Лазеры и их использование в медицине и промышленности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Саратовский Государственный Технический Университет имени Гагарина Ю.А.

Реферат

По дисциплине: Приборы СВЧ и оптического диапазона

Тема: Лазеры и их использование в медицине и промышленности

Саратов - 2012 г.

Содержание

Введение

Принцип работы лазера

Различные виды полупроводниковых лазеров

Применение лазера в медицине

Применение лазера в промышленности

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Одним из крупнейших достижений науки и техники XX века, наряду с другими открытиями, является создание генераторов индуцированного электромагнитного излучения - лазеров. В основу их работы положено явление усиления электромагнитных колебаний при помощи вынужденного, индуцированного излучения атомов и молекул, которое было предсказано еще в 1917 г. Альбертом Эйнштейном при изучении им равновесия между энергией атомных систем и их излучением. С этого времени, пожалуй, и начинается история создания лазеров.

Уникальные свойства лазерного луча, многообразие конструкций современных лазеров и устройств на их основе обуславливают широкое применение лазерных технологий в различных областях человеческой деятельности: промышленности, науке, медицине и быту. Появление лазеров и внедрение их во многие отрасли промышленности и науки произвело в этих отраслях в буквальном смысле революцию. Благодаря этому стало возможным развитие новых более эффективных технологий, повышение производительности труда, точности измерений и качества обработки материалов. Рассмотрим здесь лишь наиболее важные области применения лазерной техники.

Принцип работы лазера

Лазеры обычно называют оптическими квантовыми генераторами. Уже из этого названия видно, что в основе работы лазеров лежат процессы, подчиняющиеся законам квантовой механики. Согласно квантово-механическим представлениям, атом, как, впрочем, и другие частицы (молекулы, ионы и др.) поглощают и излучают энергию определёнными порциями - квантами. При обычных условиях в отсутствии каких-либо внешних воздействий атом находится в невозбуждённом состоянии, соответствующем наиболее низкому из возможных энергетическому уровню. В таком состоянии атом не способен излучать энергию. При поглощении кванта энергии атом переходит на более высокий энергетический уровень, то есть возбуждается. Переход атома с одного энергетического уровня на другой происходит дискретно, минуя все промежуточные состояния. Время нахождения атома в возбуждённом состоянии ограничено и в большинстве случаев невелико.

Излучая энергию, атом переходит снова в основное состояние. Этот переход осуществляется самопроизвольно, в отличие от процесса поглощения квантов, которое является вынужденным (индуцированным).

Лазеры генерируют излучение в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра, что соответствует диапазону электромагнитных волн, называемому светом. В связи с этим наиболее интересным представляется рассмотрение механизма взаимодействия атомов именно с этой частью спектра электромагнитных излучений. Свет, как известно, имеет двойственную природу: с одной стороны - это волна, характеризующаяся определённой частотой, амплитудой и фазой колебаний, с другой стороны - поток элементарных частиц, называемых фотонами. Каждый фотон представляет собой квант световой энергии.

Энергия фотона прямо пропорциональна частоте световой волны, которая, в свою очередь, определяет цвет светового излучения. Поглощая фотон, атом переходит с более низкого энергетического уровня на более высокий. При самопроизвольном переходе на более низкий уровень атом испускает фотон. Для атомов конкретного химического элемента разрешены только совершенно определённые переходы между энергетическими уровнями. Вследствие этого атомы поглощают только те фотоны, энергия которых в точности соответствует энергии перехода атома с одного энергетического уровня на другой. Визуально это проявляется в существовании для каждого химического элемента индивидуальных спектров поглощения, содержащих определённый набор цветных полос.

Фотон, испускаемый атомом при переходе на более низкий энергетический уровень, так же обладает совершенно определённой энергией, соответствующей разности энергий между энергетическими уровнями. По этой причине атомы способны излучать световые волны только определённых частот. Этот эффект наглядно проявляется при работе люминесцентных ламп, часто используемых в уличной рекламе. Полость такой лампы заполнена каким-либо инертным газом, атомы которого возбуждаются ультрафиолетовым излучением, которое возникает при пропускании электрического тока через специальный слой, покрывающий внутреннюю поверхность оболочки лампы. Возвращаясь в основное состояние атомы газа дают свечение определённого цвета. Так, например, неон даёт красное свечение, а аргон - зелёное.

Самопроизвольные (спонтанные) переходы атомов с более высокого энергетического уровня на более низкий носят случайный характер.

Генерируемое при этом излучение не обладает свойствами лазерного излучения: параллельностью световых пучков, когерентностью (согласованностью амплитуд и фаз колебаний во времени и пространстве), монохромностью (строгой одноцветностью). Однако, ещё в 1917 году Альберт Эйнштейн предсказал существование наряду со спонтанными переходами на более низкий энергетический уровень индуцированных переходов. Впоследствии эта возможность была реализована в конструкции лазеров. Сущность этого явления состоит в том, что фотон светового потока, встречая на своём пути возбуждённый атом выбивает из него фотон с точно такими же характеристиками. В результате число одинаковых фотонов удваивается. Вновь образовавшийся фотон, в свою очередь, способен генерировать ещё один фотон, выбивая его из другого возбуждённого атома.

Таким образом, число одинаковых фотонов лавинообразно нарастает. Генерируемое при этом излучение характеризуется высокой степенью параллельности пучков светового потока, когерентности и монохромности, так как в нём присутствуют только те фотоны, которые обладают одинаковой энергией и направлением движения.

Очевидно, что индуцированное излучение может возникать только в тех системах, где число возбуждённых атомов достаточно велико. На практике число возбуждённых атомов должно превышать 50% от общего числа атомов в системе. В равновесных системах достижение этого условия невозможно, так как число переходов с ниже лежащего уровня на выше лежащий равно числу обратных переходов. Для получения эффекта индуцированного излучения систему необходимо перевести в неравновесное, а, следовательно, неустойчивое состояние. Кроме того интенсивность внешнего светового потока, предоставляющего исходные фотоны для начала процесса так же должна быть достаточной. Рассмотрим, каким образом реализуются эти требования на примере конструкции лазера, построенного с использованием искусственно выращенного кристалла рубина, называемого, обычно, рубиновым лазером.

