Использование лазерного излучения в медицине. Виды хирургических лазеров

Хотя в принципе лазерные технологии сами по себе не являются столь уж новыми в медицине, однако появление устройств с новой длиной вол­ны, современных аппаратов и инструментария прин­ципиально изменило роль лазеров в хирургии и отно­шение к ним.

, незнакомый с лазерными тех­нологиями, вскоре не сможет конкурировав с теми, кто имеет определенные знания и опыт в этой области. Хирургия представляет собой идеаль­ную почву для внедрения новых технологий, кото­рые позволяют осуществлять различные процедуры и вмешательства без специальных приспособлений, с минимумом дискомфорта для пациента, а также умень­шить длительность пребывания в стационаре.

Мы, конечно же, чрезвы­чайно должны быть обязаны Бору за идею оптических резонаторов, Эйнштейну - за идею стимулирован­ного (вынужденного, индуцированного) излучения и ряду других исследователей за все концепции в физике, которые сделали возможным развитие лазеров. Термин лазер представляет собой аббревиатуру, со­ставленную из первых букв следующих слов и значений: light amplification by stimulated emission of radiation — усиление света индуцированным излучением. Концепция ин­дуцированного излучении может быть достаточно просто проиллюстрирована возможностью визуализа­ции единицы знергии (тепловой, электрической), поглощенной атомом, молекулой или ионом лазерной среды, которая может быть представ­лена жидкостью или солидным веществом в их основном состоянии. Атом, молекула или ион перехо­дят затем на более высокий энергетический уровень.

Лазерный луч обладает тремя уникальными свойст­вами: он имеет определен­ное направление с малым отклонением, когерент­ностью, что означает, что каждая волна определен ной длины распространяется в одной фазе со всеми другими волнами, и монохроматичностью. Лазер­ный луч может быть сфокусирован системой линз или, поскольку лазерный луч принадлежит к спектру коротких длин волн, то он может распространяться волоконной оптикой, достигая отдаленных объектов с минимальной потерей энергии.

Большинство медицинских лазеров на сегодняш­ний день используют электричество как основной и изначальный источник энергии. Поскольку они гене­рируют очень много тепла в процессе образования ла­зерной энергии, то при их использовании должен применяться охлаждающий механизм, с помощью воздуха или воды Таким образом, за небольшим исключением (преимущественно небольшие СО, ла­зеры) большинство лазеров в настоящее время достаточно громоздки и требуют специальных контактов и соединений с электрической и водопроводной систе­мой.

Некоторые лазеры, становясь очень популярными, используются в настоящее время в сочетании с нако­нечниками, что позволяет достичь специ­фического хирургического эффекта при контакте с тканями. По существу энергия лазера накаливает наконечник, который затем действует, благодаря ге­нерированному теплу. Многие современные лазеры, могут пе­редавать свою энергию через тонкие гибкие кварцевые волокна, эти волокна способны проходить через просветы даже самых маленьких эндоскопов делают такие лазеры идеально подходящими для применения в хирургии.

Использование лазерных технологий при хирургических вмешательствах обладает существенными преимуществами перед другими традиционными методами .

Одной из областей, где прежде всего в медицине стал применяться лазер, были различные виды сосудистых аномалий кожи и подкожных тканей, бородавки . Также лазер используется для фотоомоложения, безоперационной липосакции. Особенно часто лечат лазерными технологиями сосудистые аномалии: винные пятна, звездчатые ангиомы, телеангиэктазии, пиогенные грануломы, ангиокератомы, пятна цвета кофе с молоком, . Винные пятна различной окраски могут быть успешно излечены или по крайней мере значительно уменьшены. В большинстве таких случаев получают хороший эффект при отсутствии осложнений и неблагоприят­ных побочных реакций.

Кожные ангиомы в области лица, сочетающиеся с туберозным склерозом, также хорошо отвечают на лазеротерапию и, в противоположность большим гемангномам, требующим неоднократного при­менения лазера, при этих маленьких ангиомах обычно достаточно бывает одного сеанса.

При лечении поверхностных кожных поражений терапию начинают лазером относитель­но небольшой мощности. Пациенты испытывают минимальный дискомфорт, однако порой могут образовываться волдыри. За 3 недели в большинстве случаен результаты прояв­ляются отчетливо и становится ясно, есть ли необхо­димость в повторном применении лазера или нет. Лазеры в медицине позволяют уже через несколько недель достичь таких же результатов, какие при выжидательной тактике и спонтанной эволюции на­блюдаются лишь через несколько лет.

Статью подготовил и отредактировал: врач-хирург

В медицине лазерные установки нашли свое применение в виде лазерного скальпеля. Его использование для проведения хирургических операций определяют следующие свойства:

Он производит относительно бескровный разрез, так как одновременно с рассечением тканей он коагулирует края раны “заваривая” не слишком крупные кровеносные сосуды;

Лазерный скальпель отличается постоянством режущих свойств. Попадание на твердый предмет (например, кость) не выводит скальпель из строя. Для механического скальпеля такая ситуация стала бы фатальной;

Лазерный луч в силу своей прозрачности позволяет хирургу видеть оперируемый участок. Лезвие же обычного скальпеля, равно как и лезвие электроножа, всегда в какой-то степени загораживает от хирурга рабочее поле;

Лазерный луч рассекает ткань на расстоянии, не оказывая никакого механического воздействия на ткань;

Лазерный скальпель обеспечивает абсолютную стерильность, ведь с тканью взаимодействует только излучение;

Луч лазера действует строго локально, испарение ткани происходит только в точке фокуса. Прилегающие участки ткани повреждаются значительно меньше, чем при использовании механического скальпеля;

Как показала клиническая практика, рана от лазерного скальпеля почти не болит и быстрее заживляется.

Практическое применение лазеров в хирургии началось в СССР в 1966 году в институте имени А. В. Вишневского. Лазерный скальпель был применен в операциях на внутренних органах грудной и брюшной полостей. В настоящее время лазерным лучом делают кожно-пластические операции, операции пищевода, желудка, кишечника, почек, печени, селезенки и других органов. Очень заманчиво проведение операций с использованием лазера на органах, содержащих большое количество кровеносных сосудов, например, на сердце, печени.

Характеристики некоторых типов лазеров.

В настоящее время имеется громадное разнообразие лазеров, отличающихся между собой активными средами, мощностями, режимами работы и другими характеристиками. Нет необходимости все их описывать. Поэтому здесь даётся краткое описание лазеров, которые достаточно полно представляют характеристики основных типов лазеров (режим работы, способы накачки и т. д.)

Рубиновый лазер. Первым квантовым генератором света был рубиновый лазер, созданный в 1960 году.

Рабочим веществом является рубин, представляющий собой кристалл оксида алюминия Аl 2 O 3 (корунд), в который при выращивании введен в виде примеси оксид хрома Сr 2 Оз. Красный цвет рубина обусловлен положительным ионом Сr +3 . В решетке кристалла Аl 2 О 3 ион Сг +3 замещает ион Аl +3 . Вследствие этого в кристалле возникают две полосы поглощения: одна-в зеленой, другая-в голубой части спектра. Густота красного цвета рубина зависит от концентрации ионов Сг +3: чем больше концентрация, тем гуще красный цвет. В темно-красном рубине концентрация ионов Сг +3 достигает 1%.

Наряду с голубой и зеленой полосами поглощения имеется два узких энергетических уровня Е 1 и Е 1 ’ , при переходе с которых на основной уровень излучается свет с длинами волн 694,3 и 692,8 нм. Ширина линий составляет при комнатных температурах примерно 0,4 нм. Вероятность вынужденных переходов для линии 694,3 нм больше, чем для 692,8 нм. Поэтому проще работать с линией 694,3 нм. Однако можно осуществить генерацию и линии 692,8 нм, если использовать специальные зеркала, имеющие большой коэффициент отражения для излучения l = 692,8 нм и малый - для l = 694,3 нм.

При облучении рубина белым светом голубая и зеленая части спектра поглощаются, а красная отражается. В рубиновом лазере используется оптическая накачка ксеноновой лампой, которая дает вспышки света большой интенсивности при прохождении через нее импульса тока, нагревающего газ до нескольких тысяч Кельвин. Непрерывная накачка невозможна, потому что лампа при столь высокой температуре не выдерживает непрерывного режима работы. Возникающее излучение близко по своим характеристикам к излучению абсолютно черного тела. Излучение поглощается ионами Cr + , переходящими в результате этого на энергетические уровни в области полос поглощения. Однако с этих уровней ионы Сr +3 очень быстро в результате безызлучательного перехода переходят на уровни Е 1 , Е 1 ’ . При этом излишек энергии передается решетке, т. е. превращается в энергию колебаний решетки или, другими словами, в энергию фотонов. Уровни Е 1 , Е 1 ’ метастабильны. Время жизни на уровне Е 1 равно 4,3 мс. В процессе импульса накачки на уровнях Е 1 , Е 1 ’ накапливаются возбужденные атомы, создающие значительную инверсную заселенность относительно уровня Е 0 (это уровень невозбужденных атомов).

Кристалл рубина выращивается в виде круглого цилиндра. Для лазера обычно используют кристаллы размером: длина L = 5 см, диаметр d = 1 см. Ксеноновая лампа и кристалл рубина помещаются в эллиптическую полость с хорошо отражающей внутренней поверхностью. Чтобы обеспечить попадание на рубин всего излучения ксеноновой лампы, кристалл рубина и лампа, имеющая также форму круглого цилиндра, помещаются в фокусы эллиптического сечения полости параллельно ее образующим. Благодаря этому на рубин направляется излучение с плотностью, практически равной плотности излучения на источнике накачки.

Один из концов рубинового кристалла срезан так, что от граней среза обеспечивается полное отражение и возвращение луча обратно. Такой срез заменяет одно из зеркал лазера. Второй конец рубинового кристалла срезан под углом Брюстера. Он обеспечивает выход из кристалла рубина без отражения луча с соответствующей линейной поляризацией. Второе зеркало резонатора ставится на пути этого луча. Таким образом, излучение рубинового лазера линейно поляризовано.

Гелий-неоновый лазер. Активной средой является газообразная смесь гелия и неона. Генерация осуществляется за счет переходов между энергетическими уровнями неона, а гелий играет роль посредника, через который энергия передается атомам неона для создания инверсной заселенности.

Неон, в принципе, может генерировать лазерное изучение в результате более 130 различных переходов. Однако наиболее интенсивными являются линии с длиной волны 632,8 нм, 1,15 и 3,39 мкм. Волна 632,8 нм находится в видимой части спектра, а волны 1,15 и 3,39 мкм - в инфракрасной.

При пропускании тока через гелий-неоновую смесь газов электронным ударом атомы гелия возбуждаются до состояний 2 3 S и 2 2 S, которые являются метастабильными, поскольку переход в основное состояние из них запрещен квантово-механическими правилами отбора. При прохождении тока атомы накапливаются на этих уровнях. Когда возбужденный атом гелия сталкивается с невозбужденным атомом неона, энергия возбуждения переходит к последнему. Этот переход осуществляется очень эффективно вследствие хорошего совпадения энергии соответствующих уровней. Вследствие этого на уровнях 3S и 2S неона образуется инверсная заселенность относительно уровней 2P и 3P, приводящая к возможности генерации лазерного излучения. Лазер может оперировать в непрерывном режиме. Излучение гелий-неонового лазера линейно поляризовано. Обычно давление гелия в камере составляет 332 Па, а неона - 66 Па. Постоянное напряжение на трубке около 4 кВ. Одно из зеркал имеет коэффициент отражения порядка 0,999, а второе, через которое выходит лазерное излучение, - около 0,990. В качестве зеркал используют многослойные диэлектрики, поскольку более низкие коэффициенты отражения не обеспечивают достижения порога генерации.

