Лазеры успешно применяются в медицине уже больше 50 лет. Офтальмология, гинекология, косметология, дерматология, физиотерапия, кардиология, реабилитация, хирургия, диагностика – далеко не полный список областей медицины, в которых востребованы лазеры.

От истории до современности

О лечебном потенциале света знали еще древние греки и успешно использовали энергию солнца в терапии. Основоположником лазерной медицины стал американский хирург Леон Голдман. Он первым использовал лазерный генератор для лечения кожных заболеваний. Произошло это в 1961 году, через год после изобретения прибора. Методы Голдмана дали толчок к развитию новой технологии в дерматологии.

Дерматология

Лазерная дерматология с использованием низкоинтенсивного излучения позволяет решить многие кожные проблемы быстрее и эффективнее, чем медикаментозное лечение.

Сеансы лазерной терапии при лечении:

• Крапивницы;
• Псориаза;
• Экземы;
• Атопического дерматита;
• Акне;
• Фурункулов;
• Витилиго;
• других заболеваний.

Воздействуя на поверхностные и глубокие слои кожи, поток света уничтожает вредных бактерий, купирует боль, снимает воспаление, обезболивает и укрепляет иммунитет кожи. Улучшается не только самочувствие, но и состояние кожных покровов пациента.

Косметология

Лазерная косметология позволяет без боли избавиться от рубцов, шрамов, пигментных пятен. С помощью лазера можно легко удалить нежелательные волосы на теле, сделать менее выраженными морщины, повысить тонус кожи, сделать ее более упругой.

К основным преимуществам лазерной косметологии относятся:

• Избирательное воздействие. Его параметры врач подбирает индивидуально, в зависимости от проблемы и типа кожи.
• Минимальная травматичность. Лазерный поток воздействует на определенные участки, не касаясь соседних зон.
• Эстетический результат. Он заметен уже после первой процедуры.
• Стойкость. Полученного результата хватает на несколько лет.

Гинекология

Лазеры применяются в гинекологической практике при лечении заболеваний репродуктивной женской системы. Локальное воздействие светом запускает биохимические реакции в организме – обменные процессы в клетках активизируются, улучшается микроциркуляция крови, что необходимо для выздоровления.

Лазерное воздействие незаменимо при эрозии шейки матки и других заболеваниях, лечение которых требует от гинеколога точности, безболезненности, отсутствия осложнений и противопоказаний. Лечение проводится курсами – по 1-2 процедуры в день на протяжении 10-14 дней. При необходимости врач корректирует длительность, интенсивность, периодичность сеансов.

Офтальмология

Лазерные технологии зарекомендовали себя как эффективное терапевтическое и хирургическое лечение органов зрения. Лазерные лучи характеризуются монохроматичностью и параллельной направленностью, что позволяет локально воздействовать на биологические ткани глаза.

В терапевтических целях используется лазерная стимуляция, в основе которой лежит низкоинтенсивное красное излучение. Его взаимодействие с тканями глаза оказывает противовоспалительный, рассасывающий и стимулирующий эффект. Лазеростимуляция часто включается в комплексную терапию пациентов, у которых диагностирован кератит, гемофтальм, эрозия роговицы, помутнение стекловидного тела, а также в период восстановления после операций.

Неврология

90% россиян имеют проблемы с позвоночником. В современной неврологии все чаще для лечения остеохондроза используется лазерное лечение. Облегчение наступает уже после первых сеансов. Лазерное излучение уменьшает симптоматику и избавляет пациентов от боли. Причиной резкой боли в спине считается рефлекторный синдром – он исчезает в первую очередь.

Затем лазер убирает корешковый синдром – он возникает при отеке или из-за постоянного сдавливания корешка позвоночной грыжи. Корешковый синдром проявляется на запущенных стадиях болезни и вызывает сильную боль. Часто человек не может самостоятельно встать, ступить шаг, перевернуться, сесть.

Лазерное лечение при остеохондрозе бывает разнонаправленным: на очаг воспаления или биоактивные точки. Интенсивность врач-невропатолог и физиотерапевт подбирают с учетом симптоматики и стадии заболевания. Улучшения появляются после двух курсов лазерной терапии, а для полного выздоровления требуется пройти 5-6 курсов.

Другие применения

В урологии с помощью лазера лечится уретра, простата, камни в мочевом пузыре, бородавки. Стоматологи используют лазерное излучение для лечения пародонтоза, проведения гигиенических процедур, других патологиях. Сеансы лазерной терапии назначают и в целях профилактики заболеваний, укрепления защитных функций организма. Это особенно актуально незадолго до периодов массовой заболеваемости гриппом и вирусными инфекциями.

Будущее – за персонализированной терапией

Ученые в области медицины из разных стран мира сходятся во мнении, что у лазерной медицины хорошие перспективы. В обозримом будущем она будет активно применяться в генетике и эпигенетике и позволит проводить лечение в масштабах одной клетки. Сверхкороткие импульсы определенной длины будут фокусироваться и генерировать импульсы за тысячные доли секунды. Это станет первым шагом к внедрению методов персонализированного лечения. В основе такого лечения – геном человека, который у каждого индивидуален.

В настоящее время трудно представить прогресс в медицине без лазерных технологий, которые открыли новые возможности в разрешении многочисленных медицинских проблем.

Изучение механизмов воздействия лазерного излучения различных длин волн и уровней энергии на биологические ткани позволяет создавать лазерные медицинские многофункциональные приборы, диапазон применения которых в клинической практике стал настолько широким, что очень трудно ответить на вопрос: для лечения каких заболеваний лазеры не применяют?

Развитие лазерной медицины идет по трем основным ветвям: лазерная хирургия, лазерная терапия и лазерная диагностика.

Нашей областью деятельности являются лазеры для применений в хирургии и косметологии, имеющие достаточно большую мощность для разрезания, вапоризации, коагуляции и других структурных изменений в биоткани.

Применяются достаточно мощные лазеры со средней мощностью излучения десятки ватт, которые способны сильно нагревать биоткань, что приводит к ее резанию или испарению. Эти и другие характеристики хирургических лазеров обуславливают применение в хирургии различных видов хирургических лазеров, работающих на разных лазерных активных средах.

Уникальные свойства лазерного луча позволяют выполнять ранее невозможные операции новыми эффективными и минимально инвазивными методами.

1. Хирургические лазерные системы обеспечивают:

2. эффективную контактную и бесконтактную вапоризацию и деструкцию биоткани;

3. сухое операционное поле;

4. минимальное повреждение окружающих тканей;

5. эффективный гемо- и аэростаз;

6. купирование лимфатических протоков;

7. высокую стерильность и абластичность;

8. совместимость с эндоскопическими и лапароскопическими инструментам

Это дает возможность эффективно использовать хирургические лазеры для выполнения самых разнообразных оперативных вмешательств в урологии, гинекологии, оториноларингологии, ортопедии, нейрохирургии и т. д.

Ольга (княгиня Киевская)

[править]

Материал из Википедии - свободной энциклопедии

(Перенаправлено с Княгиня Ольга)Ольга

В. М. Васнецов. «Княгиня Ольга»

3-й княгиня Киева

Предшественник: Игорь Рюрикович

Преемник: Святослав Игоревич

Вероисповедание: Язычество, перешла в христианство

Рождение: неизвестна

Династия: Рюриковичи

Супруг: Игорь Рюрикович

Дети: Святослав Игоревич

Княги́ня О́льга, в крещении Еле́на († 11 июля 969) - княгиня, правила Киевской Русью после гибели мужа, князя Игоря Рюриковича, как регент с 945 до примерно 960 года. Первая из русских правителей приняла христианство ещё до крещения Руси, первая русская святая.

Спустя примерно 140 лет после её смерти древнерусский летописец так выразил отношение русских людей к первому правителю Киевской Руси, принявшему крещение: Была она предвозвестницей христианской земле, как денница перед солнцем, как заря перед рассветом. Она ведь сияла, как луна в ночи; так и она светилась среди язычников, как жемчуг в грязи.

1 Биография

1.1 Происхождение

1.2 Брак и начало правления

1.3 Месть древлянам

1.4 Правление Ольги

2 Крещение Ольги и церковное почитание

3 Историография по Ольге

4 Память о Святой Ольге

4.1 В художественной литературе

4.2 Кинематограф

5 Первоисточники

[править]

Биография

[править]

Происхождение

Согласно самой ранней древнерусской летописи, «Повести Временных Лет», Ольга была родом из Пскова. Житие святой великой княгини Ольги уточняет, что родилась она в деревне Выбуты Псковской земли, в 12 км от Пскова выше по реке Великой. Имена родителей Ольги не сохранились, по Житию они были не знатного рода, «от языка варяжска». По мнению норманистов, варяжское происхождение подтверждается её именем, имеющим соответствие в древнескандинавском как Helga. Присутствие предположительно скандинавов в тех местах отмечено рядом археологических находок, возможно датируемых 1-й половиной X века. С другой стороны, в летописях имя Ольги часто передано славянской формой «Вольга». Известно и древнечешское имя Olha.

Княгиня Ольга на Памятнике «1000-летие России» в Великом Новгороде

Типографская летопись (конец XV века) и более поздний Пискаревский летописец передают слух, будто Ольга была дочерью Вещего Олега, который стал править Киевской Русью как опекун малолетнего Игоря, сына Рюрика: «Нецыи же глаголют, яко Ольгова дщери бе Ольга». Олег же поженил Игоря и Ольгу.

Так называемая Иоакимовская летопись, достоверность которой ставится историками под сомнение, сообщает о знатном славянском происхождении Ольги:

«Когда Игорь возмужал, оженил его Олег, выдал за него жену от Изборска, рода Гостомыслова, которая Прекраса звалась, а Олег переименовал её и нарек в своё имя Ольга. Были у Игоря потом другие жены, но Ольгу из-за мудрости её более других чтил».

Болгарские историки выдвигали также версию о болгарских корнях княгини Ольги, опираясь в основном на сообщение Нового Владимирского Летописца («Игоря же ожени [Олег] въ Болгарехъ, поятъ же за него княжну Ольгу».) и переводя летописное название Плесков не как Псков, но как Плиска - болгарская столица того времени. Названия обоих городов действительно совпадают в древнеславянской транскрипции некоторых текстов, что и послужило основанием для автора Нового Владимирского Летописца перевести сообщение «Повести временных лет» об Ольге из Пскова как об Ольге из болгар, так как написание Плесков для обозначения Пскова давно вышло из употребления.

[править]

Брак и начало правления

Первая встреча князя Игоря с Ольгой.

Худ. В. К. Сазонов

По «Повести временных лет» Вещий Олег женил Игоря Рюриковича, начавшего самостоятельно править с 912 года, на Ольге в 903 году. Дата эта подвергается сомнению, так как, согласно Ипатьевскому списку той же «Повести», их сын Святослав родился только в 942 году.

Возможно, чтобы разрешить это противоречие, поздние Устюжская летопись и Новгородская летопись по списку П. П. Дубровского сообщают о 10-летнем возрасте Ольги на момент свадьбы. Данное сообщение противоречит легенде, изложенной в Степенной книге (2-я половина XVI века), о случайной встрече с Игорем на переправе под Псковом. Князь охотился в тамошних местах. Переправляясь через реку на лодке, он заметил, что перевозчиком была юная девушка, переодетая в мужскую одежду. Игорь тотчас же «разгореся желанием» и стал приставать к ней, однако получил в ответ достойную отповедь: «Зачем смущаешь меня, княже, нескромными словами? Пусть я молода и незнатна, и одна здесь, но знай: лучше для меня броситься в реку, чем стерпеть поругание». О случайном знакомстве Игорь вспомнил, когда пришло время искать себе невесту, и послал Олега за полюбившейся девушкой, не желая никакой другой жены.

