Лазер в помощ на медицината. “Лазер и приложението му в медицината”

ЛАЗЕРИ в медицината

Лазерът е устройство за производство на тесни лъчи с висока интензивност на светлинна енергия. Лазерите са създадени през 1960 г., СССР) и Чарлз Таунс (САЩ), които за това откритие получават Нобелова награда през 1964 г. Има различни видове лазери - газови, течни и работещи върху твърди тела. Лазерното лъчение може да бъде непрекъснато или импулсно.

Самият термин „лазер“ е съкращение от английския „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“, т.е. „усилване на светлината чрез стимулирано излъчване“. От физиката е известно, че „лазерът е източник на кохерентно електромагнитно лъчение в резултат на принудителното излъчване на фотони от активната среда, разположена в оптичен резонатор.“ Лазерното лъчение се характеризира с монохроматичност, висока плътност и подреденост на светлинния поток. енергия.Разнообразието от източници на такова използвано днес лъчение определя разнообразието от области на приложение на лазерните системи.

Лазерите навлизат в медицината в края на 60-те години. Скоро се оформиха три области на лазерната медицина, разликата между които се определяше от силата на лазерния светлинен поток (и, като следствие, вида на неговия биологичен ефект). Лъчението с ниска мощност (mW) се използва главно в кръвотерапията, със средна мощност (W) - в ендоскопията и фотодинамичната терапия на злокачествени тумори, а с висока мощност (W) - в хирургията и козметологията. Хирургичното използване на лазери (т.нар. „лазерни скалпели”) се основава на директното механично въздействие на високоинтензивно лъчение, което позволява рязане и „заваряване” на тъкан. Същият ефект е в основата на използването на лазери в козметологията и естетичната медицина (в последните години, наред със стоматологията, един от най-печелившите отрасли на здравеопазването). Въпреки това биолозите се интересуват най-много от феномена на терапевтичните ефекти на лазерите. Известно е, че нискоинтензивното лазерно облъчване води до такива положителни ефекти като повишаване на тонуса, устойчивост на стрес, подобряване на функционирането на нервната и имунната ендокринна система, премахване на исхемични процеси, заздравяване на хронични язви и много други... Лазерната терапия е със сигурност много ефективен, но изненадващо, все още няма ясно разбиране на неговите биологични механизми! Учените все още само разработват модели, за да обяснят този феномен. По този начин е известно, че нискоинтензивното лазерно лъчение (LILR) влияе върху пролиферативния потенциал на клетките (т.е. стимулира тяхното делене и развитие). Смята се, че причината за това са местните температурни промени, които могат да стимулират процесите на биосинтеза в тъканите. LILI също така укрепва антиоксидантните защитни системи на организма (докато радиацията с висок интензитет, напротив, води до масова поява на реактивни кислородни видове.) Най-вероятно именно тези процеси обясняват терапевтичния ефект на LILI. Но, както вече споменахме, има и друг вид лазерна терапия – т.нар. фотодинамична терапия, използвана за борба със злокачествени тумори. Тя се основава на използването на фотосенсибилизатори, открити през 60-те години - специфични вещества, които могат селективно да се натрупват в клетките (главно раковите клетки). По време на лазерно облъчване със средна мощност молекулата на фотосенсибилизатора абсорбира светлинна енергия, преминава в активна форма и предизвиква редица разрушителни процеси в раковата клетка. По този начин митохондриите (вътреклетъчни енергийни структури) се увреждат, метаболизмът на кислорода се променя значително, което води до появата на огромно количество свободни радикали. И накрая, силното нагряване на водата вътре в клетката причинява разрушаване на нейните мембранни структури (по-специално външната клетъчна мембрана). Всичко това в крайна сметка води до интензивна смърт на туморни клетки. Фотодинамичната терапия е сравнително нова област на лазерната медицина (развиваща се от средата на 80-те) и все още не е толкова популярна, колкото, да речем, лазерната хирургия или офталмологията, но онколозите сега възлагат основните си надежди на нея.

Като цяло можем да кажем, че днес лазерната терапия е един от най-динамично развиващите се отрасли на медицината. И, изненадващо, не само традиционни. Някои от терапевтичните ефекти на лазерите се обясняват най-лесно с наличието в тялото на системи от енергийни канали и точки, използвани в акупунктурата. Има случаи, когато локалното лазерно третиране на отделни тъкани предизвиква положителни промени в други части на тялото. Учените все още трябва да отговорят на много въпроси, свързани с лечебни свойствалазерно лъчение, което със сигурност ще отвори нови перспективи за развитието на медицината през 21 век.

