Лазеры и их применение в медицине

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

Принцип действия лазера. Типы лазеров

Особенности лазерного излучения

Характеристики лазерного излучения, применяемого в медицине

Изменения свойств ткани и ее температуры под действием непрерывного мощного лазерного излучения

Использование лазерного излучения в медицине

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Мы знаем, что свет испускается отдельными порциями - фотонами, каждый из которых возникает в результате излучательного перехода атома, молекулы или иона. Естественный свет - это совокупность огромного числа таких фотонов, различающихся по частоте и фазе, испущенных в случайные моменты времени в случайных направлениях. Получение мощных пучков монохроматического света с помощью естественных источников - задача практически неразрешимая. В то же время потребность в таких пучках ощущалась как физиками, так и специалистами многих прикладных наук. Создание лазера позволило решить эту задачу.

Лазер - устройство, генерирующее когерентные электромагнитные волны за счет вынужденного излучения микрочастиц среды, в которой создана высокая степень возбуждения одного из энергетических уровней.

Принцип действия лазера. Типы лазеров

Функциональная схема лазера показана на рисунке 1. Рабочее тело (активная среда) представляет собой длинный узкий цилиндр, торцы которого закрыты двумя зеркалами. Одно из зеркал (1) полупрозрачно. Такая система называется оптическим резонатором.

Система накачки переводит частицы с основного уровня Е1 на поглощательный уровень Е3, откуда они безызлучательно переходят на метастабильный уровень Е2, создавая его инверсную населенность. После этого начинаются спонтанные излучательные переходы Е2 > Е1 с испусканием монохроматических фотонов:

Фотоны спонтанного излучения, испущенные под углом к оси резонатора, выходят через боковую поверхность и в процессе генерации не участвуют. Их поток быстро иссякает.

Фотоны, которые после спонтанного излучения движутся вдоль оси резонатора, многократно проходят через рабочее тело, отражаясь от зеркал. При этом они взаимодействуют с возбужденными частицами, инициируя вынужденное излучение. Многократно усиленный поток фотонов выходит через полупрозрачное зеркало, создавая мощный пучок почти параллельных когерентных лучей. Фактически лазерное излучение порождается первым спонтанным фотоном, который движется вдоль оси резонатора. Это и обеспечивает когерентность излучения.

Таким образом, лазер преобразует энергию источника накачки в энергию монохроматического когерентного света. Эффективность такого преобразования, т.е. КПД, зависит от типа лазера и лежит в диапазоне от долей процента до нескольких десятков процентов. У большинства лазеров КПД составляет 0,1-1%.

В зависимости от типа рабочего тела лазеры делятся на газовые, твердотельные, жидкостные, полупроводниковые. В твердотельных лазерах активный элемент обычно изготавливается в виде цилиндра, длина которого много больше его диаметра. Газовые и жидкие активные среды помещают в цилиндрическую кювету.

В зависимости от способа накачки можно получить непрерывную и импульсную генерацию лазерного излучения. При непрерывной системе накачки инверсия населенности поддерживается длительное время за счет внешнего источника энергии. Например, непрерывное возбуждение электрическим разрядом в газовой среде. При импульсной системе накачки инверсия населенности создается в импульсном режиме. Частота следования импульсов от 10-3Гц до 103 Гц.

Особенности лазерного излучения

1. Когерентность. Излучение является высококогерентным, что обусловлено свойствами вынужденного излучения. При этом имеет место не только временная, но и пространственная когерентность: разность фаз в двух точках плоскости, перпендикулярной направлению распространения, сохраняется постоянной (рис. 2 а).

2. Коллимированность. Лазерное излучение является коллимированным, т.е. все лучи в пучке почти параллельны друг другу (рис. 2 б). На большом расстоянии лазерный пучок лишь незначительно увеличивается в диаметре. Так как угол расходимости ц мал, то интенсивность лазерного пучка слабо убывает с расстоянием. Это позволяет передавать сигналы на огромные расстояния при малом ослаблении их интенсивности.

3. Монохроматичность. Лазерное излучение является в высокой степени монохроматическим, т.е. содержит волны практически одинаковой частоты (ширина спектральной линии составляет Дл ? 0,01 нм). На рисунке 2 в приведено схематическое сравнение ширины линии лазерного луча и луча обычного света.

4. Высокая мощность. С помощью лазера можно обеспечить очень высокую мощность монохроматического излучения - до 105 Вт в непрерывном режиме. Мощность импульсных лазеров на несколько порядков выше.

