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.

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

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

И только за последние годы в связи с бурным развитием химии вообще и химии синтетических материалов, или полимеров, в частности, в связи с развитием химической промышленности химикам, инженерам и медикам удалось создать искусственные сосудистые трубки, или пластмассовые протезы разной формы и величины, которые с успехом применяются теперь для замещения пораженных сосудов (артерий, вен) и не только в области конечностей, но даже сосудов брюшной полости и др.

Применение лазерных технологий в медицине

В настоящее время широкое применение находят лазерные технологии в медицине, особенно в офтальмологии, хирургии, онкологии и стоматологии, что обусловлено тепловым или резонансным взаимодействием излучения лазера с биологическим объектом. Использование лазерного излучения в медицине безопасно, оно особенно актуально для пациентов с аллергией на медицинские препараты.

С момента своего появления лазеры (оптические квантовые генераторы) активно используются в различных отраслях науки, техники и промышленности. Сейчас интенсивно изучается возможность использования их в медицине. Современная медицина располагает разнообразными и многочисленными методами лечения различных, в том числе и самых тяжелых, заболеваний, а именно: лекарственными, хирургическими, физиотерапевтическими, диетическими (лечебное питание), санаторно-курортными и другими. Применение каждого из них имеет, как говорят медики, свои показания в зависимости от характера заболевания, особенностей его течения у каждого больного и многих других обстоятельств. Весьма часто применяется не один, а несколько способов лечения, взаимно дополняющих друг друга (комплексное лечение). Особое место среди лечебных методов занимает оперативный, или хирургический, метод.

Следует иметь в виду, что из всех болезней, известных человечеству, заболевания, требующие тех или иных оперативных вмешательств, составляют примерно около 20 процентов. Нельзя не отметить, что среди этих заболеваний очень много весьма тяжелых и опасных, например, различные врожденные пороки развития (сердца, пищевода и других органов), злокачественные опухоли, повреждения, язвы, омертвения (некрозы) и многое другое. Неудивительно, что, начиная с глубокой древности и заканчивая нашим временем, хирургия всегда занимала и занимает весьма почетное место в медицине, а роль хирургического лечения была и остается пока очень большой. Если оглянуться на многовековую историю медицины и особенно хирургии, то бросается в глаза постоянная связь ее с физикой, химией, механикой и многими другими отраслями науки и техники. Все то новое, что появлялось в науке и технике, постоянно привлекало особое внимание врачей всех времен и народов и весьма часто находило применение в практической медицине.

В подтверждение сказанному приведем лишь несколько примеров. Еще достижения древних механиков, живших до нашего летоисчисления, использовались при создании оригинальных аппаратов для вправления вывихов и переломов. Изобретение увеличительных стекол, или оптических линз, а затем и микроскопа в XVII веке, все последующее бурное развитие оптики и оптической промышленности послужили поводом и основанием для создания теперь уже многочисленной и разнообразной так называемой эндоскопической аппаратуры. С помощью таких аппаратов и приборов (бронхоскопы, эзофагоскопы, гастроскопы и т. п.) врачи могут с успехом осматривать внутренние стенки бронхов, пищевода, желудка и других органов и путем осмотра выявлять самые начальные ста дни многих, в том числе и весьма опасных, заболевании (рак и др.).

Достаточно хорошо известно, что бичом современного человечества являются разнообразные сердечно-сосудистые заболевания, которые в особо тяжелых случаях требуют оперативного лечения. С сожалением приходится отметить, что героические попытки отдельных выдающихся хирургов, как у нас, так и за рубежом, до недавнего времени, как правило, не давали желаемого лечебного эффекта. И лишь за последние 15-20 лет, когда на помощь медикам пришла современная техника, хирургия сердца и крупных кровеносных сосудов стала успешно развиваться и достигла поистине изумительных результатов.

Создание оригинального аппарата для искусственного кровообращения («искусственное сердце и легкие») позволило хирургам производить блестящие по технике и результатам операции на выключенном из общего кровообращения и обескровленном, или «сухом», сердце по поводу врожденных и приобретенных его заболеваний и даже производить пересадки этого жизненно важного органа.

До недавнего времени многие операции на крупных кровеносных сосудах конечностей, поврежденных в результате ранений или их последствий (в виде аневризмы) заканчивались вынужденной перевязкой (лигатурой) сосудов со всеми вытекающими отсюда вредными, а иногда и опасными последствиями в виде нарушения кровообращения и даже омертвения (гангрены) части или всей конечности. При некоторых операциях хирурги были вынуждены иссекать тот или иной болезненно измененный отрезок артерии (иногда весьма значительный), но не располагали полноценным способом заместить его и, следовательно, восстановить кровообращение в конечности. Хирурги и в этих случаях вынуждены были идти на перевязку крупных сосудов, хотя, разумеется, полностью отдавали себе отчет в возможных отрицательных, а иногда и трагических последствиях этой операции.