Принципът на действие на лазерния лъч се основава на факта, че енергията на фокусиран светлинен лъч рязко повишава температурата в облъчваната зона и предизвиква коагулация (съсирване) на тъканта. тъкани. Характеристики на биологичното ефектите на лазерното лъчение зависят от вида на лазера, мощността на енергията, неговата природа, структура и биологични свойства. свойства на облъчените тъкани. Тесният светлинен лъч с висока мощност позволява извършването на фотокоагулация на строго определена област от тъканта за част от секундата. Околните тъкани не са засегнати. В допълнение към коагулацията, биологични. тъкан, с висока мощност на излъчване, нейното експлозивно унищожаване е възможно от въздействието на вид ударна вълна, образувана в резултат на мигновения преход на тъканна течност в газообразно състояние под въздействието на висока температура. Видът на тъканта, цветът (пигментацията), дебелината, плътността и степента на кръвозапълване имат значение. Колкото по-голяма е мощността на лазерното лъчение, толкова по-дълбоко прониква то и толкова по-силен е ефектът му.

Очните лекари са първите, които използват лазери за лечение на пациенти, които ги използват за коагулация на ретината по време на нейното отлепване и разкъсване (), както и за унищожаване на малки вътреочни тумори и създаване на оптично зрение. дупки в окото с вторична катаракта. В допълнение, малки, повърхностно разположени тумори се унищожават с лазерен лъч и патологичните тъкани се коагулират. образувания по повърхността на кожата (пигментни петна, съдови тумори и др.). Лазерното лъчение се използва и в диагностиката. цели за изследване на кръвоносни съдове, фотографиране на вътрешни органи и др. От 1970 г. лазерните лъчи започват да се използват в хирургически процедури. операции като „светлинен скалпел“ за дисекция на телесна тъкан.

В медицината лазерите се използват като безкръвни скалпели и се използват при лечението на очни заболявания (катаракта, отлепване на ретината, лазерна корекция на зрението и др.). Намират широко приложение и в козметологията (лазерна епилация, лечение на съдови и пигментни кожни дефекти, лазерен пилинг, премахване на татуировки и старчески петна).

Видове хирургични лазери

В лазерната хирургия се използват доста мощни лазери, работещи в непрекъснат или импулсен режим, които са способни силно да нагряват биологичната тъкан, което води до нейното разрязване или изпаряване.

Лазерите обикновено се наричат ​​според вида на активната среда, която генерира лазерното лъчение. Най-известните в лазерната хирургия са неодимовият лазер и лазерът с въглероден диоксид (или CO2 лазер).

Някои други видове високоенергийни лазери, използвани в медицината, обикновено имат свои тесни области на приложение. Например в офталмологията ексимерните лазери се използват за прецизно изпаряване на повърхността на роговицата.

В козметологията KTP лазери, лазери с багрила и медни пари се използват за елиминиране на съдови и пигментни кожни дефекти; александритни и рубинени лазери се използват за епилация.

CO2 лазер

Лазерът с въглероден диоксид е първият хирургичен лазер и се използва активно от 70-те години на миналия век до днес.

Високата абсорбция във вода и органични съединения (типична дълбочина на проникване от 0,1 mm) прави CO2 лазера подходящ за широк спектър от хирургични процедури, включително гинекология, оториноларингология, обща хирургия, дерматология, дерматология и козметична хирургия.

Повърхностният ефект на лазера ви позволява да изрязвате биологична тъкан без дълбоки изгаряния. Това също прави CO2 лазера безвреден за очите, тъй като радиацията не преминава през роговицата и лещата.

Разбира се, мощен насочен лъч може да увреди роговицата, но за защита е достатъчно да имате обикновени стъклени или пластмасови очила.

Недостатъкът на 10 µm дължина на вълната е, че е много трудно да се произведе подходящо оптично влакно с добро предаване. И засега най-доброто решение е огледален шарнирен манипулатор, въпреки че това е доста скъпо устройство, трудно за настройка и чувствително към удари и вибрации.

Друг недостатък на CO2 лазера е непрекъснатата му работа. В хирургията, за ефективно рязане, е необходимо бързо да се изпари биологичната тъкан, без да се нагрява околната тъкан, което изисква висока пикова мощност, т.е. импулсен режим. Днес CO2 лазерите използват за тези цели така наречения „суперпулсен” режим, при който лазерното лъчение е под формата на пакет от кратки, но 2-3 пъти по-мощни импулси в сравнение със средната мощност на непрекъснат лазер.

Неодимов лазер

Неодимовият лазер е най-разпространеният тип твърдотелен лазер както в индустрията, така и в медицината.

Неговата активна среда - кристал от итриев алуминиев гранат, активиран от Nd:YAG неодимови йони - позволява да се получи мощно излъчване в близкия инфрачервен диапазон при дължина на вълната 1,06 µm в почти всеки режим на работа с висока ефективност и с възможност за влакно изход.

Ето защо, след CO2 лазерите, неодимовите лазери навлязоха в медицината както за целите на хирургията, така и за терапията.