Газовые лазеры . Они представляют собой, пожалуй, наиболее широко используемый в настоящее время тип лазеров и, возможно, в этом отношении они превосходят даже рубиновые лазеры. Газовым лазерам также посвящена большая часть выполненных исследований. Среди различных типов газовых лазеров всегда можно найти такой, который будет удовлетворять почти любому требованию, предъявляемому к лазеру, за исключением очень большой мощности в видимой области спектра в импульсном режиме. Большие мощности необходимы для многих экспериментов при изучении нелинейных оптических свойств материалов. В настоящее время большие мощности в газовых лазерах не получены по той простой причине, что плотность атомов в них недостаточно велика. Однако почти для всех других целей можно найти конкретный тип газового лазера, который будет превосходить как твердотельные лазеры с оптической накачкой, так и полупроводниковые лазеры. Много усилий было направлено на то, чтобы эти лазеры могли конкурировать с газовыми лазерами, и в ряде случаев был достигнут определенный успех, однако он всегда оказывался на грани возможностей, в то время как газовые лазеры не обнаруживают никаких признаков уменьшения популярности.

Особенности газовых лазеров часто обусловлены тем, что они, как правило, являются источниками атомных или молекулярных спектров. Поэтому длины волн переходов точно известны. Они определяются атомной структурой и обычно не зависят от условий окружающей среды. Стабильность длины волны генерации при определенных усилиях может быть значительно улучшена по сравнению со стабильностью спонтанного излучения. В настоящее время имеются лазеры с монохроматичностью, лучшей, чем в любом другом приборе. При соответствующем выборе активной среды может быть осуществлена генерация в любой части спектра, от ультрафиолетовой (~2ООО А) до далекой инфракрасной области (~ 0,4 мм), частично захватывая микроволновую область.

Нет также оснований сомневаться, что в будущем удастся создать лазеры для вакуумной ультрафиолетовой области спектра. Разреженность рабочего газа обеспечивает оптическую однородность среды с низким коэффициентом преломления, что позволяет применять простую математическую теорию для описания структуры мод резонатора и дает уверенность в том, что свойства выходного сигнала близки к теоретическим. Хотя КПД превращения электрической энергии в энергию вынужденного излучения в газовом лазере не может быть таким большим, как в полупроводниковом лазере, однако благодаря простоте управления разрядом газовый лазер оказывается для большинства целей наиболее удобным в работе как один из лабораторных приборов. Что касается большой мощности в непрерывном режиме (в противоположность импульсной мощности), то природа газовых лазеров позволяет им в этом отношении превзойти все другие типы лазеров.

С0 2 -лазер с замкнутым объемом. Молекулы углекислого газа, как и другие молекулы, имеют полосатый спектр, обусловленный наличием колебательных и вращательных уровней энергии. Используемый в CO 2 - лазере переход дает излучение с длиной волны 10,6 мкм, т. е. лежит в инфракрасной области спектра. Пользуясь колебательными уровнями, можно несколько варьировать частоту излучения в пределах примерно от 9,2 до 10,8 мкм. Энергия молекулам CO 2 передается от молекул азота N 2 , которые сами возбуждаются электронным ударом при прохождении тока через смесь.

Возбужденное состояние молекулы азота N 2 является метастабильным и отстоит от основного уровня на расстоянии 2318 см -1 , что весьма близко к энергетическому уровню (001) молекулы CO 2 . Ввиду метастабильности возбужденного состояния N 2 при прохождении тока число возбужденных атомов накапливается. При столкновении N 2 с CO 2 происходит резонансная передача энергии возбуждения от N 2 к CO 2 . Вследствие этого возникает инверсия заселенностей между уровнями (001), (100), (020) молекул CO 2 . Обычно для уменьшения заселенности уровня (100), который имеет большое время жизни, что ухудшает генерацию при переходе на этот уровень, добавляют гелий. В типичных условиях смесь газов в лазере состоит из гелия (1330 Па), азота (133 Па) и углекислого газа (133 Па).

При работе CO 2 - лазера происходит распад молекул CO 2 на СО и О, благодаря чему активная среда ослабляется. Далее СО распадается на С и О, а углерод осаждается на электродах и стенках трубки. Всё это ухудшает работу СO 2 -лазера. Чтобы преодолеть вредное действие этих факторов в закрытую систему добавляют пары воды, которые стимулируют реакцию

СО + О ® CO 2 .

Используются платиновые электроды, материал которых является катализатором для этой реакции. Для увеличения запаса активной среды резонатор соединяется с дополнительными емкостями, содержащими CO 2 , N 2 , Не, которые в необходимом количестве добавляются в объём резонатора для поддержания оптимальных условий работы лазера. Такой закрытый CO 2 -лазер, в состоянии работать в течение многих тысяч часов.

Проточный СО 2 -лазер. Важной модификацией является проточный СО 2 -лазер, в котором смесь газов CO 2 , N 2 , Не непрерывно прокачивается через резонатор. Такой лазер может генерировать непрерывное когерентное излучение мощностью свыше 50 Вт на метр длины своей активной среды.

Неодимовый лазер. Название может ввести в заблуждение. Телом лазера является не металл неодим, а обычное стекло с примесью неодима. Ионы атомов неодима беспорядочно распределены среди атомов кремния и кислорода. Накачка производятся лампами-молниями. Лампы дают излучение в пределах длин волн от 0,5 до 0,9 мкм. Возникает широкая полоса возбужденных состояний. Атомы совершают безызлучательные переходы на верхний лазерный уровень. Каждый переход дает разную энергию, которая превращается в колебательную энергию всей «решетки» атомов.

Лазерное излучение, т.е. переход на пустой нижний уровень, имеет длину волны 1,06 мкм.

Т-лазер. Во многих практических приложениях важную роль играет СO 2 -лазер, в котором рабочая смесь находится под атмосферным давлением и возбуждается поперечным электрическим полем (Т-лазер). Поскольку электроды расположены параллельно оси резонатора, для получения больших значений напряженности электрического поля в резонаторе требуются сравнительно небольшие разности потенциалов между электродами, что дает возможность работать в импульсном режиме при атмосферном давлении, когда концентрация CO 2 в резонаторе велика. Следовательно, удается получить большую мощность, достигающую обычно 10 МВт и больше в одном импульсе излучения продолжительностью менее 1 мкс. Частота повторения импульсов в таких лазерах составляет обычно несколько импульсов в минуту.

Газодинамические лазеры. Нагретая до высокой температуры (1000-2000 К) смесь CO 2 и N 2 при истечении с большой скоростью через расширяющееся сопло сильно охлаждается. Верхний и нижний энергетический уровни при этом термоизолируются с различной скоростью, в результате чего образуется инверсная заселенность. Следовательно, образовав на выходе из сопла оптический резонатор, можно за счет этой инверсной заселенности генерировать лазерное излучение. Действующие на этом принципе лазеры называются газодинамическими. Они позволяют получать очень большие мощности излучения в непрерывном режиме.

Лазеры на красителях. Красители являются очень сложными молекулами, у которых сильно выражены колебательные уровни энергии. Энергетические уровни в полосе спектра располагаются почти непрерывно. Вследствие внутримолекулярного взаимодействия молекула очень быстро (за времена порядка 10 -11 -10 -12 с) переходит безызлучательно на нижний энергетический уровень каждой полосы. Поэтому после возбуждения молекул через очень короткий промежуток времени на нижнем уровне полосы Е 1 сосредоточатся все возбужденные молекулы. Они далее имеют возможность совершить излучательный переход на любой из энергетических уровней нижней полосы. Таким образом, возможно излучение практически любой частоты в интервале, соответствующем ширине нулевой полосы. А это означает, что если молекулы красителя взять в качестве активного вещества для генерации лазерного излучения, то в зависимости от настройки резонатора можно получить практически непрерывную перестройку частоты генерируемого лазерного излучения. Поэтому на красителях создаются лазеры с перестраиваемой частотой генерации. Накачка лазеров на красителях производится газоразрядными лампами или излучением других лазеров.

Выделение частот генерации достигается тем, что порог генерации создается только для узкой области частот. Например, положения призмы и зеркала подбираются так, что в среду после отражения от зеркала благодаря дисперсии и разным углам преломления возвращаются лишь лучи с определенной длиной волны. Только для таких длин волн обеспечивается лазерная генерация. Вращая призму, можно обеспечить непрерывную перестройку частоты излучения лазера на красителях. Генерация осуществлена со многими красителями, что позволило получить лазерное излучение не только во всем оптическом диапазоне, но и на значительной части инфракрасной и ультрафиолетовой областей спектра.

Полупроводниковые лазеры. Основным примером работы полупроводниковых лазеров является магнитно-оптический накопитель (МО).

Принципы работы МО накопителя.

МО накопитель построен на совмещении магнитного и оптического принципа хранения информации. Записывание информации производится при помощи луча лазера и магнитного поля, а считывание при помощи одного только лазера.

В процессе записи на МО диск лазерный луч нагревает определенные точки на диски, и под воздействием температуры сопротивляемость изменения полярности, для нагретой точки, резко падает, что позволяет магнитному полю изменить полярность точки. После окончания нагрева сопротивляемость снова увеличивается. Полярность нагретой точки остается в соответствии с магнитным полем, примененным к ней в момент нагрева.

В имеющихся на сегодняшний день МО накопителях для записи информации применяются два цикла: цикл стирания и цикл записи. В процессе стирания магнитное поле имеет одинаковую полярность, соответствующую двоичным нулям. Лазерный луч нагревает последовательно весь стираемый участок и таким образом записывает на диск последовательность нулей. В цикле записи полярность магнитного поля меняется на противоположную, что соответствует двоичной единице. В этом цикле лазерный луч включается только на тех участках, которые должны содержать двоичные единицы, оставляя участки с двоичными нулями без изменений.

В процессе чтения с МО диска используется эффект Керра, заключающийся в изменении плоскости поляризации отраженного лазерного луча, в зависимости от направления магнитного поля отражающего элемента. Отражающим элементом в данном случае является намагниченная при записи точка на поверхности диска, соответствующая одному биту хранимой информации. При считывании используется лазерный луч небольшой интенсивности, не приводящий к нагреву считываемого участка, таким образом при считывании хранимая информация не разрушается.

Такой способ в отличие от обычного применяемого в оптических дисках не деформирует поверхность диска и позволяет повторную запись без дополнительного оборудования. Этот способ также имеет преимущество перед традиционной магнитной записью в плане надежности. Так как перемагничеваниие участков диска возможно только под действием высокой температуры, то вероятность случайного перемагничевания очень низкая, в отличие от традиционной магнитной записи, к потери которой могут привести случайные магнитные поля.

Область применения МО дисков определяется его высокими характеристиками по надежности, объему и сменяемости. МО диск необходим для задач, требующих большого дискового объема. Это такие задачи, как обработка изображений звука. Однако небольшая скорость доступа к данным, не дает возможности применять МО диски для задач с критичной реактивностью систем. Поэтому применение МО дисков в таких задачах сводится к хранению на них временной или резервной информации. Для МО дисков очень выгодным использованием является резервное копирование жестких дисков или баз данных. В отличие от традиционно применяемых для этих целей стримеров, при хранение резервной информации на МО дисках, существенно увеличивается скорость восстановления данных после сбоя. Это объясняется тем, что МО диски являются устройствами с произвольным доступом, что позволяет восстанавливать только те данные, в которых обнаружился сбой. Кроме этого при таком способе восстановления нет необходимости полностью останавливать систему до полного восстановления данных. Эти достоинства в сочетании с высокой надежностью хранения информации делают применение МО дисков при резервном копировании выгодным, хотя и более дорогим по сравнению со стримерами.

Применение МО дисков, также целесообразно при работе с приватной информацией больших объемов. Легкая сменяемость дисков позволяет использовать их только во время работы, не заботясь об охране компьютера в нерабочее время, данные могут храниться в отдельном, охраняемом месте. Это же свойство делает МО диски незаменимыми в ситуации, когда необходимо перевозить большие объемы с места на место, например с работы домой и обратно.

Основные перспективы развития МО дисков связаны прежде всего с увеличением скорости записи данных. Медленная скорость определяется в первую очередь двухпроходным алгоритмом записи. В этом алгоритме нули и единицы пишутся за разные проходы из-за того, что магнитное поле, задающие направление поляризации конкретных точек на диске, не может изменять свое направление достаточно быстро.

