тканями достигаются эффекты коагуляции, экстирпации, стимуляции и регенерации. В хирургии, онкологии и офтальмол, практике применяются Л. мощностью в десятки ватт, а для получения стимулирующего и противовоспалительного эффектов - Л. мощностью в десятки милливатт.
С помощью Л. можно одновременно передавать огромное количество телефонных переговоров, осуществлять связь как в земных условиях, так и в космосе, производить локацию небесных тел.
Малое расхождение луча Л. позволяет применять их в маркшейдерской практике, строительстве крупных инженерных сооружений, для посадки самолетов, в машиностроении. Газовые Л. находят применение для получения объемных изображений (голография). В геодезической практике широко используются различные типы лазерных светодальномеров. Л. применяются в метеорологии, для контроля загрязнения окружающей среды, в измерительной и вычислительной технике, приборостроении, для размерной обработки микроэлектронных схем, инициирования хим. реакций и др.
В лазерной технологии находят применение как твердотельные, так и газовые Л. импульсного и непрерывного действия. Для резания, сверления и сварки различных высокопрочных материалов - сталей, сплавов, алмазов, часовых камней - выпускаются лазерные установки на углекислом газе (ЛУНД-100, ТИЛУ-1, Импульс), на азоте (Сигнал-3), на рубине (ЛУЧ-1М, К-ЗМ, ЛУЧ-1 П, СУ-1), на неодимовом стекле (Квант-9, Корунд-1, СЛС-10, Кизил) и др. В большинстве процессов лазерной технологии используется термическое действие света, вызываемое его поглощением обрабатываемым материалом. Для увеличения плотности потока излучения и локализации зоны обработки применяются оптические системы. Особенности лазерной технологии следующие: высокая плотность энергии излучения в зоне обработки, дающая за короткое время необходимый термический эффект; локальность воздействующего излучения, обусловленная возможностью его фокусировки, и световые пучки предельно малого диаметра; малая зона термического влияния, обеспечиваемая кратковременным воздействием излучения; возможность ведения процесса в любой прозрачной среде, через окна технол. камер и пр.
Мощность излучения Л., применяемых для контрольно-измерительных приборов систем наведения и связи, невелика, порядка 1-80 мвт. Для экспериментальных исследований (измерение скоростей потока жидкостей, изучение кристаллов и др.) используются мощные Л., генерирующие излучение в импульсном режиме с пиковой мощностью от киловатт до гектоватт и длительностью импульса 10 -9 -10 -4 сек. Для обработки материалов (резания, сварки, прошивки отверстий и др.) применяются различные Л. с выходной мощностью от 1 до 1000 ватт и более.
Лазерные устройства в значительной мере повышают эффективность труда. Так, лазерная резка дает значительную экономию сырья, мгновенная пробивка отверстий в любых материалах облегчает труд сверловщика, лазерный метод изготовления микросхем улучшает качество продукции и т. д. Можно утверждать, что Л. стал одним из распространенных приборов, применяемых для научных, технических и мед. целей.
Механизм действия лазерного луча на биол, ткани основан на том, что энергия светового пучка резко повышает температуру на небольшом участке тела. Температура в облучаемом месте, по данным Минтона (J. P. Minton), может подняться до 394°, и поэтому патологически измененный участок мгновенно сгорает и испаряется. Тепловое воздействие на окружающие ткани при этом распространяется на очень небольшое расстояние, т. к. ширина прямого монохроматического фокусированного пучка излучения равна
0,01 мм. Под влиянием лазерного излучения происходит не только коагуляция белков живой ткани, но и взрывное ее разрушение от действия своеобразной ударной волны. Эта ударная волна образуется в результате того, что при высокой температуре тканевая жидкость мгновенно переходит в газообразное состояние. Особенности биол, действия зависят от длины волны, длительности импульсов, мощности, энергии лазерного излучения, а также от структуры и свойств облучаемых тканей. Имеют значение окраска (пигментация), толщина, плотность, степень наполнения кровью тканей, их физиол, состояние и наличие в них патол, изменений. Чем больше мощность лазерного излучения, тем глубже оно проникает и тем сильнее действует.
В экспериментальных исследованиях было изучено влияние светового излучения различного диапазона на клетки, ткани и органы (кожу, мышцы, кости, внутренние органы и др). результаты к-рого отличаются от термических и лучевых воздействий. После непосредственного воздействия лазерного излучения на ткани и органы в них возникают ограниченные очаги поражения различной площади и глубины в зависимости от характера ткани или органа. При гистол, изучении тканей и органов, подвергшихся воздействию Л., в них можно определить три зоны морфол, изменений: зону поверхностного коагуляционного некроза; зону кровоизлияния и отека; зону дистрофических и некробиотических изменений клетки.
Лазеры в медицине
Разработка импульсных Л., а также Л. непрерывного действия, способных генерировать световое излучение с большой плотностью энергии, создала условия для широкого использования Л. в медицине. К концу 70-х гг. 20 в. лазерное облучение стали применять для диагностики и лечения в различных областях медицины - хирургии (в т. ч. травматологии, кардиоваскулярной, абдоминальной хирургии, нейрохирургии и др.)> онкологии, офтальмологии, стоматологии. Следует подчеркнуть, что основоположником современных методов лазерной микрохирургии глаза является советский офтальмолог академик АМН СССР М. М. Краснов. Наметились перспективы практического использования Л. в терапии, физиотерапии и др. Спектрохимические и молекулярные исследования биол, объектов уже тесно связаны с развитием лазерной эмиссионной спектроскопии, абсорбционной и флюоресцентной спектрофотометрии с использованием перестраиваемых по частоте Л., лазерной спектроскопии комбинационного рассеяния света. Эти методы наряду с повышением чувствительности и точности измерений сокращают время выполнения анализов, что обеспечило резкое расширение объема исследований для диагностики профзаболеваний, контроля за применением медикаментозных средств, в области судебной медицины и т. п. В сочетании с волоконной оптикой лазерные методы спектроскопии можно применять для просвечивания грудной полости, исследования кровеносных сосудов, фотографирования внутренних органов в целях изучения их функц, отправлений и обнаружения опухолей.
Изучение и идентификация больших молекул (ДНК, РНК и др.) и вирусов, иммунол, исследования, изучение кинетики и биол, активности микроорганизмов, микроциркуляции в кровеносных сосудах, измерение скоростей потоков биол, жидкостей - основные области применения методов лазерной рэлеевской и допплеровской спектрометрии, высокочувствительных экспресс -методов, позволяющих производить измерения при чрезвычайно низких концентрациях исследуемых частиц. С помощью Л. производят микроспектральный анализ тканей, руководствуясь характером вещества, испарившегося под действием излучения.
Дозиметрия лазерных излучений
В связи с колебаниями мощности активного тела Л., особенно газовых (напр., гелий-неоновых), в процессе их эксплуатации, а также по требованиям техники безопасности систематически проводят дозиметрический контроль с помощью специальных дозиметров, калиброванных по стандартным эталонным измерителям мощности, в частности типа ИМО-2, и аттестованных государственной метрологической службой. Дозиметрия позволяет определять эффективные терапевтические дозы и плотность мощности, обусловливающей биол, эффективность лазерного излучения.
Лазеры в хирургии
Первой областью применения Л. в медицине стала хирургия.
Показания
Способность луча Л. рассекать ткани позволила внедрить его в хирургическую практику. Бактерицидный эффект, коагулирующие свойства «лазерного скальпеля» послужили основой для применения его при операциях на жел.-киш. тракте, паренхиматозных органах, при нейрохирургических операциях, у больных, страдающих повышенной кровоточивостью (гемофилия, лучевая болезнь и др.).
С успехом применяются гелий-неоновые и углекислотные Л. при некоторых хирургических заболеваниях и повреждениях: инфицированных, длительно не заживающих ранах и язвах, ожогах, облитерирующем эндартериите, деформирующем артрозе, переломах, аутотрансплантации кожи на ожоговые поверхности, абсцессах и флегмонах мягких тканей и др. Лазерные установки «Скальпель» и «Пульсар» предназначены для резки костей и мягких тканей. Установлено, что излучение Л. стимулирует процессы регенерации, изменяя длительность фаз течения раневого процесса. Напр., после вскрытия гнойников и обработки стенок полостей Л. значительно сокращается время заживления ран по сравнению с другими методами лечения за счет уменьшения инфицированности раневой поверхности, ускорения очищения раны от гнойно-некротических масс и образования грануляций и эпителизации. Гистол, и цитол, исследования показали усиление репаративных процессов вследствие увеличения синтеза РНК и ДНК в цитоплазме фибробластов и содержания гликогена в цитоплазме нейтрофильных лейкоцитов и макрофагах, уменьшение количества микроорганизмов и числа микробных ассоциаций в раневом отделяемом, снижение биол, активности патогенного стафилококка.
Методика
Очаг поражения (рана, язва, ожоговая поверхность и др.) условно разделяют на поля. Каждое поле ежедневно или через 1 - 2 дня облучают Л. малой мощности (10-20 мвт) в течение 5-10 мин. Курс лечения 15-25 сеансов. При необходимости через 25-30 дней можно провести повторный курс; обычно их не повторяют более 3 раз.
Применение лазеров в хирургии (из дополнительных материалов)
Экспериментальные исследования по изучению влияния лазерного излучения на биологические объекты были начаты в 1963-1964 гг. в СССР, США, Франции и нек-рых других странах. Были выявлены свойства лазерного излучения, к-рые определили возможность использования его в клинической медицине. Луч лазера вызывает облитерацию кровеносных и лимфатических сосудов, препятствуя таким образом диссеминации клеток злокачественных опухолей и обусловливая гемостатический эффект. Термическое воздействие лазерного излучения на ткани, расположенные рядом с зоной операции, минимально, но достаточно для обеспечения асептичности раневой поверхности. Лазерные раны заживают быстрее, чем раны, нанесенные скальпелем или электроножом. Лазер не оказывает влияния на работу датчиков биоэлектрических потенциалов. Кроме того, лазерное излучение вызывает фотодинамический эффект - разрушение предварительно фото-сенсибилизированных тканей, а экси-мерные лазеры, используемые, напр., в онкологии, вызывают эффект фотодекомпозиции (разрушения тканей). Излучение низкоэнергетических лазеров оказывает стимулирующее действие на ткани, в связи с чем применяется для лечения трофических язв.
Свойства различных типов лазеров определяются длиной световой волны. Так, углекислотный лазер с длиной волны 10,6 мкм обладает свойством рассекать биологические ткани и в меньшей степени - коагулировать их, лазер, работающий на алюмоиттриевом гранате с неодимом (АИГ-лазер) с более короткой длиной волны (1,06 мкм), -способностью разрушать и коагулировать ткани, а способность его к рассечению тканей сравнительно мала.
К настоящему времени в клинической медицине используют несколько десятков типов лазерных систем, работающих в разных диапазонах электромагнитного спектра (от инфракрасного до ультрафиолетового). За рубежом для использования в хирургии серийно производятся углекислотные лазеры, лазеры, работающие на аргоне, АИГ-лазеры и др., для терапевтических целей - гелий-веоновые и полупроводниковые лазеры. В СССР серийно выпускаются углекислотные лазеры типа «Ятаган» для использования в офтальмологии, лазеры «Скальпель-1», «Ромашка-1» (цветн. рис. 13), «Ромашка-2» для применения в хирургии, гелий-неоновые лазеры типа Л Г-75 и «Ягода» для терапевтических целей, готовятся к промышленному выпуску полупроводниковые лазеры.
В середине 60-х гг. советские хирурги Б. М. Хромов, Н. Ф. Гамалея, С. Д. Плетнев одними из первых применили лазеры для лечения доброкачественных и злокачественных опухолей кожи и видимых слизистых оболочек. Развитие лазерной хирургии в СССР связано с созданием в 1969-1972 гг. серийных образцов советских углекислотных лазеров. В 1973-1974 гг. А. И. Головня и А. А. Вишневский (младший) с соавт. опубликовали данные об успешном применении углекислотного лазера для операции на фатеровом соске и для целей кожной пластики. В 1974 г. А. Д. Арапов и соавт. сообщили о первых операциях коррекции клапанного стеноза легочной артерии, выполненных с помощью лазерного излучения.
В 1973-1975 гг. сотрудники лаборатории лазерной хирургии (в наст, время НИИ лазерной хирургии М3 СССР) под руководством проф. О. К. Скобелкина выполнили фундаментальные экспериментальные исследования по применению углекислотного лазера в абдоминальной, кожно-пластической и гнойной хирургии, а с 1975 г. началось внедрение их в клиническую практику. В настоящее время уже накоплен опыт применения лазера в медицине и подготовлены специалисты по лазерной хирургии, в медицинских учреждениях выполнены десятки тысяч операций с использованием лазерного излучения. В НИИ лазерной хирургии М3 СССР разрабатываются новые направления по применению лазерной техники, напр, при эндоскопических оперативных вмешательствах, в кардиохирургии и ангиологии, при микрохирургических операциях, для фотодинамической терапии, рефлексотерапии.
Лазерная хирургия пищевода, желудка и кишечника. Операции на органах жел.-киш. тракта, проводимые с помощью обычных режущих инструментов, сопровождаются кровотечением, образованием внутриор-ганных микрогематом по линии рассечения стенки полого органа, а также инфицированием тканей содержимым полых органов по линии разреза. Использование лазерного скальпеля позволило избежать этого. Операция выполняется на «сухом» стерильном поле. У онкологических больных одновременно уменьшается опасность распространения клеток злокачественных опухолей по кровеносным и лимфатическим сосудам за пределы операционной раны. Некро-биотические изменения вблизи лазерного разреза минимальны в отличие от повреждений, вызываемых традиционными режущими инструментами и электроножом. Поэтому лазерные раны заживают с минимальной воспалительной реакцией. Уникальные свойства лазерного скальпеля послужили поводом для многочисленных попыток применения его в абдоминальной хирургии. Однако эти попытки не дали ожидаемого эффекта, т. к. рассечение тканей производилось при приблизительной визуальной фокусировке и свободном перемещении светового пятна лазерного луча вдоль намеченной линии разреза. При этом не всегда удавалось выполнить бескровный разрез тканей, особенно богато вас-куляризированных, таких как ткани стенки желудка и кишечника. Разрез лазером кровеносных сосудов диаметром более 1 мм вызывает обильное кровотечение; излившаяся кровь экранирует лазерное излучение, быстро снижает скорость рассечения, вследствие чего лазер теряет свойства скальпеля. Кроме того, существует опасность случайного повреждения глубжележащих тканей и органов, а также перегрева тканевых структур.
Работами советских ученых О. К. Скобелкина, Е. И. Брехова, Б. Н. Малышева, В. А. Салюка (1973) показано, что временное прекращение кровообращения вдоль линии рассечения органа позволяет максимально использовать положительные свойства углекислотного лазера, заметно уменьшить зону коагуляционного некроза, увеличить скорость разреза, добиться «биологической сварки» рассекаемых слоев ткани с помощью лазерного излучения небольшой мощности (15-25 вт). Последнее особенно важно в абдоминальной хирургии. Образующаяся при разрезе за счет поверхностной коагуляции тканей легкая спайка удерживает на одном уровне слои рассеченной стенки желудка или кишки, что создает оптимальные условия для выполнения наиболее трудоемкого и ответственного этапа операции - формирования анастомоза. Использование лазерного скальпеля для проведения операций на полых органах стало возможным после разработки комплекта специальных лазерных хирургических инструментов и сшивающих аппаратов (цветн. рис. 1, 2). Многочисленные эксперименты и клинический опыт использования лазеров в абдоминальной хирургии позволили сформулировать основные требования к инструментам. Они должны обладать способностью создавать локальную компрессию и обеспечивать обескровливание органов по линии рассечения тканей; защищать окружающие ткани и органы от прямых и отраженных лучей; по размерам и форме должны быть приспособлены для выполнения того или иного оперативного приема, особенно в труднодоступных областях; способствовать ускоренному рассечению тканей без увеличения мощности лазерного излучения благодаря наличию постоянного интервала между тканями и конусом световода; обеспечивать качественную биологическую сварку тканей.
В настоящее время в абдоминальной хирургии широкое распространение получили механические сшивающие аппараты (см.). Они сокращают время операций, позволяют асептич-но и качественно рассекать и соединять стенки полых органов, однако линия механического шва нередко кровоточит, а высокий надскобочный валик требует тщательной перитони-зации. Лазерные сшивающие аппараты более совершенны, напр, унифицированный НЖКА-60. В них также используется принцип дозированной локальной компрессии тканей: вначале стенку полого органа прошивают металлическими скобками, а затем с помощью лазера рассекают между двумя рядами наложенных скобок. В отличие от обычного механического шва линия лазерного шва стерильна, герметична механически и биологически, не кровоточит; тонкая пленка коагуляционного некроза вдоль линии разреза препятствует проникновению микроорганизмов в глубь тканей; надскобочный валик низкий и легко погружается серозно-мышечными швами.
Оригинальным является лазерный хирургический сшивающий аппарат УПО-16, к-рый конструктивно во многом отличается от известных механических сшивающих аппаратов. Особенность его конструкции заключается в том, что он позволяет в момент сжатия ткани производить и ее растяжение за счет специальной фиксирующей рамки. Это дает возможность более чем в два раза повысить скорость рассечения тканей без увеличения мощности излучения. Аппарат УПО-16 применяют при резекции желудка, тонкой и толстой кишки, а также для выкраивания трубки из большой кривизны желудка при пластике пищевода.
Создание лазерных инструментов и сшивающих аппаратов позволило разработать методики проксимальной и дистальной резекции желудка, тотальной гастрэктомии, различных вариантов пластики пищевода фрагментами желудка и толстой кишкой, оперативных вмешательств на толстой кишке (цветы, табл., ст. 432, рис. 6-8). Коллективный опыт лечебных учреждений, использующих эти методы, основанный на большом материале (2 тыс. оперативных вмешательств), позволяет прийти к заключению, что операции с применением лазеров в отличие от традиционных сопровождаются в 2-4 раза меньшим числом осложнений и в 1,5-3 раза меньшей летальностью. Кроме того, при использовании лазерной техники наблюдаются более благоприятные отдаленные результаты оперативного лечения.
В оперативных вмешательствах на внепеченочных желчных протоках лазеры имеют бесспорное преимущество перед другими режущими инструментами. Полная стерильность, совершенный гемостаз в зоне рассечения тканей значительно облегчают работу хирурга и способствуют повышению качества операции и улучшению результатов лечения. Для выполнения операций на внепеченочных желчных протоках созданы специальные лазерные инструменты, к-рые позволяют успешно выполнять различные варианты холедохотомии с наложением билиодигестивных анастомозов, папиллосфинктеротомию и папиллосфинктеропластику. Операции при этом практически бескровны и атравматичны, что обеспечивает высокий уровень их технического выполнения.
Не менее эффективно использование лазерного скальпеля во время холецистэктомии. При благоприятных топографо-анатомических взаимоотношениях, когда сфокусированный лазерный луч может быть свободно подведен ко всем отделам желчного пузыря, удаление его производится с использованием эффекта фотогидравлической препаровки, исключающей малейшую травму печеночной паренхимы. При этом одновременно осуществляется полная остановка кровотечения и желчеисте-чения из мелких протоков ложа пузыря. Поэтому ушивание его в дальнейшем не требуется. При отсутствии условий для свободного манипулирования лазерным лучом в глубине раны холецистэктомия производится обычным способом, а остановка паренхиматозного кровотечения и желчеистечения в зоне операции осуществляется расфокусированным пучком лазерного излучения. В данном случае лазер также исключает наложение гемостатиче-ских швов на ложе желчного пузыря, к-рые, травмируя близлежащие сосуды и желчные протоки, приводят к их очаговому некрозу.