«Княгиня Ольга встречает тело князя Игоря». Эскиз В. И. Сурикова, 1915

Новгородская Первая летопись младшего извода, которая содержит в наиболее неизменном виде сведения из Начального свода XI века, оставляет сообщение о женитьбе Игоря на Ольге не датированным, то есть самые ранние древнерусские летописцы не имели сведений о дате свадьбы. Вполне вероятно, что 903 год в тексте ПВЛ возник в более позднее время, когда монах Нестор пытался привести начальную древнерусскую историю в хронологический порядок. После свадьбы имя Ольги упоминается в очередной раз только через 40 лет, в русско-византийском договоре 944 года.

Согласно летописи, в 945 году князь Игорь погибает от рук древлян после неоднократного взимания с них дани. Наследнику престола Святославу тогда было только 3 года, поэтому фактическим правителем Киевской Руси в 945 году стала Ольга. Дружина Игоря подчинилась ей, признав Ольгу представителем законного наследника престола. Решительный образ действий княгини в отношении древлян также мог склонить дружинников в её пользу.

[править]

Месть древлянам

Древляне после убийства Игоря прислали к его вдове Ольге сватов звать её замуж за своего князя Мала. Княгиня последовательно расправилась со старейшинами древлян, а затем привела к покорности народ древлян. Древнерусский летописец подробно излагает месть Ольги за смерть мужа:

«Мщение Ольги против идолов древлянских». Гравюра Ф. А. Бруни, 1839.

1-я месть княгини Ольги: Сваты, 20 древлян, прибыли в ладье, которую киевляне отнесли и бросили в глубокую яму на дворе терема Ольги. Сватов-послов закопали живьем вместе с ладьёй. Ольга посмотрела на них из терема и спросила: «Довольны ли честью?» А они закричали: «Ох! Хуже нам Игоревой смерти».

Вторая месть Ольги древлянам. Миниатюра из Радзивилловской летописи.

2-я месть: Ольга попросила для уважения прислать к ней новых послов из лучших мужей, что и было с охотой исполнено древлянами. Посольство из знатных древлян сожгли в бане, пока те мылись, готовясь к встрече с княгиней.

3-я месть: Княгиня с небольшой дружиной приехала в земли древлян, чтобы по обычаю справить тризну на могиле мужа. Опоив во время тризны древлян, Ольга велела рубить их. Летопись сообщает о 5 тысячах перебитых древлян.

Четвёртая месть Ольги древлянам. Миниатюра из Радзивилловской летописи.

4-я месть: В 946 году Ольга вышла с войском в поход на древлян. По Новгородской Первой летописи киевская дружина победила древлян в бою. Ольга прошлась по Древлянской земле, установила дани и налоги, после чего вернулась в Киев. В ПВЛ летописец сделал врезку в текст Начального свода об осаде древлянской столицы Искоростеня. По ПВЛ после безуспешной осады в течение лета Ольга сожгла город с помощью птиц, к ногам которых велела привязать зажжённую паклю с серой. Часть защитников Искоростеня были перебиты, остальные покорились. Схожая легенда о сожжении города с помощью птиц излагается также Саксоном Грамматиком (XII век) в его компиляции устных датских преданий о подвигах викингов и скальдом Снорри Стурлусоном.

За последние полвека лазеры нашли применение в офтальмологии, онкологии, пластической хирургии и многих других областях медицины и медико-биологических исследованиях.

О возможности использования света для лечения болезней было известно тысячи лет назад. Древние греки и египтяне применяли солнечное излучение в терапии, и эти две идеи даже были связаны друг с другом в мифологии - греческий бог Аполлон был богом солнца и исцеления.

И только после изобретения источника когерентного излучения более 50 лет назад действительно был выявлен потенциал использования света в медицине.

Благодаря особым свойствам, лазеры гораздо эффективнее, чем радиация солнца или других источников. Каждый квантовый генератор работает в очень узком диапазоне длин волн и излучает когерентный свет. Также лазеры в медицине позволяют создавать большие мощности. Пучок энергии может быть сосредоточен в очень маленькой точке, благодаря чему достигается ее высокая плотность. Эти свойства привели к тому, что сегодня лазеры используются во многих областях медицинской диагностики, терапии и хирургии.

Лечение кожи и глаз

Применение лазеров в медицине началось с офтальмологии и дерматологии. Квантовый генератор был открыт в 1960 году. И уже через год после этого Леон Голдман продемонстрировал, как рубиновый красный лазер в медицине может быть использован для удаления капиллярной дисплазии, разновидности родимых пятен, и меланомы.

Такое применение основано на способности источников когерентного излучения работать на определенной длине волны. Источники когерентного излучения в настоящее время широко используются для удаления опухолей, татуировок, волос и родинок.

В дерматологии применяются лазеры различных типов и длин волн, что обусловлено разными видами излечиваемых поражений и основного поглощающего вещества внутри них. также зависит от типа кожи пациента.

Сегодня нельзя практиковать дерматологию или офтальмологию, не имея лазеров, так как они стали основными инструментами лечения пациентов. Применение квантовых генераторов для коррекции зрения и широкого спектра офтальмологических приложений выросло после того, как Чарльз Кэмпбелл в 1961 году стал первым врачом, использовавшим красный лазер в медицине для исцеления пациента с отслоением сетчатки.

Позже для этой цели офтальмологи стали применять аргоновые источники когерентного излучения в зеленой части спектра. Здесь были задействованы свойства самого глаза, особенно его линзы, фокусировать луч в области отслоения сетчатки. Высококонцентрированная мощность аппарата ее буквально приваривает.

Больным с некоторыми формами макулодистрофии может помочь лазерная хирургия - лазерная коагуляция и фотодинамическая терапия. В первой процедуре луч когерентного излучения используется для герметизации кровеносных сосудов и замедления их патологического роста под макулой.

Подобные исследования были проведены в 1940 годах с солнечным светом, но для их успешного завершения врачам были необходимы уникальные свойства квантовых генераторов. Следующим применением аргонового лазера стала остановка внутренних кровотечений. Селективное поглощение зеленого света гемоглобином - пигментом красных кровяных клеток - использовалось для блокирования кровоточащих кровеносных сосудов. Для лечения рака разрушают кровеносные сосуды, входящих в опухоль и снабжающие ее питательными веществами.

Этого невозможно добиться, используя солнечный свет. Медицина очень консервативна, как это и должно быть, но источники когерентного излучения получили признание в разных ее областях. Лазеры в медицине заменили многие традиционные инструменты.

Офтальмология и дерматология также извлекли выгоду из эксимерных источников когерентного излучения в ультрафиолетовом диапазоне. Они стали широко использоваться для изменения формы роговицы (LASIK) для коррекции зрения. Лазеры в эстетической медицине применяются для удаления пятен и морщин.

Прибыльная косметическая хирургия

Такие технологические разработки неизбежно популярны среди коммерческих инвесторов, так как обладают огромным потенциалом получения прибыли. Аналитическая компания Medtech Insight в 2011 г. оценила объем рынка лазерного косметического оборудования на сумму более 1 млрд долларов США. Действительно, несмотря на снижение общего спроса на медицинские системы во время глобального спада, косметические операции, основанные на использовании квантовых генераторов, продолжают пользоваться постоянным спросом в Соединенных Штатах - доминирующем рынке лазерных систем.

Визуализация и диагностика

Лазеры в медицине играют важную роль в раннем выявлении рака, а также многих других заболеваний. Например, в Тель-Авиве группа ученых заинтересовалась ИК-спектроскопией с использованием инфракрасных источников когерентного излучения. Причиной этого является то, что рак и здоровая ткань могут иметь различную проходимость в инфракрасном диапазоне. Одним из перспективных применений этого метода является выявление меланом. При раке кожи ранняя диагностика очень важна для выживаемости пациентов. В настоящее время обнаружение меланомы делается на глаз, поэтому остается полагаться на мастерство врача.

В Израиле раз в год каждый человек может пойти на бесплатный скрининг меланомы. Несколько лет назад в одном из крупных медицинских центров проводились исследования, в результате которых появилась возможность наглядно наблюдать разницу в ИК-диапазоне разницу между потенциальными, но неопасными признаками, и настоящей меланомой.

Кацир, организатор первой конференции SPIE по биомедицинской оптике в 1984 году, и его группа в Тель-Авиве также разработали оптические волокна, прозрачные для инфракрасных длин волн, что позволило распространить этот метод на внутреннюю диагностику. Кроме того, это может стать быстрой и безболезненной альтернативой цервикальному мазку в гинекологии.

Голубой в медицине нашел применение в флюоресцентной диагностике.

Системы на основе квантовых генераторов также начинают заменять рентген, который традиционно использовался в маммографии. Рентгеновские лучи ставят врачей перед сложной дилеммой: для достоверного обнаружения раковых образований необходима их высокая интенсивность, но рост радиации сам по себе увеличивает риск заболевания раком. В качестве альтернативы изучается возможность использования очень быстрых лазерных импульсов для снимка груди и других частей тела, например, мозга.

ОКТ для глаз и не только

Лазеры в биологии и медицине нашли применение в оптической когерентной томографии (ОКТ), что вызвало волну энтузиазма. Этот метод визуализации использует свойства квантового генератора и может дать очень четкие (порядка микрона), поперечные и трехмерные изображения биологической ткани в режиме реального времени. ОКТ уже применяется в офтальмологии, и может, например, позволить офтальмологу увидеть поперечное сечение роговицы для диагностики заболеваний сетчатки и глаукомы. Сегодня техника начинает использоваться также и в других областях медицины.

Одна из крупнейших областей, формирующихся благодаря ОКТ, занимается получением волоконно-оптических изображений артерий. может быть применена для оценки состояния склонной к разрыву нестабильной бляшки.

Микроскопия живых организмов

Лазеры в науке, технике, медицине также играют ключевую роль во многих видах микроскопии. В этой области было сделано большое число разработок, целью которых является визуализация того, что происходит внутри тела пациента без использования скальпеля.

Самым сложным в удалении рака является необходимость постоянно прибегать к услугам микроскопа, чтобы хирург мог убедиться, что все сделано правильно. Возможность делать микроскопию «вживую» и в реальном времени является значительным достижением.

Новое применение лазеров в технике и медицине - сканирование в ближней зоне оптической микроскопии, которая может производить изображения с разрешением гораздо большим, чем у стандартных микроскопов. Этот метод основан на оптических волокнах с насечками на торцах, размеры которых меньше длины волны света. Это позволило субволновую визуализацию и заложило основу для получения изображения биологических клеток. Использование данной технологии в ИК-лазерах позволит лучше понять болезнь Альцгеймера, рак и другие изменения в клетках.

ФДТ и другие методы лечения

Разработки в области оптических волокон помогают расширить возможности применения лазеров и в других сферах. Кроме того, что они позволяют проводить диагностику внутри организма, энергия когерентного излучения может быть передана туда, где в этом есть необходимость. Это может быть использовано в лечении. Волоконные лазеры становятся гораздо более продвинутыми. Они кардинально изменят медицину будущего.

Область фотомедицины, использующая светочувствительные химические вещества, которые взаимодействуют с телом особым образом, может прибегнуть к помощи квантовых генераторов как для диагностики, так и для лечения пациентов. В фотодинамической терапии (ФДТ), например, лазер и фоточувствительное лекарственное средство может восстановить зрение у больных с «влажной» формой возрастной макулярной дегенерации, основной причиной слепоты у людей в возрасте старше 50 лет.