Лазер состоит из трех основных частей: активного (рабочего) вещества, резонансной системы, представляющей две параллельные пластины с нанесенными на них отражающими покрытиями, и системы возбуждения (накачки), в качестве которой обычно используется ксеноновая лампа-вспышка с источником питания (рис. 1).



Рис 1. Схема рубинового лазера.

Рубин представляет собой окись алюминия, в которой часть атомов алюминия замещена атомами хрома (Al2O3*Cr2O3) Активным веществом служат ионы хрома Cr 3+. От содержания хрома в кристалле зависит его окраска. Обычно используется бледно-розовый рубин, содержащий около 0,05% хрома. Рубиновый кристалл выращивают в специальных печах, затем полученную заготовку отжигают и обрабатывают, придавая ей форму стержня. Длина стержня колеблется от 2 до 30см, диаметр от 0,5 до 2 см. Плоские торцовые концы делают строго параллельными, шлифуют и полируют с высокой точностью. Иногда отражающие поверхности наносят не на отдельные отражающие пластины, а непосредственно на торцы рубинового стержня. Поверхности торцов серебрят, причем поверхность одного торца делают полностью отражающей, другого -- отражающей частично. Обычно коэффициент пропускания света второго торца составляет около 10--25%, но может быть и другим.

Рубиновый стержень помещают в спиральную импульсную ксеноновую лампу, витки которой охватывают его со всех сторон. Вспышка лампы длится миллисекунды. За это время лампа потребляет энергию в несколько тысяч джоулей, большая часть которой уходит на нагревание прибора. Другая, меньшая часть, в виде голубого и зеленого излучения поглощается рубином. Эта энергия и обеспечивает возбуждение ионов хрома. На рис. 2 представлена энергетическая диаграмма, поясняющая принцип работы рубинового лазера. Линии 1, 2, 3 соответствуют энергетическим уровням ионов хрома.

Рис 2. Схема энергетических уровней рубинового лазера.

В нормальном, невозбужденном состоянии ионы хрома находятся на нижнем уровне

1. При облучении рубина светом ксеноновой лампы, содержащим зеленую часть спектра, атомы хрома возбуждаются и переходят на верхний уровень 3, соответствующий поглощению света длиной волны 5600 А. Ширина полосы поглощения этого уровня составляет около 800 А. С уровня 3 часть возбужденных атомов хрома снова возвращается на основной уровень1,часть переходит на уровень

2. Это так называемый безызлучательный переход, при котором ионы хрома отдают часть своей энергии кристаллической решетке в виде тепла. Вероятность перехода с уровня 3 на уровень 2 в 200 раз больше, а с уровня 2 на уровень 1 в 300 раз меньше, чем с уровня 3 на уровень 1. Это приводит к тому, что уровень 2 оказывается более заселенным, чем уровень 1. Иными словами, заселенность получается инверсной, и создаются необходимые условия для интенсивных индуцированных переходов. Такая система крайне неустойчива. Вероятность спонтанных переходов в любой момент времени очень велика. Первый же фотон, появившийся при спонтанном переходе, по закону индуцированного излучения выбьет из соседнего атома второй фотон, переведя излучивший атом в основное состояние. Далее эти два фотона выбьют еще два, после чего их будет четыре, и т. д. Процесс нарастает практически мгновенно. Первая волна излучения, дойдя до отражающей поверхности, повернет обратно и вызовет дальнейшее увеличение числа индуцированных переходов и интенсивности излучения. Отражение от отражающих поверхностей резонатора повторится многократно, и если потери мощности при отражении, вызываемые несовершенством отражающих покрытий, а также полупрозрачностью одного из торцов стержня, через который уже в начале генерации будет вырываться поток излучения, не будут превосходить той мощности, которую приобретает в результате начавшейся генерации формирующийся в стержне лазера луч, то генерация будет нарастать, а мощность увеличиваться до тех пор, пока большинство возбужденных частиц активного вещества (ионов хрома) не отдадут свою энергию, приобретенную в момент возбуждения. Через частично посеребренный торец стержня вырвется луч очень высокой интенсивности. Направление луча будет строго параллельно оси рубина . Те фотоны, направление распространения которых в начале их возникновения не совпало с осью стержня, уйдут через боковые стенки стержня, не вызвав сколько-нибудь заметной генерации.

Именно многократное прохождение образованной световой волны между торцовыми стенками резонатора без какого-либо существенного отклонения от оси стержня обеспечивает лучу строгую направленность и огромную выходную мощность.

Различные типы полупроводниковых лазеров

Небольшие лазерные диоды порядка нескольких милливатт (или до 0,5 Вт) выходной мощности в пучке, с высоким качеством пучка. Они используются в лазерных указках, проигрывателях компакт-дисков и для оптической волоконной связи.

Полупроводниковые лазеры с внешним резонатором (ECDL - External cavity diode lasers) содержат лазерный диод в качестве активной среды в более длинном лазерном резонаторе. Зачастую они могут быть перестраиваемыми по длине волны, и обладать узкой линией излучения.

В монолитных лазерных диодах, а также в лазерах ECDL (с внешним резонатором) малой мощности также может быть осуществлена синхронизация мод для получения сверхкоротких импульсов.

Большое количество лазерных диодов способны генерировать до нескольких ватт выходной мощности, но качество пучка уже будет значительно хуже.

Мощные диоды объединяют в массив с большой площадью излучающей области. Они могут генерировать десятки ватт излучения, но с плохим качеством пучка.

Диодные линейки, содержащие множество диодов, объединяют один массив и используют их для получения чрезвычайно высоких степеней мощности порядка сотен или тысяч ватт.