В экстренной хирургии желчевыводящих путей лазерный скальпель может оказаться незаменимым. Он используется в ряде случаев для удаления желчного пузыря, а в нек-рых случаях - как высокоэффективное средство остановки кровотечения. В тех случаях, когда желчный пузырь практически неудалим и требуется его демукозация, к-рая при выполнении острым путем сопряжена с опасностью кровотечения, целесообразно производить испарение слизистой оболочки расфокусированным лазерным излучением. Полнота удаления слизистой оболочки при полном гемостазе и стерилизация раневой поверхности обеспечивают гладкое послеоперационное течение. Использование лазерной техники открывает новые возможности улучшения качества лечения больных с заболеваниями желчевыводящей системы, частота оперативных вмешательств по поводу к-рых в настоящее время значительно увеличилась.
Применение лазеров в хирургии паренхиматозных органов брюшной полости. Особенности анатомического строения паренхиматозных органов с их разветвленной сосудистой системой обусловливают трудности оперативного вмешательства и тяжесть течения послеоперационного периода. Поэтому до сих пор ведутся поиски наиболее эффективных средств и способов остановки кровотечения, желчеистечения и ферментоистече-ния при оперативных вмешательствах на паренхиматозных органах. Предложено много способов и средств остановки кровотечения из печеночной ткани, к-рые, к сожалению, не удовлетворяют хирургов.
С 1976 г. изучаются возможности и перспективы использования при операциях на паренхиматозных органах различных типов лазеров. Были не только изучены результаты воздействия лазеров на паренхиму, но и разрабатывались методики оперативных вмешательств на печени, поджелудочной железе и селезенке.
При выборе способа оперативного вмешательства на печени приходится решать одновременно такие задачи, как временная остановка кровотока в удаляемой части органа, остановка кровотечения из крупных сосудов и желчеистечения из протоков после резекции органа, остановка паренхиматозного кровотечения.
Для обескровливания удаляемой части печени в эксперименте разработан специальный гепатоклемм. В отличие от предложенных ранее подобных инструментов он обеспечивает полное равномерное сжатие органа. При этом паренхима печени не повреждается, а кровоток в дистальной ее части прекращается. Специальное фиксирующее устройство позволяет удержать гепатоклемм на краю неудаляемой части печени после отсечения подлежащего удалению участка. Это, в свою очередь, позволяет свободно манипулировать не только на крупных сосудах и протоках, но и на паренхиме органа.
При выборе методов обработки крупных сосудов и протоков печени нужно учитывать, что для остановки паренхиматозного кровотечения из мелких сосудов и желчеистечения из мелких протоков будут использоваться углекислотные лазеры и АИГ-лазеры. Для прошивания крупных сосудов и протоков целесообразно применять сшивающий аппарат, к-рый обеспечивает полную остановку кровотечения из них с помощью танталовых скобок; можно производить клипирование их специальными зажимами. Как показали результаты исследования, скобки прочно удерживаются на сосудисто-протоковых пучках как до, так и после обработки лучом лазера раневой поверхности органа. На границе остающейся и удаляемой части печени накладывают и фиксируют гепатоклемм, к-рым сдавливают парен-химу и одновременно крупные сосуды и протоки. Хирургическим скальпелем рассекают капсулу печени, а сосуды и протоки прошивают сшивающим аппаратом. Удаляемую часть печени отсекают скальпелем по краю скобок. Для полной остановки кровотечения и желчеистечения паренхиму печени обрабатывают расфокусированным лучом углекислотного лазера или АИГ-лазера. Остановка паренхиматозного кровотечения из ран печени с помощью АИГ-лазера происходит в 3 раза быстрее, чем с помощью углекислотного лазера.
Оперативное вмешательство на поджелудочной железе имеет свои особенности. Как известно, этот орган весьма чувствителен к любой операционной травме, поэтому грубые манипуляции на поджелудочной железе часто способствуют развитию послеоперационного панкреатита. Разработан специальный зажим, позволяющий, не разрушая паренхимы поджелудочной железы, обеспечивать резекцию ее лучом лазера. На удаляемую часть накладывают лазерный зажим с прорезью в центре. По направляющей прорези ткань железы пересекают сфокусированным лучом углекислотного лазера. При этом паренхима органа и панкреатический проток, как правило, полностью герметично запаиваются, что позволяет избежать дополнительной их травмы при наложении швов для герметизации культи органа.
Изучение гемостатического действия различных типов лазеров при травмах селезенки показало, что кровотечение из небольших ее ран можно остановить как углекислотным лазером, так и АИГ-лазером, а остановка кровотечения из больших ран возможна только с помощью излучения АИГ-лазера.
Применение лазеров в хирургии легких и плевры. Луч углекислотного лазера используют при торакото-мии (для пересечения межреберных мышц и плевры), благодаря чему кровопотеря на этом этапе не превышает 100 мл. Применяя компрессионные зажимы, выполняют атипичные небольшие резекции легких после прошивания легочной ткани аппаратами У0-40 или У0-60. Рассечение резецируемой части легкого сфокусированным лучом лазера и последующая обработка легочной паренхимы расфокусированным лучом позволяют получить надежный гемостаз и аэростаз. При выполнении анатомических резекций легких главный бронх прошивают аппаратом У0-40 или У0-60 и пересекают сфокусированным лучом углекислотного лазера. В результате достигается стерилизация и герметизация культи бронха. Раневую поверхность легочной ткани с целью гемостаза и аэростаза обрабатывают расфокусированным лучом. Операционная кровопотеря при использовании лазера уменьшается на 30-40%, послеоперационная - в 2-3 раза.
При хирургическом лечении эмпиемы плевры вскрытие полости эмпиемы и манипуляции в ней производят сфокусированным лучом углекислотного лазера, окончательный гемостаз и стерилизация полости эмпиемы осуществляется расфокусированным лучом. В результате длительность вмешательства снижается в 1V2 раза, а кровопотеря уменьшается в 2-4 раза.
Применение лазеров в хирургии сердца. Для лечения суправентрику-лярных аритмий сердца используют А И Г-лазер, с помощью к-рого пересекают пучок Гиса или аномальные проводящие пути сердца. Луч лазера подводят интракардиально во время торакотомии и кардиотомии или интравазально с помощью гибкого световода, помещаемого в специальный сосудистый зонд.
В последнее время в СССР и США начаты перспективные исследования по лазерной реваскуляризации миокарда при ишемической болезни сердца. Лазерную реваскуляризацию в сочетании с аортокоронарным шунтированием выполняют на остановленном сердце, а вмешательство, заключающееся только в применении лазера, - на работающем сердце. Короткими импульсами мощного углекислотного лазера в стенке левого желудочка проделывают 40-70 сквозных каналов. Эпикардиальную часть каналов тромбируют прижатием тампона на несколько минут. Интрамуральная часть каналов служит для питания ишемизированного миокарда кровью, поступающей из просвета желудочка. В последующем вокруг каналов образуется сеть микрокапилляров, улучшающих питание миокарда.
Применение лазера в кожно-пластической хирургии. Сфокусированный луч углекислотного лазера используют для радикального, в пределах здоровых тканей, иссечения небольших доброкачественных и злокачественных опухолей. Более крупные образования (фибромы, атеромы, папилломы, пигментные невусы, рак и меланома кожи, метастазы в кожу злокачественных опухолей, а также татуировку) разрушают воздействием расфокусированного луча лазера (цветн. рис. 12-15). Заживление небольших ран в таких случаях происходит под струпом. Большие раневые поверхности закрывают кожным аутотрансплантатом. Преимущества лазерной хирургии заключаются в хорошем гемостазе, стерильности раневой поверхности и высокой радикальности вмешательства. При неоперабельных, особенно распадающихся злокачественных опухолях кожи лазер применяют для испарения и разрушения опухоли, что позволяет добиться стерилизации поверхности, остановки возникающих кровотечений и ликвидации неприятного запаха.
Хорошие результаты, особенно в косметическом плане, достигаются с помощью аргонового лазера при лечении сосудистых опухолей и удалении татуировок. Излучение лазера применяют для подготовки реци-пиентного участка и заготовки (взятия) кожного трансплантата. Реципиентный участок при трофических язвах стерилизуют и освежают с помощью сфокусированного и расфокусированного луча лазера, при ранах после глубоких ожогов некрэктомию производят расфокусированным лучом. Для взятия в качестве трансплантата полнослойного кожного лоскута используют эффект лазерной фотогидравлической препаровки биологических тканей, разработанный в НИИ лазерной хирургии М3 СССР. Для этого в подкожную клетчатку вводят изотонический солевой раствор или 0,25- 0,5% раствор новокаина. Сфокусированным лучом углекислотного лазера производят отсепаровку трансплантата от подлежащих тканей за счет кавитации предварительно введенной жидкости, к-рая возникает под действием высокой температуры в точке воздействия лазера. В результате не образуются гематомы и достигается стерильность трансплантата, что способствует лучшему его приживлению (цветн. рис. 9-11). По данным обширного клинического материала, приживляемость аутотрансплантата, взятого с помощью лазера, в целом достигает 96,5%, а в челюстно-лицевой хирургии - 100%.
Лазерная хирургия гнойных заболеваний мягких тканей. Применение лазера в этой области позволило добиться сокращения в 1,5-2 раза сроков лечения, а также экономии медикаментов и перевязочного материала. При относительно небольшом гнойном очаге (абсцесс, карбункул) его радикально иссекают сфокусированным лучом углекислотного лазера и накладывают первичный шов. На открытых частях тела целесообразнее испарение очага расфокусированным лучом и заживление раны под струпом, что дает вполне удовлетворительный косметический эффект. Большие абсцессы, в т. ч. постинъек-ционные, а также гнойный мастит вскрывают механическим путем. После удаления содержимого абсцесса стенки полости обрабатывают поочередно сфокусированным и расфокусированным лучом лазера с целью испарения некротических тканей, стерилизации и гемостаза (цветн. рис. 3-5). После лазерной обработки гнойные раны, в т. ч. послеоперационные, ушивают; при этом необходимы активная и фракционная аспирация их содержимого и промывание полости. По данным бактериологического исследования, в результате применения лазерного излучения количество микробных тел в 1 г ткани раны у всех больных ниже критического уровня (104- 101). Для стимуляции заживления гнойных ран целесообразно применение низкоэнергетических лазеров.
При термических ожогах III степени производят некрэктомию сфокусированным лучом углекислотного лазера, благодаря чему достигаются гемостаз и стерилизация раны. Кровопотеря при использовании лазера сокращается в 3-5 раз, уменьшается также потеря белка с экссудатом. Вмешательство заканчивается аутопластикой кожным лоскутом, заготовленным путем лазерной фотогидравлической препаровки биологических тканей. Этот метод позволяет снизить летальность и улучшить функциональные и косметические результаты.
При вмешательствах на аноректальной области, напр, для оперативного лечения геморроя, чаще применяют углекислотный лазер. Характерно, что заживление раны после отсечения геморроидального узла происходит с менее выраженным, чем после обычной операции, болевым синдромом, раньше начинает функционировать сфинктерный аппарат, реже развиваются стриктуры заднего прохода. Иссечение параректальных свищей и трещин заднего прохода лучом углекислотного лазера позволяет добиться полной стерильности раны, в связи с чем она хорошо заживает после ушивания наглухо. Эффективно применение лазера для радикального иссечения эпителиальных копчиковых свищей.
Применение лазеров в урологии и гинекологии. Углекислотные лазеры используют при проведении циркумцизии, удалении доброкачественных и злокачественных опухолей полового члена, наружной части уретры. Расфокусированным лучом лазера испаряют небольшие опухоли мочевого пузыря при трансабдоминальном доступе, сфокусированным лучом производят резекцию стенки мочевого пузыря при более обширных опухолях, благодаря чему достигается хороший гемостаз и повышается радикальность вмешательства. Интрауретральные опухоли и стриктуры, а также опухоли мочевого пузыря удаляют и реканализируют с помощью аргонового или АИГ-лазера, энергию к-рых к месту операции подводят с помощью фиброволоконной оптики через жесткие или гибкие у ретроцистоскопы.
Углекислотные лазеры применяют для лечения доброкачественных и злокачественных опухолей наружных половых органов, для пластики влагалища и чрезвлагалищной ампутации матки. Получила признание лазерная конизация шейки матки при лечении эрозий, предраковых заболеваний, рака шейки матки и канала шейки матки. С помощью углекислотного лазера выполняют резекцию придатков матки, ампутацию матки, миомэктомию. Особый интерес представляют реконструктивные операции с помощью микрохирургической техники при лечении женского бесплодия. Лазером рассекают спайки, резецируют обтурированные участки маточных труб, создают искусственные отверстия в дистальном отделе маточной трубы или в ее интрамуральной части.
Лазерная эндоскопическая хирургия применяется для лечения заболеваний гортани, глотки, трахеи, бронхов, пищевода, желудка, кишечника, уретры и мочевого пузыря. Там, где доступ к опухоли возможен только с помощью жестких эндоскопических систем, используют углекислотный лазер, соединенный с операционным микроскопом. Луч этого лазера позволяет испарить или разрушить опухоль либо произвести реканализацию просвета трубчатого органа, стено-знрованного опухолью или стриктурой. Воздействие на патологические образования, расположенные в трубчатых органах и доступные для осмотра только с помощью гибкой эндоскопической техники, осуществляется аргоновым или АИГ-лазером, энергия к-рых подводится через кварцевую фиброволоконную оптику.
Наиболее широко эндоскопические методы лазерной хирургии применяют для коагуляции сосудов при острых кровотечениях из язв желудка и двенадцатиперстной кишки. В последнее время лазерным излучением стали пользоваться для радикального лечения рака желудка I стадии, рака прямой и ободочной кишок, а также для реканализации просвета пищевода или прямой кишки, обтурированного опухолью, что позволяет избежать наложения постоянной гастростомы или коло-стомы.
Лазерная микрохирургия. Лазерные микрохирургические вмешательства выполняют с помощью углекислотного лазера, соединенного с операционным микроскопом, оснащенным микроманипулятором. Этот метод применяют для испарения или разрушения небольших опухолей полости рта, глотки, гортани, голосовых связок, трахеи, бронхов, при операциях на среднем ухе, для лечения заболеваний шейки матки, для реконструктивных вмешательств на маточных трубах. С помощью операционного микроскопа с микроманипулятором тонкий луч лазера (диам. 0,1 - 0,15 мм) направляют точно на оперируемый объект, что позволяет производить прецизионные вмешательства без повреждения здоровых тканей. Лазерная микрохирургия обладает еще двумя преимуществами: одновременно с удалением патологического образования осуществляется гемостаз; лазерный манипулятор удален от оперируемого объекта на 30-40 см, поэтому операционное поле хорошо обозримо, в то время как при обычных операциях его загораживают инструменты. В последнее время энергию лазеров, работающих на углекислом газе, аргоне и алю-моиттриевом гранате с неодимом, применяют для анастомозирования мелких кровеносных сосудов, сухожилий и нервов.
Лазерная ангиопластика. В наст, время изучается возможность восстановления проходимости артерий среднего калибра с помощью излучения углекислотного, аргонового лазеров и АИГ-лазеров. За счет термического компонента лазерного луча возможно разрушение или испарение тромбов и атеросклеротических бляшек. Однако при использовании этих лазеров нередко повреждается сама стенка кровеносного сосуда, что приводит к кровотечениям или формированию тромба в зоне воздействия лазера. Не менее эффективно и более безопасно применение излучения эк-симерных лазеров, энергия к-рых вызывает деструкцию патологического образования за счет фотохимической реакции, не сопровождающейся повышением температуры и воспалительной реакцией. Широкому внедрению метода лазерной ангиопластики в клиническую практику препятствует ограниченное пока число эксимерных лазеров и специальных весьма сложных по конструкции катетеров с каналами для освещения, подвода лазерной энергии и удаления продуктов распада тканей.
Лазерная фото динамическая терапия. Известно, что нек-рые производные гематопорфиринов более активно поглощаются клетками злокачественных опухолей и дольше в них задерживаются, чем в нормальных клетках. На этом эффекте основана фотодинамическая терапия опухолей кожи и видимых слизистых оболочек, а также опухолей трахеи, бронхов, пищевода, желудка, кишечника, мочевого пузыря. Предварительно фотосенсибилизированную введением гематопорфирина злокачественную опухоль облучают лазером в красной или сине-зеленой полосе спектра. В результате этого воздействия клетки опухоли разрушаются, а рядом расположенные и также подвергшиеся облучению нормальные клетки остаются неизмененными.
Лазеры в онкологии
В 1963- 1965 гг. в СССР и СЕТА были проведены опыты на животных, показавшие, что излучением Л. можно разрушать перевиваемые опухоли. В 1969 г. в Ин-те проблем онкологии АН УССР (Киев) было открыто первое отделение лазерной терапии онкол, профиля, оборудованное специальной установкой, с помощью к-рой лечили больных с опухолями кожи (рис. 2). В дальнейшем делались попытки распространения лазерной терапии опухолей и другой локализации.
Показания
Л. применяют при лечении кожных доброкачественных и злокачественных опухолей, а также некоторых предопухолевых состояний женских половых органов. Воздействие на глубоко расположенные опухоли требует обычно их обнажения, т. к. при прохождении сквозь ткани лазерное излучение значительно ослабляется. Благодаря более интенсивному поглощению света пигментированные опухоли - меланомы, гемангиомы, пигментные невусы и др.- легче поддаются лазерной терапии, чем непигментированные (рис. 3). Разрабатываются методы применения Л. для лечения опухолей других органов (гортани, гениталий, молочной железы и др.).
Противопоказанием к применению Л. являются опухоли, расположенные около глаз (из-за опасности повреждения органа зрения) .
Методика
Существует два метода применения Л.: облучение опухоли с целью некротизации и иссечение ее. При проведении лечения с целью вызвать некроз опухоли производят: 1) обработку объекта малыми дозами излучений, иод действием которых участок опухоли разрушается, а остальная ее часть постепенно некротизируется; 2) облучение большими дозами (от 300 до 800 дж/см 2); 3) множественное облучение, в результате к-рого происходит тотальная гибель опухоли. При лечении методом некротизации облучение кожных опухолей начинают с периферии, постепенно продвигаясь к центру, обычно захватывая пограничную полосу нормальных тканей шириной 1,0-1,5 см. Необходимо облучение всей массы опухоли, т. к. необлученные участки являются источником возобновления роста. Величина энергии излучения определяется типом Л. (импульсный или непрерывного действия), спектральной областью и другими параметрами излучения, а также особенностями опухоли (пигментацией, размерами, плотностью и др.). При лечении непигментированных опухолей можно вводить в них окрашенные соединения, усиливающие поглощение излучения и разрушение опухоли. Вследствие некротизации ткани на месте кожной опухоли образуется черная или темно-серая корка, к-рая отпадает через 2-6 нед. (рис. 4).
При иссечении опухоли с помощью лазера достигается хороший гемостатический и асептический эффект. Метод находится в стадии разработки.
Исходы
Л. может быть разрушена любая доступная облучению опухоль. При этом не возникает побочных эффектов, в частности в кроветворной системе, что дает возможность лечить больных пожилого возраста, ослабленных пациентов и детей раннего возраста. При пигментированных опухолях избирательно разрушаются только опухолевые клетки, чем обеспечивается щадящее воздействие и благоприятные в косметическом отношении результаты. Излучение можно точно сфокусировать и, следовательно, вмешательство строго локализовать. Гемостатическое действие лазерного излучения дает возможность ограничить кровопотери). Успешный результат при лечении рака кожи, по 5-летним наблюдениям, отмечен в 97% случаев (рис. 5).
Осложнения : обугливание
тканей при их рассечении.
Лазеры в офтальмологии
Традиционные импульсные немодулированные Л. (обычно на рубине) использовались до 70-х гг. для прижиганий на глазном дне, напр, с целью образования хориоретинальной спайки при лечении и профилактике отслойки сетчатки, при небольших опухолях и т. д. На этом этапе область их применения была примерно той же, что у фотокоагуляторов, использующих обычный (немонохроматический, некогерентный) луч света.