И только за последние годы в связи с бурным развитием химии вообще и химии синтетических материалов, или полимеров, в частности, в связи с развитием химической промышленности химикам, инженерам и медикам удалось создать искусственные сосудистые трубки, или пластмассовые протезы разной формы и величины, которые с успехом применяются теперь для замещения пораженных сосудов (артерий, вен) и не только в области конечностей, но даже сосудов брюшной полости и др.

Совершенно новые перспективы в дальнейшем развитии медицины открыла возможность применения разнообразной электрофизической и ультразвуковой аппаратуры. Так, например, в Москве с успехом используется электронно-вычислительная машина «Урал-2» в труднейшей области — в распознавании (диагностике) врожденных пороков сердца и других заболеваний. Использование ультразвука позволило инженерам и медикам создать новый аппарат для раннего распознавания раковых и некоторых других заболеваний.

Современные технические средства позволили медикам применить инфракрасные лучи для распознавания целого ряда заболеваний глаз, кровеносных сосудов, опухолевых процессов и др., а также для разнообразных медико-биологических исследований. Мы привели лишь несколько из множества примеров, свидетельствующих об использовании различных достижений науки и техники в некоторых областях медицины. Ярким примером связи медицины с различными областями науки и техники в последнее десятилетие является возможность применения в медицине лазерной технологии, созданной на основе бурно развивающейся квантовой электроники и радиофизики.

Применение лазерных технологий в медицине

Возможность использования лазерных технологий изучается во многих областях медицины, например, в урологии (для дробления камней в мочевом пузыре), анестезиологии, гематологии, судебной медицине и других. Так, отоларингологи, изучив влияние лучей лазера на ухо, горло и нос, полагают, что лазерная терапия может найти свое применение при лечении некоторых опухолей ушной раковины и наружного уха, рта, гортани и трахеи, а в дальнейшем, возможно, и других заболеваний. Исследуется также влияние лучей лазера на кровь и процессы ее свертывания, на костную ткань, жизнедеятельность и процессы размножения микроорганизмов, на активность различных ферментов и мн. др.

Имеются интересные сообщения о возможности использования лазера для микрофотографирования внутренних полостей. Так, например, при помощи тонкого световода, расположенного внутри сердечного катетера, освещают внутренние полости работающего сердца и производят скоростную киносъемку! В подобных случаях лазер играет роль своеобразного осветительного устройства.

Мы коснулись лишь некоторых возможностей применения лазерных технологий в экспериментальной и клинической медицине. За последние годы влияние излучений лазера в области биологии и медицины изучается в самых разнообразных направлениях. Так, например, весьма понятный интерес вызывает воздействие лучей лазера — этого «микрохирургического инструмента» — на хромосомы и другие составные элементы различных клеток, что открывает совершенно новые перспективы в области генетики. Есть основания предполагать, что такие исследования могут во многом помочь в изучении проблемы происхождения и развития наследственных болезней и, в конечном счете, в решении проблемы рака и многих других заболеваний. Недаром специалисты по изучению клеток (цитологи) видят в лазере новый и ценный инструмент для изучения строения и функции как самих клеток, так и отдельных их частей. Интересно отметить губительное действие излучений лазера на некоторые микроорганизмы (кокки, кишечная палочка и т. п.).

При работе с лазерами необходимо соблюдение определенных мер предосторожности. Дело в том, что лазерный луч обладает способностью рассеиваться и отражаться, особенно от светлых и блестящих предметов (стены и потолок, различные приборы и проч.). Рассеянное и отраженное излучение лазера может воздействовать на человека в течение всего времени нахождения его в помещении. И хотя такое излучение, как правило, является небольшим, все же при длительном воздействии может оказать отрицательное влияние на те или иные органы и функции человеческого организма, и особенно на глаза.

Именно поэтому для лиц, систематически и длительно работающих с лазерами, необходимо соблюдение соответствующих правил техники безопасности, гигиены труда, а также периодический медицинский контроль. Так, например, для защиты глаз разработаны различные предохранительные приспособления в виде специальных стекол, экранов, очков и другие мероприятия по технике безопасности. Все эти профилактические меры должны найти более широкое применение, если учесть, что лазеры используются сейчас в разных областях науки, техники и промышленности, и в связи с этим увеличивается контингент людей, соприкасающихся с лазерами. В этом отношении большое поле деятельности открывается для представителей профилактической медицины (гигиенистов и др.).

Мы привели лишь основные сведения о возможности применения лазерных технологий в медицине, особенное в некоторых ее областях. Следует еще раз подчеркнуть, что лучи лазера — совершенно новый для медицины физический фактор воздействия на человеческий организм, который стал известен и начал изучаться лишь в самые последние годы. Неудивительно, что пока лучи лазера нашли себе применение лишь в определенных областях медицины (офтальмологии, дерматологии и др.). В большинстве же других медицинских специальностей исследования действия лучей лазера не вышли еще из сферы экспериментов на животных или только еще начинают переходить в сферу клинического их применения.

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.

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

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 1 – 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 2 – 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 3040 мкм. На расстоянии 300600 мкм уже не образуется повреждение ткани. В зоне коагуляции кровеносные сосуды диаметром до 0,51 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 3 – 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/см 2 . 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 4 – 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.

Оставить комментарий