Поверхностно-излучающие лазеры (VCSELs), излучают в направлении, перпендикулярном пластине, обеспечивая несколько милливатт мощности с высоким качеством пучка.

Поверхностно-излучающие лазеры (VCSELs) с оптической накачкой и внешним резонатором (VECSELs) способны генерировать несколько ватт выходной мощности с отличным качеством пучка, даже в режиме синхронизации мод.

Квантово-каскадные лазеры работают на внутризонных переходов (а не межзонных переходах) и, как правило, излучают в средней инфракрасной области, иногда терагерцового диапазона. Они используются в спектроскопии для газового анализа, для подсветки в среднем ИК диапазоне и т.д.



Для получения лазерного излучения с узкой спектральной линией используются лазеры с встроенным брэгговским отражателем (DBR и DFB лазеры), или с внешним резонатором.

Применение лазера в медицине

Совершенно особого разговора заслуживает применение лазеров в медицине. Ещё на заре развития лазерной техники медиков привлекла возможность использования лазеров в хирургии. Уже в середине 60-ых годов XX века были построены лазерные установки, которые с успехом использовались при хирургических операциях. В этих установках лазер соединен с гибким световодом, изготовленным из тончайших стеклянных или пластмассовых трубок (все те же оптические волокна). На конце световода закреплена головка с фокусирующей линзой. Световод вводится внутрь организма через небольшой разрез или другим доступным способом. Манипулируя световодом, хирург направляет луч лазера на оперируемый объект, оставляя нетронутыми соседние органы и ткани. При этом достигается высокая точность и стерильность оперативного вмешательства. При таких операциях значительно сокращается кровопотеря, что облегчает протекание послеоперационной реабилитации.

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.

С конца 60-х до середины 90-х годов ХХ века были созданы лазерные технологии лечения различных заболеваний, и лазер стал привычным и эффективным инструментом для врачей крупных медицинских центров. Однако сложность лазерной медицинской техники, необходимость постоянного квалифицированного инженерного обслуживания, потребность использования специальных операционных, обусловленная громоздкостью оборудования и необходимости мощного питания, мешали широкому использованию лазерной техники для хирургии и силовой терапии в массовом здравоохранении.

В начале 90-х быстрый прогресс в увеличении надежности и уровня выходной мощности при снижении себестоимости полупроводниковых лазеров (лазерных диодов), обладающих более высокой по сравнению с лазерами на кристаллах и газах позволил создавать установки для хирургии на их основе. При этом существенно улучшились эксплуатационные характеристики лазерной медицинской аппаратуры: габариты, вес и энергопотребление, возросли надежность и ресурс работы, упростилось управление, они практически не требуют технического обслуживания.

Такое улучшение эксплуатационных характеристик лазерной медицинской аппаратуры создало условия для внедрения лазерной техники в массовое здравоохранение. Подчеркнем, что изменение ситуации качественное. Если раньше лазерная операционная организовывалась вокруг лазерной установки с ее мощным питанием и большими габаритами, требовал а инженерного обеспечения, то теперь лазерный скальпель становится одним из приборов, расположенных, например, на эндоскопической стойке и управляемого непосредственно врачом или его ассистентом.

Первым отечественным предприятием, осуществившим разработку подобного аппарата и получившим на нее разрешение МЗ РФ на применение, было ООО «МИЛОН Лазер» . Этот аппарат, офтальмологический фотокоагулятор ФЛОД-01 , положил начало разработкам на предприятии современной аппаратуры для хирургии и силовой терапии на основе полупроводниковых лазеров, представленных на сегодняшний день семейством аппаратов «ЛАХТА-МИЛОН» , включающим аппараты, работающие на 15 различных рабочих длинах волн. В 2005г компания расширила номенклатуру выпускаемых аппаратов, заключив договор на право выпуска аппаратов ЛСП-«ИРЭ-Полюс» с НТО «ИРЭ-Полюс», свернувшим медицинское направление. Тем самым, в числе выпускаемых появились аппараты на основе волоконных лазерных модулей, производимых НТО «ИРЭ-Полюс», являющимся мировым лидером в области производства волоконных лазеров. На рис.1-3 представлены фотографии аппаратов, выпускаемых группой компаний «МИЛОН».

В обзоре рассматриваются лазерные аппараты для хирургии и силовой терапии, разработанные на основе полупроводниковых и волоконных лазерных модулей. Используемые в них технологии позволяют выполнять полупроводниковый лазерный модуль в виде интегрального волоконного устройства, внутри которого осуществляется суммирование мощностей отдельных диодов, при этом отпадает необходимость в юстировках и излучение соприкасается с окружающей средой только на выходе. Этим обуславливается низкая чувствительность к механическим и климатическим воздействиям. Кроме этого, используемые полупроводниковые лазеры отличают высокая надежность и большой ресурс работы. В высокоэффективных волоконных лазерах полупроводниковые лазерные модули используются для накачки лазеров на активированных волоконных световодах, которые в дополнение к перечисленным достоинствам позволяют реализовать дополнительные длины волн рабочего излучения и уменьшить допустимый диаметр рабочего волокна.



Рис.1. Офтальмокоагулятор ФЛОД-1

Рис.2. Аппарат "ЛАХТА-МИЛОН"

Рис.3. Одноволновый аппарат ЛСП - "ИРЭ-Полюс"

Рис.4. Двухволновый аппарат ЛСП - "ИРЭ-Полюс"

Выпускаются и используются в здравоохранении лазерные аппараты (рис.1-3) с различными длинами волн излучения в диапазоне от 0,63 до 2,1 мкм (см. табл.1, 2). Такое излучение с малыми потерями передается по гибким кварцевым световодам. Некоторые модели аппаратов обеспечивают работу на двух длинах волн излучения с независимой регулировкой мощности. При этом в аппаратах семейства «ЛАХТА-МИЛОН» эти излучения выводятся через различные рабочие световоды, а в аппаратах семейства ЛСП независимо регулируемые рабочие излучения подаются по одному выходному световоду (рис.4). Все аппараты рекомендованы МинЗдравом России к применению в медицинской практике.