В 70-х гг. в офтальмологии были с успехом применены новые типы Л. (цветн. рис. 1 и 2): газовые Л. постоянного действия, модулированные Л. с «гигантскими» импульсами («холодные» Л.), Л. на красителях и ряд других. Это значительно расширило область клин, применения Л. на глазу - стало возможным активное вмешательство на внутренних оболочках глаза без вскрытия его полости.
Большую практическую значимость представляют следующие области клин, лазерной офтальмологии.
1. Известно, что сосудистые заболевания глазного дна выходят (а в ряде стран уже вышли) на первое место среди причин неизлечимой слепоты. Среди них широкое распространение имеет диабетическая ретинопатия, к-рая развивается почти у всех больных диабетом с продолжительностью заболевания 17- 20 лет.
Больные обычно теряют зрение в результате повторных внутриглазных кровоизлияний из новообразованных патологически измененных сосудов. С помощью лазерного пучка (наилучшие результаты дают газовые, напр, аргоновые, Л. постоянного действия) коагуляции подвергаются как измененные сосуды с участками транссудации, так и зоны новообразованных сосудов, особенно подверженных разрыву. Успешный результат, сохраняющийся в течение ряда лет, отмечается примерно у 50% больных. Обычно коагулируют и непораженные участки сетчатки, которые не имеют первостепенного функц, значения (панретинальная коагуляция).
2. Тромбозы ретинальных сосудов (особенно вен) также стали доступны прямому леч. воздействию только с использованием Л. Лазеркоагуляция способствует активизации кровообращения и оксигенации в сетчатке, уменьшению или ликвидации трофического отека сетчатки, который без леч. воздействия обычно завершается тяжелыми необратимыми изменениями (цветн. рис. 7-9).
3. Дегенерация сетчатки, особенно в стадии транссудации, в ряде случаев успешно поддается лазертерапии, к-рая представляет практически единственный путь активного вмешательства в этот патол, процесс.
4. Очаговые воспалительные процессы на глазном дне, перифлебиты, ограниченные проявления ангиоматоза в ряде случаев также успешно излечиваются с помощью лазертерапии.
5. Вторичные катаракты и мембраны в области зрачка, опухоли и кисты радужной оболочки благодаря использованию Л. впервые стали объектом нехирургического лечения (цветн. рис. 4-6).
Профилактические мероприятия против поражения лучами лазера
Защитные и гиг. мероприятия для профилактики неблагоприятного действия излучений Л. и других сопутствующих факторов должны включать мероприятия коллективного характера: организационные, инженерно-технические. планировочные, санитарно-гигиенические, а также предусматривать индивидуальные средства защиты.
Обязательным является требование оценки перед началом эксплуатации лазерной установки основных неблагоприятных факторов и особенностей распространения лазерного излучения (как прямого, так и отраженного). Инструментальным измерением (в крайнем случае расчетным путем) определяют вероятные направления и участки, на которых возможны опасные для организма (превышают ПДУ) уровни излучения.
Для обеспечения безопасных условий труда, помимо строгого соблюдения коллективных мероприятий, рекомендуется пользование средствами индивидуальной защиты - очками, щитками, масками, обладающими спектрально-селективной прозрачностью, и специальной защитной одеждой. Примером отечественных защитных очков от лазерных излучений в области спектра с длиной волны 0,63-1,5 мкм являются очки, изготовленные из сине-зеленого стекла СЗС-22, обеспечивающие защиту глаз от излучений рубинового и неодимового Л. При работе с мощными Л. более эффективны защитные щитки и маски, на руки надеваются перчатки из замши или кожи. Рекомендуется ношение передников и халатов различных цветов. Выбор средств защиты должен производиться индивидуально в каждом конкретном случае квалифицированными специалистами.
Медицинское наблюдение за работающими с лазером. Работы, связанные с обслуживанием лазерных установок, включены в списки работ с вредными условиями труда, а работающие подлежат предварительным и периодическим (один раз в год) медосмотрам. В осмотрах обязательно участие окулиста, терапевта, невропатолога. При исследовании органа зрения применяют щелевую лампу.
Помимо врачебного обследования, проводят клин, анализ крови с определением гемоглобина, эритроцитов, ретикулоцитов, тромбоцитов, лейкоцитов и РОЭ.
Библиография: Александров М. Т. Применение лазеров в экспериментальной и клинической стоматологии, Мед. реферат. журн., разд. 12 - Стоматология, № 1, с. 7, 1978, библиогр.; Гамалея Н. Ф. Лазеры в эксперименте и клинике, М., 1972, библиогр.; КавецкийР. Е. и др. Лазеры в биологии и медицине, Киев, 1969; К о р ы т н ы й Д. Л. Лазерная терапия и ее применение в стоматологии, Алма-Ата, 1979; Краснов М. М. Лазерная микрохирургия глаза, Вестн, офтальм., №1, с. 3, 1973, библиогр.; Лазарев И. Р. Лазеры в онкологии, Киев, 1977, библиогр.; Осипов Г. И. и Пятин М. М. Повреждение глаза лучом лазера, Вестн, офтальм., № 1, с. 50, 1978; П л e т н e в С. Д. и др. Газовые лазеры в экспериментальной и клинической онкологии, М., 1978; П р о-хончуков А. А. Достижения квантовой электроники в экспериментальной и клинической стоматологии, Стоматология, т. 56, № 5, с. 21, 1977, библиогр.; Семенов А. И. Влияние излучений лазеров на организм и меры профилактики, Гиг. труда и проф. заболев., № 8, с. 1, 1976; Средства и методы квантовой электроники в медицине, под ред. Р. И. Утямы-шева, с. 254, Саратов, 1976; Хромов Б. М. Лазеры в экспериментальной хирургии, Л., 1973, библиогр.; Хромов Б.М. и др. Лазерная терапия хирургических заболеваний, Вестн, хир., № 2, с. 31, 1979; L’Esperance F. A. Ocular photocoagulation, a stereoscopic atlas, St Louis, 1975; Laser applications in medicine and biology, ed. by M. L. Wolbarsht, v< i -з? N. Y.- L., 1971-1977, bibliogr.
Применение лазеров в хирургии - Арапов А. Д. и др. Первый опыт применения лазерного луча в кардиохирургии, Эксперим. хир., № 4, с. 10, 1974; Вишневский А. А., Митькова Г. В. иХаритонА. С. Оптические квантовые генераторы непрерывного типа действия в пластической хирургии, Хирургия, № 9, с. 118, 1974; Гамалея Н. Ф. Лазеры в эксперименте и клинике, М., 1972; Г о л о в н я А. И. Реконструктивные и повторные операции на фатеровом соске с помощью луча лазера, в кн.: Вопр. компенсации в хир., под ред. А. А. Вишневского и др., с. 98, М., 1973; Лазеры в клинической медицине, под ред. С. Д. Плетнева, с. 153, 169, М., 1981; Плетнев С. Д., Абдуразаков М. III. и Каpпенко О. М. Применение лазеров в онкологической практике, Хирургия, JV& 2, с. 48, 1977; Xромов Б. М. Лазеры в экспериментальной хирургии, Л., 1973; Черноусов А. Ф., Д о м-рачев С. А. и Абдуллаев А. Г. Применение лазера в хирургии пищевода и желудка, Хирургия, № 3, с. 21, 1983, библиогр.
В. А. Поляков; В. И. Белькевич (техн.), H. Ф. Гамалея (онк.), М. М. Краснов (офт.), Ю. П. Пальцев (гиг), А. А. Прохончуков (стом.), В. И. Стручков (хир.), О. К. Скобелкин (хир.), Е. И. Брехов (хир.), Г. Д. Литвин (хир.), В. И. Корепанов (хир.).
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Введение
1. Лазеры и их применение в медицине
2. Применение высокоинтенсивного лазерного излучения в хирургии (общие принципы)
3. Световой пробой
Заключение
Список использованной литературы
Введение
Лазеры или оптические квантовые генераторы - это современные источники когерентного излучения, обладающие целым рядом уникальных свойств. Создание лазеров явилось одним из самых замечательных достижений физики второй половины XX века, которое привело к революционным изменениям во многих областях науки и техники. К настоящему времени создано большое количество лазеров с различными характеристиками - газовых, твердотельных, полупроводниковых, излучающих свет в различных оптических диапазонах. Лазеры могут работать в импульсном и непрерывном режимах. Мощность излучения лазеров может изменяться в пределах от долей милливатта до 10 12 -10 13 Вт (в импульсном режиме). Лазеры находят широкое применение в военной технике, в технологии обработки материалов, в медицине, оптических системах навигации, связи и локации, в прецизионных интерференционных экспериментах, в химии, просто в быту и т. д.
Одним из важнейших свойств лазерного излучения является чрезвычайно высокая степень его монохроматичности, недостижимая в излучении нелазерных источников. Это и все другие уникальные свойства лазерного излучения возникают в результате согласованного, кооперативного испускания световых квантов многими атомами рабочего вещества.
Чтобы понять принцип работы лазера, нужно более внимательно изучить процессы поглощения и излучения атомами квантов света. Атом может находиться в различных энергетических состояниях с энергиями E 1 , E 2 и т. д. В теории Бора эти состояния называются стабильными. На самом деле стабильным состоянием, в котором атом в отсутствие внешних возмущений может находиться бесконечно долго, является только состояние с наименьшей энергией. Это состояние называют основным. Все другие состояния нестабильны. Возбужденный атом может пребывать в этих состояниях лишь очень короткое время, порядка 10 - 8 с, после этого он самопроизвольно переходит в одно из низших состояний, испуская квант света, частоту которого можно определить из второго постулата Бора. Излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из одного состояния в другое, называют спонтанным. На некоторых энергетических уровнях атом может пребывать значительно большее время, порядка 10 - 3 с. Такие уровни называются метастабильными.
Переход атома в более высокое энергетическое состояние может происходить при резонансном поглощении фотона, энергия которого равна разности энергий атома в конечном и начальном состояниях.
Переходы между энергетическими уровнями атома не обязательно связаны с поглощением или испусканием фотонов. Атом может приобрести или отдать часть своей энергии и перейти в другое квантовое состояние в результате взаимодействия с другими атомами или столкновений с электронами. Такие переходы называются безизлучательными.
В 1916 году А. Эйнштейн предсказал, что переход электрона в атоме с верхнего энергетического уровня на нижний может происходить под влиянием внешнего электромагнитного поля, частота которого равна собственной частоте перехода. Возникающее при этом излучение называют вынужденным илииндуцированным. Вынужденное излучение обладает удивительным свойством. Оно резко отличается от спонтанного излучения. В результате взаимодействия возбужденного атома с фотоном атом испускает еще один фотон той же самой частоты, распространяющийся в том же направлении. На языке волновой теории это означает, что атом излучает электромагнитную волну, у которой частота, фаза, поляризация и направление распространения точно такие же, как и у первоначальной волны. В результате вынужденного испускания фотонов амплитуда волны, распространяющейся в среде, возрастает. С точки зрения квантовой теории, в результате взаимодействия возбужденного атома с фотоном, частота которого равна частоте перехода, появляются два совершенно одинаковых фотона-близнеца.
Именно индуцированное излучение является физической основой работы лазеров.
1 . 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 среде 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. Басоным 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 безизлучательный 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. лазер пробой медицинское биологическое
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 С 0 2 -лазер (с длиной волны 10,6 мкм), Nd:YAG-лазep (1,064 мкм) и другие. Nd:YAG-лазep - наиболее широко используемый 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 происходит 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 С 0 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.
2. Применение высокоинтенсивного лазерного излучения в хирургии (общие принципы)
Основной метод лечения хирургических болезней - операции, связанные с рассечением биотканей. Воздействие сильносконцентрированной световой энергии на биоткань приводит к ее сильному нагреву с последующим испарением межтканевой и внутриклеточной жидкости, уплотнению и коагуляции тканевых структур. При малых экспозициях разрушению подвергаются поверхностные слои биоткани. С ростом экспозиции увеличиваются глубина и объем деструкции.
Хирургические лазеры бывают как непрерывные, так и импульсные, в зависимости от типа активной среды. Условно их можно разделить на три группы по уровню мощности:
коагулирующие: 1-5 Вт;
испаряющие и неглубоко режущие: 5-20 Вт;
глубоко режущие: 20-100 Вт.
Конечно, это деление в значительной степени условно, так как длина волны излучения и режим работы очень сильно влияют на требования по выходной мощности хирургического лазера
При использовании лазерного излучения большой мощности происходит очень быстрое повышение температуры ткани в месте контакта лазерного луча с биотканью. Это приводит к эффекту обратимой денатурации белка (40-53 °С), дальнейшее повышение температур (55-63 °С) к необратимой деструкции белковых структур. Повышение температуры от 63 до 100 °С приводит к коагуляции, а от 100 °С и более к испарению и карбонизации биоткани.
Операция, проводимая бесконтактным методом, обеспечивает ярко выраженное гемостатическое действие. Воздействие осуществляется практически бескровно или с минимальной кровопотерей, что упрощает ее выполнение и сопровождается незначительной травматизацией окружающих тканей.
Глубина проникновения излучения лазера в ткани зависит от времени воздействия и степени гидратации ткани. Чем выше гидрофильность, тем глубина проникновения меньше, и наоборот, чем меньше степень гидратации ткани, тем глубже проникает излучение. При импульсном лазерном излучение биоткань не прогревается на необходимую глубину в результате значительного поверхностного поглощения, и поэтому испарения не происходит, а имеет место только коагуляция. При длительном воздействии после обугливания изменяются параметры поглощения ткани и начинается испарение.
В лазерной хирургии используется высокоинтенсивное лазерное излучение (ВИЛИ), которое получают с помощью С0 2 , EnYAG-лазера и аргонового лазера.
Лазерные хирургические инструменты обладают высокой точностью и аккуратностью производимого деструктивного действия на оперируемые органы и ткани. Это актуально и подчас является всегда недостающим звеном в ключевых этапах операций, особенно операций, производимых на тканях и органах с интенсивным кровоснабжением, для того чтобы вызывать коагуляцию фронта деструкции и избегать кровоизлияния. Также применение лазерного скальпеля обеспечивает абсолютную стерильность операции. Здесь можно привести медицинские комплексы "Скальпель-1", "Калина", "Разбор", "Ланцет-1" - модели СО, лазера, предназначенные для проведения хирургических операций в различных областях медицинской практики. Лазерные хирургические аппараты являются универсальным режущим средством и могут быть использованы на ключевых этапах хирургических вмешательств. Показаниями к применению лазерного излучения во время операции служат: необходимость проведения операций на обильно кровоснабжаемых органах, когда требуется полный гемостаз, а его выполнение обычными способами сопровождается большой кровопотерей; необходимость стерилизации гнойных ран и профилактики возможного микробного загрязнения чистых операционных ран (это обстоятельство чрезвычайно важно в регионах с тропическим климатом); необходимость прецизионной техники оперативных вмешательств; оперативные вмешательства у больных с нарушением свертывания крови.
Универсальных режимов лазерного воздействия на различные ткани не существует. Поэтому подбор оптимальных параметров и режимов воздействия осуществляется хирургом самостоятельно на основе базовых методик применения лазерных хирургических установок в медицинской практике. Для хирургической обработки указанные методики разработаны сотрудниками Российского государственного научного центра лазерной медицины и ММА им. И.М. Сеченова, Тверской медицинской академии на основе обобщения клинического опыта в различных областях медицины: в хирургической стоматологии и челюстно-лицевой хирургии, абдоминальной хирургии, хирургии легких и плевры, пластической хирургии, косметологии, гнойной хирургии, ожоговой хирургии, хирургии аноректальной области, гинекологии, урологии, отоларингологии.
Характер взаимодействия лазерного излучения с биологической тканью зависит от плотности мощности лазерного излучения и от времени взаимодействия. Скорость разреза тканей лазерным лучом на разных этапах операции подбирается хирургом опытным путем в зависимости от вида ткани и желаемого качества разреза при выбранных параметрах лазерного излучения. Замедление скорости разреза может привести к увеличению карбонизации тканей и образованию глубокой зоны коагуляции. В суперимпульсном режиме и особенно в импульсно-периодическом режиме карбонизация и некроз, связанные с перегревом окружающих тканей, практически исключены при любой скорости движения лазерного луча. Приведем основные характеристики используемых в медицинской практике аппаратов. Длина волны излучения - 10,6 мкм. Выходная мощность излучения (регулируемая) - 0,1-50 Вт. Мощность в режиме "медимпульс" - 50 Вт. Плотность мощности лазерного облучения сверху ограничена условно величиной 50-150 Вт/см 2 для импульсных лазеров и величиной 10 Вт/см 2 для лазеров непрерывного действия. Диаметр лазерного луча на ткани (переключаемый) - 200; 300; 500 мкм. Наведение основного излучения лучом диодного лазера - 2 мВт, 635 нм. Режимы излучения (переключаемые) - непрерывный, импульсно-периодический, медимпульс. Время экспозиции излучения (регулируемое) - 0,1-25 мин. Длительность импульса излучения в импульсно-периодическом режиме (регулируемая) - 0,05-1,0 с. Длительность паузы между импульсами - 0,05-1,0 с. Пульт управления выносной. Включение и выключение излучения - ножная педаль. Удаление продуктов сгорания - система эвакуации дыма. Радиус операционного пространства - до 1200 мм. Система охлаждения - автономная, воздушно-жидкостного типа. Размещение в операционной напольное или настольное. Электропитание (переменный ток) - 220 В, 50 Гц, 600 Вт. Габаритные размеры, масса варьируют. Как можно заметить, основным отличием лазера для хирургии от остальных медицинских лазеров является высокая мощность излучения, особенно в импульсе. Это необходимо, чтобы за время действия импульса тканевое вещество успело поглотить излучение, разогреться и испариться в окружающее воздушное пространство. В основном все хирургические лазеры работают в средней инфракрасной области оптического диапазона.
Для проведения операций в мобильном варианте подходит JIM-10 - лазерный хирургический аппарат "Лазермед" - последнее достижение в области лазерной техники. Построенный на основе полупроводниковых лазеров, излучающих на длине волны 1,06 мкм, аппарат отличается высокой надежностью, малыми габаритными размерами и весом. Выходная мощность излучения - 0-7(10) Вт, габариты в упакованном состоянии 470 х 350 х 120 мм, масса не более 8 кг. Этот аппарат выполнен в виде чемодана, который в случае необходимости можно трансформировать в рабочее положение.
Также среди продукции других отечественных фирм-производителей можно указать следующие хирургические комплексы: АЛОД-ОБАЛКОМ "Хирург" (хирургический лазерный аппарат ближнего ИК-диапазона с регулируемой мощностью излучения). Предлагается 5 модификаций, отличающихся максимальной мощностью лазерного излучения, - 6 Вт, 9 Вт, 12 Вт, 15 Вт, 30 Вт. Используются для ПТ-терапии (коагуляции, удаления новообразований, разрезания тканей), установки на основе углекислотного, YAG-неодимового (общая хирургия) и аргонового (офтальмология) лазера компании, а также многие другие на основе как газовых, так и твердотельных и полупроводниковых активных сред.
Существуют многие зарубежные и отечественные аналоги, принципы использования которых аналогичны вышеизложенным.