В онкологии некоторые порфирины накапливаются в раковых клетках и флуоресцируют при освещении определенной длиной волны, указывая на место расположения опухоли. Если эти же самые соединения затем осветить другой длиной волны, они становятся токсичными и убивают поврежденные клетки.

Красный газовый гелий-неоновый лазер в медицине применяется в лечении остеопороза, псориаза, трофических язв и др., так как данная частота хорошо поглощается гемоглобином и ферментами. Излучение замедляет воспалительные процессы, предотвращает гиперемию и отеки, улучшает кровоснабжение.

Персонализированное лечение

Еще две области, в которых найдется применение для лазеров - генетика и эпигенетика.

В будущем все будет происходить на наноуровне, что позволит заниматься медициной в масштабах клетки. Лазеры, которые могут генерировать фемтосекундные импульсы и настраиваться на определенную длину волны, являются идеальными партнерами для медиков.

Это откроет дверь для персонализированного лечения, основанного на индивидуальном геноме пациента.

Леон Голдман - родоначальник лазерной медицины

Говоря об использовании квантовых генераторов в лечении людей, нельзя не упомянуть Леона Голдмана. Он известен как «отец» лазерной медицины.

Уже через год после изобретения источника когерентного излучения Голдман стал первым исследователем, применившим его для лечения заболевания кожи. Техника, которую применил ученый, проложила путь последующему развитию лазерной дерматологии.

Его исследования в середине 1960 годов привели к использованию рубинового квантового генератора в хирургии сетчатки глаза и к таким открытиям, как возможность когерентного излучения одновременно разрезать кожу и запечатывать кровеносные сосуды, ограничивая кровотечение.

Голдман, работавший на протяжении большей части своей карьеры дерматологом в университете Цинциннати, основал Американское общество лазеров в медицине и хирургии и помог заложить основы безопасности лазеров. Умер в 1997 г.

Миниатюризация

Первые 2-микронные квантовые генераторы были размером с двуспальную кровать и охлаждались жидким азотом. Сегодня появились диодные, умещающиеся в ладони, и еще более миниатюрные Такого рода изменения прокладывают путь для новых сфер применения и разработок. Медицина будущего будет располагать крошечными лазерами для хирургии головного мозга.

Благодаря технологическому прогрессу происходит постоянное снижение затрат. Подобно тому как лазеры стали привычными в бытовой технике, они начали играть ключевую роль в больничном оборудовании.

Если раньше лазеры в медицине были очень большими и сложными, то сегодняшнее их производство из оптического волокна значительно снизило стоимость, а переход на наноуровень позволит еще больше сократить затраты.

Другие применения

С помощью лазеров урологи могут лечить стриктуру уретры, доброкачественные бородавки, мочевые камни, контрактуру мочевого пузыря и увеличение простаты.

Использование лазера в медицине позволило нейрохирургам делать точные разрезы и производить эндоскопический контроль головного и спинного мозга.

Ветеринары применяют лазеры для эндоскопических процедур, коагуляции опухолей, выполнения разрезов и фотодинамической терапии.

Стоматологи используют когерентное излучение для проделывания отверстий, в хирургии десен, для проведения антибактериальных процедур, зубной десенсибилизации и рото-лицевой диагностики.

Лазерный пинцет

Биомедицинские исследователи во всем мире применяют оптические пинцеты, клеточные сортировщики, а также множество других инструментов. Лазерные пинцеты обещают лучшую и более быструю диагностику рака и использовались для захвата вирусов, бактерий, мелких металлических частиц и нитей ДНК.

В оптическом пинцете пучок когерентного излучения применяется для удержания и вращения микроскопических объектов, аналогично тому, как металлический или пластиковый пинцет способен подобрать маленькие и хрупкие предметы. Отдельными молекулами можно манипулировать, прикрепляя их к стеклышкам микронного размера или шарикам из полистирола. Когда луч попадает в шарик, он искривляется и оказывает небольшое воздействие, подталкивая шарик прямо в центр луча.

Это создает «оптическую ловушку», которая способна удерживать небольшую частицу в пучке света.

Лазер в медицине: плюсы и минусы

Энергия когерентного излучения, интенсивность которой можно модулировать, используется для рассечения, уничтожения или изменения клеточной или внеклеточной структуры биологических тканей. Кроме того, применение лазеров в медицине, кратко говоря, уменьшает риск инфицирования и стимулирует заживление. Применение квантовых генераторов в хирургии увеличивает точность рассечения, однако, они представляют опасность для беременных и есть противопоказания по употреблению фотосенсибилизирующих лекарств.

Сложная структура тканей не позволяет сделать однозначную интерпретацию результатов классических биологических анализов. Лазеры в медицине (фото) являются эффективным инструментом для уничтожения раковых клеток. Однако мощные источники когерентного излучения действуют без разбора и разрушают не только пораженные, но и окружающие ткани. Это свойство - важный инструмент метода микродиссекции, используемый для проведения молекулярного анализа в интересующем месте с возможностью выборочного разрушения лишних клеток. Цель данной технологии заключается в преодолении гетерогенности, присутствующей во всех биологических тканях, для облегчения их исследования по четко определенной популяции. В этом смысле, лазерная микродиссекция внесла значительный вклад в развитие исследований, в понимание физиологических механизмов, которые сегодня можно четко продемонстрировать на уровне популяции и даже одной клетки.

Функционал тканевой инженерии сегодня стал основным фактором в развитии биологии. Что произойдет, если разрезать актиновые волокна во время деления? Будет ли эмбрион дрозофилы стабильным, если разрушить клетку при фолдинге? Каковы параметры, участвующие в меристемной зоне растения? Все эти вопросы можно решить с помощью лазеров.

Наномедицина

В последнее время появилось множество наноструктур, обладающих свойствами, пригодными для целого ряда биологических применений. Важнейшими из них являются:

• квантовые точки - крошечные светоизлучающие частицы нанометровых размеров, используемые в высокочувствительной клеточной визуализации;
• магнитные наночастицы, которые нашли применение в медицинской практике;
• полимерные частицы для инкапсулированных терапевтических молекул;
• металлические наночастицы.

Развитие нанотехнологий и применение лазеров в медицине, кратко говоря, революционизировало способ введения лекарственных средств. Суспензии из наночастиц, содержащие лекарственные препараты, могут повысить терапевтический индекс многих соединений (увеличить растворимость и эффективность, снизить токсичность) путем селективного воздействия на пораженные ткани и клетки. Они доставляют действующее вещество, а также регулируют высвобождение активного ингредиента в ответ на внешнюю стимуляцию. Нанотераностика является дальнейшим экспериментальным подходом, обеспечивающим двойное использование наночастиц, соединения лекарственное средство, терапию и средства диагностической обработки изображений, что открывает путь к персонализированному лечению.

Применение лазеров в медицине и биологии для микродиссекции и фотоаблации позволило на разных уровнях понять физиологические механизмы развития болезни. Результаты помогут определить лучшие методы диагностики и лечения каждого пациента. Развитие нанотехнологий в тесной связи с достижениями в области визуализации также будут незаменимы. Наномедицина является перспективной новой формой лечения некоторых видов рака, инфекционных заболеваний или диагностики.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

1. Лазеры и их применение в медицине

2. Применение высокоинтенсивного лазерного излучения в хирургии (общие принципы)

3. Световой пробой

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Лазеры или оптические квантовые генераторы - это современные источники когерентного излучения, обладающие целым рядом уникальных свойств. Создание лазеров явилось одним из самых замечательных достижений физики второй половины XX века, которое привело к революционным изменениям во многих областях науки и техники. К настоящему времени создано большое количество лазеров с различными характеристиками - газовых, твердотельных, полупроводниковых, излучающих свет в различных оптических диапазонах. Лазеры могут работать в импульсном и непрерывном режимах. Мощность излучения лазеров может изменяться в пределах от долей милливатта до 10 12 -10 13 Вт (в импульсном режиме). Лазеры находят широкое применение в военной технике, в технологии обработки материалов, в медицине, оптических системах навигации, связи и локации, в прецизионных интерференционных экспериментах, в химии, просто в быту и т. д.

Одним из важнейших свойств лазерного излучения является чрезвычайно высокая степень его монохроматичности, недостижимая в излучении нелазерных источников. Это и все другие уникальные свойства лазерного излучения возникают в результате согласованного, кооперативного испускания световых квантов многими атомами рабочего вещества.

Чтобы понять принцип работы лазера, нужно более внимательно изучить процессы поглощения и излучения атомами квантов света. Атом может находиться в различных энергетических состояниях с энергиями E 1 , E 2 и т. д. В теории Бора эти состояния называются стабильными. На самом деле стабильным состоянием, в котором атом в отсутствие внешних возмущений может находиться бесконечно долго, является только состояние с наименьшей энергией. Это состояние называют основным. Все другие состояния нестабильны. Возбужденный атом может пребывать в этих состояниях лишь очень короткое время, порядка 10 - 8 с, после этого он самопроизвольно переходит в одно из низших состояний, испуская квант света, частоту которого можно определить из второго постулата Бора. Излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из одного состояния в другое, называют спонтанным. На некоторых энергетических уровнях атом может пребывать значительно большее время, порядка 10 - 3 с. Такие уровни называются метастабильными.

Переход атома в более высокое энергетическое состояние может происходить при резонансном поглощении фотона, энергия которого равна разности энергий атома в конечном и начальном состояниях.

Переходы между энергетическими уровнями атома не обязательно связаны с поглощением или испусканием фотонов. Атом может приобрести или отдать часть своей энергии и перейти в другое квантовое состояние в результате взаимодействия с другими атомами или столкновений с электронами. Такие переходы называются безизлучательными.

В 1916 году А. Эйнштейн предсказал, что переход электрона в атоме с верхнего энергетического уровня на нижний может происходить под влиянием внешнего электромагнитного поля, частота которого равна собственной частоте перехода. Возникающее при этом излучение называют вынужденным илииндуцированным. Вынужденное излучение обладает удивительным свойством. Оно резко отличается от спонтанного излучения. В результате взаимодействия возбужденного атома с фотоном атом испускает еще один фотон той же самой частоты, распространяющийся в том же направлении. На языке волновой теории это означает, что атом излучает электромагнитную волну, у которой частота, фаза, поляризация и направление распространения точно такие же, как и у первоначальной волны. В результате вынужденного испускания фотонов амплитуда волны, распространяющейся в среде, возрастает. С точки зрения квантовой теории, в результате взаимодействия возбужденного атома с фотоном, частота которого равна частоте перехода, появляются два совершенно одинаковых фотона-близнеца.

Именно индуцированное излучение является физической основой работы лазеров.

1 . Лазеры и их применение в медицине

Несмотря на общую природу световых и радиоволн, многие годы оптика и радиоэлектроника развивались самостоятельно, независимо друг от друга. Казалось, что источники света - возбужденные частицы и генераторы радиоволн - имеют мало общего. Лишь с середины XX столетия появились работы по созданию молекулярных усилителей и генераторов радиоволн, которые положили начало новой самостоятельной области физики - квантовой электронике.

Квантовая электроника изучает методы усиления и генерации электромагнитных колебаний с использованием вынужденного излучения квантовых систем. Достижения в этой области знаний находят все большее применение в науке и технике. Ознакомимся с некоторыми явлениями, лежащими в основе квантовой электроники и работы оптических квантовых генераторов - лазеров.