В таблице 1 представлены возможные длины волн и максимальные мощности излучения, возможные в семействе полупроводниковых аппаратов «ЛАХТА-МИЛОН» . Габариты аппаратов этого семейства 17х20х28 мм, масса 6,6 кг . Эти аппараты отличает расширенный дисплей, позволяющий запрограммировать и отобразить различные режимы работы. Все это обеспечивает максимально широкие возможности для разработчиков новых медицинских технологий.

Таблица 1

l , нм	635	665	670	690	798	810	910	970	975	1060	1260	1300	1470	1530	1750
Р, Вт	1,0	2,5	4,0	4,0	12,0	16,0	35,0	30,0	20,0	9,0	2,5	2,5	2,0	2,0	2,0

Основные характеристики аппаратов семейства ЛСП представлены в таблице 2. Аппараты этого семейства отличает упрощенный интерфейс с минимум органов регулирования, что упрощает работу врача при повседневной работе. Для контроля выходной мощности имеется встроенный измеритель мощности на дистальном конце волокна. В этих аппаратах в верхней крышке имеется ниша (рис.5) для укладки рабочего волокна, в которую выведен оптический разъем. Благодаря этому уменьшается вероятность случайной поломки световода, можно не отстыковывать световод при переноске аппарата.

Рис. 5. Ниша для укладки рабочего волоконного инструмента

Таблица 2

Основные технические характеристики медицинских аппаратов «ЛСП»

Длина волны, мкм	0.97	1.56	1,06	1,9	0.97 и 1.56
Выходная мощность, Вт	5;10(20;30)	1,5(2.5;5;10)	5;10	3	10 и 2,5
Режим работы	Непрерывный, импульсный и импульсно-периодический
Длительность импульсов и пауз, мс	10…2000
Целеуказатель, мкм	0.532
Диаметр волокна, мкм	300(500)…600
Питание	220В, 50Гц, 100(150)Вт
Габариты, мм	120х260х330
Вес, кг	7(9)	9
Ресурс диодов, тыс. час.	>20

Полупроводниковые лазерные скальпели

Из таблицы 1 видно, что наибольшие мощности излучения (уровня необходимых для осуществления хирургических манипуляций) в полупроводниковых аппаратах достигаются при длинах волн излучения в диапазоне 0,8…1 мкм. Наиболее популярны аппараты с длинами волн 0,81 и 0,97 мкм , различающимися по характеру поглощения в биотканях (рис. 6).

Длина волны 1,06 мкм давно применяется в медицине и благодаря высокой проникающей способности может быть успешно использована для силовой лазерной терапии различных заболеваний. Но если раньше это был громоздкий, чувствительный к перемещениям и требующий частого обслуживания лазер на АИГ- Nd , то теперь это недорогой, удобный, малогабаритный и надежный аппарат на основе волоконного лазера.

Приходящееся на локальные максимумы поглощения воды и цельной крови излучение лазерных диодов с длиной волны 0,97 мкм поглощается в слое биоткани порядка 1 мм , поэтому хорошо сочетает режущие и кровоостанавливающие свойства [2,3] и оказывается наиболее оптимальным при большинстве хирургических вмешательств. Режущий эффект близок к действию в 2-3 раза более мощного излучения с длинами волн 0,81 или 1,06 мкм и мало зависит от вида биоткани, при этом снижается риск повреждения лазерным излучением подлежащих органов. Следует отметить, что при использовании лазерного излучения по сравнению с электрокоагуляцией отсутствует выраженный коагуляционный струп, слабее выражен болевой синдром после операции.

Более глубоко проникающее излучение с длинами волн 0,81 и 1,06 мкм обладают худшими режущими свойствами, однако незаменимы в случаях, когда необходимо обеспечить глубокий или объемный прогрев биоткани.

Такой прогрев лежит в основе щадящего метода лечения опухолей - лазерной интерстициальной термотерапии (ЛИТТ).

Все аппараты используются со сменными волоконными инструментами на основе кварц-кварцевого волокна (рис.7). Дистальный конец сменных волоконных инструментов может подвергаться многократной холодной стерилизации. Волоконные инструменты с разъемом, закрытым колпачком, могут подвергаться многократной холодной газовой стерилизации целиком.

В волоконных инструментах (за исключением используемых для длин волн 0,63-0,81 мкм и 1,06 мкм), используется волокно со светопроводящей сердцевиной, изготовленной из обезвоженного кварца, в противном случае оказываются заметны потери излучения, которое поглощается связанной в кварце водой.

Волоконный инструмент может подводиться к операционной зоне по инструментальному каналу эндоскопа, полую иглу или через наконечник ручного держателя (рис.8). Образующиеся при воздействии на ткань продукты сгорания при необходимости могут отсасываться из рабочей зоны с помощью хирургического отсоса через зазор между стенками инструментального канала или наконечника и волокном. На фотографиях виден специальный штуцер на держателе, предназначенный для присоединения шланга отсоса.

Воздействие на биоткани может осуществляться контактным или бесконтактным методом. При бесконтактном использовании лазерного скальпеля воздействие на биоткань осуществляется лазерным излучением. При использовании контактных методик зачищенный от защитных оболочек дистальный конец кварцевого световода вводится в соприкосновение с тканью. В месте соприкосновения с тканью на материал светопровода налипают частицы сгоревших тканей, в которых поглощается лазерное излучение, при этом происходит сильный разогрев материала, и действие лазерного излучения дополняется термическим воздействием раскаленного конца волокна или наконечника. Благодаря этому возрастает эффективность воздействия на ткань и снижается уровень лазерной мощности, рассеиваемой в пространство. Это особенно важно в случае, если в качестве хирургического используются аппараты с длиной волны излучения 0,81 или 1,06 мкм , поскольку меньше излучения проникает в подлежащие слои.

Не уступая по характеристикам лучшим зарубежным аналогам и превосходя их по надежности, аппараты для российского потребителя дешевле этих аналогов в 3...5 раз. Так же дешевле и сменный волоконный инструмент.