3. Световой пробой
Световой пробой (оптический пробой, оптический разряд, лазерная искра), переход вещества в результате интенсивной ионизации в состояние плазмы под действием электромагнитных полей оптических частот. Впервые световой пробой наблюдался в 1963 при фокусировке в воздухе излучения мощного импульсного лазера на кристалле рубина, работающего в режиме модулированной добротности. При световом пробое в фокусе линзы возникает искра, эффект воспринимается наблюдателем как яркая вспышка, сопровождаемая сильным звуком. Для пробоя газов на оптических частотах требуются огромные электрические поля порядка 106-107 В/см, что соответствует интенсивности светового потока в луче лазера =109-1011 Вт/см 2 (для сравнения, СВЧ-пробой атм. воздуха происходит при напряжённости поля =104 В/см). Возможны два механизма Световой пробой газа под действием интенсивного светового излучения. Первый из них не отличается по своей природе от пробоя газов в полях не очень больших частот (сюда относится и СВЧ-диапазон). Первые затравочные электроны, появившиеся по тем или иным причинам в поле, сначала набирают энергию, поглощая фотоны при столкновениях с атомами газа. Этот процесс является обратным по отношению к тормозному испусканию квантов при рассеянии эл-нов нейтр. возбуждёнными атомами. Накопив энергию, достаточную для ионизации, эл-н ионизует атом, и вместо одного появляются два медленных эл-на, процесс повторяется. Так развивается лавина (см. ЛАВИННЫЙ РАЗРЯД). В сильных полях такой процесс осуществляется достаточно быстро и в газе вспыхивает пробой. Второй механизм возникновения Световой пробой, характерный именно для оптических частот, имеет чисто квантовую природу. Электроны могут отрываться от атомов в результате многоквантового фотоэффекта, т. е. при одновременном поглощении сразу нескольких фотонов. Одноквантовый фотоэффект в случае частот видимого диапазона невозможен, т. к. потенциалы ионизации атомов в несколько раз превышают энергию кванта. Так, напр., энергия фотона рубинового лазера равна 1,78 эВ, а ионизационный потенциал аргона равен 15,8 эВ, т. е. для отрыва электрона требуется 9 фотонов. Обычно многофотонные процессы маловероятны, но скорость их резко повышается при увеличении плотности числа фотонов, а при тех высоких интенсивностях, при которых наблюдают Световой пробой, вероятность их достигает значительной величины. В плотных газах, при давлениях порядка атмосферного и выше, всегда происходит лавинная ионизация, многофотонные процессы является здесь лишь причиной появления первых эл-нов. В разреженных же газах и в полях пикосекундных импульсов, когда электроны вылетают из области действия поля, не успев испытать много столкновений, лавина не развивается и Световой пробой возможен только за счёт непосредственного вырывания эл-нов из атомов под действием света. Это возможно только при очень сильных световых полях >107 В/см. При высоких давлениях Световой пробой наблюдается в гораздо более слабых полях. Весь механизм Световой пробой сложен и многообразен.
Основные световые величины
Световой пробой наблюдается и в конденсированных средах при распространении в них мощного лазерного излучения и может явиться причиной разрушения материалов и оптических деталей лазерных устройств.
Использование полупроводникового лазера открывает новые возможности в качестве и сроках проводимого лечения. Этот высокотехнологический хирургический инструмент и аппарат может применяться для профилактики и ведения раны в постоперационном периоде. Это становится возможным за счет использования физиотерапевтических свойств лазерного излучения инфракрасного спектра, обладающего выраженным противовоспалительным эффектом, бактериостатическим и бактерицидным действием, и оказывающего стимулирующее влияние на тканевой иммунитет и процессы регенерации. Отдельно стоит упомянуть о возможности использования диодного лазера для отбеливания зубов на 3-4 тона за одно посещение. Тем не менее, наиболее частыми областями применения лазера являются хирургия и пародонтология.
Результаты, полученные при работе с лазером, дают основания утверждать: диодный лазер - это практически незаменимый помощник врача в каждодневной работе, что подтверждается и положительными отзывами пациентов. По их мнению применение данного вида лечения является обоснованным и комфортным. Операция проходит бескровно, быстро, послеоперационный этап переносится легче.
Объективно наблюдаются уменьшение сроков заживления в 2 раза, меньшие болевые ощущения во время и после операций, позволяющие обходиться без анестетиков, более быстрое течение регенерации, отсутствие отеков - неудивительно, что все большее количество пациентов предпочитают проведение манипуляции лазером. Но это еще не все - разработанная методика ведения пациентов с заболеванием пародонта позволяет уменьшить количество и отсрочить проведение лоскутных операций. Также получены обнадеживающие результаты в эндодонтии - очень перспективным представляется проведение обработки каналов лазерным светом.
Области применения . Диодные лазеры отлично препарируют, обеззараживают, коагулируют и реконструируют мягкие ткани, благодаря чему с их помощью можно успешно выполнять следующие манипуляции:
* Коррекция десны при предпротезной подготовке облегчает работу с материалами. Бескровное поле дает непосредственный доступ к поверхностям, закрытым слизистой оболочкой.
* Пластика уздечек - устраняются короткие уздечки языка и верхней губы, пластика преддверия полости рта. В большинстве случаев успешно проводится полное удаление уздечки. В процессе заживления наблюдается минимальное образование отека - значительно меньше, чем раны от вмешательства скальпелем.
* Обработка пародонтальных карманов при гингивите и начальном пародонтите. После проведения курса облучения достигается быстрый и хороший результат. Также замечено, что твердые зубные отложения после воздействия лазерного излучения легче удаляются.
* Гингивопластика. Гингивальная гиперплазия, возникающая в результате ортодонтического лечения, механического раздражения встречается все чаще. Известно, что стимуляция слизистых тканей приводит к патологическому покрытию зуба. Реакция ткани постоянна, обычно требуется удаление лишней ткани. Лазерная хирургия представляет эффективный метод удаления лишней ткани, восстанавливающий нормальный внешний вид слизистой.
* Лечение афтозных язв и гиперестезий герпеса. Используются физиотерапевтические возможности диодного лазера. Энергия лазера в виде несфокусированного пучка, направленная на поверхность данных повреждений, воздействует на нервные окончания (при гиперестезиях). Более трудные случаи требуют наличия легкого поверхностного контакта.
* Косметическая реконструкция слизистой. Эта манипуляция является совершенным эстетическим методом лечения. Лазеры дают возможность удалять ткань послойно. Отсутствие кровотечения позволяет проводить данные операции с большей точностью. Десневые ткани легко выпариваются, оставляя четкие края. Параметры ширины, длины разрезов и высоты гингивальных контуров легко достижимы.
* Пародонтологическое лечение. В данной ситуации наиболее успешным является комплексный подход, сочетающий хирургию и физиотерапию. Имеются программы лечения, приводящие к длительной ремиссии при соблюдении пациентом рекомендаций по гигиене полости рта. При первом посещении производится купирование острого процесса, затем производится санация патологических карманов, при необходимости выполняются хирургические манипуляции с использованием дополнительных костных материалов. Далее пациент проходит поддерживающий курс лазерной терапии. Период лечения занимает в среднем 14 дней.
* Эндодонтическое лечение. Традиционное применение лазера в эндодонтии - это выпаривание остатков пульпы и обеззараживание каналов. Специальные эндодонтические насадки позволяют работать непосредственно в открытом канале до апекса. С помощью лазера происходит аблация остатков тканей, уничтожение бактерий и остекление стенок каналов. При наличии фистулы лазерный луч проходит через канал фистулы в сторону очага воспаления. При этом на некоторое время приостанавливается распространение инфекции и подавляются симптомы, однако рецидив очевиден, если корневой канал не будет полноценно обработан.
* Отбеливание. Не стоит отмахиваться от того факта, что это одна из самых востребованных среди пациентов эстетических процедур. С помощью диодного лазера существенного отбеливающего эффекта удается достичь уже за одно посещение. Сама процедура предельно проста и заключается в активации лазерным излучением предварительно нанесенного отбеливающего геля.
Преимущества. В хирургической стоматологии и пародонтологии преимущества лазера определяются такими факторами, как точность и простота доступа к операционному полю. При этом во время операции отсутствует кровотечение, что позволяет операционному полю оставаться сухим, а это естественным образом обеспечивает лучший обзор - в результате уменьшается время проведения операции. Дополнительно стоит отметить, что во время операции сосуды коагулируются, тем самым происходит минимизация послеоперационного отека.
Также за счет противовоспалительного и бактериостатического действия лазерного излучения уменьшается риск возникновения осложнений. Заживление ран происходит быстрее по сравнению с использованием традиционных методик.
При лазерном консервативном лечении гингивита и пародонтита с глубиной карманов до 5 мм отмечается отсутствие кровоточивости и воспалительных явлений, в ряде случаев наблюдается регенерация костной ткани, что подтверждается рентгенологическими исследованиями.
При проведении отбеливания помимо небольшого времени процедуры (около 1 часа) значительным преимуществом является минимальное проявление гиперчувствительности после процедуры отбеливания.
Отечественные разработки. Как видите, преимуществ использования диодных лазеров немало. Есть правда и один серьезный недостаток, присущий всем инновационным разработкам во всех областях человеческого знания - высокая цена. Действительно, стоимость таких аппаратов, особенно производства известных западных брендов, значительна. К счастью, в этой области есть и российские разработки, причем это тот достаточно редкий случай (когда речь заходит о высокотехнологичных разработках), когда "российское" не означает "худшее". Еще с советских времен отечественные разработки в области лазерных технологий не только не уступают западным аналогам, но зачастую и превосходят их - многие прототипы современных лазерных систем разрабатывались именно в нашей стране.
Существует и отечественный полупроводниковый стоматологический лазер - это аппарат "Лами С" (совместная разработка УМЦ "Дента-Рус" и НПФ "Опттехника"), которым уже заинтересовались некоторые западные компании, т.к. среди всего прочего неоспоримым его достоинством является тот факт, что стоимость лазера в 3 раза ниже, по сравнению с импортными аналогами.
В аппарате используются полупроводниковые лазерные кристаллы, работающие от низковольтных маломощных (350 Вт) источников питания, а не газоразрядные трубки, требующие специального высоковольтного источника питания. Такая конструкция позволяет решить сразу несколько задач - отсутствие высокого напряжения является определенной гарантией безопасности для врача и пациента, нет вредных электромагнитных полей, не требуется и специальное охлаждение.
Но вернемся к невысокой цене прибора - это позволяет значительно быстрее окупить финансовые вложения и начать получать прибыль. Согласитесь, помимо улучшения качества обслуживания пациентов, это также очень немаловажно в условиях коммерческого приема.
Из других особенностей аппаратов "Лами" имеет смысл отметить следующие - они не требуют особых условий и специального обслуживания, малогабаритны и легко транспортируются в пределах клиники, обладают надежностью и стабильностью параметров. Сервисное обслуживание организовано таким образом, что при возникновении неисправностей на время ремонта врач получает другой аппарат.
Заключение
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 (С 0 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.
С писок использованной литературы
1. А.Н. Ремизов "Медицинская и биологическая физика".
2. О.К. Скобелкина "Лазеры в хирургии под редакцией профессора".
3. С.Д. Плетнева "Лазеры в клинической медицине" под редакцией".
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Основные направления и цели медико-биологического использования лазеров. Меры защиты от лазерного излучения. Проникновение лазерного излучения в биологические ткани, их патогенетические механизмы взаимодействия. Механизм лазерной биостимуляции.
реферат , добавлен 24.01.2011
Понятие и назначение лазера, принцип действия и структура лазерного луча, характер его взаимодействия с тканью. Особенности практического использования лазера в стоматологии, оценка основных преимуществ и недостатков данного метода лечения зубов.
реферат , добавлен 14.05.2011
Общее понятие о квантовой электронике. История развития и принцип устройства лазера, свойства лазерного излучения. Низкоинтенсивные и высокоинтенсивные лазеры: свойства, действие на биологические ткани. Применение лазерных технологий в медицине.
реферат , добавлен 28.05.2015
Процесс лазерного излучения. Исследования в области лазеров в диапазоне рентгеновских волн. Медицинское применение CO2–лазеров и лазеров на ионах аргона и криптона. Генерация лазерного излучения. Коэффициент полезного действия лазеров различных типов.
реферат , добавлен 17.01.2009
Физические основы применения лазерной техники в медицине. Типы лазеров, принципы действия. Механизм взаимодействия лазерного излучения с биотканями. Перспективные лазерные методы в медицине и биологии. Серийно выпускаемая медицинская лазерная аппаратура.
реферат , добавлен 30.08.2009
Понятие лазерного излучения. Механизм действия лазера на ткани. Его применение в хирургии для рассечения тканей, остановки кровотечения, удаления патологий и сваривания биотканей; стоматологии, дерматологии, косметологии, лечении заболеваний сетчатки.
презентация , добавлен 04.10.2015
Лазерные методы диагностики. Оптические квантовые генераторы. Основные направления и цели медико-биологического использования лазеров. Ангиография. Диагностические возможности голографии. Термография. Лазерная медицинская установка длялучевой терапии.
реферат , добавлен 12.02.2005
Физическая природа и лечебные действия ультразвука. Основные направления его медико-биологического приложения. Опасность и побочные эффекты ультразвукового исследования. Сущность эхокардиографии. Постановка диагноза заболеваний внутренних органов.
презентация , добавлен 10.02.2016
Применение ионизирующего излучения в медицине. Технология лечебных процедур. Установки для дистанционной лучевой терапии. Применение изотопов в медицине. Средства защиты от ионизирующего излучения. Процесс получения и использования радионуклидов.
презентация , добавлен 21.02.2016
Ознакомление с историей открытия и свойствами лазеров; примеры использования в медицине. Рассмотрение строения глаза и его функций. Заболевания органов зрения и методы их диагностики. Изучение современных методов коррекции зрения с помощью лазеров.
В медицине лазерные установки нашли свое применение в виде лазерного скальпеля. Его использование для проведения хирургических операций определяют следующие свойства:
Он производит относительно бескровный разрез, так как одновременно с рассечением тканей он коагулирует края раны “заваривая” не слишком крупные кровеносные сосуды;
Лазерный скальпель отличается постоянством режущих свойств. Попадание на твердый предмет (например, кость) не выводит скальпель из строя. Для механического скальпеля такая ситуация стала бы фатальной;
Лазерный луч в силу своей прозрачности позволяет хирургу видеть оперируемый участок. Лезвие же обычного скальпеля, равно как и лезвие электроножа, всегда в какой-то степени загораживает от хирурга рабочее поле;
Лазерный луч рассекает ткань на расстоянии, не оказывая никакого механического воздействия на ткань;
Лазерный скальпель обеспечивает абсолютную стерильность, ведь с тканью взаимодействует только излучение;
Луч лазера действует строго локально, испарение ткани происходит только в точке фокуса. Прилегающие участки ткани повреждаются значительно меньше, чем при использовании механического скальпеля;
Как показала клиническая практика, рана от лазерного скальпеля почти не болит и быстрее заживляется.
Практическое применение лазеров в хирургии началось в СССР в 1966 году в институте имени А. В. Вишневского. Лазерный скальпель был применен в операциях на внутренних органах грудной и брюшной полостей. В настоящее время лазерным лучом делают кожно-пластические операции, операции пищевода, желудка, кишечника, почек, печени, селезенки и других органов. Очень заманчиво проведение операций с использованием лазера на органах, содержащих большое количество кровеносных сосудов, например, на сердце, печени.
Характеристики некоторых типов лазеров.
В настоящее время имеется громадное разнообразие лазеров, отличающихся между собой активными средами, мощностями, режимами работы и другими характеристиками. Нет необходимости все их описывать. Поэтому здесь даётся краткое описание лазеров, которые достаточно полно представляют характеристики основных типов лазеров (режим работы, способы накачки и т. д.)
Рубиновый лазер. Первым квантовым генератором света был рубиновый лазер, созданный в 1960 году.
Рабочим веществом является рубин, представляющий собой кристалл оксида алюминия Аl 2 O 3 (корунд), в который при выращивании введен в виде примеси оксид хрома Сr 2 Оз. Красный цвет рубина обусловлен положительным ионом Сr +3 . В решетке кристалла Аl 2 О 3 ион Сг +3 замещает ион Аl +3 . Вследствие этого в кристалле возникают две полосы поглощения: одна-в зеленой, другая-в голубой части спектра. Густота красного цвета рубина зависит от концентрации ионов Сг +3: чем больше концентрация, тем гуще красный цвет. В темно-красном рубине концентрация ионов Сг +3 достигает 1%.
Наряду с голубой и зеленой полосами поглощения имеется два узких энергетических уровня Е 1 и Е 1 ’ , при переходе с которых на основной уровень излучается свет с длинами волн 694,3 и 692,8 нм. Ширина линий составляет при комнатных температурах примерно 0,4 нм. Вероятность вынужденных переходов для линии 694,3 нм больше, чем для 692,8 нм. Поэтому проще работать с линией 694,3 нм. Однако можно осуществить генерацию и линии 692,8 нм, если использовать специальные зеркала, имеющие большой коэффициент отражения для излучения l = 692,8 нм и малый - для l = 694,3 нм.
При облучении рубина белым светом голубая и зеленая части спектра поглощаются, а красная отражается. В рубиновом лазере используется оптическая накачка ксеноновой лампой, которая дает вспышки света большой интенсивности при прохождении через нее импульса тока, нагревающего газ до нескольких тысяч Кельвин. Непрерывная накачка невозможна, потому что лампа при столь высокой температуре не выдерживает непрерывного режима работы. Возникающее излучение близко по своим характеристикам к излучению абсолютно черного тела. Излучение поглощается ионами Cr + , переходящими в результате этого на энергетические уровни в области полос поглощения. Однако с этих уровней ионы Сr +3 очень быстро в результате безызлучательного перехода переходят на уровни Е 1 , Е 1 ’ . При этом излишек энергии передается решетке, т. е. превращается в энергию колебаний решетки или, другими словами, в энергию фотонов. Уровни Е 1 , Е 1 ’ метастабильны. Время жизни на уровне Е 1 равно 4,3 мс. В процессе импульса накачки на уровнях Е 1 , Е 1 ’ накапливаются возбужденные атомы, создающие значительную инверсную заселенность относительно уровня Е 0 (это уровень невозбужденных атомов).
Кристалл рубина выращивается в виде круглого цилиндра. Для лазера обычно используют кристаллы размером: длина L = 5 см, диаметр d = 1 см. Ксеноновая лампа и кристалл рубина помещаются в эллиптическую полость с хорошо отражающей внутренней поверхностью. Чтобы обеспечить попадание на рубин всего излучения ксеноновой лампы, кристалл рубина и лампа, имеющая также форму круглого цилиндра, помещаются в фокусы эллиптического сечения полости параллельно ее образующим. Благодаря этому на рубин направляется излучение с плотностью, практически равной плотности излучения на источнике накачки.
Один из концов рубинового кристалла срезан так, что от граней среза обеспечивается полное отражение и возвращение луча обратно. Такой срез заменяет одно из зеркал лазера. Второй конец рубинового кристалла срезан под углом Брюстера. Он обеспечивает выход из кристалла рубина без отражения луча с соответствующей линейной поляризацией. Второе зеркало резонатора ставится на пути этого луча. Таким образом, излучение рубинового лазера линейно поляризовано.
Гелий-неоновый лазер. Активной средой является газообразная смесь гелия и неона. Генерация осуществляется за счет переходов между энергетическими уровнями неона, а гелий играет роль посредника, через который энергия передается атомам неона для создания инверсной заселенности.
Неон, в принципе, может генерировать лазерное изучение в результате более 130 различных переходов. Однако наиболее интенсивными являются линии с длиной волны 632,8 нм, 1,15 и 3,39 мкм. Волна 632,8 нм находится в видимой части спектра, а волны 1,15 и 3,39 мкм - в инфракрасной.
При пропускании тока через гелий-неоновую смесь газов электронным ударом атомы гелия возбуждаются до состояний 2 3 S и 2 2 S, которые являются метастабильными, поскольку переход в основное состояние из них запрещен квантово-механическими правилами отбора. При прохождении тока атомы накапливаются на этих уровнях. Когда возбужденный атом гелия сталкивается с невозбужденным атомом неона, энергия возбуждения переходит к последнему. Этот переход осуществляется очень эффективно вследствие хорошего совпадения энергии соответствующих уровней. Вследствие этого на уровнях 3S и 2S неона образуется инверсная заселенность относительно уровней 2P и 3P, приводящая к возможности генерации лазерного излучения. Лазер может оперировать в непрерывном режиме. Излучение гелий-неонового лазера линейно поляризовано. Обычно давление гелия в камере составляет 332 Па, а неона - 66 Па. Постоянное напряжение на трубке около 4 кВ. Одно из зеркал имеет коэффициент отражения порядка 0,999, а второе, через которое выходит лазерное излучение, - около 0,990. В качестве зеркал используют многослойные диэлектрики, поскольку более низкие коэффициенты отражения не обеспечивают достижения порога генерации.
