Слово LASER (Light Amplifacation by the Stimulated Emission ) с английского переводится как Усиление Света путем Стимулирования Излучения . Само действие лазера было описано еще Энштейном в далеком 1917 году, но первый работающий лазер был построен лишь спустя 43 года Теодором Мейманом, который работал в компании Hugрes Aircraft. Для получения миллисекундных импульсов лазерного излучения он использовал кристалл искусственного рубина как активную среду. Длина волны того лазера была 694 нм. Через некоторое время был испробован уже лазер с длиной волны в 1060 нм, что является ближней ИК-областью спектра. В качестве активной среды в этом лазере выступали стеклянные стержни, легированные неодимом.
Но практического применения в то время лазер не имел. Ведущие специалисты-физики искали ему предназначение в различных сферах деятельности человека. Первые экспериментальные опыты с лазером в медицине были не совсем успешные. Лазерное излучение, на тех волнах довольно плохо поглощалось, точно контролировать мощность еще не было возможности. Однако в 60-х годах лазер на красном рубине хорошо себя показал в офтальмологии.
История применения лазеров в медицине
В 1964 году был разработан и опробован аргоновый ионный лазер. Это был лазер непрерывного излучения с сине-зеленой областью спектра и длиной волны в 488 нм. Это газовый лазер и контролировать мощность его было легче. Гемоглобин хорошо поглощал его излучение. Спустя короткое время стали появляться лазерные системы на основе аргонового лазера, которые помогали в лечении заболеваний сетчатки глаза.
В том же 64 году в лаборатории Bell был разработан лазер на алюмоитриевом гранате, легированным неодимом () и . СО2 — это газовый лазер, у которого излучение имеет непрерывный характер, с длиной волны 1060 нм. Вода очень хорошо поглощает его излучение. А так как мягкие ткани у человека в основном состоят из воды, то лазер СО2 стал хорошей альтернативой обычному скальпелю. При использовании этого лазера для разрезания тканей сводится к минимуму кровопотеря. В 70-х годах углекислотные лазеры нашли широкое применение в госпиталях при институтах в США. Сфера применения в то время для лазерных скальпелей: гинекология и отоларингология.
1969 год стал годом разработки первого импульсного лазера на красителях, а уже в 1975 году появился первый эксимерный лазер. Начиная с этого времени лазер стал активно использоваться и внедряться в различные сферы деятельности.
Широкое распространение лазеры в медицине начали получать в 80-х годах в больницах и клиниках США. В большинстве своем тогда использовались углекислотные и аргоновые лазеры и применялись они в хирургии и офтальмологии. В недостатки лазеров того времени можно записать то, что у них было постоянное непрерывное излучение, которое исключало возможность более точной работы, что приводило к тепловым поражениям тканей вокруг обрабатываемой зоны. Успешное применение лазерных технологий в то время требовало колоссального опыта работы.
Следующим шагом в разработке лазерных технологий для медицины стало изобретение импульсного лазера. Такой лазер позволял воздействовать исключительно на проблемную зону, без повреждения окружающих тканей. И в 80-х годах появились первые . Это стало началом применения лазеров в косметологии. Такие лазерные системы могли удалять капиллярные гемангиомы и родимые пятна. Чуть позже появились лазеры способные . Это были лазеры с модуляцией добротности (Q-switched lser).
Начало 90-х годов были разработаны и внедрены технологии сканирования. Точность лазерной обработки теперь контролировалась компьютером и появилась возможность проводить лазерную шлифовку кожи (), что значительно подняло популярность и .