Лазеры представляют собой источники света, работающие на базе процесса вынужденного (стимулированного, индуцированного) испускания фотонов возбужденными атомами или молекулами под воздействием фотонов излучения, имеющих ту же частоту. Отличительной чертой этого процесса является то, что фотон, возникающий при вынужденном испускании, идентичен вызвавшему его появление внешнему фотону по частоте, фазе, направлению и поляризации. Это определяет уникальные свойства квантовых генераторов: высокая когерентность излучения в пространстве и во времени, высокая монохроматичность, узкая направленность пучка излучения, огромная концентрация потока мощности и способность фокусироваться в очень малые объемы. Лазеры создаются на базе различных активных сред: газообразной, жидкой или твердой. Они могут давать излучение в весьма широком диапазоне длин волн - от 100 нм (ультрафиолетовый свет) до 1.2 мкм (инфракрасное излучение) - и могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режимах.

Лазер состоит из трех принципиально важных узлов: излучателя, системы накачки и источника питания, работа которых обеспечивается с помощью специальных вспомогательных устройств.

Излучатель предназначен для преобразования энергии накачки (перевода гелий-неоновой смеси 3 в активное состояние) в лазерное излучение и содержит оптический резонатор, представляющий собой в общем случае систему тщательно изготовленных отражающих, преломляющих и фокусирующих элементов, во внутреннем пространстве которого возбуждается и поддерживается определенный тип электромагнитных колебаний оптического диапазона. Оптический резонатор должен иметь минимальные потери в рабочей части спектра, высокую точность изготовления узлов и их взаимной установки.

Создание лазеров оказалось возможным в результате реализации трех фундаментальных физических идей: вынужденного излучения, создания термодинамически неравновесной инверсной населенности энергетических уровней атомов и использования положительной обратной связи.

Возбужденные молекулы (атомы) способны излучать фотоны люминесценции. Такое излучение является спонтанным процессом. Оно случайно и хаотично по времени, частоте (могут быть переходы между разными уровнями), по направлению распространения и поляризации. Другое излучение - вынужденное, или индуцированное - возникает при взаимодействии фотона с возбужденной молекулой, если энергия фотона равна разности соответствующих уровней энергии. При вынужденном (индуцированном) излучении число переходов, совершаемых в секунду, зависит от числа фотонов, попадающих в вещество за это же время, т. е. от интенсивности света, а также от числа возбужденных молекул. Другими словами, число вынужденных переходов будет тем больше, чем выше населенность соответствующих возбужденных энергетических состояний.

Индуцированное излучение тождественно падающему во всех отношениях, в том числе и по фазе, поэтому можно говорить о когерентном усилении электромагнитной волны, что используется в качестве первой основополагающей идеи в принципах лазерной генерации.

Вторая идея, реализуемая при создании лазеров, заключается в создании термодинамически неравновесных систем, в которых вопреки закону Больцмана, на более высоком уровне находится больше частиц, чем на более низком. Состояние среды, в котором хотя бы для двух энергетических уровней оказывается, что число частиц с большей энергией превосходит число частиц с меньше энергией, называется состоянием с инверсной населенностью уровней, а среда - активной. Именно активная среда, в которой фотоны взаимодействуют с возбужденными атомами, вызывая их вынужденные переходы на более низкий уровень с испускание квантов индуцированного (вынужденного) излучения, является рабочим веществом лазера. Состояние с инверсной населенностью, уровней формально получается из распределения Больцмана для Т < О К, поэтому иногда называется состоянием с "отрицательной" температурой. По мере распространения света в активной среде интенсивность его возрастает, имеет место явление, обратное поглощению, т. е. усиление света. Это означает, что в законе Бугера kX < 0, поэтому инверсная населенность соответствует среде с отрицательным показателем поглощения.

Состояние с инверсной населенностью можно создать, отбирая частицы с меньшей энергией или специально возбуждая частицы, например, светом или электрическим разрядом. Само по себе состояние с отрицательной температурой долго не существует.

Третья идея, используемая в принципах лазерной генерации, возникла в радиофизике и заключается в использовании положительной обратной связи. При ее осуществлении часть генерируемого вынужденного излучения остается внутри рабочего вещества и вызывает вынужденное излучение все новыми и новыми возбужденными атомами. Для реализации такого процесса активную среду помещают в оптический резонатор, состоящий обычно из двух зеркал, подобранных так, чтобы возникающее в нем излучение многократно проходило через активную среду, превращая ее в генератор когерентного вынужденного излучения.

Первый такой генератор в диапазоне СВЧ (мазер) был сконструирован в 1955 г. независимо советскими учеными Н.Г. Басоным и А.М. Прохоровым и американскими - Ч. Таунсом и др. Так как работа этого прибора была основана на вынужденном излучении молекул аммиака, то генератор был назван молекулярным.

В 1960 г. был создан первый квантовый генератор видимого диапазона излучения - лазер с кристаллом рубина в качестве рабочего вещества (активной среды). В том же году был создан газовый гелий-неоновый лазер. Все огромное многообразие созданных в настоящее время лазеров можно классифицировать по видам рабочего вещества: различают газовые, жидкостные, полупроводниковые и твердотельные лазеры. В зависимости от типа лазера энергия для создания инверсной населенности сообщается разными способами: возбуждение очень интенсивным светом - "оптическая накачка", электрическим газовым разрядом, в полупроводниковых лазерах - электрическим током. По характеру свечения лазеры подразделяют на импульсные и непрерывные.

Рассмотрим принцип работы твердотельного рубинового лазера. Рубин - это кристалл окиси алюминия Аl 2 0 3 , содержащий в виде примеси примерно 0,05 % ионов хрома Сг 3 + . Возбуждение ионов хрома осуществляют методом оптической накачки с помощью импульсных источников света большой мощности. В одной из конструкций применяют трубчатый отражатель, имеющий в сечении форму эллипса. Внутри отражателя помещены прямая ксеноновая импульсная лампа и рубиновый стержень, расположенные вдоль линий, проходящих через фокусы эллипса (рис. 1). Внутренняя поверхность алюминиевого отражателя хорошо отполирована или посеребрена. Основное свойство эллиптического отражателя заключается в том, что свет, вышедший из одного его фокуса (ксеноновой лампы) и отраженный от стенок, попадает в другой фокус отражателя (рубиновый стержень).

Рубиновый лазер работает по трехуровневой схеме (рис. 2 а). В результате оптической накачки ионы хрома переходят с основного уровня 1 в короткоживущее возбужденное состояние З. Затем происходит безизлучательный переход в долгоживущее (метастабильное) состояние 2, с которого вероятность спонтанного излучательного перехода относительно мала. Поэтому происходит накопление возбужденных ионов в состоянии 2 и создается инверсная населенность между уровнями 1 и 2. В обычных условиях переход со 2-го на 1-й уровень происходит спонтанно и сопровождается люминесценцией с длиной волны 694,3 нм. В резонаторе лазера есть два зеркала (см. рис. 1), одно из которых имеет коэффициент отражения R интенсивности отраженного и падающего на зеркало света), другое зеркало полупрозрачное и пропускает часть падающего на него излучения {R < 100 %). Кванты люминесценции в зависимости от направления их движения либо вылетают из боковой поверхности рубинового стержня и теряются, либо, многократно отражаясь от зеркал, сами вызывают вынужденные переходы. Таким образом, пучок, перпендикулярный зеркалам, будет иметь наибольшее развитие и выходит наружу через полупрозрачное зеркало. Такой лазер работает в импульсном режиме. лазер пробой медицинское биологическое

Наряду с рубиновым лазером, работающим по трехуровневой схеме, широкое распространение получили четырехуровневые схемы лазеров на ионах редкоземельных элементов (неодим, самарий и др.), внедренных в кристаллическую или стеклянную матрицы (рис. 24, б). В таких случаях инверсная населенность создается между двумя возбужденными уровнями: долгоживущий уровнем 2 и короткоживущим уровнем 2".

Очень распространенным газовым лазером является гелий-неоновый, возбуждение в котором возникает при электрическом разряде. Активной средой в нем служит смесь гелия и неона в соотношении 10:1 и давлении около 150 Па. Излучающими являются атомы неона, атомы гелия играют вспомогательную роль. На рис. 24, в показаны энергетические уровни атомов гелия и неона. Генерация происходит при переходе между 3 и 2 уровнями неона. Для того чтобы создать между ними инверсную населенность, необходимо заселить уровень 3 и опустошить уровень 2. Заселение уровня 3 происходит с помощью атомов гелия. При электрическом разряде электронным ударом происходит возбуждение атомов гелия в долгоживущее состояние (со временем жизни около 10 3 с). Энергия этого состояния очень близка к энергии уровня 3 неона, поэтому при соударении возбужденного атома гелия с невозбужденным атомом неона происходит передача энергии, в результате чего заселяется уровень 3 неона. Для чистого неона время жизни на этом уровне мало и атомы переходят на уровни 1 или 2, реализуется больцмановское распределение. Опустошение уровня 2 неона происходит в основном за счет спонтанного перехода его атомов в основное состояние при соударениях со стенками разрядной трубки. Так обеспечивается стационарная инверсная населенность уровней 2 и 3 неона.

Основным конструктивным элементом гелий-неонового лазер (рис. 3) является газоразрядная трубка диаметром около 7 мм. В трубку вмонтированы электроды для создания газового разряда и возбуждения гелия. На концах трубки под углом Брюстера расположены окна, благодаря которым излучение оказывается плоскополяризованным. Плоскопараллельные зеркала резонатора монтируются вне трубки, одно из них полупрозрачное (коэффициент отражения R < 100 %). Таким образом, пучок вынужденного излучения выходит наружу через полупрозрачное зеркало. Это лазер непрерывного действия.

Зеркала резонатора делают с многослойными покрытиями, и вследствие интерференции создается необходимый коэффициент отражения для заданной длины волны. Чаще всего используются гелий-неоновые лазеры, излучающие красный свет с длиной волны 632,8 нм. Мощность таких лазеров небольшая, она не превышает 100 мВт.

Применение лазеров основано на свойствах их излучения: высокая монохроматичность (~ 0,01 нм), достаточно большая мощность, узость пучка и когерентность.

Узость светового пучка и малая его расходимость позволили использовать лазеры для измерения расстояния между Землей и Луной (получаемая точность - около десятков сантиметров), скорости вращения Венеры и Меркурия и др.

На когерентности лазерного излучения основано их применение в голографии. На основе гелий-неонового лазера с использованием волоконной оптики разработаны гастроскопы, которые позволяют голографически формировать объемное изображение внутренней полости желудка.

Монохроматичность лазерного излучения очень удобна при возбуждении спектров комбинационного рассеяния света атомами и молекулами.

Широкое применение лазеры нашли в хирургии, стоматологии, офтальмологии, дерматологии, онкологии. Биологические эффекты лазерного излучения зависят как от свойств биологического материала, так и от свойств лазерного излучения.

Все лазеры, используемые в медицине, условно подразделяются на 2 вида: низкоинтенсивные (интенсивность не превышает 10 Вт/см 2 , чаще всего составляет около 0,1 Вт/см 2) - терапевтические и высокоинтенсивные - хирургические. Интенсивность наиболее мощных лазеров может достигать 10 14 Вт/см 2 , в медицине обычно используются лазеры с интенсивностью 10 2 - 10 6 Вт/см 2 .

Низкоинтенсивные лазеры - это такие, которые не вызывают заметного деструктивного действия на ткани непосредственно во время облучения. В видимой и ультрафиолетовой областях спектра их эффекты обусловлены фотохимическими реакциями и не отличаются от эффектов, вызываемых монохроматическим светом, полученным от обычных, некогерентных источников. В этих случаях лазеры являются просто удобными монохроматическими источниками света, обеспечивающими точную локализацию и дозированность воздействия. Примерами может служить использование света гелий-неоновых лазеров для лечения трофических язв, ишемической болезни сердца и др., а также криптоновых и др. лазеров для фотохимического повреждения опухолей в фотодинамической терапии.