Газовые лазеры . Они представляют собой, пожалуй, наиболее широко используемый в настоящее время тип лазеров и, возможно, в этом отношении они превосходят даже рубиновые лазеры. Газовым лазерам также посвящена большая часть выполненных исследований. Среди различных типов газовых лазеров всегда можно найти такой, который будет удовлетворять почти любому требованию, предъявляемому к лазеру, за исключением очень большой мощности в видимой области спектра в импульсном режиме. Большие мощности необходимы для многих экспериментов при изучении нелинейных оптических свойств материалов. В настоящее время большие мощности в газовых лазерах не получены по той простой причине, что плотность атомов в них недостаточно велика. Однако почти для всех других целей можно найти конкретный тип газового лазера, который будет превосходить как твердотельные лазеры с оптической накачкой, так и полупроводниковые лазеры. Много усилий было направлено на то, чтобы эти лазеры могли конкурировать с газовыми лазерами, и в ряде случаев был достигнут определенный успех, однако он всегда оказывался на грани возможностей, в то время как газовые лазеры не обнаруживают никаких признаков уменьшения популярности.
Особенности газовых лазеров часто обусловлены тем, что они, как правило, являются источниками атомных или молекулярных спектров. Поэтому длины волн переходов точно известны. Они определяются атомной структурой и обычно не зависят от условий окружающей среды. Стабильность длины волны генерации при определенных усилиях может быть значительно улучшена по сравнению со стабильностью спонтанного излучения. В настоящее время имеются лазеры с монохроматичностью, лучшей, чем в любом другом приборе. При соответствующем выборе активной среды может быть осуществлена генерация в любой части спектра, от ультрафиолетовой (~2ООО А) до далекой инфракрасной области (~ 0,4 мм), частично захватывая микроволновую область.
Нет также оснований сомневаться, что в будущем удастся создать лазеры для вакуумной ультрафиолетовой области спектра. Разреженность рабочего газа обеспечивает оптическую однородность среды с низким коэффициентом преломления, что позволяет применять простую математическую теорию для описания структуры мод резонатора и дает уверенность в том, что свойства выходного сигнала близки к теоретическим. Хотя КПД превращения электрической энергии в энергию вынужденного излучения в газовом лазере не может быть таким большим, как в полупроводниковом лазере, однако благодаря простоте управления разрядом газовый лазер оказывается для большинства целей наиболее удобным в работе как один из лабораторных приборов. Что касается большой мощности в непрерывном режиме (в противоположность импульсной мощности), то природа газовых лазеров позволяет им в этом отношении превзойти все другие типы лазеров.
С0 2 -лазер с замкнутым объемом. Молекулы углекислого газа, как и другие молекулы, имеют полосатый спектр, обусловленный наличием колебательных и вращательных уровней энергии. Используемый в CO 2 - лазере переход дает излучение с длиной волны 10,6 мкм, т. е. лежит в инфракрасной области спектра. Пользуясь колебательными уровнями, можно несколько варьировать частоту излучения в пределах примерно от 9,2 до 10,8 мкм. Энергия молекулам CO 2 передается от молекул азота N 2 , которые сами возбуждаются электронным ударом при прохождении тока через смесь.
Возбужденное состояние молекулы азота N 2 является метастабильным и отстоит от основного уровня на расстоянии 2318 см -1 , что весьма близко к энергетическому уровню (001) молекулы CO 2 . Ввиду метастабильности возбужденного состояния N 2 при прохождении тока число возбужденных атомов накапливается. При столкновении N 2 с CO 2 происходит резонансная передача энергии возбуждения от N 2 к CO 2 . Вследствие этого возникает инверсия заселенностей между уровнями (001), (100), (020) молекул CO 2 . Обычно для уменьшения заселенности уровня (100), который имеет большое время жизни, что ухудшает генерацию при переходе на этот уровень, добавляют гелий. В типичных условиях смесь газов в лазере состоит из гелия (1330 Па), азота (133 Па) и углекислого газа (133 Па).
При работе CO 2 - лазера происходит распад молекул CO 2 на СО и О, благодаря чему активная среда ослабляется. Далее СО распадается на С и О, а углерод осаждается на электродах и стенках трубки. Всё это ухудшает работу СO 2 -лазера. Чтобы преодолеть вредное действие этих факторов в закрытую систему добавляют пары воды, которые стимулируют реакцию
СО + О ® CO 2 .
Используются платиновые электроды, материал которых является катализатором для этой реакции. Для увеличения запаса активной среды резонатор соединяется с дополнительными емкостями, содержащими CO 2 , N 2 , Не, которые в необходимом количестве добавляются в объём резонатора для поддержания оптимальных условий работы лазера. Такой закрытый CO 2 -лазер, в состоянии работать в течение многих тысяч часов.
Проточный СО 2 -лазер. Важной модификацией является проточный СО 2 -лазер, в котором смесь газов CO 2 , N 2 , Не непрерывно прокачивается через резонатор. Такой лазер может генерировать непрерывное когерентное излучение мощностью свыше 50 Вт на метр длины своей активной среды.
Неодимовый лазер. Название может ввести в заблуждение. Телом лазера является не металл неодим, а обычное стекло с примесью неодима. Ионы атомов неодима беспорядочно распределены среди атомов кремния и кислорода. Накачка производятся лампами-молниями. Лампы дают излучение в пределах длин волн от 0,5 до 0,9 мкм. Возникает широкая полоса возбужденных состояний. Атомы совершают безызлучательные переходы на верхний лазерный уровень. Каждый переход дает разную энергию, которая превращается в колебательную энергию всей «решетки» атомов.
Лазерное излучение, т.е. переход на пустой нижний уровень, имеет длину волны 1,06 мкм.
Т-лазер. Во многих практических приложениях важную роль играет СO 2 -лазер, в котором рабочая смесь находится под атмосферным давлением и возбуждается поперечным электрическим полем (Т-лазер). Поскольку электроды расположены параллельно оси резонатора, для получения больших значений напряженности электрического поля в резонаторе требуются сравнительно небольшие разности потенциалов между электродами, что дает возможность работать в импульсном режиме при атмосферном давлении, когда концентрация CO 2 в резонаторе велика. Следовательно, удается получить большую мощность, достигающую обычно 10 МВт и больше в одном импульсе излучения продолжительностью менее 1 мкс. Частота повторения импульсов в таких лазерах составляет обычно несколько импульсов в минуту.
Газодинамические лазеры. Нагретая до высокой температуры (1000-2000 К) смесь CO 2 и N 2 при истечении с большой скоростью через расширяющееся сопло сильно охлаждается. Верхний и нижний энергетический уровни при этом термоизолируются с различной скоростью, в результате чего образуется инверсная заселенность. Следовательно, образовав на выходе из сопла оптический резонатор, можно за счет этой инверсной заселенности генерировать лазерное излучение. Действующие на этом принципе лазеры называются газодинамическими. Они позволяют получать очень большие мощности излучения в непрерывном режиме.
Лазеры на красителях. Красители являются очень сложными молекулами, у которых сильно выражены колебательные уровни энергии. Энергетические уровни в полосе спектра располагаются почти непрерывно. Вследствие внутримолекулярного взаимодействия молекула очень быстро (за времена порядка 10 -11 -10 -12 с) переходит безызлучательно на нижний энергетический уровень каждой полосы. Поэтому после возбуждения молекул через очень короткий промежуток времени на нижнем уровне полосы Е 1 сосредоточатся все возбужденные молекулы. Они далее имеют возможность совершить излучательный переход на любой из энергетических уровней нижней полосы. Таким образом, возможно излучение практически любой частоты в интервале, соответствующем ширине нулевой полосы. А это означает, что если молекулы красителя взять в качестве активного вещества для генерации лазерного излучения, то в зависимости от настройки резонатора можно получить практически непрерывную перестройку частоты генерируемого лазерного излучения. Поэтому на красителях создаются лазеры с перестраиваемой частотой генерации. Накачка лазеров на красителях производится газоразрядными лампами или излучением других лазеров.
Выделение частот генерации достигается тем, что порог генерации создается только для узкой области частот. Например, положения призмы и зеркала подбираются так, что в среду после отражения от зеркала благодаря дисперсии и разным углам преломления возвращаются лишь лучи с определенной длиной волны. Только для таких длин волн обеспечивается лазерная генерация. Вращая призму, можно обеспечить непрерывную перестройку частоты излучения лазера на красителях. Генерация осуществлена со многими красителями, что позволило получить лазерное излучение не только во всем оптическом диапазоне, но и на значительной части инфракрасной и ультрафиолетовой областей спектра.
Полупроводниковые лазеры. Основным примером работы полупроводниковых лазеров является магнитно-оптический накопитель (МО).
Принципы работы МО накопителя.
МО накопитель построен на совмещении магнитного и оптического принципа хранения информации. Записывание информации производится при помощи луча лазера и магнитного поля, а считывание при помощи одного только лазера.
В процессе записи на МО диск лазерный луч нагревает определенные точки на диски, и под воздействием температуры сопротивляемость изменения полярности, для нагретой точки, резко падает, что позволяет магнитному полю изменить полярность точки. После окончания нагрева сопротивляемость снова увеличивается. Полярность нагретой точки остается в соответствии с магнитным полем, примененным к ней в момент нагрева.
В имеющихся на сегодняшний день МО накопителях для записи информации применяются два цикла: цикл стирания и цикл записи. В процессе стирания магнитное поле имеет одинаковую полярность, соответствующую двоичным нулям. Лазерный луч нагревает последовательно весь стираемый участок и таким образом записывает на диск последовательность нулей. В цикле записи полярность магнитного поля меняется на противоположную, что соответствует двоичной единице. В этом цикле лазерный луч включается только на тех участках, которые должны содержать двоичные единицы, оставляя участки с двоичными нулями без изменений.
В процессе чтения с МО диска используется эффект Керра, заключающийся в изменении плоскости поляризации отраженного лазерного луча, в зависимости от направления магнитного поля отражающего элемента. Отражающим элементом в данном случае является намагниченная при записи точка на поверхности диска, соответствующая одному биту хранимой информации. При считывании используется лазерный луч небольшой интенсивности, не приводящий к нагреву считываемого участка, таким образом при считывании хранимая информация не разрушается.
Такой способ в отличие от обычного применяемого в оптических дисках не деформирует поверхность диска и позволяет повторную запись без дополнительного оборудования. Этот способ также имеет преимущество перед традиционной магнитной записью в плане надежности. Так как перемагничеваниие участков диска возможно только под действием высокой температуры, то вероятность случайного перемагничевания очень низкая, в отличие от традиционной магнитной записи, к потери которой могут привести случайные магнитные поля.
Область применения МО дисков определяется его высокими характеристиками по надежности, объему и сменяемости. МО диск необходим для задач, требующих большого дискового объема. Это такие задачи, как обработка изображений звука. Однако небольшая скорость доступа к данным, не дает возможности применять МО диски для задач с критичной реактивностью систем. Поэтому применение МО дисков в таких задачах сводится к хранению на них временной или резервной информации. Для МО дисков очень выгодным использованием является резервное копирование жестких дисков или баз данных. В отличие от традиционно применяемых для этих целей стримеров, при хранение резервной информации на МО дисках, существенно увеличивается скорость восстановления данных после сбоя. Это объясняется тем, что МО диски являются устройствами с произвольным доступом, что позволяет восстанавливать только те данные, в которых обнаружился сбой. Кроме этого при таком способе восстановления нет необходимости полностью останавливать систему до полного восстановления данных. Эти достоинства в сочетании с высокой надежностью хранения информации делают применение МО дисков при резервном копировании выгодным, хотя и более дорогим по сравнению со стримерами.
Применение МО дисков, также целесообразно при работе с приватной информацией больших объемов. Легкая сменяемость дисков позволяет использовать их только во время работы, не заботясь об охране компьютера в нерабочее время, данные могут храниться в отдельном, охраняемом месте. Это же свойство делает МО диски незаменимыми в ситуации, когда необходимо перевозить большие объемы с места на место, например с работы домой и обратно.
Основные перспективы развития МО дисков связаны прежде всего с увеличением скорости записи данных. Медленная скорость определяется в первую очередь двухпроходным алгоритмом записи. В этом алгоритме нули и единицы пишутся за разные проходы из-за того, что магнитное поле, задающие направление поляризации конкретных точек на диске, не может изменять свое направление достаточно быстро.
Наиболее реальная альтернатива двухпроходной записи - это технология, основанная на изменение фазового состояния. Такая система уже реализована некоторыми фирмами-производителями. Существуют еще несколько разработок в этом направлении, связанные с полимерными красителями и модуляциями магнитного поля и мощности излучения лазера.
Технология, основанная на изменении фазового состояния, основана на способности вещества переходить из кристаллического состояния в аморфное. Достаточно осветить некоторую точку на поверхности диска лучом лазера определенной мощности, как вещество в этой точке перейдет в аморфное состояние. При этом изменяется отражающая способность диска в этой точке. Запись информации происходит значительно быстрее, но при этом деформируется поверхность диска, что ограничивает число циклов перезаписи.
В настоящие время уже разрабатывается технология, позволяющая менять полярность магнитного поля на противоположную всего за несколько наносекунд. Это позволит изменять магнитное поле синхронно с поступлением данных на запись. Существует также технология, построенная на модуляции излучения лазера. В этой технологии дисковод работает в трех режимах: режим чтения с низкой интенсивностью, режим записи со средней интенсивностью и режим записи с высокой интенсивностью. Модуляция интенсивности лазерного луча требует более сложной структуры диска и дополнения механизма дисковода инициализирующим магнитом, установленным перед магнитом смещения и имеющим противоположную полярность. В самом простом случае диск имеет два рабочих слоя - инициализирующий и записывающий. Инициализирующий слой сделан из такого материала, что инициализирующий магнит может изменять его полярность без дополнительного воздействия лазера.
Безусловно МО диски перспективные и бурно развивающиеся устройства, которые могут решать назревающие проблемы с большими объемами информации. Но их дальнейшее развитие зависит не только от технологии записи на них, но и от прогресса в области других носителей информации. И если не будет изобретен более эффективный способ хранения информации, МО диски возможно займут доминирующие роли.
Применение лазеров в медицине принципиально отличается от других многочисленных областей технологических применения лазеров. Лазерные медицинские технологии отличаются гуманистической направленностью. Если проблема здоровья стоит достаточно остро для самого человека или его близкого, то проблемы медицины становятся неизмеримо важнее любых других проблем.
Лазерные медицинские технологии отличаются многоплановостью, комплексностью, разнообразием. Лазерная медицина включает воздействие лазерного излучения на различные части тела: кожа, кости, мышцы, жировые ткани, сухожилия, внутренние органы, глаза, зубные ткани и т. п. При этом каждая из них в свою очередь имеет сложное строение. Так в зубе можно отдельно рассматривать эмаль, дентин, пульпу. В коже - роговой слой, эпидермис, дерму. Все эти ткани имеют свои свойства, как оптические (спектральные характеристики, коэффициент отражения, глубина проникновения излучения), так и теплофизические (теплопроводность, температуропроводность, теплоемкость), отличные от свойств других биотканей. Поэтому различается и характер воздействия на них лазерного излучения. Соответственно, в каждом случае необходимо выбирать индивидуальные параметры режима облучения: длину волны, длительность воздействия, мощность, частоту следования импульсов и т.п. Сильное различие свойств биотканей делает возможным специфические воздействия, например, чрескожное воздействие на патологические ткани (облучение подкожных тканей без существенного повреждения кожи).
Каждая ткань в силу своей биологической природы неоднородна, имеет сложную микроструктуру. В состав мягких тканей входит значительное количество воды. В состав костей входят различные минералы. Следствием этого является тот факт, что воздействие излучения на ткани, в особенности разрушающее, хирургическое, для разных тканей и длин волн излучения различается не только количественно, но и качественно. Это означает, что существует несколько совершенно различных механизмов удаления биологических тканей: тепловой и низкоэнергетический коагуляционный с последующей резорбцией, взрывные механизмы, «холодная» абляция.
Интересно, что для осуществления терапевтического воздействия на определенную часть тела лазерное воздействие может быть направлено совсем на другой объект. Здесь показательным является лазерная терапия, когда облучение крови, особых точек или проекций органов на коже человека (зоны Захарьина - Геда), стопе или ладони, области позвоночника оказывает воздействие на внутренние органы, весьма удаленные от области воздействия, и на весь организм в целом.
Кроме того, поскольку организм представляет собой единое целое, результат воздействия продолжается очень долго после его окончания. После лазерной операции реакция организма продолжается в течение дней, недель и даже месяцев.
Такая сложность и комплексность лазерной медицины делает ее очень интересной для исследования и разработки новых технологий.
Почему лазерное излучение нашло такое широкое применение в медицине? Основными особенностями лазерного излучения в применении к лазерной медицине являются:
- -направленность, монохроматичность, когерентность, определяющие возможность локализации энергии,
- - широкий спектральный диапазон существующих лазеров (это особенно важно в том случае, когда поглощение носит резонансный характер),
- - возможность в широких пределах управлять длительностью воздействия (существующие лазеры обеспечивают длительность воздействия от фемтосекундного диапазона до непрерывного воздействия),
- - возможность плавного изменения в широких пределах интенсивности воздействия,
- - возможность изменения частотных характеристик воздействия,
- - широкие возможности оптического управления процессами, в том числе, возможность организации обратной связи,
- - широкий спектр механизмов воздействия: тепловой, фотохимический, сугубо биофизический, химический,
- - простота доставки излучения,
- - возможность бесконтактного воздействия, что обеспечивает стерильность,
- - возможность проведения бескровных операций, связанная с тепловым и, следовательно, коагуляционным действием излучения.
Таким образом, лазер представляется исключительно точным, универсальным и удобным в использовании инструментом и имеет большой потенциал для медицинских применений в будущем.
Принцип работы лазера
Принципиальную схему работы любого лазерного излучателя можно представить следующим образом (рис. 1).
Рис. 1.
В структуру каждого из них входит цилиндрический стержень с рабочим веществом, на торцах которого расположены зеркала, одно из которых обладает небольшой проницаемостью. В непосредственной близости от цилиндра с рабочим веществом расположена лампа-вспышка, которая может быть параллельна стержню или змеевидно окружать его. Известно, что в нагретых телах, например в лампе накаливания, происходит спонтанное излучение, при котором каждый атом вещества излучает по-своему, и, таким образом, имеются хаотически направленные друг относительно друга потоки световых волн. В лазерном излучателе используется так называемое вынужденное излучение, которое отличается от спонтанного и возникает при атаке возбужденного атома квантом света. Испускаемый при этом фотон по всем электромагнитным характеристикам абсолютно идентичен первичному, атаковавшему возбужденный атом. В результате появляются уже два фотона, обладающие одинаковой длиной волны, частотой, амплитудой, направлением распространения и поляризации. Легко представить, что в активной среде происходит процесс лавинообразного нарастания числа фотонов, по всем параметрам копирующих первичный "затравочный" фотон, и формирующих однонаправленный световой поток. В качестве такой активной среды в лазерном излучателе выступает рабочее вещество, а возбуждение его атомов (накачка лазера) происходит за счет энергии лампы-вспышки. Потоки фотонов, направление распространения которых перпендикулярно плоскости зеркал, отражаясь от их поверхности, многократно проходят сквозь рабочее вещество туда и обратно, вызывая все новые и новые цепные лавинообразные реакции. Поскольку одно из зеркал обладает частичной проницаемостью, часть образующихся фотонов выходит в форме видимого лазерного луча.