5. Высокая интенсивность. В импульсных лазерах интенсивность лазерного излучения очень высока и может достигать I = 1014-1016 Вт/см2 (ср. интенсивность солнечного света вблизи земной поверхности I = 0,1 Вт/см2).

6. Высокая яркость. У лазеров, работающих в видимом диапазоне, яркость лазерного излучения (сила света с единицы поверхности) очень велика. Даже самые слабые лазеры имеют яркость 1015 кд/м2 (для сравнения: яркость Солнца L ~ 109 кд/м2).

7. Давление. При падении лазерного луча на поверхность тела создается давление (Д). При полном поглощении лазерного излучения, падающего перпендикулярно поверхности, создается давление Д = I/c, где I -интенсивность излучения, с - скорость света в вакууме. При полном отражении величина давления в два раза больше.

8. Поляризованность. Лазерное излучение полностью поляризовано.

Характеристики лазерного излучения, применяемого в медицине

лазер излучение медицина ткань

1. Длины волн излучения (л) медицинских лазеров лежат в диапазоне 0,2 -10 мкм, т.е. от ультрафиолетовой до дальней инфракрасной области.

2. Мощность излучения (P) медицинских лазеров варьируется в широких пределах, определяемых целями применения. У лазеров с непрерывной накачкой Р = 0,01-100 Вт.

3. Энергия одного импульса лазерного излучения (Еи) определяется соотношением

Еи = Ри-ти,

где Ри - длительность импульса излучения (обычно ти = 10-9-10-3 с), Ри - мощность в импульсе излучения. Для хирургических лазеров Еи = 0,1-10 Дж. 4. Частота следования импульсов. Эта характеристика (f) импульсных лазеров показывает количество импульсов излучения, генерируемых лазером за 1 с. Для терапевтических лазеров f = 10-3 000 Гц, для хирургических f = 1-100 Гц. 5. Плотность энергии в импульсе - величина (W), характеризующая энергию, которая приходится на единицу площади облучаемой поверхности за один импульс и определяется соотношением

W = Eи/S,

где S (см2) - площадь светового пятна (т.е. поперечного сечения лазерного луча) на поверхности биоткани. У лазеров, используемых в хирургии, W ? 100 Дж/см2. Параметр W можно рассматривать как дозу облучения D за 1 импульс.

Изменения свойств ткани и ее температуры под действием непрерывного мощного лазерного излучения

Поглощение мощного лазерного излучения биологической тканью сопровождается выделением теплоты. Для расчета выделяющейся теплоты используют специальную величину - объемную плотность теплоты (q).

Выделение теплоты сопровождается повышением температуры и в тканях протекают следующие процессы( график 1):

1 фаза. Сначала температура ткани повышается от 37 до 100 °С. В этом диапазоне температур термодинамические свойства ткани остаются практически неизменными, и происходит линейный рост температуры со временем (б = const и I = const).

2 фаза. При температуре 100 °С начинается выпаривание тканевой воды, и до окончания этого процесса температура остается постоянной.

3 фаза. После выпаривания воды температура вновь начинает расти, но медленнее, чем на участке 1, так как обезвоженная ткань поглощает энергию слабее нормальной.

4 фаза. По достижении температуры Т ? 150 °С начинается процесс обугливания и, следовательно, «почернения» биоткани. При этом коэффициент поглощения б возрастает. Поэтому наблюдается нелинейный, ускоряющийся со временем рост температуры.

5 фаза. По достижении температуры Т ? 300 °С начинается процесс испарения обезвоженной обугленной биоткани и рост температуры вновь прекращается. Именно в этот момент лазерный луч рассекает (удаляет) ткань, т.е. становится скальпелем.

При воздействии на ткань коротких импульсов лазерного излучения с высокой плотностью энергии реализуется другой механизм рассечения и удаления биоткани. В этом случае происходит очень быстрый нагрев тканевой жидкости до температуры Т > Т_кип. При этом тканевая жидкость оказывается в метастабильном перегретом состоянии. Затем происходит «взрывное» вскипание тканевой жидкости, сопровождающееся удалением ткани без обугливания(абляция). Она сопровождается генерацией механических ударных волн, способных вызвать механическое повреждение тканей в окрестностях зоны лазерного воздействия. Этот факт необходимо учитывать при выборе параметров импульсного лазерного излучения: при шлифовке кожи, сверлении зубов или при лазерной коррекции остроты зрения.