Наиболее реальная альтернатива двухпроходной записи - это технология, основанная на изменение фазового состояния. Такая система уже реализована некоторыми фирмами-производителями. Существуют еще несколько разработок в этом направлении, связанные с полимерными красителями и модуляциями магнитного поля и мощности излучения лазера.

Технология, основанная на изменении фазового состояния, основана на способности вещества переходить из кристаллического состояния в аморфное. Достаточно осветить некоторую точку на поверхности диска лучом лазера определенной мощности, как вещество в этой точке перейдет в аморфное состояние. При этом изменяется отражающая способность диска в этой точке. Запись информации происходит значительно быстрее, но при этом деформируется поверхность диска, что ограничивает число циклов перезаписи.

В настоящие время уже разрабатывается технология, позволяющая менять полярность магнитного поля на противоположную всего за несколько наносекунд. Это позволит изменять магнитное поле синхронно с поступлением данных на запись. Существует также технология, построенная на модуляции излучения лазера. В этой технологии дисковод работает в трех режимах: режим чтения с низкой интенсивностью, режим записи со средней интенсивностью и режим записи с высокой интенсивностью. Модуляция интенсивности лазерного луча требует более сложной структуры диска и дополнения механизма дисковода инициализирующим магнитом, установленным перед магнитом смещения и имеющим противоположную полярность. В самом простом случае диск имеет два рабочих слоя - инициализирующий и записывающий. Инициализирующий слой сделан из такого материала, что инициализирующий магнит может изменять его полярность без дополнительного воздействия лазера.

Безусловно МО диски перспективные и бурно развивающиеся устройства, которые могут решать назревающие проблемы с большими объемами информации. Но их дальнейшее развитие зависит не только от технологии записи на них, но и от прогресса в области других носителей информации. И если не будет изобретен более эффективный способ хранения информации, МО диски возможно займут доминирующие роли.

Свет использовался для лечения разнообразных болезней испокон веков. Древние греки и римляне часто «принимали солнце» в качестве лекарства. И список болезней, которые приписывалось лечить светом, был достаточно велик.

Настоящий рассвет фототерапии пришелся на 19 век - с изобретением электрических ламп появились новые возможности. В конце XIX столетия красным светом пытались лечить оспу и корь, помещая пациента в специальную камеру с красными излучателями. Также различные «цветовые ванны» (то есть свет различных цветов) успешно применялись для лечения психических заболеваний. Причём лидирующую позицию в области светолечения к началу двадцатого столетия занимала Российская Империя.

В начале шестидесятых годов появились первые лазерные медицинские устройства. Сегодня лазерные технологии применяются практически при любых заболеваниях.

1. Физические основы применения лазерной техники в медицине

1.1 Принцип действия лазера

Основой лазеров служит явление индуцированного излучения, существование которого было постулировано А. Эйнштейном в 1916 г. В квантовых системах, обладающих дискретными уровнями энергии, существуют три типа переходов между энергетическими состояниями: индуцированные переходы, спонтанные переходы и безызлучательные релаксационные переходы. Свойства индуцированного излучения определяют когерентность излучения и усиления в квантовой электронике. Спонтанное излучение обусловливает наличие шумов, служит затравочным толчком в процессе усиления и возбуждения колебаний и вместе с безызлучательными релаксационными переходами играет важную роль при получении и удержании термодинамически неравновесного излучающего состояния.

При индуцированных переходах квантовая система может переводиться из одного энергетического состояния в другое как с поглощением энергии электромагнитного поля (переход с нижнего энергетического уровня на верхний), так и с излучением электромагнитной энергии (переход с верхнего уровня на нижний).

Свет распространяется в виде электромагнитной волны, в то время как энергия при испускании излучения и поглощении сконцентрирована в световых квантах, при этом при взаимодействии электромагнитного излучения с веществом, как было показано Эйнштейном в 1917 г., наряду с поглощением и спонтанным излучением возникает вынужденное (индуцированное) излучение, которое образует основу для разработки лазеров.

Усиление электромагнитных волн за счет вынужденного излучения или инициирование самовозбуждающихся колебаний электромагнитного излучения в диапазоне сантиметровых волн и тем самым создание прибора, названного мазером (microwave amplification by stimulated emission of radiation), было реализовано в 1954 г. По предложению (1958 г.) распространить этот принцип усиления на значительно более короткие световые волны в 1960 г. был разработан первый лазер (light amplification by stimulated emission of radiation).

Лазер является источником света, с помощью которого может быть получено когерентное электромагнитное излучение, которое известно нам из радиотехники и техники сверхвысоких частот, а также в коротковолновой, в особенности инфракрасной и видимой, областях спектра.

1.2 Типы лазеров

Существующие типы лазеров можно классифицировать по нескольким признакам. Прежде всего по агрегатному состоянию активной среды: газовые, жидкостные, твердотельные. Каждый из этих больших классов разбивается на более мелкие: по характерным особенностям активной среды, типу накачки, способу создания инверсии и т.д. Например, из твердотельных довольно четко выделяется обширный класс полупроводниковых лазеров, в которых наиболее широко используется инжекционная накачка. Среди газовых выделяют атомарные, ионные и молекулярные лазеры. Особое место среди всех прочих лазеров занимает лазер на свободных электронах, в основе работы которого лежит классический эффект генерации света релятивистскими заряженными частицами в вакууме.

1.3 Характеристики лазерного излучения

Излучение лазера отличается от излучения обычных источников света следующими характеристиками:

Высокой спектральной плотностью энергии;

Монохроматичностью;

Высокой временной и пространственной когерентностью;

Высокой стабильностью интенсивности лазерного излучения в стационарном режиме;

Возможностью генерации очень коротких световых импульсов.

Эти особые свойства излучения лазера обеспечивают ему разнообразнейшие применения. Они определяются главным образом принципиально отличным от обычных источников света процессом генерации излучения за счет вынужденного излучения.

Основными характеристиками лазера являются: длина волны, мощность и режим работы, который бывает непрерывным либо импульсным.

Лазеры находят широкое применение в медицинской практике и прежде всего в хирургии, онкологии, офтальмологии, дерматологии, стоматологии и других областях. Механизм взаимодействия лазерного излучения с биологическим объектом ещё изучен не до конца, но можно отметить, что имеют место либо тепловые воздействия, либо резонансные взаимодействия с клетками тканей .

Лазерное лечение безопасно, оно очень актуально для людей с аллергией на медицинские препараты.

2. Механизм взаимодействия лазерного излучения с биотканями

2.1 Виды взаимодействия

Важное для хирургии свойство лазерного излучения - способность коагулировать кровенасыщенную (васкуляризованную) биоткань.

В основном, коагуляция происходит за счет поглощения кровью лазерного излучения, ее сильного нагрева до вскипания и образования тромбов. Таким образом, поглощающей мишенью при коагуляции могут быть гемоглобин или водная составляющая крови. Это означает, что хорошо коагулировать биоткань будет излучение лазеров в области оранжево-зеленого спектра (КТР-лазер, на парах меди) и инфракрасных лазеров (неодимовый, гольмиевый, эрбиевый в стекле, СО2-лазер).

Однако, при очень высоком поглощении в биоткани, как, например, у эрбиевого гранатового лазера с длиной волны 2,94 мкм, лазерное излучение поглощается на глубине 5 - 10 мкм и может вообще не достигнуть объекта воздействия - капилляра.

Хирургические лазеры делятся на две большие группы: абляционные (от лат. ablatio - «отнятие»; в медицине - хирургическое удаление, ампутация) и неабляционные лазеры. Абляционные лазеры ближе к скальпелю. Необляционные лазеры действуют по другому принципу: после обработки какого-то объекта, например, бородавки, папилломы или гемангиомы, таким лазером, этот объект остаётся на месте, но через какое-то время в нём проходит серия биологических эффектов и он отмирает. На практике это выглядит так: новообразование мумифицируется, засыхает и отпадает.

В хирургии применяются CO2-лазеры непрерывного действия. Принцип основан на тепловом воздействии. Преимущества лазерной хирургии состоят в том, что она является бесконтактной, практически бескровной, стерильной, локальной, даёт гладкое заживление рассечённой ткани, а отсюда хорошие косметические результаты.

В онкологии было замечено, что лазерный луч оказывает разрушающее действие на опухолевые клетки. Механизм разрушения основан на термическом эффекте, вследствие которого возникает разность температур между поверхностными и внутренними частями объекта, приводящая к сильным динамическим эффектам и разрушению опухолевых клеток.

Сегодня также очень перспективно такое направление, как фотодинамическая терапия. Появляется множество статей о клиническом применении данного метода. Суть его состоит в том, что в организм пациента вводят специальное вещество - фотосенсибилизатор . Это вещество избирательно накапливается раковой опухолью. После облучения опухоли специальным лазером происходит серия фотохимических реакций с выделением кислорода, который убивает раковые клетки.

Одним из способов воздействия лазерным излучением на организм является внутривенное лазерное облучение крови (ВЛОК), которое в настоящее время успешно используется в кардиологии, пульмонологии, эндокринологии, гастроэнтерологии, гинекологии, урологии, анестезиологии, дерматологии и других областях медицины. Глубокая научная проработка вопроса и прогнозируемость результатов способствуют применению ВЛОК как самостоятельно, так и в комплексе с другими методами лечения.

Для ВЛОК обычно используют лазерное излучение в красной области спектра
(0,63 мкм) мощностью 1,5-2 мВт. Лечение проводят ежедневно или через день; на курс от 3 до 10 сеансов. Время воздействия при большинстве заболеваний 15-20 мин за сеанс для взрослых и 5-7 мин для детей. Внутривенная лазерная терапия может быть осуществлена практически в любом стационаре или поликлинике. Преимуществом амбулаторной лазеротерапии является уменьшение возможности развития внутрибольничной инфекции, создается хороший психоэмоциональный фон, позволяя больному на протяжении длительного времени сохранять работоспособность, проводя при этом процедуры и получая полноценное лечение.

В офтальмологии лазеры применяют как для лечения, так и для диагностики. С помощью лазера производят приварку сетчатки глаза, сварку сосудов глазной сосудистой оболочки. Для микрохирургии по лечению глаукомы служат аргоновые лазеры, излучающие в сине-зелёной области спектра. Для коррекции зрения давно и успешно используются эксимерные лазеры.

В дерматологии с помощью лазерного излучения лечат многие тяжёлые и хронические заболевания кожи, а также выводят татуировки. При облучении лазером активируется регенеративный процесс, происходит активация обмена клеточных элементов .

Основной принцип применения лазеров в косметологии заключается в том, что свет воздействует только на тот объект или вещество, которое поглощает его. В коже свет поглощается особыми веществами - хромофорами. Каждый хромофор поглощает в определенном диапазоне длин волн, например, для оранжевого и зеленого спектра это гемоглобин крови, для красного спектра - меланин волос, а для инфракрасного спектра - клеточная вода.

При поглощении излучения происходит преобразование энергии лазерного луча в тепло на том участке кожи, который содержит хромофор. При достаточной мощности лазерного луча это приводит к тепловому разрушению мишени. Таким образом, с помощью лазера можно селективно воздействовать, например, на корни волос, пигментные пятна и другие дефекты кожи.

Однако вследствие переноса тепла происходит нагревание и соседних областей, даже если они содержат мало светопоглощающих хромофоров. Процессы поглощения и переноса тепла зависят от физических свойств мишени, глубины залегания и ее размера. Поэтому в лазерной косметологии важно тщательно подбирать не только длину волны, но и энергию, и длительность лазерных импульсов.

В стоматологии лазерное излучение является наиболее эффективным физиотерапевтическим средством лечения пародонтоза и заболеваний слизистой оболочки полости рта.

Лазерный луч применяется вместо иглоукалывания. Преимущества применения лазерного луча состоит в том, что отсутствует контакт с биологическим объектом, а, следовательно, процесс протекает стерильно и безболезненно при большой эффективности.