Медицинские применения лазерных скальпелей с длинами волн 0,8…1,06 мкм.

Использование и испытания аппаратов с длиной волны рабочего излучения 0,97 мкм в медицинской практике показало их высокую эффективность, позволило разработать методики применения в различных областях медицины. Накоплен большой опыт использования такого излучения в различных областях медицины. Возможности лазерных скальпелей частично описаны в обзоре [2].

С помощью аппарата успешно проводилось лечение следующих ЛОР- заболеваний.

1. В области носа:

гипертрофический ринит;

нейро-вегетативный и аллергический круглогодичный ринит;

двусторонний полипозный риносинусит;

хронический гнойный гайморит;

пристеночно-гиперпластический гайморит и этмоидит;

· кисты верхнечелюстных пазух;

· синехии и рубцовая атрезия полости носа;

· гипертрофия носовых раковин, атрезия хоан;

· носовые кровотечения, полипоз носа;

· образования наружного носа и полости носа;

· искривление носовой перегородки;

· папилломатозы ЛОР-органов.

2. В области глотки:

· гипертрофия трубных миндалин у детей с экссудативным отитом;

· гипертрозия аденоидных вегетации;

· гипертрофия небных и лимфатических столбов;

· хронический гипертрофический фарингит;

· гиперплазия боковых лимфатических столбов;

· хронический тонзилит;

· гиперплазия остатков лимфоидной ткани после тонзиллоэктомии;

· эктопия дополнительной щитовидной железы в корень языка;

· кисты миндалин, корня языка;

· доброкачественные и злокачественные опухоли глотки;

· ронхопатия (храп).

3. В области гортани:

· кисты голосовых складок;

· полипы и неспецифические гранулемы.

4. В области уха:

· удаление грануляций, полипов в барабанной полости после хронических отитов;

· удаление рубцовых стенозов наружного слухового прохода;

· тимпаностомия и тимпанотомия.

Использование аппарата при этих вмешательствах позволило снизить психическую нагрузку на пациентов, особенно детей (возраст самого маленького пациента составлял 2 года).

Малые потери крови и операционные отеки позволили сформулировать новую концепцию хирургического лечения ЛОР-патологий, при котором за одну операцию пациенту осуществляется лечение от 2 до 6 патологий, причем выполняется это лечение без госпитализации в стационаре одного дня. При этом сокращается время лечения, лечение протекает менее болезненно для больного и с лучшим по сравнению с традиционными методами конечными результатами. Благодаря ликвидации всех очагов инфекции в носоглотке исключается перенос инфекции с нелеченных органов на вылеченные.

Наиболее очевидной областью применения описываемых лазерных скальпелей является дерматология. Характеристики взаимодействия излучения с биотканями таковы, что позволяют осуществлять послойное выжигание патологических образований при минимальном тепловом повреждении здоровой ткани. При воздействии на непигментированные образования целесообразно предварительно подкрашивать зону воздействия крепким раствором перманганата калия или бриллиантового зеленого.

С помощью аппарата осуществляется лазерная эксцизия (иссечение) образований, вызванных на коже и слизистых оболочках человеческим папилломатозным вирусом (бородавки, папилломы, остроконечные кондиломы половых органов), некоторых видов невусов, гиперкератозов, контагенозного моллюска.

Благодаря хорошему поглощению излучения 0,97 мкм в крови оно используется для лечения испарение и сосудистых дисплазий с обработкой образовавшегося дефекта. При этом отмечается хороший косметический эффект. С помощью фокусирующей насадки осуществляется удаление телеангиоэктазий и сосудистых «звездочек».

Аппараты с успехом применяются для лечения варикозной болезни вен.

Не менее эффективным оказывается использование аппарата при лечении гинекологических (эрозия шейки матки, лейкоплакия, крауроз и т.д.), урологических ( выстилающий рак мочевого пузыря, аденома предстательной железы, мочекаменная болезнь) и проктологических (геморрой) заболеваний. И при этих применениях оказывается возможным сократить сроки лечения, а во многих случаях ограничиться амбулаторным лечением.

Поскольку для транспортировки рабочего излучения используется тонкое оптическое волокно, полупроводниковые лазерные скальпели-коагуляторы оказываются весьма удобными инструментами при проведении эндо- и лапароскопических операций. Строго говоря, большинство из описанных выше ЛОР, гинекологических и урологических операций проводятся с помощью гибких или жестких эндоскопов. Кроме того, выполнялись эндобронхиальные операций реканализации обтюрирующих злокачественных и доброкачественных опухолей, нарушающих вентиляцию. Лечение больных с доброкачественными, воспалительными и предопухолевыми заболеваниями желудочно-кишечного тракта и дыхательной системы, а также иссечение стриктур желудочно-кишечного тракта. Использование лазерных методов во многих случаях было безальтернативным.

Аппараты применялись при лапароскопических операциях удаления аппендикса, иссечения спаек и холецистэктомии.

Малый диаметр рабочего волокна позволил эффективно использовать аппараты и в малоинвазивных пункционных операциях в нейрохирургии и неврологии на внутренних органах, когда световод подводится к рабочей зоне через тонкую полую иглу, введенную под контролем рентгена или УЗИ. Таким образом, осуществлялись разрушение непальпируемых опухолей щитовидной железы, операции на дисках позвоночника по поводу остеохондроза (грыжи диска до 12мм и протрузии) и операции по поводу невралгии тройничного нерва. Достигаемый при этом лечебный эффект по данным Института медицинской физики им. Копвиллема (Владивосток) превосходит получаемый американскими и немецкими врачами при использовании лазеров на Nd : YAG и Ho : YAG . Аналогичным образом осуществляется денервация при болевом фацет-синдроме.

Аппараты успешно используются в ортопедии при проведении малоинвазивных артроскопических операций на суставах. При этом оказалось, что на месте удаленного патологически измененного суставного хряща осуществляется регенерация здорового гиалиноподобного хряща.