Качественно новые явления наблюдаются при использовании видимого или ультрафиолетового излучения высокоинтенсивных лазеров. В лабораторных фотохимических экспериментах с обычными источниками света, а также в природе при действии солнечного света обычно осуществляется однофотонное поглощение. Об этом говорится во втором законе фотохимии, сформулированном Штарком и Эйнштейном: каждая молекула, участвующая в химической реакции, идущей под действием света, поглощает один квант излучения, который вызывает реакцию. Однофотонность поглощения, описываемая вторым законом, выполняется потому, что при обычных интенсивностях света практически невозможно одновременное попадание в молекулу, находящуюся в основном состоянии, двух фотонов. Если бы такое событие осуществилось, то выражение приобрело бы вид:

2hv = E t - E k ,

что означало бы суммирование энергии двух фотонов для перехода молекулы из энергетического состояния E k в состояние с энергией Е г. Не происходит также поглощения фотонов электронно-возбужденными молекулами, так как их время жизни мало, а обычно используемые интенсивности облучения невелики. Поэтому концентрация электронно-возбужденных молекул низка, и поглощение ими еще одного фотона чрезвычайно маловероятно.

Однако если увеличить интенсивность света, то становится возможным двухфотонное поглощение. Например, облучение растворов ДНК высокоинтенсивным импульсным лазерным излучением с длиной волны около 266 нм приводило к ионизации молекул ДНК, подобной вызываемой у-излучением. Воздействие ультрафиолета с низкой интенсивностью ионизации не вызывало. Установлено, что при облучении водных растворов нуклеиновых кислот или их оснований пикосекундными (длительность импульса 30 пс) или наносекундными (10 нс) импульсами с интенсивностями выше 10 6 Вт/см 2 приводило к электронным переходам, завершавшимся ионизацией молекул. При пикосекундных импульсах (рис. 4, а) заселение высоких электронных уровней происходило по схеме (S 0 -> S1 -> S n), а при hv hv наносекундных (рис. 4, б) - по схеме (S 0 -> S1 -> Т г -> Т п). В обоих случаях молекулы получали энергию, превышающую энергию ионизации.

Полоса поглощения ДНК располагается в ультрафиолетовой области спектра при < 315 нм, видимый свет нуклеиновые кислоты совсем не поглощают. Однако воздействие высокоинтенсивным лазерным излучением около 532 нм переводит ДНК в электронно-возбужденное состояние за счет суммирования энергии двух фотонов (рис. 5).

Поглощение любого излучения приводит к выделению некоторого количества энергии в виде тепла, которое рассеивается от возбужденных молекул в окружающее пространство. Инфракрасное излучение поглощается главным образом водой и вызывает в основном тепловые эффекты. Поэтому излучение высокоинтенсивных инфракрасных лазеров вызывает заметное немедленное тепловое действие на ткани. Под тепловым воздействием лазерного излучения в медицине понимают в основном испарение (резание) и коагуляцию биотканей. Это касается различных лазеров с интенсивностью от 1 до 10 7 Вт/см 2 и с продолжительностью облучения от миллисекунд до нескольких секунд. К ним относятся, например, газовый С 0 2 -лазер (с длиной волны 10,6 мкм), Nd:YAG-лазep (1,064 мкм) и другие. Nd:YAG-лазep - наиболее широко используемый твердотельный четырехуровневый лазер. Генерация осуществляется на переходах ионов неодима (Nd 3+), введенных в кристаллыY 3 Al 5 0 12 иттрий-алюминиевого граната (YAG).

Наряду с нагревом ткани происходит отвод части тепла за счет теплопроводности и тока крови. При температурах ниже 40 °С не обратимые повреждение не наблюдаются. При температуре 60 °С начинается денатурация белков, коагуляция тканей и некроз. При 100-150 °С вызывается обезвоживание и обугливание, а при температурах свыше 300 °С ткань испаряется.

Когда излучение исходит от высокоинтенсивного сфокусированного лазера, количество выделяющегося тепла велико, в ткани возникает температурный градиент. В месте падения луча ткань испаряется, в прилегающих областях происходит обугливание и коагуляция (рис. 6). Фотоиспарение является способом послойного удаления или разрезания ткани. В результате коагуляции завариваются сосуды и останавливается кровотечение. Так сфокусированным лучом непрерывного С 0 2 -лазера () с мощностью около 2 * 10 3 Вт/см 2 пользуются как хирургическим скальпелем для разрезания биологических тканей.

Если уменьшать длительность воздействия (10-10 с) и увеличивать интенсивность (выше 10 6 Вт/см 2), то размеры зон обугливания и коагуляции становятся пренебрежимо малыми. Такой процесс называют фотоабляцией (фотоудалением) и используют для послойного удаления ткани. Фотоабляция возникает при плотностях энергии 0,01-100 Дж/см 2 .

При дальнейшем повышении интенсивности (10 Вт/см и выше) возможен еще один процесс - "оптический пробой". Это явление заключается в том, что из-за очень высокой напряженности электрического поля лазерного излучения (сравнимой с напряженностью внутриатомных электрических полей) материя ионизации, образуется плазма и генерируются механические ударные волны. Для оптического пробоя не требуется поглощения квантов света веществом в обычном смысле, он наблюдается прозрачных средах, например, в воздухе.

2. Применение высокоинтенсивного лазерного излучения в хирургии (общие принципы)

Основной метод лечения хирургических болезней - операции, связанные с рассечением биотканей. Воздействие сильносконцентрированной световой энергии на биоткань приводит к ее сильному нагреву с последующим испарением межтканевой и внутриклеточной жидкости, уплотнению и коагуляции тканевых структур. При малых экспозициях разрушению подвергаются поверхностные слои биоткани. С ростом экспозиции увеличиваются глубина и объем деструкции.

Хирургические лазеры бывают как непрерывные, так и импульсные, в зависимости от типа активной среды. Условно их можно разделить на три группы по уровню мощности:

коагулирующие: 1-5 Вт;

испаряющие и неглубоко режущие: 5-20 Вт;

глубоко режущие: 20-100 Вт.

Конечно, это деление в значительной степени условно, так как длина волны излучения и режим работы очень сильно влияют на требования по выходной мощности хирургического лазера

При использовании лазерного излучения большой мощности происходит очень быстрое повышение температуры ткани в месте контакта лазерного луча с биотканью. Это приводит к эффекту обратимой денатурации белка (40-53 °С), дальнейшее повышение температур (55-63 °С) к необратимой деструкции белковых структур. Повышение температуры от 63 до 100 °С приводит к коагуляции, а от 100 °С и более к испарению и карбонизации биоткани.

Операция, проводимая бесконтактным методом, обеспечивает ярко выраженное гемостатическое действие. Воздействие осуществляется практически бескровно или с минимальной кровопотерей, что упрощает ее выполнение и сопровождается незначительной травматизацией окружающих тканей.

Глубина проникновения излучения лазера в ткани зависит от времени воздействия и степени гидратации ткани. Чем выше гидрофильность, тем глубина проникновения меньше, и наоборот, чем меньше степень гидратации ткани, тем глубже проникает излучение. При импульсном лазерном излучение биоткань не прогревается на необходимую глубину в результате значительного поверхностного поглощения, и поэтому испарения не происходит, а имеет место только коагуляция. При длительном воздействии после обугливания изменяются параметры поглощения ткани и начинается испарение.

В лазерной хирургии используется высокоинтенсивное лазерное излучение (ВИЛИ), которое получают с помощью С0 2 , EnYAG-лазера и аргонового лазера.

Лазерные хирургические инструменты обладают высокой точностью и аккуратностью производимого деструктивного действия на оперируемые органы и ткани. Это актуально и подчас является всегда недостающим звеном в ключевых этапах операций, особенно операций, производимых на тканях и органах с интенсивным кровоснабжением, для того чтобы вызывать коагуляцию фронта деструкции и избегать кровоизлияния. Также применение лазерного скальпеля обеспечивает абсолютную стерильность операции. Здесь можно привести медицинские комплексы "Скальпель-1", "Калина", "Разбор", "Ланцет-1" - модели СО, лазера, предназначенные для проведения хирургических операций в различных областях медицинской практики. Лазерные хирургические аппараты являются универсальным режущим средством и могут быть использованы на ключевых этапах хирургических вмешательств. Показаниями к применению лазерного излучения во время операции служат: необходимость проведения операций на обильно кровоснабжаемых органах, когда требуется полный гемостаз, а его выполнение обычными способами сопровождается большой кровопотерей; необходимость стерилизации гнойных ран и профилактики возможного микробного загрязнения чистых операционных ран (это обстоятельство чрезвычайно важно в регионах с тропическим климатом); необходимость прецизионной техники оперативных вмешательств; оперативные вмешательства у больных с нарушением свертывания крови.

Универсальных режимов лазерного воздействия на различные ткани не существует. Поэтому подбор оптимальных параметров и режимов воздействия осуществляется хирургом самостоятельно на основе базовых методик применения лазерных хирургических установок в медицинской практике. Для хирургической обработки указанные методики разработаны сотрудниками Российского государственного научного центра лазерной медицины и ММА им. И.М. Сеченова, Тверской медицинской академии на основе обобщения клинического опыта в различных областях медицины: в хирургической стоматологии и челюстно-лицевой хирургии, абдоминальной хирургии, хирургии легких и плевры, пластической хирургии, косметологии, гнойной хирургии, ожоговой хирургии, хирургии аноректальной области, гинекологии, урологии, отоларингологии.

Характер взаимодействия лазерного излучения с биологической тканью зависит от плотности мощности лазерного излучения и от времени взаимодействия. Скорость разреза тканей лазерным лучом на разных этапах операции подбирается хирургом опытным путем в зависимости от вида ткани и желаемого качества разреза при выбранных параметрах лазерного излучения. Замедление скорости разреза может привести к увеличению карбонизации тканей и образованию глубокой зоны коагуляции. В суперимпульсном режиме и особенно в импульсно-периодическом режиме карбонизация и некроз, связанные с перегревом окружающих тканей, практически исключены при любой скорости движения лазерного луча. Приведем основные характеристики используемых в медицинской практике аппаратов. Длина волны излучения - 10,6 мкм. Выходная мощность излучения (регулируемая) - 0,1-50 Вт. Мощность в режиме "медимпульс" - 50 Вт. Плотность мощности лазерного облучения сверху ограничена условно величиной 50-150 Вт/см 2 для импульсных лазеров и величиной 10 Вт/см 2 для лазеров непрерывного действия. Диаметр лазерного луча на ткани (переключаемый) - 200; 300; 500 мкм. Наведение основного излучения лучом диодного лазера - 2 мВт, 635 нм. Режимы излучения (переключаемые) - непрерывный, импульсно-периодический, медимпульс. Время экспозиции излучения (регулируемое) - 0,1-25 мин. Длительность импульса излучения в импульсно-периодическом режиме (регулируемая) - 0,05-1,0 с. Длительность паузы между импульсами - 0,05-1,0 с. Пульт управления выносной. Включение и выключение излучения - ножная педаль. Удаление продуктов сгорания - система эвакуации дыма. Радиус операционного пространства - до 1200 мм. Система охлаждения - автономная, воздушно-жидкостного типа. Размещение в операционной напольное или настольное. Электропитание (переменный ток) - 220 В, 50 Гц, 600 Вт. Габаритные размеры, масса варьируют. Как можно заметить, основным отличием лазера для хирургии от остальных медицинских лазеров является высокая мощность излучения, особенно в импульсе. Это необходимо, чтобы за время действия импульса тканевое вещество успело поглотить излучение, разогреться и испариться в окружающее воздушное пространство. В основном все хирургические лазеры работают в средней инфракрасной области оптического диапазона.