Таким образом, отличительной особенностью лазерного излучения является монохроматичность, когерентность и высокая поляризация электромагнитных волн в световом потоке. Монохроматичность характеризуется наличием в спектре источника фотонов преимущественно одной длины волны, когерентность есть синхронизация во времени и пространстве монохроматичных световых волн. Высокая поляризация - закономерное изменение направления и величины вектора излучения в плоскости, перпендикулярной световому лучу. То есть фотоны в лазерном световом потоке обладают не только постоянством длин волн, частот и амплитуды, но и одинаковым направлением распространения и поляризации. В то время как обычный свет состоит из хаотично разлетающихся разнородных частиц. Для сравнения можно сказать, что между светом, испускаемым лазером, и обычной лампой накаливания такая же разница, как между звуком камертона и шумом улицы.
Применение лазеров в стоматологии
В стоматологии лазерное излучение прочно заняло достаточно обширную нишу. На кафедре ортопедической стоматологии БГМУ проводится работа по изучению возможностей применения лазерного излучения, которая охватывает как физиотерапевтические и хирургические аспекты действия лазера на органы и ткани челюстно-лицевой области, так и вопросы технологического применения лазеров на этапах изготовления и ремонта протезов и аппаратов.
Свет использовался для лечения разнообразных болезней испокон веков. Древние греки и римляне часто «принимали солнце» в качестве лекарства. И список болезней, которые приписывалось лечить светом, был достаточно велик.
Настоящий рассвет фототерапии пришелся на 19 век - с изобретением электрических ламп появились новые возможности. В конце XIX столетия красным светом пытались лечить оспу и корь, помещая пациента в специальную камеру с красными излучателями. Также различные «цветовые ванны» (то есть свет различных цветов) успешно применялись для лечения психических заболеваний. Причём лидирующую позицию в области светолечения к началу двадцатого столетия занимала Российская Империя.
В начале шестидесятых годов появились первые лазерные медицинские устройства. Сегодня лазерные технологии применяются практически при любых заболеваниях.
1. Физические основы применения лазерной техники в медицине
1.1 Принцип действия лазера
Основой лазеров служит явление индуцированного излучения, существование которого было постулировано А. Эйнштейном в 1916 г. В квантовых системах, обладающих дискретными уровнями энергии, существуют три типа переходов между энергетическими состояниями: индуцированные переходы, спонтанные переходы и безызлучательные релаксационные переходы. Свойства индуцированного излучения определяют когерентность излучения и усиления в квантовой электронике. Спонтанное излучение обусловливает наличие шумов, служит затравочным толчком в процессе усиления и возбуждения колебаний и вместе с безызлучательными релаксационными переходами играет важную роль при получении и удержании термодинамически неравновесного излучающего состояния.
При индуцированных переходах квантовая система может переводиться из одного энергетического состояния в другое как с поглощением энергии электромагнитного поля (переход с нижнего энергетического уровня на верхний), так и с излучением электромагнитной энергии (переход с верхнего уровня на нижний).
Свет распространяется в виде электромагнитной волны, в то время как энергия при испускании излучения и поглощении сконцентрирована в световых квантах, при этом при взаимодействии электромагнитного излучения с веществом, как было показано Эйнштейном в 1917 г., наряду с поглощением и спонтанным излучением возникает вынужденное (индуцированное) излучение, которое образует основу для разработки лазеров.
Усиление электромагнитных волн за счет вынужденного излучения или инициирование самовозбуждающихся колебаний электромагнитного излучения в диапазоне сантиметровых волн и тем самым создание прибора, названного мазером (microwave amplification by stimulated emission of radiation), было реализовано в 1954 г. По предложению (1958 г.) распространить этот принцип усиления на значительно более короткие световые волны в 1960 г. был разработан первый лазер (light amplification by stimulated emission of radiation).
Лазер является источником света, с помощью которого может быть получено когерентное электромагнитное излучение, которое известно нам из радиотехники и техники сверхвысоких частот, а также в коротковолновой, в особенности инфракрасной и видимой, областях спектра.
1.2 Типы лазеров
Существующие типы лазеров можно классифицировать по нескольким признакам. Прежде всего по агрегатному состоянию активной среды: газовые, жидкостные, твердотельные. Каждый из этих больших классов разбивается на более мелкие: по характерным особенностям активной среды, типу накачки, способу создания инверсии и т.д. Например, из твердотельных довольно четко выделяется обширный класс полупроводниковых лазеров, в которых наиболее широко используется инжекционная накачка. Среди газовых выделяют атомарные, ионные и молекулярные лазеры. Особое место среди всех прочих лазеров занимает лазер на свободных электронах, в основе работы которого лежит классический эффект генерации света релятивистскими заряженными частицами в вакууме.
1.3 Характеристики лазерного излучения
Излучение лазера отличается от излучения обычных источников света следующими характеристиками:
Высокой спектральной плотностью энергии;
Монохроматичностью;
Высокой временной и пространственной когерентностью;
Высокой стабильностью интенсивности лазерного излучения в стационарном режиме;
Возможностью генерации очень коротких световых импульсов.
Эти особые свойства излучения лазера обеспечивают ему разнообразнейшие применения. Они определяются главным образом принципиально отличным от обычных источников света процессом генерации излучения за счет вынужденного излучения.
Основными характеристиками лазера являются: длина волны, мощность и режим работы, который бывает непрерывным либо импульсным.
Лазеры находят широкое применение в медицинской практике и прежде всего в хирургии, онкологии, офтальмологии, дерматологии, стоматологии и других областях. Механизм взаимодействия лазерного излучения с биологическим объектом ещё изучен не до конца, но можно отметить, что имеют место либо тепловые воздействия, либо резонансные взаимодействия с клетками тканей .
Лазерное лечение безопасно, оно очень актуально для людей с аллергией на медицинские препараты.
2. Механизм взаимодействия лазерного излучения с биотканями
2.1 Виды взаимодействия
Важное для хирургии свойство лазерного излучения - способность коагулировать кровенасыщенную (васкуляризованную) биоткань.
В основном, коагуляция происходит за счет поглощения кровью лазерного излучения, ее сильного нагрева до вскипания и образования тромбов. Таким образом, поглощающей мишенью при коагуляции могут быть гемоглобин или водная составляющая крови. Это означает, что хорошо коагулировать биоткань будет излучение лазеров в области оранжево-зеленого спектра (КТР-лазер, на парах меди) и инфракрасных лазеров (неодимовый, гольмиевый, эрбиевый в стекле, СО2-лазер).
Однако, при очень высоком поглощении в биоткани, как, например, у эрбиевого гранатового лазера с длиной волны 2,94 мкм, лазерное излучение поглощается на глубине 5 - 10 мкм и может вообще не достигнуть объекта воздействия - капилляра.
Хирургические лазеры делятся на две большие группы: абляционные (от лат. ablatio - «отнятие»; в медицине - хирургическое удаление, ампутация) и неабляционные лазеры. Абляционные лазеры ближе к скальпелю. Необляционные лазеры действуют по другому принципу: после обработки какого-то объекта, например, бородавки, папилломы или гемангиомы, таким лазером, этот объект остаётся на месте, но через какое-то время в нём проходит серия биологических эффектов и он отмирает. На практике это выглядит так: новообразование мумифицируется, засыхает и отпадает.
В хирургии применяются CO2-лазеры непрерывного действия. Принцип основан на тепловом воздействии. Преимущества лазерной хирургии состоят в том, что она является бесконтактной, практически бескровной, стерильной, локальной, даёт гладкое заживление рассечённой ткани, а отсюда хорошие косметические результаты.
В онкологии было замечено, что лазерный луч оказывает разрушающее действие на опухолевые клетки. Механизм разрушения основан на термическом эффекте, вследствие которого возникает разность температур между поверхностными и внутренними частями объекта, приводящая к сильным динамическим эффектам и разрушению опухолевых клеток.
Сегодня также очень перспективно такое направление, как фотодинамическая терапия. Появляется множество статей о клиническом применении данного метода. Суть его состоит в том, что в организм пациента вводят специальное вещество - фотосенсибилизатор . Это вещество избирательно накапливается раковой опухолью. После облучения опухоли специальным лазером происходит серия фотохимических реакций с выделением кислорода, который убивает раковые клетки.
Одним из способов воздействия лазерным излучением на организм является внутривенное лазерное облучение крови (ВЛОК), которое в настоящее время успешно используется в кардиологии, пульмонологии, эндокринологии, гастроэнтерологии, гинекологии, урологии, анестезиологии, дерматологии и других областях медицины. Глубокая научная проработка вопроса и прогнозируемость результатов способствуют применению ВЛОК как самостоятельно, так и в комплексе с другими методами лечения.
Для ВЛОК обычно используют лазерное излучение в красной области спектра
(0,63 мкм) мощностью 1,5-2 мВт. Лечение проводят ежедневно или через день; на курс от 3 до 10 сеансов. Время воздействия при большинстве заболеваний 15-20 мин за сеанс для взрослых и 5-7 мин для детей. Внутривенная лазерная терапия может быть осуществлена практически в любом стационаре или поликлинике. Преимуществом амбулаторной лазеротерапии является уменьшение возможности развития внутрибольничной инфекции, создается хороший психоэмоциональный фон, позволяя больному на протяжении длительного времени сохранять работоспособность, проводя при этом процедуры и получая полноценное лечение.
В офтальмологии лазеры применяют как для лечения, так и для диагностики. С помощью лазера производят приварку сетчатки глаза, сварку сосудов глазной сосудистой оболочки. Для микрохирургии по лечению глаукомы служат аргоновые лазеры, излучающие в сине-зелёной области спектра. Для коррекции зрения давно и успешно используются эксимерные лазеры.
В дерматологии с помощью лазерного излучения лечат многие тяжёлые и хронические заболевания кожи, а также выводят татуировки. При облучении лазером активируется регенеративный процесс, происходит активация обмена клеточных элементов .
Основной принцип применения лазеров в косметологии заключается в том, что свет воздействует только на тот объект или вещество, которое поглощает его. В коже свет поглощается особыми веществами - хромофорами. Каждый хромофор поглощает в определенном диапазоне длин волн, например, для оранжевого и зеленого спектра это гемоглобин крови, для красного спектра - меланин волос, а для инфракрасного спектра - клеточная вода.
При поглощении излучения происходит преобразование энергии лазерного луча в тепло на том участке кожи, который содержит хромофор. При достаточной мощности лазерного луча это приводит к тепловому разрушению мишени. Таким образом, с помощью лазера можно селективно воздействовать, например, на корни волос, пигментные пятна и другие дефекты кожи.
Однако вследствие переноса тепла происходит нагревание и соседних областей, даже если они содержат мало светопоглощающих хромофоров. Процессы поглощения и переноса тепла зависят от физических свойств мишени, глубины залегания и ее размера. Поэтому в лазерной косметологии важно тщательно подбирать не только длину волны, но и энергию, и длительность лазерных импульсов.
В стоматологии лазерное излучение является наиболее эффективным физиотерапевтическим средством лечения пародонтоза и заболеваний слизистой оболочки полости рта.
Лазерный луч применяется вместо иглоукалывания. Преимущества применения лазерного луча состоит в том, что отсутствует контакт с биологическим объектом, а, следовательно, процесс протекает стерильно и безболезненно при большой эффективности.
Световодные инструменты и катетеры для лазерной хирургии предназначены для доставки мощного лазерного излучения к месту проведения оперативного вмешательства при открытых, эндоскопических и лапароскопических операциях в урологии, гинекологии, гастроэнтерологии, общей хирургии, артроскопии, дерматологии. Позволяют осуществлять резание, иссечение, абляцию, вапоризацию и коагуляцию тканей при проведении хирургических операций в контакте с биотканью или в бесконтактном режиме применения (при удалении торца волокна от биоткани). Вывод излучения может осуществляться как с торца волокна, так и через окошко на боковой поверхности волокна. Могут использоваться как в воздушной (газовой), так и водной (жидкой) среде. По отдельному заказу для удобства пользования катетеры комплектуются легкосъёмной ручкой - держателем световода.
В диагностике лазеры применяются для обнаружения различных неоднородностей (опухолей, гематом) и измерения параметров живого организма. Основы диагностических операций сводятся к пропусканию через тело пациента (либо один из его органов) лазерного луча и по спектру или амплитуде прошедшего или отражённого излучения выводят диагноз. Известны методы по обнаружению раковых опухолей в онкологии, гематом в травматологии, а также по измерению параметров крови (практически любых, от артериального давления до содержания сахара и кислорода).
2.2 Особенности лазерного взаимодействия при различных параметрах излучения
Для целей хирургии луч лазера должен быть достаточно мощным, чтобы нагревать биоткань выше 50 - 70 °С, что приводит к ее коагуляции, резанию или испарению. Поэтому в лазерной хирургии, говоря о мощности лазерного излучения того или иного аппарата, оперируют цифрами, обозначающими единицы, десятки и сотни Вт.
Хирургические лазеры бывают как непрерывные, так и импульсные, в зависимости от типа активной среды. Условно их можно разделить на три группы по уровню мощности.
1. Коагулирующие: 1 - 5 Вт.
2. Испаряющие и неглубоко режущие: 5 - 20 Вт.
3. Глубоко режущие: 20 - 100 Вт.
Каждый тип лазера в первую очередь характеризуется длиной волны излучения. Длина волны определяет степень поглощения лазерного излучения биотканью, а, значит, и глубину проникновения, и степень нагрева как области хирургического вмешательства, так и окружающей ткани.
Учитывая, что вода содержится практически во всех типах биоткани, можно сказать, что для хирургии предпочтительно использовать такой тип лазера, излучение которого имеет коэффициент поглощения в воде более 10 см-1 или, что то же самое, глубина проникновения которого не превышает 1 мм.
Другие важные характеристики хирургических лазеров,
определяющие их применение в медицине:
мощность излучения;
непрерывный или импульсный режим работы;
способность коагулировать кровенасыщенную биоткань;
возможность передачи излучения по оптическому волокну.
При воздействии лазерного излучения на биоткань сначала происходит ее нагрев, а затем уже испарение. Для эффективного разрезания биоткани нужно быстрое испарение в месте разреза с одной стороны, и минимальный сопутствующий нагрев окружающих тканей с другой стороны.
При одинаковой средней мощности излучения короткий импульс нагревает ткань быстрее, чем непрерывное излучение, и при этом распространение тепла к окружающим тканям минимально. Но, если импульсы имеют низкую частоту повторения (менее 5 Гц), то непрерывный разрез провести сложно, это больше похоже на перфорацию. Следовательно, лазер предпочтительно должен иметь импульсный режим работы с частотой повторения импульсов более 10 Гц, а длительность импульса - минимально возможную для получения высокой пиковой мощности.
На практике оптимальная выходная мощность для хирургии находится в диапазоне от 15 до 60 Вт в зависимости от длины волны лазерного излучения и области применения.
3. Перспективные лазерные методы в медицине и биологии
Развитие лазерной медицины идет по трем основным ветвям: лазерная хирургия, лазерная терапия и лазерная диагностика. Уникальные свойства лазерного луча позволяют выполнять ранее невозможные операции новыми эффективными и минимально инвазивными методами.
Растет интерес к немедикаментозным методам лечения, включая физиотерапию. Нередко возникают ситуации, когда необходимо проводить не одну физиопроцедуру, а несколько, и тогда пациенту приходиться переходить из одной кабины в другую, несколько раз одеваться и раздеваться, что создает дополнительные проблемы и потерю времени.
Многообразие методик терапевтического воздействия требует применения лазеров с различными параметрами излучения. Для этих целей служат различные излучающие головки, которые содержат один или несколько лазеров и электронное устройство сопряжения сигналов управления от базового блока с лазером.
Излучающие головки подразделяются на универсальные, позволяющие использовать их как наружно, (с использованием зеркальных и магнитных насадок), так и внутриполостно с использованием специальных оптических насадок; матричные, имеющие большую площадь излучения и применяющиеся поверхностно, а также специализированные. Различные оптические насадки позволяют доставлять излучение к требуемой зоне воздействия.
Блочный принцип позволяет применять широкий спектр лазерных и светодиодных головок, обладающих различными спектральными, пространственно-временными и энергетическими характеристиками, что, в свою очередь, поднимает на качественно новый уровень эффективность лечения за счет сочетанной реализации различных методик лазерной терапии. Эффективность лечения определяется прежде всего эффективными методиками и аппаратурой, которая обеспечивает их реализацию. Современные методики требуют возможность выбора различных параметров воздействия (режим излучения, длина волны, мощность) в широком диапазоне. Аппарат лазерной терапии (АЛТ) должен обеспечивать эти параметры, их достоверный контроль и отображение и вместе с тем быть простым и удобным в управлении.
4. Лазеры, применяемые в медицинской технике
4.1 CO2-лазеры
CO2-лазер , т.е. лазер, излучающей составляющей активной среды которого является углекислый газ CO2, занимает особое место среди всего многообразия существующих лазеров. Этот уникальный лазер отличается прежде всего тем, что для него характерны и большой энергосъем, и высокий КПД. В непрерывном режиме получены огромные мощности - в несколько десятков киловатт, импульсная мощность достигла уровня в несколько гигаватт, энергия импульса измеряется в килоджоулях. КПД CO2-лазера (порядка 30%) превосходит КПД всех лазеров. Частота следования в импульсно-периодическом режиме может составить несколько килогерц. Длины волн излучения CO2-лазера находятся в диапазоне 9-10 мкм (ИК-диапазон) и попадают в окно прозрачности атмосферы. Поэтому излучение CO2-лазера удобно для интенсивного воздействия на вещество. Кроме того, в диапазон длин излучения CO2-лазера попадают резонансные частоты поглощения многих молекул.
На рисунке 1 показаны нижние колебательные уровни основного электронного состояния вместе с условным представлением формы колебаний молекулы CO2.
Рисунок 20 - Нижние уровни молекулы CO2
Цикл лазерной накачки CO2-лазера в стационарных условиях выглядит следующим образом. Электроны плазмы тлеющего разряда возбуждают молекулы азота, которые передают энергию возбуждения несимметричному валентному колебанию молекул CO2, обладающему большим временем жизни и являющемуся верхним лазерным уровнем. Нижним лазерным уровнем обычно является первый возбужденный уровень симметричного валентного колебания, сильно связанный резонансом Ферми с деформационным колебанием и поэтому быстро релаксирующий вместе с этим колебанием в столкновениях с гелием. Очевидно, что тот же канал релаксации эффективен в том случае, когда нижним лазерным уровнем является второй возбужденный уровень деформационной моды. Таким образом, CO2-лазер - это лазер на смеси углекислого газа, азота и гелия, где CO2 обеспечивает излучение, N2 - накачку верхнего уровня, а He - опустошение нижнего уровня.
CO2-лазеры средней мощности (десятки - сотни ватт) конструируются отдельно в виде относительно длинных труб с продольным разрядом и продольной прокачкой газа. Типичная конструкция такого лазера показана на рисунке 2. Здесь 1 - разрядная трубка, 2 - кольцевые электроды, 3 - медленное обновление среды, 4 - разрядная плазма, 5 - внешняя трубка, 6 - охлаждающая проточная вода, 7,8 - резонатор.
Рисунок 20 - Схема CO2-лазера с диффузионным охлаждением
Продольная прокачка служит для удаления продуктов диссоциации газовой смеси в разряде. Охлаждение рабочего газа в таких системах происходит за счет диффузии на охлаждаемую снаружи стенку разрядной трубки. Существенной является теплопроводность материала стенки. С этой точки зрения целесообразно применение труб из корундовой (Al2O3) или бериллиевой (BeO) керамик.
Электроды делают кольцевыми, не загораживающими путь к излучению. Джоулево тепло выносится теплопроводностью к стенкам трубки, т.е. используется диффузионное охлаждение. Глухое зеркало делают металлическим, полупрозрачное - из NaCl, KCl, ZnSe, AsGa.
Альтернативой диффузионному служит конвекционное охлаждение. Рабочий газ с большой скоростью продувают через область разряда, и джоулево тепло выносится разрядом. Применение быстрой прокачки позволяет поднять плотности энерговыделения и энергосъема.