Световодные инструменты и катетеры для лазерной хирургии предназначены для доставки мощного лазерного излучения к месту проведения оперативного вмешательства при открытых, эндоскопических и лапароскопических операциях в урологии, гинекологии, гастроэнтерологии, общей хирургии, артроскопии, дерматологии. Позволяют осуществлять резание, иссечение, абляцию, вапоризацию и коагуляцию тканей при проведении хирургических операций в контакте с биотканью или в бесконтактном режиме применения (при удалении торца волокна от биоткани). Вывод излучения может осуществляться как с торца волокна, так и через окошко на боковой поверхности волокна. Могут использоваться как в воздушной (газовой), так и водной (жидкой) среде. По отдельному заказу для удобства пользования катетеры комплектуются легкосъёмной ручкой - держателем световода.

В диагностике лазеры применяются для обнаружения различных неоднородностей (опухолей, гематом) и измерения параметров живого организма. Основы диагностических операций сводятся к пропусканию через тело пациента (либо один из его органов) лазерного луча и по спектру или амплитуде прошедшего или отражённого излучения выводят диагноз. Известны методы по обнаружению раковых опухолей в онкологии, гематом в травматологии, а также по измерению параметров крови (практически любых, от артериального давления до содержания сахара и кислорода).

2.2 Особенности лазерного взаимодействия при различных параметрах излучения

Для целей хирургии луч лазера должен быть достаточно мощным, чтобы нагревать биоткань выше 50 - 70 °С, что приводит к ее коагуляции, резанию или испарению. Поэтому в лазерной хирургии, говоря о мощности лазерного излучения того или иного аппарата, оперируют цифрами, обозначающими единицы, десятки и сотни Вт.

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

1. Коагулирующие: 1 - 5 Вт.

2. Испаряющие и неглубоко режущие: 5 - 20 Вт.

3. Глубоко режущие: 20 - 100 Вт.

Каждый тип лазера в первую очередь характеризуется длиной волны излучения. Длина волны определяет степень поглощения лазерного излучения биотканью, а, значит, и глубину проникновения, и степень нагрева как области хирургического вмешательства, так и окружающей ткани.

Учитывая, что вода содержится практически во всех типах биоткани, можно сказать, что для хирургии предпочтительно использовать такой тип лазера, излучение которого имеет коэффициент поглощения в воде более 10 см-1 или, что то же самое, глубина проникновения которого не превышает 1 мм.

Другие важные характеристики хирургических лазеров,
определяющие их применение в медицине:

мощность излучения;

непрерывный или импульсный режим работы;

способность коагулировать кровенасыщенную биоткань;

возможность передачи излучения по оптическому волокну.

При воздействии лазерного излучения на биоткань сначала происходит ее нагрев, а затем уже испарение. Для эффективного разрезания биоткани нужно быстрое испарение в месте разреза с одной стороны, и минимальный сопутствующий нагрев окружающих тканей с другой стороны.

При одинаковой средней мощности излучения короткий импульс нагревает ткань быстрее, чем непрерывное излучение, и при этом распространение тепла к окружающим тканям минимально. Но, если импульсы имеют низкую частоту повторения (менее 5 Гц), то непрерывный разрез провести сложно, это больше похоже на перфорацию. Следовательно, лазер предпочтительно должен иметь импульсный режим работы с частотой повторения импульсов более 10 Гц, а длительность импульса - минимально возможную для получения высокой пиковой мощности.

На практике оптимальная выходная мощность для хирургии находится в диапазоне от 15 до 60 Вт в зависимости от длины волны лазерного излучения и области применения.

3. Перспективные лазерные методы в медицине и биологии

Развитие лазерной медицины идет по трем основным ветвям: лазерная хирургия, лазерная терапия и лазерная диагностика. Уникальные свойства лазерного луча позволяют выполнять ранее невозможные операции новыми эффективными и минимально инвазивными методами.

Растет интерес к немедикаментозным методам лечения, включая физиотерапию. Нередко возникают ситуации, когда необходимо проводить не одну физиопроцедуру, а несколько, и тогда пациенту приходиться переходить из одной кабины в другую, несколько раз одеваться и раздеваться, что создает дополнительные проблемы и потерю времени.

Многообразие методик терапевтического воздействия требует применения лазеров с различными параметрами излучения. Для этих целей служат различные излучающие головки, которые содержат один или несколько лазеров и электронное устройство сопряжения сигналов управления от базового блока с лазером.

Излучающие головки подразделяются на универсальные, позволяющие использовать их как наружно, (с использованием зеркальных и магнитных насадок), так и внутриполостно с использованием специальных оптических насадок; матричные, имеющие большую площадь излучения и применяющиеся поверхностно, а также специализированные. Различные оптические насадки позволяют доставлять излучение к требуемой зоне воздействия.

Блочный принцип позволяет применять широкий спектр лазерных и светодиодных головок, обладающих различными спектральными, пространственно-временными и энергетическими характеристиками, что, в свою очередь, поднимает на качественно новый уровень эффективность лечения за счет сочетанной реализации различных методик лазерной терапии. Эффективность лечения определяется прежде всего эффективными методиками и аппаратурой, которая обеспечивает их реализацию. Современные методики требуют возможность выбора различных параметров воздействия (режим излучения, длина волны, мощность) в широком диапазоне. Аппарат лазерной терапии (АЛТ) должен обеспечивать эти параметры, их достоверный контроль и отображение и вместе с тем быть простым и удобным в управлении.

4. Лазеры, применяемые в медицинской технике

4.1 CO2-лазеры

CO2-лазер , т.е. лазер, излучающей составляющей активной среды которого является углекислый газ CO2, занимает особое место среди всего многообразия существующих лазеров. Этот уникальный лазер отличается прежде всего тем, что для него характерны и большой энергосъем, и высокий КПД. В непрерывном режиме получены огромные мощности - в несколько десятков киловатт, импульсная мощность достигла уровня в несколько гигаватт, энергия импульса измеряется в килоджоулях. КПД CO2-лазера (порядка 30%) превосходит КПД всех лазеров. Частота следования в импульсно-периодическом режиме может составить несколько килогерц. Длины волн излучения CO2-лазера находятся в диапазоне 9-10 мкм (ИК-диапазон) и попадают в окно прозрачности атмосферы. Поэтому излучение CO2-лазера удобно для интенсивного воздействия на вещество. Кроме того, в диапазон длин излучения CO2-лазера попадают резонансные частоты поглощения многих молекул.

На рисунке 1 показаны нижние колебательные уровни основного электронного состояния вместе с условным представлением формы колебаний молекулы CO2.

Рисунок 20 - Нижние уровни молекулы CO2

Цикл лазерной накачки CO2-лазера в стационарных условиях выглядит следующим образом. Электроны плазмы тлеющего разряда возбуждают молекулы азота, которые передают энергию возбуждения несимметричному валентному колебанию молекул CO2, обладающему большим временем жизни и являющемуся верхним лазерным уровнем. Нижним лазерным уровнем обычно является первый возбужденный уровень симметричного валентного колебания, сильно связанный резонансом Ферми с деформационным колебанием и поэтому быстро релаксирующий вместе с этим колебанием в столкновениях с гелием. Очевидно, что тот же канал релаксации эффективен в том случае, когда нижним лазерным уровнем является второй возбужденный уровень деформационной моды. Таким образом, CO2-лазер - это лазер на смеси углекислого газа, азота и гелия, где CO2 обеспечивает излучение, N2 - накачку верхнего уровня, а He - опустошение нижнего уровня.

CO2-лазеры средней мощности (десятки - сотни ватт) конструируются отдельно в виде относительно длинных труб с продольным разрядом и продольной прокачкой газа. Типичная конструкция такого лазера показана на рисунке 2. Здесь 1 - разрядная трубка, 2 - кольцевые электроды, 3 - медленное обновление среды, 4 - разрядная плазма, 5 - внешняя трубка, 6 - охлаждающая проточная вода, 7,8 - резонатор.

Рисунок 20 - Схема CO2-лазера с диффузионным охлаждением

Продольная прокачка служит для удаления продуктов диссоциации газовой смеси в разряде. Охлаждение рабочего газа в таких системах происходит за счет диффузии на охлаждаемую снаружи стенку разрядной трубки. Существенной является теплопроводность материала стенки. С этой точки зрения целесообразно применение труб из корундовой (Al2O3) или бериллиевой (BeO) керамик.

Электроды делают кольцевыми, не загораживающими путь к излучению. Джоулево тепло выносится теплопроводностью к стенкам трубки, т.е. используется диффузионное охлаждение. Глухое зеркало делают металлическим, полупрозрачное - из NaCl, KCl, ZnSe, AsGa.

Альтернативой диффузионному служит конвекционное охлаждение. Рабочий газ с большой скоростью продувают через область разряда, и джоулево тепло выносится разрядом. Применение быстрой прокачки позволяет поднять плотности энерговыделения и энергосъема.

CO2-лазер в медицине применяется почти исключительно как «оптический скальпель» для резания и испарения во всех хирургических операциях. Режущее действие сфокусированного лазерного пучка основано на взрывном испарении внутри- и внеклеточной воды в области фокусировки, благодаря чему разрушается структура материала. Разрушение ткани приводит к характерной форме краев раны. В узко ограниченной области взаимодействия температура 100 °С превышается лишь тогда, когда достигнуто обезвоживание (испарительное охлаждение). Дальнейшее повышение температуры приводит к удалению материала путем обугливания или испарения ткани. Непосредственно в краевых зонах образуется из-за плохой в общем случае теплопроводности тонкое некротическое утолщение толщиной 30-40 мкм. На расстоянии 300-600 мкм уже не образуется повреждение ткани. В зоне коагуляции кровеносные сосуды диаметром до 0,5-1 мм спонтанно закрываются.

Хирургические устройства на основе CO2-лазера в настоящее время предлагаются в достаточно широком ассортименте. Наведение лазерного луча в большинстве случаев осуществляется с помощью системы шарнирно установленных зеркал (манипулятора), оканчивающейся инструментом со встроенной фокусирующей оптикой, которым хирург манипулирует в оперируемой области.

4.2 Гелий-неоновые лазеры

В гелий-неоновом лазере рабочим веществом являются нейтральные атомы неона. Возбуждение осуществляется электрическим разрядом. В чистом неоне создать инверсию в непрерывном режиме трудно. Эта трудность, носящая достаточно общий для многих случаев характер, обходится введением в разряд дополнительного газа - гелия, выполняющего функцию донора энергии возбуждения. Энергии двух первых возбужденных метастабильных уровней гелия (рисунок 3) довольно точно совпадают с энергиями уровней 3s и 2s неона. Поэтому хорошо реализуются условия резонансной передачи возбуждения по схеме

Рисунок 20 - Схема уровней He-Ne лазера

При правильно выбранных давлениях неона и гелия, удовлетворяющих условию

можно добиться заселения одного или обоих уровней 3s и 2s неона, значительно превышающего таковое в случае чистого неона, и получить инверсию населенностей.

Опустошение нижних лазерных уровней происходит в столкновительных процессах, в том числе и в соударениях со стенками газоразрядной трубки.

Возбуждение атомов гелия (и неона) происходит в слаботочном тлеющем разряде (рисунок 4). В лазерах непрерывного действия на нейтральных атомах или молекулах для создания активной среды чаще всего используется слабоионизированная плазма положительного столба тлеющего разряда. Плотность тока тлеющего разряда составляет 100-200 мА/см2. Напряженность продольного электрического поля такова, что число возникающих на единичном отрезке разрядного промежутка электронов и ионов компенсирует потери заряженных частиц при их диффузии к стенкам газоразрядной трубки. Тогда положительных столб разряда стационарен и однороден. Электронная температура определяется произведением давления газа на внутренний диаметр трубки . При малых электронная температура велика, при больших - низка. Постоянство величины определяет условия подобия разрядов. При постоянной плотности числа электронов условия и параметры разрядов будут неизменны, если неизменно произведение . Плотность числа электронов в слабоионизированной плазме положительного столба пропорциональна плотности тока.

Для гелий-неонового лазера оптимальные значения , равно как и парциальный состав газовой смеси, несколько отличны для различных спектральных областей генерации.

В области 0,63 мкм самой интенсивной из линий серии - линии (0,63282 мкм) соответствует оптимальное Тор·мм.