Сегодня область применения лазеров в медицине очень широкая. Это хирургия, офтальмология, стоматология, нейрохирургия, косметология, урология, гинекология, кардиология и т.д. Вы можете себе представить, что когда то лазер лишь был неплохой альтернативой скальпелю, а сегодня с его помощью можно удалять раковые клетки, производить очень точные операции на различных органах, диагностировать серьезные заболевания на самых ранних стадиях, такие как рак. Сейчас лазерные технологии в медицине идут в сторону развития комбинированных методов лечения, когда на ряду с лазерной терапией применяют физиотерапию,медикаменты, УЗ. К примеру в лечении гнойных заболеваний был разработан комплекс мероприятий, который включает лазерную обработку, использование антиоксидантов и различных биологически активных материалов.
Лазерные технологии и медицина должны идти рука об руку в будущее. Даже уже сегодня новейшие разработки в лазерной медицине помогают в удалении раковых опухолей, применяются в коррекции тела в косметологии и зрения в офтальмологии. Малоинвазивная хирургия, когда с использованием лазера делаются очень сложные операции.
Дополнительная информация:
«Лазеры в современной клинической практике» - так называлось научное сообщение директора ИОФ РАН им. А.М. Прохорова академика Ивана Щербакова, которое тот сделал на заседании Президиума РАН 16 февраля 2016 г. Речь шла о новом поколении лазерной медицинской техники, лазерных технологиях в диагностике и лечении различных заболеваний, основанных на результатах фундаментальных исследований в области лазерной физики. Релевантными исследованиями занимается и ИОФ РАН, и целый ряд результатов этих исследований внедрены или внедряются в клиническую практику.
Механизм действия лазера как медицинского инструмента состоит в том, что в живую ткань попадает сфокусированный инфракрасный луч. В точке размером 2-3 микрона мгновенно концентрируется большая энергия и происходит микровзрыв. Эти микровзрывы кладутся один к другому с огромной частотой на всей площади воздействия, тем самым разрывая ткань. Лазер работает как скальпель, только изнутри ткани. Хирурги в настоящее время используют четыре различных эффекта лазера - термический, механический, фотохимический и эффект сварки тканей. Еще одна широчайшая область применения лазеров - диагностика самых разных заболеваний.
В частности, применение лазеров очень популярно в офтальмологии, где уже десятилетия используют лазерный луч как малоинвазивный и точный хирургический инструмент. В лечении глазных заболеваний применяются разные типы лазеров, с разным источником и длиной волны. Длина волны лазерного излучения определяет область применения лазера в офтальмологии.
Например, аргоновый лазер излучает свет в синем и зеленом диапазонах, совпадающий со спектром поглощения гемоглобина. Это позволяет эффективно использовать аргоновый лазер при лечении сосудистой патологии: диабетической ретинопатии, тромбозах вен сетчатки, ангиоматозе Гиппеля-Линдау, болезни Коатса и др.; 70% сине-зеленого излучения поглощается меланином и преимущественно используется для воздействия на пигментированные образования. Криптоновый лазер излучает свет в желтом и красном диапазонах, которые максимально поглощаются пигментным эпителием и сосудистой оболочкой, не вызывая повреждения нервного слоя сетчатки, что особенно важно при коагуляции центральных отделов сетчатки.
В последнее время в клинической практике разработан целый ряд операций с использованием короткоимпульсных лазеров - с длительностью импульса в 250, 300, 400 фемтосекунд. Эти операции очень эффективны и точны, потому что чем короче импульс - тем меньше точка, в которую нужно его сфокусировать, и, следовательно, тем меньше инвазивность и травматичность. С помощью фемтосекундных лазеров врачи производят самые разные операции по коррекции зрения.
Еще одна отрасль медицины, где медицинское применение лазеров приобрело заслуженную популярность - урология. Mеханический эффект лазера проявляется, например, при воздействии на камни в почках, причем даже самые опасные и сложные по форме. Применение лазера приводит к раздроблению камней и выведению их при проведении малоинвазивной операции.