CO2-лазер в медицине применяется почти исключительно как «оптический скальпель» для резания и испарения во всех хирургических операциях. Режущее действие сфокусированного лазерного пучка основано на взрывном испарении внутри- и внеклеточной воды в области фокусировки, благодаря чему разрушается структура материала. Разрушение ткани приводит к характерной форме краев раны. В узко ограниченной области взаимодействия температура 100 °С превышается лишь тогда, когда достигнуто обезвоживание (испарительное охлаждение). Дальнейшее повышение температуры приводит к удалению материала путем обугливания или испарения ткани. Непосредственно в краевых зонах образуется из-за плохой в общем случае теплопроводности тонкое некротическое утолщение толщиной 30-40 мкм. На расстоянии 300-600 мкм уже не образуется повреждение ткани. В зоне коагуляции кровеносные сосуды диаметром до 0,5-1 мм спонтанно закрываются.
Хирургические устройства на основе CO2-лазера в настоящее время предлагаются в достаточно широком ассортименте. Наведение лазерного луча в большинстве случаев осуществляется с помощью системы шарнирно установленных зеркал (манипулятора), оканчивающейся инструментом со встроенной фокусирующей оптикой, которым хирург манипулирует в оперируемой области.
4.2 Гелий-неоновые лазеры
В гелий-неоновом лазере рабочим веществом являются нейтральные атомы неона. Возбуждение осуществляется электрическим разрядом. В чистом неоне создать инверсию в непрерывном режиме трудно. Эта трудность, носящая достаточно общий для многих случаев характер, обходится введением в разряд дополнительного газа - гелия, выполняющего функцию донора энергии возбуждения. Энергии двух первых возбужденных метастабильных уровней гелия (рисунок 3) довольно точно совпадают с энергиями уровней 3s и 2s неона. Поэтому хорошо реализуются условия резонансной передачи возбуждения по схеме
Рисунок 20 - Схема уровней He-Ne лазера
При правильно выбранных давлениях неона и гелия, удовлетворяющих условию
можно добиться заселения одного или обоих уровней 3s и 2s неона, значительно превышающего таковое в случае чистого неона, и получить инверсию населенностей.
Опустошение нижних лазерных уровней происходит в столкновительных процессах, в том числе и в соударениях со стенками газоразрядной трубки.
Возбуждение атомов гелия (и неона) происходит в слаботочном тлеющем разряде (рисунок 4). В лазерах непрерывного действия на нейтральных атомах или молекулах для создания активной среды чаще всего используется слабоионизированная плазма положительного столба тлеющего разряда. Плотность тока тлеющего разряда составляет 100-200 мА/см2. Напряженность продольного электрического поля такова, что число возникающих на единичном отрезке разрядного промежутка электронов и ионов компенсирует потери заряженных частиц при их диффузии к стенкам газоразрядной трубки. Тогда положительных столб разряда стационарен и однороден. Электронная температура определяется произведением давления газа на внутренний диаметр трубки . При малых электронная температура велика, при больших - низка. Постоянство величины определяет условия подобия разрядов. При постоянной плотности числа электронов условия и параметры разрядов будут неизменны, если неизменно произведение . Плотность числа электронов в слабоионизированной плазме положительного столба пропорциональна плотности тока.
Для гелий-неонового лазера оптимальные значения , равно как и парциальный состав газовой смеси, несколько отличны для различных спектральных областей генерации.
В области 0,63 мкм самой интенсивной из линий серии - линии (0,63282 мкм) соответствует оптимальное Тор·мм.
Рисунок 20 - Конструктивная диаграмма He-Ne лазера
Характерными значениями мощности излучения гелий-неоновых лазеров следует считать десятки милливатт в областях 0,63 и 1,15 мкм и сотни в области 3,39 мкм. Срок службы лазеров ограничивается процессами в разряде и исчисляется годами. С течением времени в разряде происходит нарушение состава газа. Из-за сорбции атомов в стенках и электродах происходит процесс «жестчения», падает давление, меняется отношение парциальных давлений He и Ne.
Наибольшая кратковременная стабильность, простота и надежность конструкции гелий-неонового лазера достигаются при установке зеркал резонатора внутрь разрядной трубки. Однако при таком расположении зеркала сравнительно быстро выходят из строя за счет бомбардировки заряженными частицами плазмы разряда. Поэтому наибольшее распространение получила конструкция, в которой газоразрядная трубка помещается внутрь резонатора (рисунок 5), а ее торцы снабжаются окнами, расположенными под углом Брюстера к оптической оси, обеспечивая тем самым линейную поляризацию излучения. Такое расположение имеет целый ряд преимуществ - упрощается юстировка зеркал резонатора, увеличивается срок службы газоразрядной трубки и зеркал, облегчается их смена, появляется возможность управления резонатором и применения дисперсионного резонатора, выделения мод и т.п.
Рисунок 20 - Резонатор He-Ne лазера
Переключение между полосами генерации (рисунок 6) в перестраиваемом гелий-неоновом лазере обычно обеспечивается за счет введения призмы, а для тонкой перестройкой линии генерации обычно используется дифракционная решетка.
Рисунок 20 - Использование призмы Литроу
4.3 ИАГ-лазеры
Трехвалентный ион неодима легко активирует многие матрицы. Из них самыми перспективными оказались кристаллы иттрий-алюминиевого граната Y3Al5O12 (ИАГ) и стекла. Накачка переводит ионы Nd3+ из основного состояния 4I9/2 в несколько относительно узких полос, играющих роль верхнего уровня. Эти полосы образованы рядом перекрывающихся возбужденных состояний, их положения и ширины несколько меняются от матрицы к матрице. Из полос накачки быстрая передача энергии возбуждения на метастабильный уровень 4F3/2 (рисунок 7).
Рисунок 20 - Энергетические уровни трехвалентных редкоземельных ионов
Чем ближе к уровню 4F3/2 расположены полосы поглощения, тем выше КПД генерации. Достоинством кристаллов ИАГ является наличие интенсивной красной линии поглощения.
Технология роста кристаллов основана на методе Чохральского, когда ИАГ и присадка плавятся в иридиевом тигле при температуре около 2000 °С с последующим выделением части расплава из тигля с помощью затравки. Температура затравки несколько ниже температуры расплава, и при вытягивании расплав постепенно кристаллизуется на поверхности затравки. Кристаллографическая ориентировка закристаллизовавшегося расплава воспроизводит ориентировку затравки. Выращивание кристалла осуществляется в инертной среде (аргон или азот) при нормальном давлении с малой добавкой кислорода (1-2%). Как только кристалл достигает нужной длины его медленно остужают для предотвращения разрушения из-за термических напряжений. Процесс роста занимает от 4 до 6 недель и проходит под компьютерным управлением.
Неодимовые лазеры работают в широком диапазоне режимов генерации, от непрерывного до существенно импульсного с длительностью, достигающей фемтосекунд. Последняя достигается методом синхронизации мод в широкой линии усиления, характерной для лазерных стекол.
При создании неодимовых, как, впрочем, и рубиновых, лазеров реализованы все характерные методы управления параметрами лазерного излучения, разработанные квантовой электроникой. В дополнение к так называемой свободной генерации, продолжающейся в течение практически всего времени существования импульса накачки, широкое распространение получили режимы включаемой (модулированной) добротности и синхронизации (самосинхронизации) мод.
В режиме свободной генерации длительность импульсов излучения составляет 0,1…10 мс, энергия излучения в схемах усиления мощности составляет около 10 пс при использовании для модуляции добротности электрооптических устройств. Дальнейшее укорочение импульсов генерации достигается применением просветляющихся фильтров как для модуляции добротности (0,1…10 пс), так и для синхронизации мод (1…10 пс).
При воздействии интенсивного излучения Nd-ИАГ-лазера на биологическую ткань образуются достаточно глубокие некрозы (коагуляционный очаг). Эффект удаления ткани и тем самым режущее действие, незначительны по сравнению с действием CO2-лазера. Поэтому Nd-ИАГ-лазер применяется преимущественно для коагуляции кровотечения и для некротизирования патологически измененных областей ткани почти во всех областях хирургии. Поскольку к тому же передача излучения возможна через гибкие оптические кабели, то открываются перспективы применения Nd-ИАГ-лазера в полостях тела.
4.4 Полупроводниковые лазеры
Полупроводниковые лазеры испускают в УФ-, видимом или ИК-диапазонах (0,32…32 мкм) когерентное излучение; в качестве активной среды применяются полупроводниковые кристаллы.
В настоящее время известно свыше 40 пригодных для лазеров различных полупроводниковых материалов. Накачка активной среды может осуществляться электронными пучками или оптическим излучением (0,32…16 мкм), в p-n-переходе полупроводникового материала электрическим током от приложенного внешнего напряжения (инжекция носителей заряда, 0,57…32 мкм).
Инжекционные лазеры отличаются от всех других типов лазеров следующими характеристиками:
Высоким КПД по мощности (выше 10%);
Простотой возбуждения (непосредственное преобразование электрической энергии в когерентное излучение - как в непрерывном, так и в импульсном режимах работы);
Возможностью прямой модуляции электрическим током до 1010 Гц;
Крайне незначительными размерами (длина менее 0,5 мм; ширина не более 0,4 мм; высота не более 0,1 мм);
Низким напряжением накачки;
Механической надежностью;
Большим сроком службы (до 107 ч).
4.5 Эксимерные лазеры
Эксимерные лазеры , представляющие собой новый класс лазерных систем, открывают для квантовой электроники УФ диапазон. Принцип действия эксимерных лазеров удобно пояснить на примере лазера на ксеноне ( нм). Основное состояние молекулы Xe2 неустойчиво. Невозбужденный газ состоит в основном из атомов. Заселение верхнего лазерного состояния, т.е. создание возбужденной устойчивости молекулы происходит под действием пучка быстрых электронов в сложной последовательности столкновительных процессов. Среди этих процессов существенную роль играют ионизация и возбуждение ксенона электронами.
Большой интерес представляют эксимеры галоидов инертных газов (моногалогенидов благородных газов), главным образом потому, что в отличие от случая димеров благородных газов соответствующие лазеры работают не только при электронно-пучковом, но и при газоразрядном возбуждении. Механизм образования верхних термов лазерных переходов в этих эксимерах во многом неясен. Качественные соображения свидетельствуют о большей легкости их образования по сравнению со случаем димеров благородных газов. Существует глубокая аналогия между возбужденными молекулами, составленными из атомов щелочного материала и галогена. Атом инертного газа в возбужденном электронном состоянии похож на атом щелочного металла и галогена. Атом инертного газа в возбужденном электронном состоянии похож на атом щелочного металла, следующий за ним в таблице Менделеева. Этот атом легко ионизуется, так как энергия связи возбужденного электрона мала. В силу высокого сродства к электрону галогена этот электрон легко отрывается и при столкновении соответствующих атомов охотно перепрыгивает на новую орбиту, объединяющую атомы, осуществляя тем самым так называемую гарпунную реакцию.
Наиболее распространены следующие типы эксимерных лазеров: Ar2 (126,5 нм), Kr2 (145,4 нм), Xe2 (172,5 нм), ArF (192 нм), KrCl (222,0 нм), KrF (249,0 нм), XeCl (308,0 нм), XeF (352,0 нм).
4.6 Лазеры на красителях
Отличительной особенностью лазеров на красителях является возможность работы в широком длин волн от ближнего ИК до ближнего УФ, плавная перестройка длины волны генерации в диапазоне шириной в несколько десятков нанометров с монохроматичностью, достигающей 1-1,5 МГц. Лазеры на красителях работают в непрерывном, импульсном и импульсно-периодическом режимах. Энергия импульсов излучения достигает сотен джоулей, мощность непрерывной генерации - десятков ватт, частота повторения сотен герц, КПД десятков процентов (при лазерной накачке). В импульсном режиме длительность генерации определяется длительностью импульсов накачки. В режиме синхронизации мод достигается пикосекундный и субпикосекундный диапазоны длительностей.
Свойства лазеров на красителях определяются свойствами их рабочего вещества органических красителей. Красителями принято называть сложные органические соединения с разветвленной системой сложных химических связей, обладающие интенсивными полосами поглощения в видимой и ближней УФ областях спектра. Окрашенные органические соединения содержат насыщенные хромофорные группы типа NO2, N=N, =CO, ответственные за окраску. Наличие так называемых ауксохромных групп типа NH3, OH придает соединению красящие свойства.
4.7 Аргоновые лазеры
Аргоновый лазер относится к типу газоразрядных лазеров, генерирующих на переходах между уровнями ионов главным образом в сине-зеленой части видимой и ближней ультрафиолетовой областях спектра.
Обычно этот лазер излучает на длинах волн 0,488 мкм и 0,515 мкм, а также в ультрафиолете на длинах волн 0,3511 мкм и 0,3638 мкм.
Мощность может достигнуть 150 Вт (промышленные образцы 2 ч 10 Вт, срок службы в пределах 100 часов). Схема конструкции аргонового лазера с возбуждением от постоянного тока показан на рисунке 8.
Рисунок 20 - Схема конструкции аргонового лазера
1 - выходные окна лазера; 2 - катод; 3 - канал водяного охлаждения; 4 - газоразрядная трубка (капилляр); 5 - магниты; 6 - анод; 7 - обводная газовая трубка; 8 - глухое зеркало; 9 - полупрозрачное зеркало
Газовый разряд создается в тонкой газоразрядной трубке (4), диаметром 5 мм - в капилляре, которая охлаждается жидкостью. Рабочее давление газа в пределах десятки Па. Магниты (5) создают магнитное поле для «отжимания» разряда от стенок газоразрядной трубки, что не позволяет разряду касаться ее стенок. Эта мера позволяет повышать выходную мощность лазерного излучения за счёт снижения скорости релаксации возбужденных ионов, происходящую в результате соударения со стенками трубки.
Обводной канал (7) предназначен для выравнивания давления по длине газоразрядной трубки (4) и обеспечения свободной циркуляции газа. При отсутствии такого канала газ скапливается в анодной части трубки после включения дугового разряда, что может привести к его гашению. Механизм сказанного следующий. Под действием электрического поля, приложенного между катодом (2) и анодом (6) , электроны устремляются к аноду 6, повышая давление газа у анода. Это требует выравнивания давления газа в газоразрядной трубке для обеспечения нормального течения процесса, что осуществляется посредством обводной трубки (7).
Для ионизации нейтральных атомов аргона требуется через газ пропускать ток плотностью до нескольких тысяч ампер на квадратный сантиметр. Поэтому нужно эффективное охлаждение газоразрядной трубки.
Основные области применения аргоновых лазеров: фотохимия, термообработка, медицина. Аргоновый лазер, благодаря своей высокой избирательности по отношению автогенным хромофорам, применяется в офтальмологии и дерматологии.
5. Серийно выпускаемая лазерная аппаратура
Терапевты используют гелий-неоновые лазеры небольшой мощности, излучающие в видимой области электромагнитного спектра (λ=0,63 мкм). Одной из физиотерапевтических установок является лазерная установкаУФЛ-1
, предназначенная для лечения острых и хронических заболеваний челюстно-лицевой области; может использоваться для лечения длительно не заживающих язв и ран, а также в травматологии, гинекологии, хирургии (послеоперационный период). Используется биологическая активность красного луча гелий-неонового лазера (мощность излучения
20 мВт, интенсивность излучения на поверхности объекта 50-150 мВт/см2).
Есть сведения о том, что указанными лазерами лечат заболевания вен (трофические язвы). Курс лечения состоит из 20-25 десятиминутных сеансов облучения трофической язвы маломощным гелий-неоновым лазером и заканчивается, как правило, полным ее заживлением. Подобный эффект наблюдается и при лечении лазером не заживающих травматических и послеожоговых ран. Отдаленные последствия лазерной терапии при трофических язвах и долго не заживающих ранах проверялись на большом количестве излеченных больных в сроки от двух до семи лет. В течение этих сроков у 97% бывших больных язвы и раны больше не открывались и только у 3% наблюдались рецидивы заболевания.
Светоукалыванием лечат различные заболевания нервной и сосудистой системы, снимают боли при радикулите, регулируют кровяное давление и т.п. Лазер осваивает все новые и новые медицинские профессии. Лазер лечит мозг. Этому способствует активность видимого спектра излучения низкоинтенсивных гелий-неоновых лазеров. Лазерный луч, как оказалось, способен обезболивать, успокаивать и расслаблять мышцы, ускорять регенерацию тканей. Множество лекарств, обладающих аналогичными свойствами, назначают обычно больным, перенесшим черепно-мозговую травму, которая дает чрезвычайно запутанную симптоматику. Луч лазера сочетает в себе действие всех необходимых препаратов. В этом убедились специалисты из ЦНИИ рефлексотерапии Минздрава СССР и НИИ нейрохирургии им. К Н. Бурденко АМН СССР .
Исследования возможностей лечения лазерным лучом доброкачественных и злокачественных опухолей ведутся «Московским НИ онкологическим институтом им. П.А. Герцена», Ленинградским институтом онкологии им. Н.Н. Петрова и другими онкологическими центрами.
При этом используются лазеры разных типов: С02 лазер в непрерывном режиме излучения (λ = 10,6 мкм, мощность 100 Вт), гелий-неоновый лазер с непрерывном режимом излучения (λ = 0,63 мкм, мощность 30 мВт), гелий-кадмиевый лазер работающий в режиме непрерывного излучения (λ = 0,44 мкм, мощность 40 мВт), импульсный лазер на азоте (λ = 0,34 мкм, мощность импульса 1,5 кВт, средняя мощность излучения 10 мВт).
Разработаны и применяются три метода воздействия лазерного излучения на опухоли (доброкачественные и злокачественные):
а) Лазерное облучение- облучение опухоли расфокусированным лазерным лучом, приводящее к гибели раковых клеток, к потере способности размножаться.
б) Лазерокоагуляция - разрушение опухоли умеренно сфокусированным лучом.
в) Лазерная хирургия - иссечение опухоли вместе с прилегающими тканями сфокусированным лазерным лучом. Разработаны лазерные установки:
«Яхрома» - мощность до 2,5 Вт на выходе световода при длине волны 6З0 нм, время экспозиции от 50 до 750 сек; импульсный с частотой повторения 104 имп./сек.; на 2-х лазерах - импульсный лазер на красителях и лазер на парах меди «ЛГИ-202» . «Спектромед» - мощность 4 Вт при непрерывном режиме генерации, длина волны 620-690 нм, время экспозиции от 1 до 9999 сек при помощи устройства «Экспо» ; на двух лазерах - непрерывный лазер на красителях «Аметист» и аргоновый лазер «Инверсия» для фотодинамической терапии злокачественных опухолей (современный метод выборочного воздействия на раковые клетки организма).
Метод основан на различии в поглощении излучения лазера клетками, отличающимися по своим параметрам. Врач вспрыскивает фотосенсибилизирующие (приобретение организмом специфической повышенной чувствительности к чужеродным веществам) лекарство в область скопления патологических клеток. Лазерное излучение, попадающее на ткани организма, селективно поглощается раковыми клетками, содержащими лекарство, разрушая их, что позволяет проводить уничтожение раковых клеток без нанесения вреда окружающей ткани.
Аппарат лазерный АТКУС-10 (ЗАО «Полупроводниковые приборы»), изображенный на рисунке 9, позволяет производить воздействие на новообразования лазерным излучением с двумя различными длинами волн 661 и 810 нм. Аппарат предназначен для использования в медицинских учреждениях широкого профиля, а также для решения различных научно-технических задач в качестве источника мощного лазерного излучения. При использовании аппарата отсутствуют выраженные деструктивные поражения кожи и мягких тканей. Удаление опухолей хирургическим лазером уменьшает число рецидивов и осложнений, сокращает сроки заживления ран, позволяет обеспечить одноэтапность процедуры и дает хороший косметический эффект.
Рисунок 20 - Лазерный аппарат АТКУС-10
В качестве излучателя используются полупроводниковые лазерные диоды. Используется транспортное оптическое волокно диаметром 600 мкм.