Рисунок 20 - Конструктивная диаграмма He-Ne лазера

Характерными значениями мощности излучения гелий-неоновых лазеров следует считать десятки милливатт в областях 0,63 и 1,15 мкм и сотни в области 3,39 мкм. Срок службы лазеров ограничивается процессами в разряде и исчисляется годами. С течением времени в разряде происходит нарушение состава газа. Из-за сорбции атомов в стенках и электродах происходит процесс «жестчения», падает давление, меняется отношение парциальных давлений He и Ne.

Наибольшая кратковременная стабильность, простота и надежность конструкции гелий-неонового лазера достигаются при установке зеркал резонатора внутрь разрядной трубки. Однако при таком расположении зеркала сравнительно быстро выходят из строя за счет бомбардировки заряженными частицами плазмы разряда. Поэтому наибольшее распространение получила конструкция, в которой газоразрядная трубка помещается внутрь резонатора (рисунок 5), а ее торцы снабжаются окнами, расположенными под углом Брюстера к оптической оси, обеспечивая тем самым линейную поляризацию излучения. Такое расположение имеет целый ряд преимуществ - упрощается юстировка зеркал резонатора, увеличивается срок службы газоразрядной трубки и зеркал, облегчается их смена, появляется возможность управления резонатором и применения дисперсионного резонатора, выделения мод и т.п.

Рисунок 20 - Резонатор He-Ne лазера

Переключение между полосами генерации (рисунок 6) в перестраиваемом гелий-неоновом лазере обычно обеспечивается за счет введения призмы, а для тонкой перестройкой линии генерации обычно используется дифракционная решетка.

Рисунок 20 - Использование призмы Литроу

4.3 ИАГ-лазеры

Трехвалентный ион неодима легко активирует многие матрицы. Из них самыми перспективными оказались кристаллы иттрий-алюминиевого граната Y3Al5O12 (ИАГ) и стекла. Накачка переводит ионы Nd3+ из основного состояния 4I9/2 в несколько относительно узких полос, играющих роль верхнего уровня. Эти полосы образованы рядом перекрывающихся возбужденных состояний, их положения и ширины несколько меняются от матрицы к матрице. Из полос накачки быстрая передача энергии возбуждения на метастабильный уровень 4F3/2 (рисунок 7).

Рисунок 20 - Энергетические уровни трехвалентных редкоземельных ионов

Чем ближе к уровню 4F3/2 расположены полосы поглощения, тем выше КПД генерации. Достоинством кристаллов ИАГ является наличие интенсивной красной линии поглощения.

Технология роста кристаллов основана на методе Чохральского, когда ИАГ и присадка плавятся в иридиевом тигле при температуре около 2000 °С с последующим выделением части расплава из тигля с помощью затравки. Температура затравки несколько ниже температуры расплава, и при вытягивании расплав постепенно кристаллизуется на поверхности затравки. Кристаллографическая ориентировка закристаллизовавшегося расплава воспроизводит ориентировку затравки. Выращивание кристалла осуществляется в инертной среде (аргон или азот) при нормальном давлении с малой добавкой кислорода (1-2%). Как только кристалл достигает нужной длины его медленно остужают для предотвращения разрушения из-за термических напряжений. Процесс роста занимает от 4 до 6 недель и проходит под компьютерным управлением.

Неодимовые лазеры работают в широком диапазоне режимов генерации, от непрерывного до существенно импульсного с длительностью, достигающей фемтосекунд. Последняя достигается методом синхронизации мод в широкой линии усиления, характерной для лазерных стекол.

При создании неодимовых, как, впрочем, и рубиновых, лазеров реализованы все характерные методы управления параметрами лазерного излучения, разработанные квантовой электроникой. В дополнение к так называемой свободной генерации, продолжающейся в течение практически всего времени существования импульса накачки, широкое распространение получили режимы включаемой (модулированной) добротности и синхронизации (самосинхронизации) мод.

В режиме свободной генерации длительность импульсов излучения составляет 0,1…10 мс, энергия излучения в схемах усиления мощности составляет около 10 пс при использовании для модуляции добротности электрооптических устройств. Дальнейшее укорочение импульсов генерации достигается применением просветляющихся фильтров как для модуляции добротности (0,1…10 пс), так и для синхронизации мод (1…10 пс).

При воздействии интенсивного излучения Nd-ИАГ-лазера на биологическую ткань образуются достаточно глубокие некрозы (коагуляционный очаг). Эффект удаления ткани и тем самым режущее действие, незначительны по сравнению с действием CO2-лазера. Поэтому Nd-ИАГ-лазер применяется преимущественно для коагуляции кровотечения и для некротизирования патологически измененных областей ткани почти во всех областях хирургии. Поскольку к тому же передача излучения возможна через гибкие оптические кабели, то открываются перспективы применения Nd-ИАГ-лазера в полостях тела.

4.4 Полупроводниковые лазеры

Полупроводниковые лазеры испускают в УФ-, видимом или ИК-диапазонах (0,32…32 мкм) когерентное излучение; в качестве активной среды применяются полупроводниковые кристаллы.

В настоящее время известно свыше 40 пригодных для лазеров различных полупроводниковых материалов. Накачка активной среды может осуществляться электронными пучками или оптическим излучением (0,32…16 мкм), в p-n-переходе полупроводникового материала электрическим током от приложенного внешнего напряжения (инжекция носителей заряда, 0,57…32 мкм).

Инжекционные лазеры отличаются от всех других типов лазеров следующими характеристиками:

Высоким КПД по мощности (выше 10%);

Простотой возбуждения (непосредственное преобразование электрической энергии в когерентное излучение - как в непрерывном, так и в импульсном режимах работы);

Возможностью прямой модуляции электрическим током до 1010 Гц;

Крайне незначительными размерами (длина менее 0,5 мм; ширина не более 0,4 мм; высота не более 0,1 мм);

Низким напряжением накачки;

Механической надежностью;

Большим сроком службы (до 107 ч).

4.5 Эксимерные лазеры

Эксимерные лазеры , представляющие собой новый класс лазерных систем, открывают для квантовой электроники УФ диапазон. Принцип действия эксимерных лазеров удобно пояснить на примере лазера на ксеноне ( нм). Основное состояние молекулы Xe2 неустойчиво. Невозбужденный газ состоит в основном из атомов. Заселение верхнего лазерного состояния, т.е. создание возбужденной устойчивости молекулы происходит под действием пучка быстрых электронов в сложной последовательности столкновительных процессов. Среди этих процессов существенную роль играют ионизация и возбуждение ксенона электронами.

Большой интерес представляют эксимеры галоидов инертных газов (моногалогенидов благородных газов), главным образом потому, что в отличие от случая димеров благородных газов соответствующие лазеры работают не только при электронно-пучковом, но и при газоразрядном возбуждении. Механизм образования верхних термов лазерных переходов в этих эксимерах во многом неясен. Качественные соображения свидетельствуют о большей легкости их образования по сравнению со случаем димеров благородных газов. Существует глубокая аналогия между возбужденными молекулами, составленными из атомов щелочного материала и галогена. Атом инертного газа в возбужденном электронном состоянии похож на атом щелочного металла и галогена. Атом инертного газа в возбужденном электронном состоянии похож на атом щелочного металла, следующий за ним в таблице Менделеева. Этот атом легко ионизуется, так как энергия связи возбужденного электрона мала. В силу высокого сродства к электрону галогена этот электрон легко отрывается и при столкновении соответствующих атомов охотно перепрыгивает на новую орбиту, объединяющую атомы, осуществляя тем самым так называемую гарпунную реакцию.

Наиболее распространены следующие типы эксимерных лазеров: Ar2 (126,5 нм), Kr2 (145,4 нм), Xe2 (172,5 нм), ArF (192 нм), KrCl (222,0 нм), KrF (249,0 нм), XeCl (308,0 нм), XeF (352,0 нм).

4.6 Лазеры на красителях

Отличительной особенностью лазеров на красителях является возможность работы в широком длин волн от ближнего ИК до ближнего УФ, плавная перестройка длины волны генерации в диапазоне шириной в несколько десятков нанометров с монохроматичностью, достигающей 1-1,5 МГц. Лазеры на красителях работают в непрерывном, импульсном и импульсно-периодическом режимах. Энергия импульсов излучения достигает сотен джоулей, мощность непрерывной генерации - десятков ватт, частота повторения сотен герц, КПД десятков процентов (при лазерной накачке). В импульсном режиме длительность генерации определяется длительностью импульсов накачки. В режиме синхронизации мод достигается пикосекундный и субпикосекундный диапазоны длительностей.

Свойства лазеров на красителях определяются свойствами их рабочего вещества органических красителей. Красителями принято называть сложные органические соединения с разветвленной системой сложных химических связей, обладающие интенсивными полосами поглощения в видимой и ближней УФ областях спектра. Окрашенные органические соединения содержат насыщенные хромофорные группы типа NO2, N=N, =CO, ответственные за окраску. Наличие так называемых ауксохромных групп типа NH3, OH придает соединению красящие свойства.

4.7 Аргоновые лазеры

Аргоновый лазер относится к типу газоразрядных лазеров, генерирующих на переходах между уровнями ионов главным образом в сине-зеленой части видимой и ближней ультрафиолетовой областях спектра.

Обычно этот лазер излучает на длинах волн 0,488 мкм и 0,515 мкм, а также в ультрафиолете на длинах волн 0,3511 мкм и 0,3638 мкм.

Мощность может достигнуть 150 Вт (промышленные образцы 2 ч 10 Вт, срок службы в пределах 100 часов). Схема конструкции аргонового лазера с возбуждением от постоянного тока показан на рисунке 8.

Рисунок 20 - Схема конструкции аргонового лазера

1 - выходные окна лазера; 2 - катод; 3 - канал водяного охлаждения; 4 - газоразрядная трубка (капилляр); 5 - магниты; 6 - анод; 7 - обводная газовая трубка; 8 - глухое зеркало; 9 - полупрозрачное зеркало

Газовый разряд создается в тонкой газоразрядной трубке (4), диаметром 5 мм - в капилляре, которая охлаждается жидкостью. Рабочее давление газа в пределах десятки Па. Магниты (5) создают магнитное поле для «отжимания» разряда от стенок газоразрядной трубки, что не позволяет разряду касаться ее стенок. Эта мера позволяет повышать выходную мощность лазерного излучения за счёт снижения скорости релаксации возбужденных ионов, происходящую в результате соударения со стенками трубки.

Обводной канал (7) предназначен для выравнивания давления по длине газоразрядной трубки (4) и обеспечения свободной циркуляции газа. При отсутствии такого канала газ скапливается в анодной части трубки после включения дугового разряда, что может привести к его гашению. Механизм сказанного следующий. Под действием электрического поля, приложенного между катодом (2) и анодом (6) , электроны устремляются к аноду 6, повышая давление газа у анода. Это требует выравнивания давления газа в газоразрядной трубке для обеспечения нормального течения процесса, что осуществляется посредством обводной трубки (7).

Для ионизации нейтральных атомов аргона требуется через газ пропускать ток плотностью до нескольких тысяч ампер на квадратный сантиметр. Поэтому нужно эффективное охлаждение газоразрядной трубки.

Основные области применения аргоновых лазеров: фотохимия, термообработка, медицина. Аргоновый лазер, благодаря своей высокой избирательности по отношению автогенным хромофорам, применяется в офтальмологии и дерматологии.

5. Серийно выпускаемая лазерная аппаратура

Терапевты используют гелий-неоновые лазеры небольшой мощности, излучающие в видимой области электромагнитного спектра (λ=0,63 мкм). Одной из физиотерапевтических установок является лазерная установкаУФЛ-1 , предназначенная для лечения острых и хронических заболеваний челюстно-лицевой области; может использоваться для лечения длительно не заживающих язв и ран, а также в травматологии, гинекологии, хирургии (послеоперационный период). Используется биологическая активность красного луча гелий-неонового лазера (мощность излучения
20 мВт, интенсивность излучения на поверхности объекта 50-150 мВт/см2).