Эффективность использования аппаратов при лечении онкологических заболеваний проявляется не только в малоинвазивных эндоскопических и пункционных методиках. Аппарат с успехом используется при лечении больных с кожными опухолями различных этиологий и локализаций, в частности базально-клеточным раком кожи. Он так же используется при лечении больных детей с нефробластомами, забрюшинными нейробластомами и гепатобластомами. При этом удалось практически до нуля снизить кровопотери. Ниже будет рассказано об использовании аппаратов для лечения онкологических заболеваний методами фотодинамической терапии ( ФДТ) и ЛИТТ .

Аппараты используются в кардиологии для лазерной реваскуляризации миокарда для лечения ишемической болезни сердца. Описываемые аппараты дешевле используемых для трансмиокардиальной реваскуляризации углекислотных аппаратов. Более того, благодаря меньшим весу, габаритам и энергопотреблению, они не требуют специальных операционных, просто встраиваясь в оборудование обычной кардиологической операционной. Возможность работы контактным методом позволяет отказаться от мощных импульсов излучения и работать в непрерывном режиме, снять проблему синхронизации импульсов излучения с ритмом сердца при операциях на работающем сердце.

Разработана и активно применяется высокоэффективная методика лечения остеомиелита методом остеоперфорации.

Аппараты с длиной волны 0,97 мкм оказались весьма эффективны в стоматологии. С помощью лазерного излучения осуществляется стерилизация корневого канала зуба, выпаривание гранулем, удаляются различные образования мягких тканей (фибромы, эпулисы и т.п.). За один сеанс осуществляется отбеливание зубов.

Максимальное пропускание и минимальное рассеяние оптическими средами глаза (роговицей, хрусталиком и стекловидным телом), ближнего ИК-излучения позволяют использовать лазерный коагулятор МИЛОН-ЛАХТА с длиной волны 0,81 мкм для решения множества задач офтальмохирургии. Кроме того, коагуляция легко переносится больными из-за отсутствия слепящего действия излучения, что особенно важно в детской офтальмологии.

Возможности лазерного коагулятора значительно расширяются благодаря применению различных способов доставки излучения: щелевая лампа, непрямой бинокулярный офтальмоскоп, гибкие волоконные инструменты.

С помощью коагулятора МИЛОН-ЛАХТА выполняются такие методики, как:

· лазерная коагуляция сетчатки и переднего отрезка глаза на щелевой лампе

· транспупиллярная термотерапия (ТТТ) на щелевой лампе

· непрямая лазеркоагуляция сетчатки налобным офтальмоскопом

· эндолазеркоагуляция

· транссклеральная циклофотокоагуляция, ретинопексия

Коагулятор используется для лечения диабетической ретинопатии; тромбоза центральной ветви сетчатки и ее ветвей; ретинита Ипса, Коатса; макулярного отека различного генеза (диабетический, постромботический, центральная серозная хориоретинопатия); разрыва, отслойки, периферической дистрофии сетчатки; глаукомы; удаления доброкачественных новообразований век (папиллом, фибром, невусов); лечения капилляроэктазий и ангиом кожи и др. заболеваний.

Из новых применений излучения 1,06 мкм можно упомянуть использование аппарата для эндоскопической санации каверн при резистентных к лекарствам формах туберкулеза.

Медицинские применения аппаратов с другими длинами волн.

Как уже говорилось, дополнительные возможности открываются при использовании лазеров с другими длинами волн. Для иллюстрации на рис.9 приведены зависимости поглощения излучения в воде и цельной крови в диапазоне длин волн от 0,7 до 4 мкм.

Длина волны 1,56 мкм привлекательна в связи с тем, что она наиболее безопасна для глаз.

Излучение таких лазеров помимо высокого поглощения в воде характеризуется пониженным поглощением в гемоглобине. Благодаря этому можно ожидать, что, например, в лазерных процедурах термопластики хрящей при исправлении формы носовой перегородки будет меньше повреждаться кровенаполненные покровы. Модели лазерных аппаратов с этой длиной волны имеют выходную мощность излучения до 10 Вт Аппараты с длиной волны 1,56 мкм и выходной мощностью до 5 Вт успешно используется для исправления деформаций хрящей методом лазерной термопластики .

С его помощью осуществляется (как и с 0,97 мкм ) лечение межпозвонковых дисков. В Новосибирском НИИ патологии кровообращения показана возможность использования этого аппарата в кардиологии для проведения операции реваскуляризации миокарда при ишемической болезни сердца.

Длина волны 1,9 мкм характеризуется сильным поглощением в воде, близким к поглощению излучения углекислотных лазеров ( 10,6 мкм ), но, в отличие от последнего хорошо передается по световодам из осушенного кварца. Имеются предварительные результаты исследования воздействия такого излучения на биоткани в стоматологии, артроскопической хирургии и оториноларингологии, показывающие перспективность его использования. Теперь эта длина волны доступна в высоконадежном и удобном аппарате.

Аппарат, обеспечивающий подачу в одно рабочее волокно двух независимо регулируемых рабочих излучений с длинами волн 0,97 мкм (до 10 Вт) и 1,56 (до 2,5 Вт) позволяет на разных стадиях операций использовать различные длины волн рабочего излучения, меняя тем самым характер воздействия на биоткани.

Фотодинамическая и интерстициальная термотерапия опухолей.

В последнее время все больший интерес вызывает использование для лечения онкологических и неонкологических заболеваний щадящих методов фотодинамической терапии и интерстициальной термотерапии.