Для проведения операций в мобильном варианте подходит JIM-10 - лазерный хирургический аппарат "Лазермед" - последнее достижение в области лазерной техники. Построенный на основе полупроводниковых лазеров, излучающих на длине волны 1,06 мкм, аппарат отличается высокой надежностью, малыми габаритными размерами и весом. Выходная мощность излучения - 0-7(10) Вт, габариты в упакованном состоянии 470 х 350 х 120 мм, масса не более 8 кг. Этот аппарат выполнен в виде чемодана, который в случае необходимости можно трансформировать в рабочее положение.

Также среди продукции других отечественных фирм-производителей можно указать следующие хирургические комплексы: АЛОД-ОБАЛКОМ "Хирург" (хирургический лазерный аппарат ближнего ИК-диапазона с регулируемой мощностью излучения). Предлагается 5 модификаций, отличающихся максимальной мощностью лазерного излучения, - 6 Вт, 9 Вт, 12 Вт, 15 Вт, 30 Вт. Используются для ПТ-терапии (коагуляции, удаления новообразований, разрезания тканей), установки на основе углекислотного, YAG-неодимового (общая хирургия) и аргонового (офтальмология) лазера компании, а также многие другие на основе как газовых, так и твердотельных и полупроводниковых активных сред.

Существуют многие зарубежные и отечественные аналоги, принципы использования которых аналогичны вышеизложенным.

3. Световой пробой

Световой пробой (оптический пробой, оптический разряд, лазерная искра), переход вещества в результате интенсивной ионизации в состояние плазмы под действием электромагнитных полей оптических частот. Впервые световой пробой наблюдался в 1963 при фокусировке в воздухе излучения мощного импульсного лазера на кристалле рубина, работающего в режиме модулированной добротности. При световом пробое в фокусе линзы возникает искра, эффект воспринимается наблюдателем как яркая вспышка, сопровождаемая сильным звуком. Для пробоя газов на оптических частотах требуются огромные электрические поля порядка 106-107 В/см, что соответствует интенсивности светового потока в луче лазера =109-1011 Вт/см 2 (для сравнения, СВЧ-пробой атм. воздуха происходит при напряжённости поля =104 В/см). Возможны два механизма Световой пробой газа под действием интенсивного светового излучения. Первый из них не отличается по своей природе от пробоя газов в полях не очень больших частот (сюда относится и СВЧ-диапазон). Первые затравочные электроны, появившиеся по тем или иным причинам в поле, сначала набирают энергию, поглощая фотоны при столкновениях с атомами газа. Этот процесс является обратным по отношению к тормозному испусканию квантов при рассеянии эл-нов нейтр. возбуждёнными атомами. Накопив энергию, достаточную для ионизации, эл-н ионизует атом, и вместо одного появляются два медленных эл-на, процесс повторяется. Так развивается лавина (см. ЛАВИННЫЙ РАЗРЯД). В сильных полях такой процесс осуществляется достаточно быстро и в газе вспыхивает пробой. Второй механизм возникновения Световой пробой, характерный именно для оптических частот, имеет чисто квантовую природу. Электроны могут отрываться от атомов в результате многоквантового фотоэффекта, т. е. при одновременном поглощении сразу нескольких фотонов. Одноквантовый фотоэффект в случае частот видимого диапазона невозможен, т. к. потенциалы ионизации атомов в несколько раз превышают энергию кванта. Так, напр., энергия фотона рубинового лазера равна 1,78 эВ, а ионизационный потенциал аргона равен 15,8 эВ, т. е. для отрыва электрона требуется 9 фотонов. Обычно многофотонные процессы маловероятны, но скорость их резко повышается при увеличении плотности числа фотонов, а при тех высоких интенсивностях, при которых наблюдают Световой пробой, вероятность их достигает значительной величины. В плотных газах, при давлениях порядка атмосферного и выше, всегда происходит лавинная ионизация, многофотонные процессы является здесь лишь причиной появления первых эл-нов. В разреженных же газах и в полях пикосекундных импульсов, когда электроны вылетают из области действия поля, не успев испытать много столкновений, лавина не развивается и Световой пробой возможен только за счёт непосредственного вырывания эл-нов из атомов под действием света. Это возможно только при очень сильных световых полях >107 В/см. При высоких давлениях Световой пробой наблюдается в гораздо более слабых полях. Весь механизм Световой пробой сложен и многообразен.

Основные световые величины

Световой пробой наблюдается и в конденсированных средах при распространении в них мощного лазерного излучения и может явиться причиной разрушения материалов и оптических деталей лазерных устройств.

Использование полупроводникового лазера открывает новые возможности в качестве и сроках проводимого лечения. Этот высокотехнологический хирургический инструмент и аппарат может применяться для профилактики и ведения раны в постоперационном периоде. Это становится возможным за счет использования физиотерапевтических свойств лазерного излучения инфракрасного спектра, обладающего выраженным противовоспалительным эффектом, бактериостатическим и бактерицидным действием, и оказывающего стимулирующее влияние на тканевой иммунитет и процессы регенерации. Отдельно стоит упомянуть о возможности использования диодного лазера для отбеливания зубов на 3-4 тона за одно посещение. Тем не менее, наиболее частыми областями применения лазера являются хирургия и пародонтология.

Результаты, полученные при работе с лазером, дают основания утверждать: диодный лазер - это практически незаменимый помощник врача в каждодневной работе, что подтверждается и положительными отзывами пациентов. По их мнению применение данного вида лечения является обоснованным и комфортным. Операция проходит бескровно, быстро, послеоперационный этап переносится легче.

Объективно наблюдаются уменьшение сроков заживления в 2 раза, меньшие болевые ощущения во время и после операций, позволяющие обходиться без анестетиков, более быстрое течение регенерации, отсутствие отеков - неудивительно, что все большее количество пациентов предпочитают проведение манипуляции лазером. Но это еще не все - разработанная методика ведения пациентов с заболеванием пародонта позволяет уменьшить количество и отсрочить проведение лоскутных операций. Также получены обнадеживающие результаты в эндодонтии - очень перспективным представляется проведение обработки каналов лазерным светом.

Области применения . Диодные лазеры отлично препарируют, обеззараживают, коагулируют и реконструируют мягкие ткани, благодаря чему с их помощью можно успешно выполнять следующие манипуляции:

* Коррекция десны при предпротезной подготовке облегчает работу с материалами. Бескровное поле дает непосредственный доступ к поверхностям, закрытым слизистой оболочкой.

* Пластика уздечек - устраняются короткие уздечки языка и верхней губы, пластика преддверия полости рта. В большинстве случаев успешно проводится полное удаление уздечки. В процессе заживления наблюдается минимальное образование отека - значительно меньше, чем раны от вмешательства скальпелем.

* Обработка пародонтальных карманов при гингивите и начальном пародонтите. После проведения курса облучения достигается быстрый и хороший результат. Также замечено, что твердые зубные отложения после воздействия лазерного излучения легче удаляются.

* Гингивопластика. Гингивальная гиперплазия, возникающая в результате ортодонтического лечения, механического раздражения встречается все чаще. Известно, что стимуляция слизистых тканей приводит к патологическому покрытию зуба. Реакция ткани постоянна, обычно требуется удаление лишней ткани. Лазерная хирургия представляет эффективный метод удаления лишней ткани, восстанавливающий нормальный внешний вид слизистой.

* Лечение афтозных язв и гиперестезий герпеса. Используются физиотерапевтические возможности диодного лазера. Энергия лазера в виде несфокусированного пучка, направленная на поверхность данных повреждений, воздействует на нервные окончания (при гиперестезиях). Более трудные случаи требуют наличия легкого поверхностного контакта.

* Косметическая реконструкция слизистой. Эта манипуляция является совершенным эстетическим методом лечения. Лазеры дают возможность удалять ткань послойно. Отсутствие кровотечения позволяет проводить данные операции с большей точностью. Десневые ткани легко выпариваются, оставляя четкие края. Параметры ширины, длины разрезов и высоты гингивальных контуров легко достижимы.

* Пародонтологическое лечение. В данной ситуации наиболее успешным является комплексный подход, сочетающий хирургию и физиотерапию. Имеются программы лечения, приводящие к длительной ремиссии при соблюдении пациентом рекомендаций по гигиене полости рта. При первом посещении производится купирование острого процесса, затем производится санация патологических карманов, при необходимости выполняются хирургические манипуляции с использованием дополнительных костных материалов. Далее пациент проходит поддерживающий курс лазерной терапии. Период лечения занимает в среднем 14 дней.

* Эндодонтическое лечение. Традиционное применение лазера в эндодонтии - это выпаривание остатков пульпы и обеззараживание каналов. Специальные эндодонтические насадки позволяют работать непосредственно в открытом канале до апекса. С помощью лазера происходит аблация остатков тканей, уничтожение бактерий и остекление стенок каналов. При наличии фистулы лазерный луч проходит через канал фистулы в сторону очага воспаления. При этом на некоторое время приостанавливается распространение инфекции и подавляются симптомы, однако рецидив очевиден, если корневой канал не будет полноценно обработан.

* Отбеливание. Не стоит отмахиваться от того факта, что это одна из самых востребованных среди пациентов эстетических процедур. С помощью диодного лазера существенного отбеливающего эффекта удается достичь уже за одно посещение. Сама процедура предельно проста и заключается в активации лазерным излучением предварительно нанесенного отбеливающего геля.

Преимущества. В хирургической стоматологии и пародонтологии преимущества лазера определяются такими факторами, как точность и простота доступа к операционному полю. При этом во время операции отсутствует кровотечение, что позволяет операционному полю оставаться сухим, а это естественным образом обеспечивает лучший обзор - в результате уменьшается время проведения операции. Дополнительно стоит отметить, что во время операции сосуды коагулируются, тем самым происходит минимизация послеоперационного отека.

Также за счет противовоспалительного и бактериостатического действия лазерного излучения уменьшается риск возникновения осложнений. Заживление ран происходит быстрее по сравнению с использованием традиционных методик.

При лазерном консервативном лечении гингивита и пародонтита с глубиной карманов до 5 мм отмечается отсутствие кровоточивости и воспалительных явлений, в ряде случаев наблюдается регенерация костной ткани, что подтверждается рентгенологическими исследованиями.

При проведении отбеливания помимо небольшого времени процедуры (около 1 часа) значительным преимуществом является минимальное проявление гиперчувствительности после процедуры отбеливания.

Отечественные разработки. Как видите, преимуществ использования диодных лазеров немало. Есть правда и один серьезный недостаток, присущий всем инновационным разработкам во всех областях человеческого знания - высокая цена. Действительно, стоимость таких аппаратов, особенно производства известных западных брендов, значительна. К счастью, в этой области есть и российские разработки, причем это тот достаточно редкий случай (когда речь заходит о высокотехнологичных разработках), когда "российское" не означает "худшее". Еще с советских времен отечественные разработки в области лазерных технологий не только не уступают западным аналогам, но зачастую и превосходят их - многие прототипы современных лазерных систем разрабатывались именно в нашей стране.

Существует и отечественный полупроводниковый стоматологический лазер - это аппарат "Лами С" (совместная разработка УМЦ "Дента-Рус" и НПФ "Опттехника"), которым уже заинтересовались некоторые западные компании, т.к. среди всего прочего неоспоримым его достоинством является тот факт, что стоимость лазера в 3 раза ниже, по сравнению с импортными аналогами.

В аппарате используются полупроводниковые лазерные кристаллы, работающие от низковольтных маломощных (350 Вт) источников питания, а не газоразрядные трубки, требующие специального высоковольтного источника питания. Такая конструкция позволяет решить сразу несколько задач - отсутствие высокого напряжения является определенной гарантией безопасности для врача и пациента, нет вредных электромагнитных полей, не требуется и специальное охлаждение.