Есть сведения о том, что указанными лазерами лечат заболевания вен (трофические язвы). Курс лечения состоит из 20-25 десятиминутных сеансов облучения трофической язвы маломощным гелий-неоновым лазером и заканчивается, как правило, полным ее заживлением. Подобный эффект наблюдается и при лечении лазером не заживающих травматических и послеожоговых ран. Отдаленные последствия лазерной терапии при трофических язвах и долго не заживающих ранах проверялись на большом количестве излеченных больных в сроки от двух до семи лет. В течение этих сроков у 97% бывших больных язвы и раны больше не открывались и только у 3% наблюдались рецидивы заболевания.

Светоукалыванием лечат различные заболевания нервной и сосудистой системы, снимают боли при радикулите, регулируют кровяное давление и т.п. Лазер осваивает все новые и новые медицинские профессии. Лазер лечит мозг. Этому способствует активность видимого спектра излучения низкоинтенсивных гелий-неоновых лазеров. Лазерный луч, как оказалось, способен обезболивать, успокаивать и расслаблять мышцы, ускорять регенерацию тканей. Множество лекарств, обладающих аналогичными свойствами, назначают обычно больным, перенесшим черепно-мозговую травму, которая дает чрезвычайно запутанную симптоматику. Луч лазера сочетает в себе действие всех необходимых препаратов. В этом убедились специалисты из ЦНИИ рефлексотерапии Минздрава СССР и НИИ нейрохирургии им. К Н. Бурденко АМН СССР .

Исследования возможностей лечения лазерным лучом доброкачественных и злокачественных опухолей ведутся «Московским НИ онкологическим институтом им. П.А. Герцена», Ленинградским институтом онкологии им. Н.Н. Петрова и другими онкологическими центрами.

При этом используются лазеры разных типов: С02 лазер в непрерывном режиме излучения (λ = 10,6 мкм, мощность 100 Вт), гелий-неоновый лазер с непрерывном режимом излучения (λ = 0,63 мкм, мощность 30 мВт), гелий-кадмиевый лазер работающий в режиме непрерывного излучения (λ = 0,44 мкм, мощность 40 мВт), импульсный лазер на азоте (λ = 0,34 мкм, мощность импульса 1,5 кВт, средняя мощность излучения 10 мВт).

Разработаны и применяются три метода воздействия лазерного излучения на опухоли (доброкачественные и злокачественные):

а) Лазерное облучение- облучение опухоли расфокусированным лазерным лучом, приводящее к гибели раковых клеток, к потере способности размножаться.

б) Лазерокоагуляция - разрушение опухоли умеренно сфокусированным лучом.

в) Лазерная хирургия - иссечение опухоли вместе с прилегающими тканями сфокусированным лазерным лучом. Разработаны лазерные установки:

«Яхрома» - мощность до 2,5 Вт на выходе световода при длине волны 6З0 нм, время экспозиции от 50 до 750 сек; импульсный с частотой повторения 104 имп./сек.; на 2-х лазерах - импульсный лазер на красителях и лазер на парах меди «ЛГИ-202» . «Спектромед» - мощность 4 Вт при непрерывном режиме генерации, длина волны 620-690 нм, время экспозиции от 1 до 9999 сек при помощи устройства «Экспо» ; на двух лазерах - непрерывный лазер на красителях «Аметист» и аргоновый лазер «Инверсия» для фотодинамической терапии злокачественных опухолей (современный метод выборочного воздействия на раковые клетки организма).

Метод основан на различии в поглощении излучения лазера клетками, отличающимися по своим параметрам. Врач вспрыскивает фотосенсибилизирующие (приобретение организмом специфической повышенной чувствительности к чужеродным веществам) лекарство в область скопления патологических клеток. Лазерное излучение, попадающее на ткани организма, селективно поглощается раковыми клетками, содержащими лекарство, разрушая их, что позволяет проводить уничтожение раковых клеток без нанесения вреда окружающей ткани.

Аппарат лазерный АТКУС-10 (ЗАО «Полупроводниковые приборы»), изображенный на рисунке 9, позволяет производить воздействие на новообразования лазерным излучением с двумя различными длинами волн 661 и 810 нм. Аппарат предназначен для использования в медицинских учреждениях широкого профиля, а также для решения различных научно-технических задач в качестве источника мощного лазерного излучения. При использовании аппарата отсутствуют выраженные деструктивные поражения кожи и мягких тканей. Удаление опухолей хирургическим лазером уменьшает число рецидивов и осложнений, сокращает сроки заживления ран, позволяет обеспечить одноэтапность процедуры и дает хороший косметический эффект.

Рисунок 20 - Лазерный аппарат АТКУС-10

В качестве излучателя используются полупроводниковые лазерные диоды. Используется транспортное оптическое волокно диаметром 600 мкм.

ООО НПФ «Техкон» разработал аппарат лазерной терапии «Альфа 1М» (рисунок 10). Как сообщается на сайте производителя, установка эффективна при лечении артрозов, нейродермитов, экземы, стоматитов, трофических язв, послеоперационных ран и пр. Сочетание двух излучателей - непрерывного и импульсного - дает большие возможности для лечебных и исследовательских работ. Встроенный фотометр позволяет устанавливать и контролировать мощность облучения. Дискретная установка времени и плавная установка частоты импульсов облучения удобны для эксплуатации аппарата. Простота управления позволяет использование аппарата средним медицинским персоналом.

Рисунок 20 - Лазерный терапевтический аппарат «Альфа 1М»

Технические характеристики аппарата приведены в таблице 1.

Таблица 7 - Технические характеристики лазерного терапевтического аппарата «Альфа 1М»

В начале 70-х годов академиком М.М. Красновым и его коллегами из 2-го Московского медицинского института были предприняты усилия для излечения глаукомы (возникает из-за нарушений оттока внутриглазной жидкости и, как следствие, повышения внутриглазного давления) при помощи лазера. Лечение глаукомы проводилось соответствующими лазерными установками, созданными совместно с физиками.

Лазерная офтальмологическая установка «Ятаган» не имеет зарубежных аналогов. Предназначена для проведения хирургических операций переднего отдела глаза. Позволяет лечить глаукому и катаракту, не нарушая целостности наружных оболочек глаза. В установке используется импульсный лазер на рубине. Энергия излучения, содержащаяся в серии из нескольких световых импульсов, составляет от 0,1 до 0,2 Дж. Длительность отдельного импульса от 5 до 70 нс., интервал между импульсами от 15до 20 мкс. Диаметр лазерного пятна от 0,3 до 0,5 мм. Лазерная установка «Ятаган 4» с длительностью импульса 10-7 с., с длиной волны излучения 1,08 мкм и диаметром пятна 50 мкм. При таком облучении глаза решающее значение приобретает не тепловое, а фотохимическое и даже механическое действие лазерного луча (возникновение ударной волны). Сущность метода заключается в том, что лазерный «выстрел» определенной мощности направляется в угол передней камеры глаза и образует микроскопический «канал» для оттока жидкости и тем самым восстанавливает дренажные свойства радужной оболочки, создав нормальный отток внутриглазной жидкости. При этом луч лазера свободно проходит сквозь прозрачную роговицу и «взрывается» на поверхности радужной оболочки. При этом происходит не прожигание, которое приводит к воспалительным процессам радужной оболочки и быстрой ликвидации протоки, а пробивание отверстия. Процедура занимает примерно от 10 до 15 минут. Обычно пробивают 15-20 отверстий (протоков) для оттока внутриглазной жидкости.

На базе Ленинградской клиники глазных болезней Военно-медицинской академии группа специалистов во главе с доктором медицинских наук профессором В. В.Волковым использовала свою методику лечения дистрофических заболеваний сетчатки и роговицы с помощью маломощного лазера ЛГ-75 , работающего в непрерывном режиме. При этом лечении на сетчатку глаза действует излучение малой мощности, равной 25 мВт. Причем излучение рассеянное. Длительность одного сеанса облучения не превышает 10 мин. За 10-15 сеансов с интервалами между ними от одного до пяти дней врачи успешно излечивают кератит воспаление роговицы и другие болезни воспалительного характера. Режимы лечения получены опытным путем.

В 1983 г. американский офтальмолог С. Трокел высказал идею о возможности применения ультрафиолетового эксимерного лазера для коррекции близорукости. В нашей стране исследования в этом направлении проводились в Московском НИИ «Микрохирургия глаза» под руководством профессора С.Н. Федорова и А. Семенова.

Для проведения подобных операций совместными усилиями МНТК «Микрохирургия глаза» и институтом общей физики под руководством академика А. М. Прохорова создана лазерная установка «Профиль 500» с уникальной оптической системой, не имеющих аналогов в мире. При воздействии на роговицу полностью исключается возможность ожога, поскольку нагрев ткани не превышает 4-8єС. Продолжительность операции 20-70 секунд в зависимости от степени близорукости. С 1993 г. «Профиль 500» успешно используется в Японии, в Токио и Осаке, в Иркутском межрегиональном лазерном центре.

Гелий-неоновый лазерный офтальмологический аппарат МАКДЭЛ-08 (ЗАО «МАКДЭЛ-Технологии»), изображенный на рисунке 11 имеет цифровую систему управления, измеритель мощности, световолоконный подвод излучения, комплекты оптических и магнитных насадок. Лазерный аппарат работает от сети переменного тока частотой 50 Гц с номинальным напряжением 220 В±10%. Позволяет устанавливать время сеанса (лазерного излучения) в пределах от 1 до 9999 секунд погрешностью не более 10%. Имеет цифровое табло, позволяющий производить начальную установку времени и контроль времени до окончания процедуры. В случае необходимости сеанс может быть прерван досрочно. Аппарат обеспечивает частоту модуляцию лазерного излучения от 1 до 5 Гц с шагом 1 Гц, кроме того, имеется режим непрерывного излучения, при установке частоты 0 Гц.

Рисунок 20 - Лазерный офтальмологический аппарат МАКДЭЛ-08

Инфракрасный лазерный аппарат МАКДЭЛ-09 предназначен для коррекции аккомодационно-рефракционных нарушений зрения. Лечение заключается в выполнении 10-12 процедур по 3-5 минут. Результаты терапии сохраняются на протяжении 4-6 месяцев. При снижении показателей аккомодации необходимо проводить повторный курс. Процесс улучшения объективных показателей зрения растягивается на 30-40 дней после проведения процедур. Средние величины положительной части относительной аккомодации устойчиво увеличиваются на 2,6 дптр. и достигают уровня нормальных показателей. Максимальное увеличение резерва 4,0 дптр., минимальное 1,0 дптр. Реоциклографические исследования показывают устойчивое увеличение объема циркулирующей крови в сосудах цилиарного тела. Аппарат позволяет устанавливать время сеанса лазерного излучения в пределах от 1 до 9 минут. Цифровое табло на блоке управления позволяет производить начальную установку времени, а также контролировать время до окончания сеанса. В случае необходимости сеанс может быть прерван досрочно. По окончании сеанса лечения аппарат подает звуковой предупредительный сигнал. Система регулирования межцентрового расстояния позволяет устанавливать расстояния между центрами каналов от 56 до 68 мм. Установка требуемого межцентрового расстояния может производиться с помощью линейки на исполнительном блоке, или по изображению реперных светодиодов.

Аргоновый лазер модели ARGUS фирмы Aesculap Meditek (Германия) для офтальмологии, применяемый для фотокоагуляции сетчатки глаза. Только в Германии используются более 500 аргоновых лазеров, причем все они работают безопасно и надежно. ARGUS имеет удобное управление, совместим с общепринятыми моделями щелевых ламп фирм Zeiss и Haag-Streit. ARGUS оптимально подготовлен для работы вместе с Nd:YAG-лазером на одном рабочем месте.

Хотя ARGUS спроектирован как единый блок, штатив с инструментом и лазерный блок могут быть размещены друг возле друга или же в разных местах и помещениях, благодаря соединительному кабелю длиной до 10 метров. Регулируемый по высоте штатив инструмента предоставляет максимальную свободу для пациента и врача. Даже если пациент сидит в инвалидном кресле, лечить его не представляет никакой трудности.