ООО НПФ «Техкон» разработал аппарат лазерной терапии «Альфа 1М» (рисунок 10). Как сообщается на сайте производителя, установка эффективна при лечении артрозов, нейродермитов, экземы, стоматитов, трофических язв, послеоперационных ран и пр. Сочетание двух излучателей - непрерывного и импульсного - дает большие возможности для лечебных и исследовательских работ. Встроенный фотометр позволяет устанавливать и контролировать мощность облучения. Дискретная установка времени и плавная установка частоты импульсов облучения удобны для эксплуатации аппарата. Простота управления позволяет использование аппарата средним медицинским персоналом.
Рисунок 20 - Лазерный терапевтический аппарат «Альфа 1М»
Технические характеристики аппарата приведены в таблице 1.
Таблица 7 - Технические характеристики лазерного терапевтического аппарата «Альфа 1М»
В начале 70-х годов академиком М.М. Красновым и его коллегами из 2-го Московского медицинского института были предприняты усилия для излечения глаукомы (возникает из-за нарушений оттока внутриглазной жидкости и, как следствие, повышения внутриглазного давления) при помощи лазера. Лечение глаукомы проводилось соответствующими лазерными установками, созданными совместно с физиками.
Лазерная офтальмологическая установка «Ятаган» не имеет зарубежных аналогов. Предназначена для проведения хирургических операций переднего отдела глаза. Позволяет лечить глаукому и катаракту, не нарушая целостности наружных оболочек глаза. В установке используется импульсный лазер на рубине. Энергия излучения, содержащаяся в серии из нескольких световых импульсов, составляет от 0,1 до 0,2 Дж. Длительность отдельного импульса от 5 до 70 нс., интервал между импульсами от 15до 20 мкс. Диаметр лазерного пятна от 0,3 до 0,5 мм. Лазерная установка «Ятаган 4» с длительностью импульса 10-7 с., с длиной волны излучения 1,08 мкм и диаметром пятна 50 мкм. При таком облучении глаза решающее значение приобретает не тепловое, а фотохимическое и даже механическое действие лазерного луча (возникновение ударной волны). Сущность метода заключается в том, что лазерный «выстрел» определенной мощности направляется в угол передней камеры глаза и образует микроскопический «канал» для оттока жидкости и тем самым восстанавливает дренажные свойства радужной оболочки, создав нормальный отток внутриглазной жидкости. При этом луч лазера свободно проходит сквозь прозрачную роговицу и «взрывается» на поверхности радужной оболочки. При этом происходит не прожигание, которое приводит к воспалительным процессам радужной оболочки и быстрой ликвидации протоки, а пробивание отверстия. Процедура занимает примерно от 10 до 15 минут. Обычно пробивают 15-20 отверстий (протоков) для оттока внутриглазной жидкости.
На базе Ленинградской клиники глазных болезней Военно-медицинской академии группа специалистов во главе с доктором медицинских наук профессором В. В.Волковым использовала свою методику лечения дистрофических заболеваний сетчатки и роговицы с помощью маломощного лазера ЛГ-75 , работающего в непрерывном режиме. При этом лечении на сетчатку глаза действует излучение малой мощности, равной 25 мВт. Причем излучение рассеянное. Длительность одного сеанса облучения не превышает 10 мин. За 10-15 сеансов с интервалами между ними от одного до пяти дней врачи успешно излечивают кератит воспаление роговицы и другие болезни воспалительного характера. Режимы лечения получены опытным путем.
В 1983 г. американский офтальмолог С. Трокел высказал идею о возможности применения ультрафиолетового эксимерного лазера для коррекции близорукости. В нашей стране исследования в этом направлении проводились в Московском НИИ «Микрохирургия глаза» под руководством профессора С.Н. Федорова и А. Семенова.
Для проведения подобных операций совместными усилиями МНТК «Микрохирургия глаза» и институтом общей физики под руководством академика А. М. Прохорова создана лазерная установка «Профиль 500» с уникальной оптической системой, не имеющих аналогов в мире. При воздействии на роговицу полностью исключается возможность ожога, поскольку нагрев ткани не превышает 4-8єС. Продолжительность операции 20-70 секунд в зависимости от степени близорукости. С 1993 г. «Профиль 500» успешно используется в Японии, в Токио и Осаке, в Иркутском межрегиональном лазерном центре.
Гелий-неоновый лазерный офтальмологический аппарат МАКДЭЛ-08 (ЗАО «МАКДЭЛ-Технологии»), изображенный на рисунке 11 имеет цифровую систему управления, измеритель мощности, световолоконный подвод излучения, комплекты оптических и магнитных насадок. Лазерный аппарат работает от сети переменного тока частотой 50 Гц с номинальным напряжением 220 В±10%. Позволяет устанавливать время сеанса (лазерного излучения) в пределах от 1 до 9999 секунд погрешностью не более 10%. Имеет цифровое табло, позволяющий производить начальную установку времени и контроль времени до окончания процедуры. В случае необходимости сеанс может быть прерван досрочно. Аппарат обеспечивает частоту модуляцию лазерного излучения от 1 до 5 Гц с шагом 1 Гц, кроме того, имеется режим непрерывного излучения, при установке частоты 0 Гц.
Рисунок 20 - Лазерный офтальмологический аппарат МАКДЭЛ-08
Инфракрасный лазерный аппарат МАКДЭЛ-09 предназначен для коррекции аккомодационно-рефракционных нарушений зрения. Лечение заключается в выполнении 10-12 процедур по 3-5 минут. Результаты терапии сохраняются на протяжении 4-6 месяцев. При снижении показателей аккомодации необходимо проводить повторный курс. Процесс улучшения объективных показателей зрения растягивается на 30-40 дней после проведения процедур. Средние величины положительной части относительной аккомодации устойчиво увеличиваются на 2,6 дптр. и достигают уровня нормальных показателей. Максимальное увеличение резерва 4,0 дптр., минимальное 1,0 дптр. Реоциклографические исследования показывают устойчивое увеличение объема циркулирующей крови в сосудах цилиарного тела. Аппарат позволяет устанавливать время сеанса лазерного излучения в пределах от 1 до 9 минут. Цифровое табло на блоке управления позволяет производить начальную установку времени, а также контролировать время до окончания сеанса. В случае необходимости сеанс может быть прерван досрочно. По окончании сеанса лечения аппарат подает звуковой предупредительный сигнал. Система регулирования межцентрового расстояния позволяет устанавливать расстояния между центрами каналов от 56 до 68 мм. Установка требуемого межцентрового расстояния может производиться с помощью линейки на исполнительном блоке, или по изображению реперных светодиодов.
Аргоновый лазер модели ARGUS фирмы Aesculap Meditek (Германия) для офтальмологии, применяемый для фотокоагуляции сетчатки глаза. Только в Германии используются более 500 аргоновых лазеров, причем все они работают безопасно и надежно. ARGUS имеет удобное управление, совместим с общепринятыми моделями щелевых ламп фирм Zeiss и Haag-Streit. ARGUS оптимально подготовлен для работы вместе с Nd:YAG-лазером на одном рабочем месте.
Хотя ARGUS спроектирован как единый блок, штатив с инструментом и лазерный блок могут быть размещены друг возле друга или же в разных местах и помещениях, благодаря соединительному кабелю длиной до 10 метров. Регулируемый по высоте штатив инструмента предоставляет максимальную свободу для пациента и врача. Даже если пациент сидит в инвалидном кресле, лечить его не представляет никакой трудности.
С целью защиты глаз в ARGUS интегрирован управляемый малошумный фильтр для врача. Фильтр вводится в лазерный пучок при нажатии ножного выключателя, т.е. лишь непосредственно перед запуском лазерной вспышки. Фотоэлементы и микропроцессоры контролируют его корректное положение. Оптимальное освещение зоны коагуляции обеспечивается специальным устройством ведения лазерного луча. Пневматический микроманипулятор позволяет производить точное позиционирование луча одной рукой.
Технические характеристики аппарата:
Тип лазера аргоново-ионный лазер непрерывного действия для офтальмологической ВеО-керамической трубки
Мощность на роговице:
на роговице: 50 мВт - 3000 мВт для всех линий, 50 мВт - 1500 мВт для 514 нм
при блоке питания с ограниченным потреблением тока:
на роговице: 50 мВт - 2500 мВт для всех линий, 50 мВт - 1000 мВт для 514 нм
Пилотный луч аргоновый для всех линий или 514 нм, максимально 1мВт
Длительность импульса 0,02 - 2,0 сек, регулируемая в 25 ступенях или плавно
Последовательность импульсов 0,1 - 2,5 сек., с промежутками, регулируемыми в 24 ступенях
Запуск импульса ножным выключателем; в режиме последовательности импульсов нужная серия вспышек включается нажатием ножного выключателя;
функция прерывается при отпускании педали
Подвод луча световодом, волокно диам. 50 мкм, длиной 4,5 м, на обоих концах с разъемом SMA
Дистанционное управление для выбора предлагаются:
дистанционное управление 1: настройка вручную маховичком;
дистанционное управление 2: настройка контактными площадками пленочной клавиатуры.
Общие признаки: электролюминесцентный дисплей, индикация мощности в цифровом и аналоговом виде, цифровое показание всех остальных параметров настройки, показание рабочего состояния (напр. рекомендации по сервису) явным текстом
Управление микропроцессорное, контроль над мощностью, защитным фильтром для врача и затворами в 10-миллисекундном режиме
Охлаждение
воздухом: интегрированные вентиляторы пониженного уровня шума
водой: расход от 1 до 4 л/мин, при давлении от 2 до 4 бар и температуре не выше 24 єС
Сетевое питание для выбора предлагаюрся три различных блока:
перем. ток, однофазн с нулевым проводом 230 В, 32 А, 50/60 Гц
перем. ток, однофазн. с органичением максимально потребляемого тока на 25 А
трехфазный ток, три фазы и нулевой провод, 400 В, 16 А, 50/60 Гц
Протоколирование результатов: печать параметров лечения с помощью опционального принтера
Габариты
прибор: 95см х 37см х 62см (Ш х Г х В)
столик: 93см х 40см (Ш х Г)
высота столика: 70 - 90 см
«Лазерный скальпель» нашел применение при заболеваниях органов пищеварения (O.K. Скобелкин), кожно-пластическои хирургии и при заболеваниях желчных путей (А.А. Вишневский), в кардиохирургии (А. Д. Арапов) и многих других областях хирургии.
В хирургии применяется СО2 лазеры, излучающие в невидимой инфракрасной области электромагнитного спектра, что накладывает определенные условия при хирургическом вмешательстве, особенно во внутренние органы человека. Из-за невидимости лазерного луча и сложности манипулирования им (рука хирурга не имеет обратной связи не чувствует момент и глубину рассечения) используются зажимы и указки, обеспечивающие точность разреза.
Первые попытки применения лазера в хирургии удачными были не всегда, травмировались близлежащие органы, луч прожигал ткани. Кроме того, при неосторожном обращении лазерный луч мог оказаться опасным и для врача. Но несмотря на перечисленные трудности лазерная хирургия прогрессировала. Так, в начале 70-х годов под руководством академика Б. Петровского, профессор Скобелкин, доктор Брехов и инженер А. Иванов приступили к созданию лазерного скальпеля «Скальпель 1» (рисунок 12).
Рисунок 20 - Лазерная хирургическая установка «Скальпель-1»
Лазерная хирургическая установка «Скальпель 1» применяется при операциях на органах желудочно-кишечного тракта, при остановке кровотечений из острых язв желудочно-кишечного тракта, при кожно-пластических операциях, при лечении гнойных ран, при гинекологических операциях. Использован СО2 лазер непрерывного излучения с мощностью на выходе из световода 20 Вт. Диаметр лазерного пятна от 1 до 20 мкм.
Схема механизма действия света СО2 лазера на ткани представлена на рисунке 13.
Рисунок 20 - Схема механизма действия света CO2 лазера на ткани
С помощью лазерного скальпеля операции проводят бесконтактно, свет CO2-лазера обладает антисептическим и антибластическим действиями, при этом образуется плотная коагуляционная плёнка, которая обусловливает эффективный гемостаз (просветы артериальных сосудов до 0,5 мм и венозных до 1 мм в диаметре завариваются и не требуют перевязки лигатурами), создаёт барьер против инфекционных (включая вирусы) и токсических агентов, обеспечивая при этом высокоэффективную абластику, стимулирует посттравматическую регенерацию тканей и предотвращает их рубцовые изменения (см. схему).
«Лазермед» (Конструкторское бюро приборостроения) построен на основе полупроводниковых лазеров, излучающих на длине волны 1,06 мкм. Аппарат отличается высокой надежностью, малыми габаритными размерами и весом. Доставка излучения к биоткани производится через лазерный блок либо при помощи световода. Наведение основного излучения производится пилотной подсветкой полупроводникового лазера. Лазер 4 класса опасности по ГОСТ Р 50723-94, I класса электробезопасности с типом защиты B по ГОСТ Р 50267.0-92.
Лазерный хирургический аппарат «Ланцет-1» (рисунок 14) - модель СО2-лазера, предназначенная для проведения хирургических операций в различных областях медицинской практики.
Рисунок 20 - Лазерный хирургический аппарат «Ланцет-1»
Аппарат горизонтальной компоновки, портативный, имеет оригинальную упаковку в виде кейса, отвечает самым современным требованиям, предъявляемым к хирургическим лазерным установкам как по своим техническим возможностям, так и по обеспечению оптимальных условий труда хирурга, простоте управления и дизайну.
Технические характеристики аппарата приведены в таблице 2.
Таблица 7 - Технические характеристики лазерного хирургического аппарата «Ланцет-1»
Длина волны излучения, мкм |
|
Выходная мощность излучения (регулируемая), Вт |
|
Мощность в режиме Медипульс, Вт |
|
Диаметр лазерного луча на ткани (переключаемый), мкм |
|
Наведение основного излучения лучом диодного лазера |
2 мВт, 635 нм |
Режимы излучения (переключаемые) |
непрерывный, импульсно-периодический, Медипульс |
Время экспозиции излучения (регулируемое), мин |
|
Длительность импульса излучения в импульсно-периодическом режиме (регулируемая), с |
|
Длительность паузы между импульсами, с |
|
Пульт управления |
выносной |
Включение излучения |
ножная педаль |
Удаление продуктов сгорания |
система эвакуации дыма |
Радиус операционного пространства, мм |
|
Система охлаждения |
автономная, воздушно-жидкостного типа |
Размещение в операционной |
настольное |
Электропитание (переменный ток) |
220 В, 50 Гц, |
Габаритные размеры, мм |
|
Масса, кг |
6. Медицинская лазерная аппаратура, разработанная КБАС
Насадка оптическая универсальная (НОУ ) к лазерам типа ЛГН-111 , ЛГ-75-1 (рисунок 15) предназначена для фокусировки лазерного излучения в световод и измененения диаметра пятна при внешнем облучении.
Рисунок 20 - Насадка оптическая универсальная (НОУ)
Насадка применяется при лечении ряда заболеваний, связанных с нарушением кровообращения, путем ввода световода в вену и облучения крови, а также при лечении дерматологических и ревматических заболеваний. Насадка проста в обращении, легко монтируется на корпусе лазера, быстро настраивается на рабочий режим. При внешнем облучении изменение диаметра пятна производится перемещением линзы конденсора.
Технические характеристики НОУ приведены в таблице 3.
Таблица 7 - Технические характеристики НОУ
Установка физиотерапевтическая «Спрут-1» (рисунок 16) предназначена для лечения ряда заболеваний в различных областях медицины: травматология, дерматология, стоматология, ортопедия, рефлексотерапия, невралгия.
Рисунок 20 - Лазерная физиотерапевтическая установка «Спрут-1»
Лечение установкой «Спрут-1» обеспечивает отсутствие аллергических реакций, безболезненность и асептичность, а так же ведет к существенному сокращению сроков лечения, экономии лекарственных средств.
Принцип работы основан на использовании стимулирующего воздействия энергии лазерного излучения с длиной волны 0,63 мкм.
Установка состоит из излучателя, положение которого плавно регулируется относительно горизонтальной плоскости, блока питания с конструктивно включенными в него счетчиком количества включений и счетчиком суммарной наработки установки.
Излучатель и блок питания крепятся на легкую мобильную подставку.
Технические характеристики установки «Спрут-1» приведены в таблице 4.
Таблица 7 - Технические характеристики установки физиотерапевтической «Спрут-1»
Лазерная офтальмологическая терапевтическая установка «Лота» (рисунок 17) применяется при лечении эрозий и язв трофического характера, после травм, ожогов, кератитов и кератоконъюктивитов, послеоперационных кератопатий, а так же для ускорения процесса приживления трансплантанта при пересадке роговицы.
Рисунок 20 - Лазерная офтальмологическая терапевтическая установка «Лота»
Технические характеристики установки приведены в таблице 5.
Таблица 7 - Технические характеристики лазерной установки «Лота»
Длина волны излучения, мкм |
|
Плотность мощности излучения в плоскости облучения, Вт/см2 |
не более 5х105 |
Мощность излучения на выходе установки, мВт |
|
Характер регулировки мощности в указанном диапазоне |
|
Потребляемая мощность, ВА |
не более 15 |
Средняя наработка на отказ, час |
не менее 5000 |
Средний ресурс |
не менее 20000 |
Масса, кг |
Медицинская лазерная установка «Альмицин» (рисунок 18) применяется в терапии, стоматологии, фтизиатрии, пульмонологии, дерматологии, хирургии, гинекологии, проктологии и урологии. Методы обработки: бактерицидный эффект, стимуляция микроциркуляции источника повреждения, нормализация иммунных и биохимических процессов, улучшение регенерации, увеличение эффективности медикаментозной терапии.
Рисунок 20 - Медицинская лазерная установка «Альмицин»
Технические характеристики установки приведены в таблице 6.
Таблица 7 - Технические характеристики медицинской лазерной установки «Альмицин»
Спектральный диапазон |
близкий к УФ |
Конструкция |
|
Вывод пучка |
световод |
Диаметр световода, мкм |
|
Длина световода, м |
|
Напряжение питающей сети при частоте 50 Гц, В |
|
Потребление энергии, Вт |
не более 200 |
Управление |
автоматическое |
Время облучения, мин |
не более 3 |
Размеры каждого из блоков, мм |
|
не более 40 кг |
Световолоконная приставка «Ариадна-10» (рисунок 19) предлагается взамен имеющего малую степень подвижности и инерционного зеркально-шарнирного механизма передачи излучения для хирургических установок (типа «Скальпель-1») на CO2-лазерах.
Основными элементами приставки являются: устройство ввода излучения и световод общей хирургии.
Рисунок 20 - Световолоконная приставка «Ариадна-10»
Световод приставки работает совместно с дымоотсосным устройством, что позволяет одновременно с проведением хирургических операций удалять продукты взаимодействия излучения с биотканями из операционного пространства.
Благодаря гибкости световода существенно расширяются возможности использования лазерных хирургических установок на CO2-лазерах.
Технические характеристики установки приведены в таблице 7.
Таблица 7 - Технические характеристики световолоконной приставки «Ариадна-10»
Схема приставки представлена на рисунке 20.
Рисунок 20 - Схема световолоконной приставки «Ариадна-10»
Список использованных источников
1. Захаров В.П., Шахматов Е.В. Лазерная техника: учеб. пособие. - Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2006. - 278 с.
2. Справочник по лазерной технике. Пер. с немецкого. М., Энергоатомиздат, 1991. - 544 с.
3. Жуков Б.Н., Лысов Н.А., Бакуцкий В.Н., Анисимов В.И. Лекции по лазерной медицине: Учебное пособие. - Самара: СМИ, 1993. - 52 с.
4. Применение лазерной хирургической установки «Скальпель-1» для лечения стоматологических заболеваний. - М.: Министерство здравоохранения СССР, 1986. - 4 с.
5. Канюков В.Н., Терегулов Н.Г., Винярский В.Ф., Осипов В.В. Развитие научно-технических решений в медицине: Учебное пособие. - Оренбург: ОГУ, 2000. - 255 с.