Но вернемся к невысокой цене прибора - это позволяет значительно быстрее окупить финансовые вложения и начать получать прибыль. Согласитесь, помимо улучшения качества обслуживания пациентов, это также очень немаловажно в условиях коммерческого приема.

Из других особенностей аппаратов "Лами" имеет смысл отметить следующие - они не требуют особых условий и специального обслуживания, малогабаритны и легко транспортируются в пределах клиники, обладают надежностью и стабильностью параметров. Сервисное обслуживание организовано таким образом, что при возникновении неисправностей на время ремонта врач получает другой аппарат.

Заключение

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

Попытки создать "идеальный" скальпель относятся к концу прошлого века, когда был сконструирован так называемый электронож, работающий с использованием токов высокой частоты. Этот прибор в более совершенных вариантах в настоящее время применяют довольно широко хирурги различных специальностей. Однако по мере накопления опыта выявлены отрицательные стороны "электрохирургии", основной из которых является слишком большая зона термического ожога тканей в области проведения разреза. Известно, что чем шире зона ожога, тем хуже заживает хирургическая рана. Кроме того, при использовании электроножа возникает необходимость включения тела больного в электрическую цепь. Электрохирургические аппараты отрицательно влияют на работу электронных приборов и устройств слежения за жизнедеятельностью организма во время операции. Криохирургические аппараты также вызывают значительное повреждение тканей, ухудшающее процесс заживления. Скорость рассечения тканей криоскальпелем очень низка. Фактически при этом происходит не рассечение, а деструкция тканей. Значительную зону ожога наблюдают и при использовании плазменного скальпеля. Если принять во внимание, что луч лазера обладает выраженными гемостатическими свойствами, а также способностью герметизировать бронхиолы, желчевыводящие протоки и протоки поджелудочной железы, то применение лазерной техники в хирургии становится исключительно перспективным. Кратко перечисленные некоторые достоинства применения лазеров в хирургии относятся прежде всего к лазерам на углекислом газе (С 0 2 -лазерам). Кроме них, в медицине применяют лазеры, работающие на других принципах и на других рабочих веществах. Эти лазеры обладают принципиально другими качествами при воздействии на биологические ткани и применяющих по сравнительно узким показаниям, в частности в сердечно-сосудистой хирургии, в онкологии, для лечения хирургических заболеваний кожи и видимых слизистых оболочек и др.

С писок использованной литературы

1. А.Н. Ремизов "Медицинская и биологическая физика".

2. О.К. Скобелкина "Лазеры в хирургии под редакцией профессора".

3. С.Д. Плетнева "Лазеры в клинической медицине" под редакцией".

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Основные направления и цели медико-биологического использования лазеров. Меры защиты от лазерного излучения. Проникновение лазерного излучения в биологические ткани, их патогенетические механизмы взаимодействия. Механизм лазерной биостимуляции.

реферат , добавлен 24.01.2011


Понятие и назначение лазера, принцип действия и структура лазерного луча, характер его взаимодействия с тканью. Особенности практического использования лазера в стоматологии, оценка основных преимуществ и недостатков данного метода лечения зубов.

реферат , добавлен 14.05.2011


Общее понятие о квантовой электронике. История развития и принцип устройства лазера, свойства лазерного излучения. Низкоинтенсивные и высокоинтенсивные лазеры: свойства, действие на биологические ткани. Применение лазерных технологий в медицине.

реферат , добавлен 28.05.2015


Процесс лазерного излучения. Исследования в области лазеров в диапазоне рентгеновских волн. Медицинское применение CO2–лазеров и лазеров на ионах аргона и криптона. Генерация лазерного излучения. Коэффициент полезного действия лазеров различных типов.

реферат , добавлен 17.01.2009


Физические основы применения лазерной техники в медицине. Типы лазеров, принципы действия. Механизм взаимодействия лазерного излучения с биотканями. Перспективные лазерные методы в медицине и биологии. Серийно выпускаемая медицинская лазерная аппаратура.

реферат , добавлен 30.08.2009


Понятие лазерного излучения. Механизм действия лазера на ткани. Его применение в хирургии для рассечения тканей, остановки кровотечения, удаления патологий и сваривания биотканей; стоматологии, дерматологии, косметологии, лечении заболеваний сетчатки.

презентация , добавлен 04.10.2015


Лазерные методы диагностики. Оптические квантовые генераторы. Основные направления и цели медико-биологического использования лазеров. Ангиография. Диагностические возможности голографии. Термография. Лазерная медицинская установка длялучевой терапии.

реферат , добавлен 12.02.2005


Физическая природа и лечебные действия ультразвука. Основные направления его медико-биологического приложения. Опасность и побочные эффекты ультразвукового исследования. Сущность эхокардиографии. Постановка диагноза заболеваний внутренних органов.

презентация , добавлен 10.02.2016


Применение ионизирующего излучения в медицине. Технология лечебных процедур. Установки для дистанционной лучевой терапии. Применение изотопов в медицине. Средства защиты от ионизирующего излучения. Процесс получения и использования радионуклидов.

презентация , добавлен 21.02.2016


Ознакомление с историей открытия и свойствами лазеров; примеры использования в медицине. Рассмотрение строения глаза и его функций. Заболевания органов зрения и методы их диагностики. Изучение современных методов коррекции зрения с помощью лазеров.

ВВЕДЕНИЕ

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.

ЛАЗЕРЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В МЕДИЦИНЕ

Несмотря на общую природу световых и радиоволн, многие годы оптика и радиоэлектроника развивались самостоятельно, независимо друг от друга. Казалось, что источники света -- возбужденные частицы и генераторы радиоволн -- имеют мало общего. Лишь с середины XX столетия появились работы по созданию молекулярных усилителей и генераторов радиоволн, которые положили начало новой самостоятельной области физики -- квантовой электронике.

Квантовая электроника изучает методы усиления и генерации электромагнитных колебаний с использованием вынужденного излучения квантовых систем. Достижения в этой области знаний находят все большее применение в науке и технике. Ознакомимся с некоторыми явлениями, лежащими в основе квантовой электроники и работы оптических квантовых генераторов -- лазеров.

Лазеры представляют собой источники света, работающие на базе процесса вынужденного (стимулированного, индуцированного) испускания фотонов возбужденными атомами или молекулами под воздействием фотонов излучения, имеющих ту же частоту. Отличительной чертой этого процесса является то, что фотон, возникающий при вынужденном испускании, идентичен вызвавшему его появление внешнему фотону по частоте, фазе, направлению и поляризации. Это определяет уникальные свойства квантовых генераторов: высокая когерентность излучения в пространстве и во времени, высокая монохроматичность, узкая направленность пучка излучения, огромная концентрация потока мощности и способность фокусироваться в очень малые объемы. Лазеры создаются на базе различных активных сред: газообразной, жидкой или твердой. Они могут давать излучение в весьма широком диапазоне длин волн - от 100 нм (ультрафиолетовый свет) до 1.2 мкм (инфракрасное излучение) - и могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режимах.

Лазер состоит из трех принципиально важных узлов: излучателя, системы накачки и источника питания, работа которых обеспечивается с помощью специальных вспомогательных устройств.

Излучатель предназначен для преобразования энергии накачки (перевода гелий-неоновой смеси 3 в активное состояние) в лазерное излучение и содержит оптический резонатор, представляющий собой в общем случае систему тщательно изготовленных отражающих, преломляющих и фокусирующих элементов, во внутреннем пространстве которого возбуждается и поддерживается определенный тип электромагнитных колебаний оптического диапазона. Оптический резонатор должен иметь минимальные потери в рабочей части спектра, высокую точность изготовления узлов и их взаимной установки.

Создание лазеров оказалось возможным в результате реализации трех фундаментальных физических идей: вынужденного излучения, создания термодинамически неравновесной инверсной населенности энергетических уровней атомов и использования положительной обратной связи.

Возбужденные молекулы (атомы) способны излучать фотоны люминесценции. Такое излучение является спонтанным процессом. Оно случайно и хаотично по времени, частоте (могут быть переходы между разными уровнями), по направлению распространения и поляризации. Другое излучение -- вынужденное, или индуцированное -- возникает при взаимодействии фотона с возбужденной молекулой, если энергия фотона равна разности соответствующих уровней энергии. При вынужденном (индуцированном) излучении число переходов, совершаемых в секунду, зависит от числа фотонов, попадающих в вещество за это же время, т. е. от интенсивности света, а также от числа возбужденных молекул. Другими словами, число вынужденных переходов будет тем больше, чем выше населенность соответствующих возбужденных энергетических состояний.

Индуцированное излучение тождественно падающему во всех отношениях, в том числе и по фазе, поэтому можно говорить о когерентном усилении электромагнитной волны, что используется в качестве первой основополагающей идеи в принципах лазерной генерации.

Вторая идея, реализуемая при создании лазеров, заключается в создании термодинамически неравновесных систем, в которых вопреки закону Больцмана, на более высоком уровне находится больше частиц, чем на более низком. Состояние среды, в котором хотя бы для двух энергетических уровней оказывается, что число частиц с большей энергией превосходит число частиц с меньше энергией, называется состоянием с инверсной населенностью уровней, а среда -- активной. Именно активная среда, в которой фотоны взаимодействуют с возбужденными атомами, вызывая их вынужденные переходы на более низкий уровень с испускание квантов индуцированного (вынужденного) излучения, является рабочим веществом лазера. Состояние с инверсной населенностью, уровней формально получается из распределения Больцмана для Т < О К, поэтому иногда называется состоянием с «отрицательной» температурой. По мере распространения света в активной сред интенсивность его возрастает, имеет место явление, обратное поглощению, т. е. усиление света. Это означает, что в законе Бугера kX < 0, поэтому инверсная населенность соответствует среде с отрицательным показателем поглощения.

Состояние с инверсной населенностью можно создать, отбирая частицы с меньшей энергией или специально возбуждая частицы, например, светом или электрическим разрядом. Само по себе состояние с отрицательной температурой долго не существует.

Третья идея, используемая в принципах лазерной генерации, возникла в радиофизике и заключается в использовании положительной обратной связи. При ее осуществлении часть генерируемого вынужденного излучения остается внутри рабочего вещества и вызывает вынужденное излучение все новыми и новыми возбужденными атомами. Для реализации такого процесса активную среду помещают в оптический резонатор, состоящий обычно из двух зеркал, подобранных так, чтобы возникающее в нем излучение многократно проходило через активную среду, превращая ее в генератор когерентного вынужденного излучения.

Первый такой генератор в диапазоне СВЧ (мазер) был сконструирован в 1955 г. независимо советскими учеными Н. Г. Басоиым и А. М. Прохоровым и американскими -- Ч. Таунсом и др.. Так как работа этого прибора была основана на вынужденном излучении молекул аммиака, то генератор был назван молекулярным.

В 1960 г. был создан первый квантовый генератор видимого диапазона излучения -- лазер с кристаллом рубина в качестве рабочего вещества (активной среды). В том же году был создан газовый гелий-неоновый лазер. Все огромное многообразие созданных в настоящее время лазеров можно классифицировать по видам рабочего вещества: различают газовые, жидкостные, полупроводниковые и твердотельные лазеры. В зависимости от типа лазера энергия для создания инверсной населенности сообщается разными способами: возбуждение очень интенсивным светом -- «оптическая накачка», электрическим газовым разрядом, в полупроводниковых лазерах -- электрическим током. По характеру свечения лазеры подразделяют на импульсные и непрерывные.