С целью защиты глаз в ARGUS интегрирован управляемый малошумный фильтр для врача. Фильтр вводится в лазерный пучок при нажатии ножного выключателя, т.е. лишь непосредственно перед запуском лазерной вспышки. Фотоэлементы и микропроцессоры контролируют его корректное положение. Оптимальное освещение зоны коагуляции обеспечивается специальным устройством ведения лазерного луча. Пневматический микроманипулятор позволяет производить точное позиционирование луча одной рукой.

Технические характеристики аппарата:

Тип лазера аргоново-ионный лазер непрерывного действия для офтальмологической ВеО-керамической трубки

Мощность на роговице:

на роговице: 50 мВт - 3000 мВт для всех линий, 50 мВт - 1500 мВт для 514 нм

при блоке питания с ограниченным потреблением тока:

на роговице: 50 мВт - 2500 мВт для всех линий, 50 мВт - 1000 мВт для 514 нм

Пилотный луч аргоновый для всех линий или 514 нм, максимально 1мВт

Длительность импульса 0,02 - 2,0 сек, регулируемая в 25 ступенях или плавно

Последовательность импульсов 0,1 - 2,5 сек., с промежутками, регулируемыми в 24 ступенях

Запуск импульса ножным выключателем; в режиме последовательности импульсов нужная серия вспышек включается нажатием ножного выключателя;

функция прерывается при отпускании педали

Подвод луча световодом, волокно диам. 50 мкм, длиной 4,5 м, на обоих концах с разъемом SMA

Дистанционное управление для выбора предлагаются:

дистанционное управление 1: настройка вручную маховичком;

дистанционное управление 2: настройка контактными площадками пленочной клавиатуры.

Общие признаки: электролюминесцентный дисплей, индикация мощности в цифровом и аналоговом виде, цифровое показание всех остальных параметров настройки, показание рабочего состояния (напр. рекомендации по сервису) явным текстом

Управление микропроцессорное, контроль над мощностью, защитным фильтром для врача и затворами в 10-миллисекундном режиме

Охлаждение

воздухом: интегрированные вентиляторы пониженного уровня шума

водой: расход от 1 до 4 л/мин, при давлении от 2 до 4 бар и температуре не выше 24 єС

Сетевое питание для выбора предлагаюрся три различных блока:

перем. ток, однофазн с нулевым проводом 230 В, 32 А, 50/60 Гц

перем. ток, однофазн. с органичением максимально потребляемого тока на 25 А

трехфазный ток, три фазы и нулевой провод, 400 В, 16 А, 50/60 Гц

Протоколирование результатов: печать параметров лечения с помощью опционального принтера

Габариты

прибор: 95см х 37см х 62см (Ш х Г х В)

столик: 93см х 40см (Ш х Г)

высота столика: 70 - 90 см

«Лазерный скальпель» нашел применение при заболеваниях органов пищеварения (O.K. Скобелкин), кожно-пластическои хирургии и при заболеваниях желчных путей (А.А. Вишневский), в кардиохирургии (А. Д. Арапов) и многих других областях хирургии.

В хирургии применяется СО2 лазеры, излучающие в невидимой инфракрасной области электромагнитного спектра, что накладывает определенные условия при хирургическом вмешательстве, особенно во внутренние органы человека. Из-за невидимости лазерного луча и сложности манипулирования им (рука хирурга не имеет обратной связи не чувствует момент и глубину рассечения) используются зажимы и указки, обеспечивающие точность разреза.

Первые попытки применения лазера в хирургии удачными были не всегда, травмировались близлежащие органы, луч прожигал ткани. Кроме того, при неосторожном обращении лазерный луч мог оказаться опасным и для врача. Но несмотря на перечисленные трудности лазерная хирургия прогрессировала. Так, в начале 70-х годов под руководством академика Б. Петровского, профессор Скобелкин, доктор Брехов и инженер А. Иванов приступили к созданию лазерного скальпеля «Скальпель 1» (рисунок 12).

Рисунок 20 - Лазерная хирургическая установка «Скальпель-1»

Лазерная хирургическая установка «Скальпель 1» применяется при операциях на органах желудочно-кишечного тракта, при остановке кровотечений из острых язв желудочно-кишечного тракта, при кожно-пластических операциях, при лечении гнойных ран, при гинекологических операциях. Использован СО2 лазер непрерывного излучения с мощностью на выходе из световода 20 Вт. Диаметр лазерного пятна от 1 до 20 мкм.

Схема механизма действия света СО2 лазера на ткани представлена на рисунке 13.

Рисунок 20 - Схема механизма действия света CO2 лазера на ткани

С помощью лазерного скальпеля операции проводят бесконтактно, свет CO2-лазера обладает антисептическим и антибластическим действиями, при этом образуется плотная коагуляционная плёнка, которая обусловливает эффективный гемостаз (просветы артериальных сосудов до 0,5 мм и венозных до 1 мм в диаметре завариваются и не требуют перевязки лигатурами), создаёт барьер против инфекционных (включая вирусы) и токсических агентов, обеспечивая при этом высокоэффективную абластику, стимулирует посттравматическую регенерацию тканей и предотвращает их рубцовые изменения (см. схему).

«Лазермед» (Конструкторское бюро приборостроения) построен на основе полупроводниковых лазеров, излучающих на длине волны 1,06 мкм. Аппарат отличается высокой надежностью, малыми габаритными размерами и весом. Доставка излучения к биоткани производится через лазерный блок либо при помощи световода. Наведение основного излучения производится пилотной подсветкой полупроводникового лазера. Лазер 4 класса опасности по ГОСТ Р 50723-94, I класса электробезопасности с типом защиты B по ГОСТ Р 50267.0-92.

Лазерный хирургический аппарат «Ланцет-1» (рисунок 14) - модель СО2-лазера, предназначенная для проведения хирургических операций в различных областях медицинской практики.

Рисунок 20 - Лазерный хирургический аппарат «Ланцет-1»

Аппарат горизонтальной компоновки, портативный, имеет оригинальную упаковку в виде кейса, отвечает самым современным требованиям, предъявляемым к хирургическим лазерным установкам как по своим техническим возможностям, так и по обеспечению оптимальных условий труда хирурга, простоте управления и дизайну.

Технические характеристики аппарата приведены в таблице 2.

Таблица 7 - Технические характеристики лазерного хирургического аппарата «Ланцет-1»

Длина волны излучения, мкм
Выходная мощность излучения (регулируемая), Вт
Мощность в режиме Медипульс, Вт
Диаметр лазерного луча на ткани (переключаемый), мкм
Наведение основного излучения лучом диодного лазера	2 мВт, 635 нм
Режимы излучения (переключаемые)	непрерывный, импульсно-периодический, Медипульс
Время экспозиции излучения (регулируемое), мин
Длительность импульса излучения в импульсно-периодическом режиме (регулируемая), с
Длительность паузы между импульсами, с
Пульт управления	выносной
Включение излучения	ножная педаль
Удаление продуктов сгорания	система эвакуации дыма
Радиус операционного пространства, мм
Система охлаждения	автономная, воздушно-жидкостного типа
Размещение в операционной	настольное
Электропитание (переменный ток)	220 В, 50 Гц, 600 Вт
Габаритные размеры, мм
Масса, кг

6. Медицинская лазерная аппаратура, разработанная КБАС

Насадка оптическая универсальная (НОУ ) к лазерам типа ЛГН-111 , ЛГ-75-1 (рисунок 15) предназначена для фокусировки лазерного излучения в световод и измененения диаметра пятна при внешнем облучении.

Рисунок 20 - Насадка оптическая универсальная (НОУ)

Насадка применяется при лечении ряда заболеваний, связанных с нарушением кровообращения, путем ввода световода в вену и облучения крови, а также при лечении дерматологических и ревматических заболеваний. Насадка проста в обращении, легко монтируется на корпусе лазера, быстро настраивается на рабочий режим. При внешнем облучении изменение диаметра пятна производится перемещением линзы конденсора.

Технические характеристики НОУ приведены в таблице 3.

Таблица 7 - Технические характеристики НОУ

Установка физиотерапевтическая «Спрут-1» (рисунок 16) предназначена для лечения ряда заболеваний в различных областях медицины: травматология, дерматология, стоматология, ортопедия, рефлексотерапия, невралгия.

Рисунок 20 - Лазерная физиотерапевтическая установка «Спрут-1»

Лечение установкой «Спрут-1» обеспечивает отсутствие аллергических реакций, безболезненность и асептичность, а так же ведет к существенному сокращению сроков лечения, экономии лекарственных средств.

Принцип работы основан на использовании стимулирующего воздействия энергии лазерного излучения с длиной волны 0,63 мкм.

Установка состоит из излучателя, положение которого плавно регулируется относительно горизонтальной плоскости, блока питания с конструктивно включенными в него счетчиком количества включений и счетчиком суммарной наработки установки.

Излучатель и блок питания крепятся на легкую мобильную подставку.

Технические характеристики установки «Спрут-1» приведены в таблице 4.

Таблица 7 - Технические характеристики установки физиотерапевтической «Спрут-1»

Лазерная офтальмологическая терапевтическая установка «Лота» (рисунок 17) применяется при лечении эрозий и язв трофического характера, после травм, ожогов, кератитов и кератоконъюктивитов, послеоперационных кератопатий, а так же для ускорения процесса приживления трансплантанта при пересадке роговицы.

Рисунок 20 - Лазерная офтальмологическая терапевтическая установка «Лота»

Технические характеристики установки приведены в таблице 5.

Таблица 7 - Технические характеристики лазерной установки «Лота»

Длина волны излучения, мкм
Плотность мощности излучения в плоскости облучения, Вт/см2	не более 5х105
Мощность излучения на выходе установки, мВт
Характер регулировки мощности в указанном диапазоне
Потребляемая мощность, ВА	не более 15
Средняя наработка на отказ, час	не менее 5000
Средний ресурс	не менее 20000
Масса, кг

Медицинская лазерная установка «Альмицин» (рисунок 18) применяется в терапии, стоматологии, фтизиатрии, пульмонологии, дерматологии, хирургии, гинекологии, проктологии и урологии. Методы обработки: бактерицидный эффект, стимуляция микроциркуляции источника повреждения, нормализация иммунных и биохимических процессов, улучшение регенерации, увеличение эффективности медикаментозной терапии.

Рисунок 20 - Медицинская лазерная установка «Альмицин»

Технические характеристики установки приведены в таблице 6.

Таблица 7 - Технические характеристики медицинской лазерной установки «Альмицин»

Спектральный диапазон	близкий к УФ
Конструкция
Вывод пучка	световод
Диаметр световода, мкм
Длина световода, м
Напряжение питающей сети при частоте 50 Гц, В
Потребление энергии, Вт	не более 200
Управление	автоматическое
Время облучения, мин	не более 3
Размеры каждого из блоков, мм
	не более 40 кг

Световолоконная приставка «Ариадна-10» (рисунок 19) предлагается взамен имеющего малую степень подвижности и инерционного зеркально-шарнирного механизма передачи излучения для хирургических установок (типа «Скальпель-1») на CO2-лазерах.

Основными элементами приставки являются: устройство ввода излучения и световод общей хирургии.

Рисунок 20 - Световолоконная приставка «Ариадна-10»

Световод приставки работает совместно с дымоотсосным устройством, что позволяет одновременно с проведением хирургических операций удалять продукты взаимодействия излучения с биотканями из операционного пространства.

Благодаря гибкости световода существенно расширяются возможности использования лазерных хирургических установок на CO2-лазерах.

Технические характеристики установки приведены в таблице 7.

Таблица 7 - Технические характеристики световолоконной приставки «Ариадна-10»

Схема приставки представлена на рисунке 20.

Рисунок 20 - Схема световолоконной приставки «Ариадна-10»

Список использованных источников

1. Захаров В.П., Шахматов Е.В. Лазерная техника: учеб. пособие. - Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2006. - 278 с.

2. Справочник по лазерной технике. Пер. с немецкого. М., Энергоатомиздат, 1991. - 544 с.

3. Жуков Б.Н., Лысов Н.А., Бакуцкий В.Н., Анисимов В.И. Лекции по лазерной медицине: Учебное пособие. - Самара: СМИ, 1993. - 52 с.