В первом методе [4] создаются условия для накопления в патологической ткани фотосенсибилизатора, при воздействии на который лазерного излучения обычно красной части спектра, выделяется обладающий цитотоксическим действием синглетный кислород, убивающий клетки опухоли. При этом облучение опухоли изнутри осуществляется через световод, имеющий на дистальном конце диффузор, обеспечивающий рассеяние лазерного излучения во все стороны. Аппараты семейства «ЛАХТА-МИЛОН» обеспечивают генерацию рабочего излучения с длинами волн, необходимыми для ФДТ с использованием различных фотосенсибилизаторов. Особенно перспективным считается использование фотосенсибилизатора последнего поколения «радахлорин» , разработанного и выпускаемого партнером «МИЛОН Лазера» ООО «Радафарма» . Достоинством этого препарата является сравнительно низкая его токсичность и оптимальные параметры накопления в опухоли и выведения из организма. Препарат прошел клинические испытания и допущен к применению Фармкомитетом. Сочетание «радахлорин» и аппарата «ЛАХТА-МИЛОН» с длиной волны 662 нм успешно используется для лечения опухолей в московских РОНЦ им. Блохина, МНИОИ им. Герцена, а также в Челябинской ГМА.

Разработаны методы применения ФДТ для лечения различных заболеваний неонкологической природы:

· урология (аденома простаты, гипертрофия простаты, хронический простатит);

· лечение ЛОР-заболеваний (гайморит, фронтит, полипоз, папилломатоз гортани);

· новообразованные сосуды в офтальмологии (возрастная макулодистрофия влажного типа, диабетическая ретинопатия, неоваскуляризация сетчатки, окклюзия центральной вены сетчатки, рубеозис иридис, простой герпес, кератит, трахома, птенигиум, гистоплазмоз);

· удаление склеротических бляшек из сосудов;

· стоматология (лечение и профилактика парадонтита, хроническогои острого гингивита, альвеолиты, послеоперационная реабилитация, профилактика септицимии);

· гинекология (бактериальные, грибковые, вирусные и воспалительные заболевания, воспаления цервикального канала, эндометриоз, рубцевание уретры, генитальная верукка, генитальные бородавки, воспалительные заболевания слизистой оболочки, хламидиоз, предопухолевые состояния и карцинома ин-ситу шейки матки);

· дерматология (акне, розацея, псориаз, герпес, папилломы, гнойные раны, язвы, герпес зостер, дерматиты);

· лечение лейкоплакии, гистоплазмоза и коксидиомикоза;

· косметология (удаление волос и родинок, келоидных рубцов, татуировок);

· общие заболевания (ревматоидные артриты, остеомиелит, внутрисуставная ФДТ );

· улучшение спортивных показателей.

Как и при ФДТ происходит облучение опухоли при ЛИТТ , с той разницей, что цитотоксическим фактором в этом случае является нагрев биоткани поглощенным в ней лазерным излучением. Для реализации этого метода не требуется введения фотосенсибилизатора. В качестве рабочего излучения используется излучения с длинами волн в районе 0,81 и 1,06 мкм , проникающие в мягкие биоткани на глубину до величины 4 - 8 мм .

Следует отметить, что оба эти метода гораздо менее инвазивны, чем традиционное хирургическое вмешательство, легче переносятся больными, чем лучевая и химеотерапия. Поэтому они с успехом применяются к ослабленным и пожилым пациентам.

Поскольку способ облучения опухолей при этих методах одинаков, а механизм воздействия на опухоли различаются, весьма перспективным представляется сочетанное использование ФДТ и ЛИТТ. Эффективным инструментом для этого являются двухволновые аппараты, генерирующие необходимое для ФДТ красное излучение и глубокопроникающее излучение с длиной волны 0,81 или 1,06 мкм .

За рубежом аппараты, подобные выпускаемым "Группой компаний МИЛОН", широко используются в ветеринарии для лечения различных животных начиная от рыб и ящериц, кончая породистыми собаками, крупным рогатым скотом и лошадьми. В последнее время возрос интерес и российских ветеринаров к возможностям современной лазерной техники.

Опыт использования лазерных аппаратов для хирургии и силовой терапии в медицинских учреждениях показал реальную возможность улучшения качества лечения и уменьшения страдания пациента при одновременном сокращении необходимости в медикаментах, времени послеоперационного периода и сроков лечения. Можно расширить области хирургических вмешательств, выполняемых амбулаторно или в стационаре одного дня, сократить время пребывания в условиях больничного дискомфорта. Это приносит экономический эффект за счет сокращения занятости койко-мест и сокращения потерь рабочего времени по болезни.

лазер полупроводниковый скальпель хирургия

Применение лазера в промышленности

Сразу же после появления лазеров и начала исследования взаимодействия лазерного луча с различными материалами стало ясно, что этот инструмент может найти широкое применение в разнообразных промышленных технологических процессах. Дело в том, что лазерный импульс несёт в себе огромный запас энергии (рубиновый лазер при кратковременном импульсе может достичь мощности в несколько миллиардов ватт). При попадании подобного луча на поверхность материала он вызывает мгновенное разогревание этой поверхности вплоть до испарения даже очень тугоплавкого материала. Это обстоятельство используется при сверлении отверстий в твердых материалах, резке и сварке металлов и пластмасс, заточке режущих инструментов, в том числе изготовленных из сверхтвердых сплавов. Сверление отверстий в алмазных фильерах при помощи традиционных способов занимает около двух часов. Этот же процесс, осуществляемый при помощи лазерной установки, длится не более 0,1секунд. Для того чтобы прожечь стальную пластинку толщиной 1 мм лучом лазера, достаточно импульса длительностью в одну тысячную секунды с энергией 0,5 дж. В результате получается отверстие порядка 0,1--0,2 мм.

Лучом такой же мощности можно сварить два куска фольги толщиной 0,05мм или две тонкие проволочки. Чтобы прожечь стальную пластинку толщиной до 5 мм, нужен импульс с энергией от 20 до 100 дж. В этом случае луч лазера необходимо сфокусировать в одну точку, для чего применяется система линз. Отверстия, образующиеся в металле под действием такого луча, обычно бывают довольно большого диаметра.