Далее, при помощи лазера можно удалять опухоли головного мозга и выполнять многие нейрохирургические операции. В современной нейроонкологии используют методы лазерной микрохирургии, лазерной стереотаксии, лазерной эндоскопии и интерстициальной лазерной термотерапии. Применение нейрохирургической лазерной техники позволяет повысить радикальность и снизить травматичность операции при опухолях, располагающихся в «критических» областях мозга, поражающих жизненно важные и функционально значимые его отделы, при условии щадящего отношения к смежным мозговым структурам, сохранения анатомической и функциональной целости сосудов головного мозга.
Очень популярны и быстро развиваются лазерные технологии в косметологии и дерматологии. При помощи лазерного луча сегодня возможно удалять самые разные дефекты кожи, в том числе рубцы - как поверхностные, так и глубокие. При этом происходит стимуляция образования нового коллагена, скрывающего рубец. С другой стороны, лазерная хирургия - это и новый подход к деструкции поверхностных злокачественных и предраковых поражений кожи или слизистой оболочки.
В медицине лазеры 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.
Особенно широкое применение нашли лазерные инструменты в хирургии глаза. Глаз, как известно, представляет орган, обладающий очень тонкой структурой. В хирургии глаза особенно важны точность и быстрота манипуляций. Кроме того выяснилось, что при правильном подборе частоты излучения лазера оно свободно проходит через прозрачные ткани глаза, не оказывая на них никакого действия. Это позволяет делать операции на хрусталике глаза и глазном дне, не делая никаких разрезов вообще. В настоящее время успешно проводятся операции по удалению хрусталика путём испарения его очень коротким и мощным импульсом. При этом не происходит повреждение окружающих тканей, что ускоряет процесс заживления, составляющий буквально несколько часов. В свою очередь, это значительно облегчает последующую имплантацию искусственного хрусталика. Другая успешно освоенная операция – приваривание отслоившейся сетчатки.
Лазеры довольно успешно применяются и в лечении таких распространённых сейчас заболеваний глаза как близорукость и дальнозоркость. Одной из причин этих заболеваний является изменение в силу каких-либо причин конфигурации роговицы глаза. С помощью очень точно дозированных облучений роговицы лазерным излучением можно исправить её изъяны, восстановив нормальное зрение.
Трудно переоценить значение применения лазерной терапии при лечении многочисленных онкологических заболеваний, вызванных неконтролируемым делением видоизменённых клеток. Точно фокусируя луч лазера на скоплении раковых клеток, можно полностью уничтожить эти скопления, не повреждая здоровые клетки.
Разнообразные лазерные зонды широко используются при диагностике заболеваний различных внутренних органов, особенно в тех случаях, когда применение других методов невозможно или сильно затруднено.
В лечебных целях применяется низкоэнергетическое лазерное излучение. В основе лазеротерапии лежит сочетание воздействия на организм импульсного широкополосного излучения ближнего инфракрасного диапазона совместно с постоянным магнитным полем. В основе терапевтического (лечебного) эффекта лазерного излучения с живым организмом лежат фотофизические и фотохимические реакции. На клеточном уровне в ответ на действие лазерного излучения изменяется энергетическая активность клеточных мембран, происходит активизация ядерного аппарата клеток системы ДНК – РНК – белка, а, следовательно, увеличение биоэнергетического потенциала клеток. Реакция на уровне организма в целом выражается в клинических проявлениях. Это обезболивающий, противовоспалительный и противоотечный эффекты, улучшение микроциркуляции не только в облучаемых, но и в окружающих тканях, ускорение заживления поврежденной ткани, стимуляция общих и местных факторов иммунозащиты, снижение в крови холецистита, бактериостатический эффект.
Хотя в принципе лазерные технологии сами по себе не являются столь уж новыми в медицине, однако появление устройств с новой длиной волны, современных аппаратов и инструментария принципиально изменило роль лазеров в хирургии и отношение к ним.
, незнакомый с лазерными технологиями, вскоре не сможет конкурировав с теми, кто имеет определенные знания и опыт в этой области. Хирургия представляет собой идеальную почву для внедрения новых технологий, которые позволяют осуществлять различные процедуры и вмешательства без специальных приспособлений, с минимумом дискомфорта для пациента, а также уменьшить длительность пребывания в стационаре.