Использование лазерного излучения в медицине

Таблица 1. Глубина (мкм) термических повреждений стенки желудка при гастротомии с помощью углекислотного лазера (по данным световой микроскопии)

Ширина зоны коагуляционного некроза по краю рассекаемых тканей в этих случаях находится в пределах 1--2 мм. Объем некротических повреждений может быть уменьшен как благодаря увеличению количества жидкости в рассекаемых тканях, так и путем использования адекватной лазерной аппаратуры. Например, при рассечении скелетной мышцы углекислотным лазером ширина зоны коагуляционного некроза, достигающая 1,1--1,2 мм, после предварительного введения жидкости в мышцу уменьшается на 28--40%.

В хирургии ЛОР-болезней имеется большое количество методов и способов коррекции гиперпластических процессов, которые характеризуются разрастанием патологический ткани, а также сужений и различных дефектов наружного и среднего уха. Лазерная хирургия широко применяется и для лечения этой патологии. В области наружного слухового прохода наиболее часто встречаются папилломы и гемангиомы, которые легко удаляются лазером. Этим же методом лазерной хирургии проводится удаление полипов и грануляций (разрастаний соединительной ткани) из полости среднего уха с большими дефектами барабанной перепонки при таком заболевании, как хронический гнойный средний отит. Особое место в хирургии гиперпластических процессов наружного уха занимают келлоидные рубцы ушных раковин. Весьма ценным эндоскопические вмешательства с применением лазера оказываются при микрохирургических операциях в барабанной полости, когда необходимо с большой точностью удалять микроскопические участки патологических тканей, не разрушая при этом целостности тонких анатомических структур среднего и внутреннего уха.

Довольно широкое распространение в последнее время получила лазерная хирургия гортани. Лазер помогает справиться с такой патологией, как различные доброкачественные и злокачественные новообразования гортани, последствия хронических воспалительных заболеваний гортани, а также различные формы нарушения иннервации ее, т.е. параличи и парезы. Грануляции или рубцовые ткани гортани полностью "выпариваются" лазером. При этом для визуального контроля за процессом лазерной хирургии используется эндоскопическая техника. После такой операции, как трахеотомия, а также такой манипуляции, как интубация трахеи, при длительном нахождении канюли или интубационной трубки в гортани на ее поверхности может образоваться так называемая гранулема. Лечение постинтубационных и посттрахеотомических гранулем гортани и трахеи с помощью лазера также весьма эффективно, так как в большинстве случаев позволяет полностью восстановить просвет дыхательных путей.

За последние годы существенный прогресс приобрел метод лазерного выведения татуировок. Для разрушения красителей, составляющих основу татуировки, лазер должен излучать такой свет, который поглощается данным красителем. Для этого используется специальный режим работы лазера "с модуляцией добротности" (Q-switched), который позволяет добиться высокой мощности лазерных импульсов за счет укорочения их длительности. Для вывода излучения в таких лазерах используется шарнирный зеркальный световод, позволяющий доставить лазерное излучение к рабочему инструменту врача. Гранулы красителей тату избирательно поглощают лазерное излучение, разбиваются на мелкие фрагменты и постепенно выводятся через лимфатическую систему. По сравнению с другими методами лазерное удаление татуировок является более безопасным методом, так как лазерное излучение воздействует только на краситель, а не на окружающую кожу. Лазер позволяет выводить татуировки без рубцов и шрамов. Для полного выведения большинства татуировок и дермальных пигментаций требуется проведение 2 - 5 сеансов.

Заключение

Физической основой работы лазера служит квантово-механическое явление вынужденного (индуцированного) излучения. Излучение лазера может быть непрерывным, с постоянной мощностью, или импульсным, достигающим предельно больших пиковых мощностей. В некоторых схемах рабочий элемент лазера используется в качестве оптического усилителя для излучения от другого источника. Существует большое количество видов лазеров, использующих в качестве рабочей среды все агрегатные состояния вещества. Уникальные свойства излучения лазеров позволили использовать их в различных отраслях науки и техники, а также в быту, начиная с чтения и записи компакт-дисков и заканчивая исследованиями в области управляемого термоядерного синтеза.

Список использованной литературы

1. Бруннер В. Справочник по лазерной технике: Пер. с нем. -- М.: Энергоатомиздат, 1991.

2. Медицинская и биологическая физика. Курс лекций с задачами : учеб. пособие / В.Н. Федорова, Е.В. Фаустов. - 2008.

3. Учебник А.Н. Ремизов «Медицинская и биологическая физика». - 2003.

4. «Лазеры в хирургии» под редакцией проф. О.К. Скобелкина. - 2005.

5. «Лазеры в клинической медицине» под редакцией С.Д. Плетнёва. - 2006.

Размещено на Allbest.ru