Рассмотрим принцип работы твердотельного рубинового лазера. Рубин -- это кристалл окиси алюминия Аl 2 0 3 , содержащий в виде примеси примерно 0,05% ионов хрома Сг 3+ . Возбуждение ионов хрома осуществляют методом оптической накачки с помощью импульсных источников света большой мощности. В одной из конструкций применяют трубчатый отражатель, имеющий в сечении форму эллипса. Внутри отражателя помещены прямая ксеноновая импульсная лампа и рубиновый стержень, расположенные вдоль линий, проходящих через фокусы эллипса (рис. 1). Внутренняя поверхность алюминиевого отражателя хорошо отполирована или посеребрена. Основное свойство эллиптического отражателя заключается в том, что свет, вышедший из одного его фокуса (ксеноновой лампы) и отраженный от стенок, попадает в другой фокус отражателя (рубиновый стержень).

Рубиновый лазер работает по трехуровневой схеме (рис. 2 а). В результате оптической накачки ионы хрома переходят с основного уровня 1 в короткоживущее возбужденное состояние З. Затем происходит безызлучательный переход в долгоживущее (метастабильное) состояние 2, с которого вероятность спонтанного излучательного перехода относительно мала. Поэтому происходит накопление возбужденных ионов в состоянии 2 и создается инверсная населенность между уровнями 1 и 2. В обычных условиях переход со 2-го на 1-й уровень происходит спонтанно и сопровождается люминесценцией с длиной волны 694,3 нм. В резонаторе лазера есть два зеркала (см. рис. 1), одно из которых имеет коэффициент отражения R интенсивности отраженного и падающего на зеркало света), другое зеркало полупрозрачное и пропускает часть падающего на него излучения {R < 100%). Кванты люминесценции в зависимости от направления их движения либо вылетают из боковой поверхности рубинового стержня и теряются, либо, многократно отражаясь от зеркал, сами вызывают вынужденные переходы. Таким образом, пучок, перпендикулярный зеркалам, будет иметь наибольшее развитие и выходит наружу через полупрозрачное зеркало. Такой лазер работает в импульсном режиме.

Наряду с рубиновым лазером, работающим по трехуровневой схеме, широкое распространение получили четырехуровневые схемы лазеров на ионах редкоземельных элементов (неодим, самарий и др.), внедренных в кристаллическую или стеклянную матрицы (рис. 24, б). В таких случаях инверсная населенность создается между двумя возбужденными уровнями: долгоживущий уровнем 2 и короткоживущим уровнем 2".

Очень распространенным газовым лазером является гелий-неоновый, возбуждение в котором возникает при электрическом разряде. Активной средой в нем служит смесь гелия и неона в соотношении 10:1 и давлении около 150 Па. Излучающими являются атомы неона, атомы гелия играют вспомогательную роль. На рис. 24, в показаны энергетические уровни атомов гелия и неона. Генерация происходит при переходе между 3 и 2 уровнями неона. Для того чтобы создать между ними инверсную населенность, необходимо заселить уровень 3 и опустошить уровень 2. Заселение уровня 3 происходит с помощью атомов гелия. При электрическом разряде электронным ударом происходит возбуждение атомов гелия в долгоживущее состояние (со временем жизни около 10 3 с). Энергия этого состояния очень близка к энергии уровня 3 неона, поэтому при соударении возбужденного атома гелия с невозбужденным атомом неона происходит передача энергии, в результате чего заселяется уровень 3 неона. Для чистого неона время жизни на этом уровне мало и атомы переходят на уровни 1 или 2, реализуется больцмановское распределение. Опустошение уровня 2 неона происходит в основном за счет спонтанного перехода его атомов в основное состояние при соударениях со стенками разрядной трубки. Так обеспечивается стационарная инверсная населенность уровней 2 и 3 неона.

Основным конструктивным элементом гелий-неонового лазер - (рис. 3) является газоразрядная трубка диаметром около 7 мм. В трубку вмонтированы электроды для создания газового разряда и возбуждения гелия. На концах трубки под углом Брюстера расположены окна, благодаря которым излучение оказывается плоскополяризованным. Плоскопараллельные зеркала резонатора монтируются вне трубки, одно из них полупрозрачное (коэффициент отражения R < 100%). Таким образом, пучок вынужденного излучения выходит наружу через полупрозрачное зеркало. Это лазер непрерывного действия.

Зеркала резонатора делают с многослойными покрытиями, и вследствие интерференции создается необходимый коэффициент отражения для заданной длины волны. Чаще всего используются гелий-неоновые лазеры, излучающие красный свет с длиной волны 632,8 нм. Мощность таких лазеров небольшая, она не превышает 100 мВт.

Применение лазеров основано на свойствах их излучения: высокая монохроматичность (~ 0,01 нм), достаточно большая мощность, узость пучка и когерентность.

Узость светового пучка и малая его расходимость позволили использовать лазеры для измерения расстояния между Землей и Луной (получаемая точность -- около десятков сантиметров), скорости вращения Венеры и Меркурия и др.

На когерентности лазерного излучения основано их применение в голографии. .На основе гелий-неонового лазера с использованием волоконной оптики разработаны гастроскопы, которые позволяют голографически формировать объемное изображение внутренней полости желудка.

Монохроматичность лазерного излучения очень удобна при возбуждении спектров комбинационного рассеяния света атомами и молекулами.

Широкое применение лазеры нашли в хирургии, стоматологии, офтальмологии, дерматологии, онкологии. Биологические эффекты лазерного излучения зависят как от свойств биологического материала, так и от свойств лазерного излучения.

Все лазеры, используемые в медицине, условно подразделяются на 2 вида: низкоинтенсивные (интенсивность не превышает 10 Вт/см 2 , чаще всего составляет около 0,1 Вт/см 2) -- терапевтические и высокоинтенсивные -- хирургические. Интенсивность наиболее мощных лазеров может достигать 10 14 Вт/см 2 , в медицине обычно используются лазеры с интенсивностью 10 2 -- 10 6 Вт/см 2 .

Низкоинтенсивные лазеры -- это такие, которые не вызывают заметного деструктивного действия на ткани непосредственно во время облучения. В видимой и ультрафиолетовой областях спектра их эффекты обусловлены фотохимическими реакциями и не отличаются от эффектов, вызываемых монохроматическим светом, полученным от обычных, некогерентных источников. В этих случаях лазеры являются просто удобными монохроматическими источниками света, обеспечивающими точную локализацию и дозированность воздействия. Примерами может служить использование света гелий-неоновых лазеров для лечения трофических язв, ишемической болезни сердца и др., а также криптоновых и др. лазеров для фотохимического повреждения опухолей в фотодинамической терапии.

Качественно новые явления наблюдаются при использовании видимого или ультрафиолетового излучения высокоинтенсивных лазеров. В лабораторных фотохимических экспериментах с обычными источниками света, а также в природе при действии солнечного света обычно осуществляется однофотонное поглощение. Об этом говорится во втором законе фотохимии, сформулированном Штарком и Эйнштейном: каждая молекула, участвующая в химической реакции, идущей под действием света, поглощает один квант излучения, который вызывает реакцию. Однофотонность поглощения, описываемая вторым законом, выполняется потому, что при обычных интенсивностях света практически невозможно одновременное попадание в молекулу, находящуюся в основном состоянии, двух фотонов. Если бы такое событие осуществилось, то выражение приобрело бы вид:

2hv = E t - E k ,

что означало бы суммирование энергии двух фотонов для перехода молекулы из энергетического состояния E k в состояние с энергией Е г. Не происходит также поглощения фотонов электронно-возбужденными молекулами, так как их время жизни мало, а обычно используемые интенсивности облучения невелики. Поэтому концентрация электронно-возбужденных молекул низка, и поглощение ими еще одного фотона чрезвычайно маловероятно.

Однако если увеличить интенсивность света, то становится возможным двухфотонное поглощение. Например, облучение растворов ДНК высокоинтенсивным импульсным лазерным излучением с длиной волны около 266 нм приводило к ионизации молекул ДНК, подобной вызываемой у-излучением. Воздействие ультрафиолета с низкой интенсивностью ионизации не вызывало. Установлено, что при облучении водных растворов нуклеиновых кислот или их оснований пикосекундными (длительность импульса 30 пс) или наносекундными (10 нс) импульсами с интенсивностями выше 10 6 Вт/см 2 приводило к электронным переходам, завершавшимся ионизацией молекул. При пикосекундных импульсах (рис. 4, а) заселение высоких электронных уровней происходило по схеме (S 0 --> S1 --> S n), а при hv hv наносекундных (рис. 4., б) -- по схеме (S 0 --> S1 -> Т г -> Т п). В обоих случаях молекулы получали энергию, превышающую энергию ионизации.

Полоса поглощения ДНК располагается в ультрафиолетовой области спектра при < 315 нм, видимый свет нуклеиновые кислоты совсем не поглощают. Однако воздействие высокоинтенсивным лазерным излучением около 532 нм переводит ДНК в электронно-возбужденное состояние за счет суммирования энергии двух фотонов (рис. 5).

Поглощение любого излучения приводит к выделению некоторого количества энергии в виде тепла, которое рассеивается от возбужденных молекул в окружающее пространство. Инфракрасное излучение поглощается главным образом водой и вызывает в основном тепловые эффекты. Поэтому излучение высокоинтенсивных инфракрасных лазеров вызывает заметное немедленное тепловое действие на ткани. Под тепловым воздействием лазерного излучения в медицине понимают в основном испарение (резание) и коагуляцию биотканей. Это касается различных лазеров с интенсивностью от 1 до 10 7 Вт/см 2 и с продолжительностью облучения от миллисекунд до нескольких секунд. К ним относятся, например, газовый С0 2 -лазер (с длиной волны 10,6 мкм), Nd:YAG-лазep (1,064 мкм) и другие. Nd:YAG-лазep -- наиболее широко исполь-зуемый твердотельный четырехуровневый лазер. Генерация осуществляется на переходах ионов неодима (Nd 3+),введенных в кристаллыY 3 Al 5 0 12 иттрий-алюминиевого граната (YAG).

Наряду с нагревом ткани происходит отвод части тепла за счет теплопроводности и тока крови. При температурах ниже 40 °С не обратимые повреждение не наблюдаются. При температуре 60 °С начинается денатурация белков, коагуляция тканей и некроз. При 100- 150 °С вызывается обезвоживание и обугливание, а при температурах свыше 300 °С ткань испаряется.

Когда излучение исходит от высокоинтенсивного сфокусированного лазера, количество выделяющегося тепла велико, в ткани возникает температурный градиент. В месте падения луча ткань испаряется, в прилегающих областях пронсходит обугливание и коагуляция (рис. 6). Фотоиспарение является способом послойного удаления или разрезания ткани. В результате коагуляции завариваются сосуды и останавливается кровотечение. Так сфокусированным лучом непрерывного С0 2 -лазера () с мощностью около 2 * 10 3 Вт/см 2 пользуются как хирургическим скальпелем для разрезания биологических тканей.

Если уменьшать длительность воздействия (10 - 10 с) и увеличивать интенсивность (выше 10 6 Вт/см 2), то размеры зон обугливания и коагуляции становятся пренебрежимо малыми. Такой процесс называют фотоабляцией (фотоудалением) и используют для послойного удаления ткани. Фотоабляция возникает при плотностях энергии 0,01--100 Дж/см 2 .

При дальнейшем повышении интенсивности (10 Вт/см и выше) возможен еще один процесс -- «оптический пробой». Это явление заключается в том, что из-за очень высокой напряженности электрического поля лазерного излучения (сравнимой с напряженностью внутриатомных электрических полей) материя ионизации, образуется плазма и генерируются механические ударные волны. Для оптического пробоя не требуется поглощения квантов света веществом в обычном смысле, он наблюдается прозрачных средах, например в воздухе.