Современная радиоэлектронная промышленность выпускает большое число разнообразных приборов и устройств от простого радиоприёмника до сверхсовременных компьютеров. Основу этих устройств составляют полупроводниковые блоки и интегральные схемы, имеющие очень небольшие размеры и тонкую структуру. Соединение отдельных блоков в единое целое часто сопряжено с определёнными трудностями. И здесь на выручку приходят лазерные технологии, позволяющие соединить между собой и с изолирующей подложкой эти тонкие узлы. Лазерный луч можно сконцентрировать в очень тонкий пучок, имеющий на малых расстояниях практически нулевую расходимость. Это позволяет сконцентрировать излучаемую энергию на очень малой площади, например, соответствующей площади контакта между блоками электронной схемы.

Другой важной областью применения лазеров в промышленности можно считать использование их в различных контрольно-измерительных приборах. Луч лазера представляет собой электромагнитную волну со строго определённой длинной. Зная какое количество длин волн данного лазера укладывается в определённом отрезке, например, в одном метре, всегда можно вычислить расстояние от источника лазерного излучения до того или иного объекта. На практике это определяется по потере мощности лазерного излучения при отражении его от объекта. Отражённый луч лазера воспринимается фотоэлементом, в результате чего в анализирующей электрической цепи возникает ток, пропорциональный интенсивности отражённого луча. Лазерные установки могут быть так же использованы для контроля степени чистоты обработки поверхности материала и даже внутренней структуры этих материалов.

Лазерный луч может разрезать практически любой материал: металлические листы, стекло, керамику, резину, дерево, алмазы и другие минералы. Разрез при помощи лазера воспламеняющихся веществ предварительно обдувают струей инертного газа, что позволяет получить гладкий необожженный край среза. Непрерывно генерирующие лазеры используют обычно именно для разрезания материалов.

В зависимости от крепости и структуры материала, используют необходимую мощность излучения.

Для резки деревянных материалов используют чаще всего СО2-лазер мощностью 200 Вт. Для того, чтобы осуществить надрез на металле, используют более мощные лазеры - некоторые металлы разрезают лазерами мощностью в несколько киловатт. Необходимая мощность может повышаться или снижаться. Для понижения мощности, чаще всего используют кислородную струю. Реакция окисления металла дает снижение мощности.

Кислородная струя позволяет убрать со стороны среза расплав и другие продукты сгорания металла. Кислородная струя, действуя одновременно с лазерным лучом, позволяет добиться излучения всего 100-500 Вт.

Первым примером такого рода резки послужит лазерный раскрой тканей на фабрике. Установка состоит из СО2-лазера мощностью 100Вт, ЭВМ, устройство для натяжения и перемещения ткани, системы фокусировки и перемещения лазерного луча. В течении раскроя луч движется по поверхности ткани со скоростью 1 м/с, а диаметр сфокусированного светового пятна 0,2 мм.

Задачей ЭВМ является движение луча и самого материала. С помощью такой установки, в течение часа можно раскроить ткань для 50 костюмов, при том что края разреза будут гладкими и упрочненными. Преимущества такой установки заключается не только в быстроте, но и чрезвычайной точности.

Вторым примером послужит автоматизированное разрезание листов стали, алюминия, титана в авиационной промышленности. Так, СО2-лазер мощностью 3 кВт режет лист титана толщиной 5 мм со скоростью 5 см/с. Использую кислородную струю, можно получить тот же итог с мощностью излучения 100-300 Вт.

В эволюции лазерной сварки можно обособить два этапа. Первый - это развитие точечной сварки на основе импульсных лазеров на рубине и стекле с неодимом. И второй, с возникновением мощных СО2-лазеров и лазеров на гранате с неодимом, позволяющих получать непрерывное излучение или последовательность часто повторяющихся импульсов, стала прогрессировать шовная сварка.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Приведённый выше перечень областей применения лазера является далеко не полным. Здесь не рассматриваются некоторые специальные области применения этого инструмента. Одной из таких областей является голография - объёмная фотография. Использование лазера при фотографировании позволяет получить на фотопластинке или фотобумаге закодированное в виде интерференционной картины трёхмерное изображение объекта, которое проявляется (восстанавливается) при освещении фотопластинки лучом лазера той же частоты, что использовалась при съёмке. Голография находит широкое применение в различных отраслях науки, техники, метрологии и т.п.

Высокая энергия лазерного излучения позволяет использовать его при термоядерном синтезе. Как известно, такой синтез протекает только при очень высоких температурах порядка 10000 и более градусов. Получить такую температуру при помощи традиционных средств затруднительно. Лазер, а ещё лучше комбинация нескольких лазеров, позволяет достигнуть подобных температур в течение долей секунды.

Использование лазеров в химии позволило осуществить те реакции, которые было невозможно провести ранее. Лазерное излучение обладает строго определённой длинной волны, а, следовательно, и энергией. Подбирая частоту лазерного луча, можно активизировать только те химические связи, энергия разрыва которых совпадает с энергией излучения лазера. Это позволяет ускорять одни химические реакции и подавлять другие, то есть проводить селективный синтез.

Многообразны области применения лазеров в военном деле. На их основе создаются различные системы распознавания объектов по принципу "свой - чужой", системы самонаведения ракет и бомб. Существуют планы создания космического лазерного оружия.

Постоянное совершенствование конструкции современных лазеров приводит к неуклонному расширению областей их применения. Очевидно в ближайшее время этот процесс будет продолжаться ещё более быстрыми темпами.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Донина Н.М. Возникновение квантовой электроники. М.: Наука, 1974.

2. Квантовая электроника - маленькая энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1969.

3. Карлов Н.В. Лекции по квантовой электронике. М.: Наука, 1988.

4. Тарасов Л.В. Физика процессов в генераторах когерентного оптического излучения. М.: Радио и связь, 1981.

5. Брюннер В., Юнге К. Справочник по лазерной технике. / Под ред. А.П. Напартовича. М.: Энергоатомиздат, 1991.

6. Приезжев А.В., Тучин В.В., Шубочкин Л.П. Лазерная диагностика в биологии и медицине. М.: Наука, 1989.

Размещено на Allbest.ru