Мы, конечно же, чрезвычайно должны быть обязаны Бору за идею оптических резонаторов, Эйнштейну - за идею стимулированного (вынужденного, индуцированного) излучения и ряду других исследователей за все концепции в физике, которые сделали возможным развитие лазеров. Термин лазер представляет собой аббревиатуру, составленную из первых букв следующих слов и значений: light amplification by stimulated emission of radiation — усиление света индуцированным излучением. Концепция индуцированного излучении может быть достаточно просто проиллюстрирована возможностью визуализации единицы знергии (тепловой, электрической), поглощенной атомом, молекулой или ионом лазерной среды, которая может быть представлена жидкостью или солидным веществом в их основном состоянии. Атом, молекула или ион переходят затем на более высокий энергетический уровень.
Лазерный луч обладает тремя уникальными свойствами: он имеет определенное направление с малым отклонением, когерентностью, что означает, что каждая волна определен ной длины распространяется в одной фазе со всеми другими волнами, и монохроматичностью. Лазерный луч может быть сфокусирован системой линз или, поскольку лазерный луч принадлежит к спектру коротких длин волн, то он может распространяться волоконной оптикой, достигая отдаленных объектов с минимальной потерей энергии.
Большинство медицинских лазеров на сегодняшний день используют электричество как основной и изначальный источник энергии. Поскольку они генерируют очень много тепла в процессе образования лазерной энергии, то при их использовании должен применяться охлаждающий механизм, с помощью воздуха или воды Таким образом, за небольшим исключением (преимущественно небольшие СО, лазеры) большинство лазеров в настоящее время достаточно громоздки и требуют специальных контактов и соединений с электрической и водопроводной системой.
Некоторые лазеры, становясь очень популярными, используются в настоящее время в сочетании с наконечниками, что позволяет достичь специфического хирургического эффекта при контакте с тканями. По существу энергия лазера накаливает наконечник, который затем действует, благодаря генерированному теплу. Многие современные лазеры, могут передавать свою энергию через тонкие гибкие кварцевые волокна, эти волокна способны проходить через просветы даже самых маленьких эндоскопов делают такие лазеры идеально подходящими для применения в хирургии.
Использование лазерных технологий при хирургических вмешательствах обладает существенными преимуществами перед другими традиционными методами .
Одной из областей, где прежде всего в медицине стал применяться лазер, были различные виды сосудистых аномалий кожи и подкожных тканей, бородавки . Также лазер используется для фотоомоложения, безоперационной липосакции. Особенно часто лечат лазерными технологиями сосудистые аномалии: винные пятна, звездчатые ангиомы, телеангиэктазии, пиогенные грануломы, ангиокератомы, пятна цвета кофе с молоком, . Винные пятна различной окраски могут быть успешно излечены или по крайней мере значительно уменьшены. В большинстве таких случаев получают хороший эффект при отсутствии осложнений и неблагоприятных побочных реакций.
Кожные ангиомы в области лица, сочетающиеся с туберозным склерозом, также хорошо отвечают на лазеротерапию и, в противоположность большим гемангномам, требующим неоднократного применения лазера, при этих маленьких ангиомах обычно достаточно бывает одного сеанса.
При лечении поверхностных кожных поражений терапию начинают лазером относительно небольшой мощности. Пациенты испытывают минимальный дискомфорт, однако порой могут образовываться волдыри. За 3 недели в большинстве случаен результаты проявляются отчетливо и становится ясно, есть ли необходимость в повторном применении лазера или нет. Лазеры в медицине позволяют уже через несколько недель достичь таких же результатов, какие при выжидательной тактике и спонтанной эволюции наблюдаются лишь через несколько лет.
Статью подготовил и отредактировал: врач-хирургПрименение 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.