4. Применение лазерной хирургической установки «Скальпель-1» для лечения стоматологических заболеваний. - М.: Министерство здравоохранения СССР, 1986. - 4 с.

5. Канюков В.Н., Терегулов Н.Г., Винярский В.Ф., Осипов В.В. Развитие научно-технических решений в медицине: Учебное пособие. - Оренбург: ОГУ, 2000. - 255 с.

Слово LASER (Light Amplifacation by the Stimulated Emission ) с английского переводится как Усиление Света путем Стимулирования Излучения . Само действие лазера было описано еще Энштейном в далеком 1917 году, но первый работающий лазер был построен лишь спустя 43 года Теодором Мейманом, который работал в компании Hugрes Aircraft. Для получения миллисекундных импульсов лазерного излучения он использовал кристалл искусственного рубина как активную среду. Длина волны того лазера была 694 нм. Через некоторое время был испробован уже лазер с длиной волны в 1060 нм, что является ближней ИК-областью спектра. В качестве активной среды в этом лазере выступали стеклянные стержни, легированные неодимом.

Но практического применения в то время лазер не имел. Ведущие специалисты-физики искали ему предназначение в различных сферах деятельности человека. Первые экспериментальные опыты с лазером в медицине были не совсем успешные. Лазерное излучение, на тех волнах довольно плохо поглощалось, точно контролировать мощность еще не было возможности. Однако в 60-х годах лазер на красном рубине хорошо себя показал в офтальмологии.

История применения лазеров в медицине

В 1964 году был разработан и опробован аргоновый ионный лазер. Это был лазер непрерывного излучения с сине-зеленой областью спектра и длиной волны в 488 нм. Это газовый лазер и контролировать мощность его было легче. Гемоглобин хорошо поглощал его излучение. Спустя короткое время стали появляться лазерные системы на основе аргонового лазера, которые помогали в лечении заболеваний сетчатки глаза.

В том же 64 году в лаборатории Bell был разработан лазер на алюмоитриевом гранате, легированным неодимом () и . СО2 — это газовый лазер, у которого излучение имеет непрерывный характер, с длиной волны 1060 нм. Вода очень хорошо поглощает его излучение. А так как мягкие ткани у человека в основном состоят из воды, то лазер СО2 стал хорошей альтернативой обычному скальпелю. При использовании этого лазера для разрезания тканей сводится к минимуму кровопотеря. В 70-х годах углекислотные лазеры нашли широкое применение в госпиталях при институтах в США. Сфера применения в то время для лазерных скальпелей: гинекология и отоларингология.

1969 год стал годом разработки первого импульсного лазера на красителях, а уже в 1975 году появился первый эксимерный лазер. Начиная с этого времени лазер стал активно использоваться и внедряться в различные сферы деятельности.

Широкое распространение лазеры в медицине начали получать в 80-х годах в больницах и клиниках США. В большинстве своем тогда использовались углекислотные и аргоновые лазеры и применялись они в хирургии и офтальмологии. В недостатки лазеров того времени можно записать то, что у них было постоянное непрерывное излучение, которое исключало возможность более точной работы, что приводило к тепловым поражениям тканей вокруг обрабатываемой зоны. Успешное применение лазерных технологий в то время требовало колоссального опыта работы.

Следующим шагом в разработке лазерных технологий для медицины стало изобретение импульсного лазера. Такой лазер позволял воздействовать исключительно на проблемную зону, без повреждения окружающих тканей. И в 80-х годах появились первые . Это стало началом применения лазеров в косметологии. Такие лазерные системы могли удалять капиллярные гемангиомы и родимые пятна. Чуть позже появились лазеры способные . Это были лазеры с модуляцией добротности (Q-switched lser).

Начало 90-х годов были разработаны и внедрены технологии сканирования. Точность лазерной обработки теперь контролировалась компьютером и появилась возможность проводить лазерную шлифовку кожи (), что значительно подняло популярность и .

Сегодня область применения лазеров в медицине очень широкая. Это хирургия, офтальмология, стоматология, нейрохирургия, косметология, урология, гинекология, кардиология и т.д. Вы можете себе представить, что когда то лазер лишь был неплохой альтернативой скальпелю, а сегодня с его помощью можно удалять раковые клетки, производить очень точные операции на различных органах, диагностировать серьезные заболевания на самых ранних стадиях, такие как рак. Сейчас лазерные технологии в медицине идут в сторону развития комбинированных методов лечения, когда на ряду с лазерной терапией применяют физиотерапию,медикаменты, УЗ. К примеру в лечении гнойных заболеваний был разработан комплекс мероприятий, который включает лазерную обработку, использование антиоксидантов и различных биологически активных материалов.

Лазерные технологии и медицина должны идти рука об руку в будущее. Даже уже сегодня новейшие разработки в лазерной медицине помогают в удалении раковых опухолей, применяются в коррекции тела в косметологии и зрения в офтальмологии. Малоинвазивная хирургия, когда с использованием лазера делаются очень сложные операции.

Дополнительная информация:

Лазерное излучение в медицине представляет собой вынужденную или стимулированную волну оптического диапазона длиной от 10 нм до 1000 мкм (1 мкм=1000 нм).

Лазерное излучение имеет :
- когерентность - согласованное протекание во времени нескольких волновых процессов одной частоты;
- монохроматичность - одна длина волны;
- поляризованность - упорядоченность ориентации вектора напряженности электромагнитного поля волны в плоскости, перпендикулярной ее распространению.

Физическое и физиологическое действие лазерного излучения

Лазерное излучение (ЛИ) обладает фотобиологической активностью. Биофизические и биохимические реакции тканей на ЛИ различны и зависят от диапазона, длины волны и энергии фотона излучения:

ИК-излучение (1000 мкм - 760 нм, энергия фотонов 1-1,5 ЭВ) проникает на глубину 40-70 мм, вызывает колебательные процессы - тепловое действие;
- видимое излучение (760-400 нм, энергия фотонов 2,0-3,1 ЭВ) проникает на глубину 0,5-25 мм, вызывает диссоциацию молекул и активацию фотохимических реакций;
- УФ-излучение (300-100 нм, энергия фотонов 3,2-12.4 ЭВ) проникает на глубину 0,1-0,2 мм, вызывает диссоциацию и ионизацию молекул -фотохимическое действие.

Физиологическое действие низкоинтенсивного лазерного излучения (НИЛИ) реализуется нервным и гуморальным путем :

Изменение в тканях биофизических и химических процессов;
- изменение обменных процессов;
- изменение метаболизма (биоактивация);
- морфологические и функциональные изменения в нервной ткани;
- стимуляция сердечно-сосудистой системы;
- стимуляция микроциркуляции;
- повышение биологической активности клеточных и тканевых элементов кожи, активизирует внутриклеточные процессы в мышцах, окислительно-восстановительные процессы, образование миофибрилл;
- повышает устойчивость организма.

Высокоинтенсивное лазерное излучение (10,6 и 9,6 мкм) вызывает :

Термический ожог ткани;
- коагуляцию биологических тканей;
- обугливание, сгорание, испарение.

Лечебное действие низкоинтенсивного лазера (НИЛИ)

Противовоспалительное, снижение отечности ткани;
- аналгезирующее;
- стимуляция репаративных процессов;
- рефлексогенное воздействие - стимуляция физиологических функций;
- генерализованное воздействие - стимуляция иммунного ответа.

Лечебное действие высокоинтенсивного лазерного излучения

Антисептическое действие, образование коагуляционной пленки, защитный барьер от токсических агентов;
- резание тканей (лазерный скальпель);
- сварка металлических протезов, ортодонтических аппаратов.

Показания НИЛИ

Острые и хронические воспалительные процессы;
- травма мягких тканей;
- ожог и отморожение;
- кожные заболевания;
- заболевания периферической нервной системы;
- заболевания опорно-двигательного аппарата;
- сердечно-сосудистые заболевания;
- заболевания органов дыхания;
- заболевания желудочно-кишечного тракта;
- заболевания мочеполовой системы;
- заболевания уха, горла, носа;
- нарушения иммунного статуса.

Показания к лазерному излучению в стоматологии

Заболевания слизистой оболочки полости рта;
- заболевания пародонта;
- некариозные поражения твердых тканей зубов и кариес;
- пульпит, периодонтит;
- воспалительный процесс и травма челюстно-лицевой области;
- заболевания ВНЧС;
- лицевые боли.

Противопоказания

Опухоли доброкачественные и злокачественные;
- беременность до 3-х месяцев;
- тиреотоксикоз, диабет 1 типа, болезни крови, недостаточность функции дыхания, почек, печени, кровообращения;
- лихорадочные состояния;
- психические заболевания;
- наличие имплантированного водителя ритма;
- судорожные состояния;
- индивидуальная непереносимость фактора.

Аппаратура

Лазеры - техническое устройство, испускающее излучение в узком оптическом диапазоне. Современные лазеры классифицируются :

По активному веществу (источник индуцированного излучения) -твердотельные, жидкостные, газовые и полупроводниковые;
- по длине волны и излучения - инфракрасные, видимые и ультрафиолетовые;
- по интенсивности излучения - низкоинтенсивные и высокоинтенсивные;
- по режиму генерации излучения - импульсный и непрерывный.

Аппараты комплектуются излучающими головками и специализированными насадками - стоматологические, зеркальные, акупунктурные, магнитные и др., обеспечивающие эффективность проводимого лечения. Сочетанное использование лазерного излучения и постоянного магнитного поля усиливает лечебный эффект. Серийно производятся в основном три вида лазерной терапевтической аппаратуры:

1) на базе гелий-неоновых лазеров, работающих в непрерывном режиме генерации излучения с длиной волны 0,63 мкм и выходной мощностью 1-200 мВт:

УЛФ-01, «Ягода»
- АФЛ-1, АФЛ-2
- ШАТЛ-1
- АЛТМ-01
- ФАЛМ-1
- «Платан-М1»
- «Атолл»
- АЛОК-1 - аппарат лазерного облучения крови

2) на базе полупроводниковых лазеров, работающих в непрерывном режиме генерации излучения с длиной волны 0,67-1,3 мкм и выходной мощностью 1-50 мВт:

АЛТП-1, АЛТП-2
- «Изель»
- «Мазик»
- «Вита»
- «Колокольчик»

3) на базе полупроводниковых лазеров, работающих в импульсном режиме генерации излучения с длиной волны 0,8-0,9 мкм, мощностью импульса 2-15 Вт:

- "Узор", "Узор-2К"
- "Лазурит-ЗМ"
- "Люзар-МП"
- "Нега"
- "Азор-2К"
- "Эффект"

Аппараты для магнитолазерной терапии:

- "Млада"
- АМЛТ-01
- "Светоч-1"
- "Лазурь"
- "Эрга"
- МИЛТА - магнито-инфракрасный

Техника и методика лазерного излучения

Воздействие ЛИ проводят на очаг поражения или органа, сегментарно-метамерной зоны (накожно), биологически активной точки. При лечении глубокого кариеса и пульпита биологическим методом облучение проводят в области дна кариозной полости и шейки зуба; периодонтита - световод вводят в корневой канал, предварительно механически и медикаментозно обработанный, и продвигают до верхушки корня зуба.

Методика проведения лазерного облучения - стабильная, стабильно-сканирующая или сканирующая, контактная или дистанционная.

Дозирование

Ответные реакции на ЛИ зависят от параметров дозирования:

Длина волны;
- методика;
- режим работы - непрерывный или импульсный;
- интенсивность, плотность мощности (ПМ): низкоинтенсивное ЛИ -мягкое (1-2 мВт) применяют для воздействия на рефлексогенные зоны; среднее (2-30 мВт) и жесткое (30-500 мВт) - на область патологического очага;
- время воздействия на одно поле - 1-5 мин, суммарное время не более 15 мин. ежедневно или через день;
- курс лечения 3-10 процедур, повторный через 1-2 месяца.

Техника безопасности

Глаза врача и пациента защищают очками СЗС-22, СЗО-33;
- нельзя смотреть на источник излучения;
- стены кабинета должны быть матовыми;
- нажимать на кнопку «пуск» после установки излучателя на патологический очаг.