Дълбочината на проникване на такова лъчение в биологичната тъкан е 6 - 8 mm и зависи доста силно от нейния вид. Това означава, че за постигане на същия ефект на рязане или изпаряване като CO2 лазер, неодимовият лазер изисква няколко пъти по-висока мощност на излъчване. И второ, настъпват значителни увреждания на тъканите под и около лазерната рана, което се отразява негативно на следоперативното й заздравяване, причинявайки различни усложнения, характерни за реакцията на изгаряне - белези, стеноза, стриктура и др.

Предпочитаната област на хирургично приложение на неодимовия лазер е обемна и дълбока коагулация в урологията, гинекологията, онкологични тумори, вътрешни кръвоизливи и др., както при открити, така и при ендоскопски операции.

Важно е да запомните, че лъчението на неодимовия лазер е невидимо и опасно за очите, дори при ниски дози разсеяно лъчение.

Използването на специален нелинеен кристал KTP (калиев титанов фосфат) в неодимовия лазер дава възможност да се удвои честотата на излъчваната от лазера светлина. Полученият KTP лазер, излъчващ във видимата зелена област на спектъра при дължина на вълната 532 nm, има способността ефективно да коагулира наситени с кръв тъкани и се използва в съдовата и козметична хирургия.

Холмиев лазер

Кристал от итриев алуминиев гранат, активиран от холмиеви йони, Ho:YAG, е способен да генерира лазерно лъчение при дължина на вълната от 2,1 микрона, което се абсорбира добре от биологичната тъкан. Дълбочината на проникване в биологичната тъкан е около 0,4 mm, т.е. сравнима с CO2 лазер. Следователно холмиевият лазер има всички предимства на CO2 лазера в хирургията.

Но двумикронното лъчение на холмиевия лазер в същото време преминава добре през кварцово оптично влакно, което прави възможно използването му за удобно доставяне на радиация до мястото на операцията. Това е особено важно, по-специално, за минимално инвазивни ендоскопски операции.

Холмиевото лазерно лъчение ефективно коагулира съдове с размер до 0,5 mm, което е напълно достатъчно за повечето хирургични интервенции. Двумикронното лъчение също е доста безопасно за очите.

Типични изходни параметри на холмиев лазер: средна изходна мощност W, максимална енергия на излъчване - до 6 J, честота на повторение на импулса - до 40 Hz, продължителност на импулса - около 500 μs.

Комбинацията от физически параметри на холмиевото лазерно лъчение се оказа оптимална за хирургически цели, което му позволи да намери множество приложения в голямо разнообразие от области на медицината.

Ербиев лазер

Ербиевият (Er:YAG) лазер има дължина на вълната 2,94 µm (среден инфрачервен). Режим на работа - импулсен.

Дълбочината на проникване на лъчението на ербиевия лазер в биологичната тъкан е не повече от 0,05 mm (50 микрона), т.е. абсорбцията му е дори пъти по-висока от тази на CO2 лазера и има изключително повърхностен ефект.

Такива параметри практически не позволяват коагулацията на биологичната тъкан.

Основните области на приложение на ербиевия лазер в медицината:

Микроресърфейсинг на кожата,

Перфорация на кожата за вземане на кръвни проби,

Изпаряване на твърди зъбни тъкани,

Изпаряване на повърхността на роговицата на окото за коригиране на далекогледство.

Лъчението на ербиевия лазер не е вредно за очите, точно както CO2 лазера, и за него също няма надежден и евтин оптичен инструмент.

Диоден лазер

В момента има цяла гама диодни лазери с широк диапазон от дължини на вълните от 0,6 до 3 микрона и параметри на излъчване. Основните предимства на диодните лазери са висока ефективност (до 60%), миниатюрни размери и дълъг експлоатационен живот (повече от 10 000 часа).

Типичната изходна мощност на един диод рядко надвишава 1 W в непрекъснат режим, а импулсната енергия е не повече от 1 - 5 mJ.

За да се получи мощност, достатъчна за операция, единични диоди се комбинират в комплекти от 10 до 100 елемента, подредени в линийка, или тънки влакна се прикрепят към всеки диод и се събират в сноп. Такива композитни лазери позволяват да се произвеждат 50 W или повече непрекъснато лъчение при дължина на вълната nm, които днес се използват в гинекологията, офталмологията, козметологията и др.

Основният режим на работа на диодните лазери е непрекъснат, което ограничава възможностите за използването им в лазерната хирургия. Когато се опитвате да приложите супер импулсен режим на работа, прекалено дългите импулси (от порядъка на 0,1 s) при генериране на дължини на вълните на диодни лазери в близкия инфрачервен диапазон рискуват да причинят прекомерно нагряване и последващо изгаряне, възпаление на околните тъкани.

В медицината лазерите са намерили своето приложение под формата на лазерен скалпел. Използването му за хирургични операции се определя от следните свойства:

Прави сравнително безкръвен разрез, тъй като едновременно с дисекцията на тъканите коагулира краищата на раната чрез „запечатване“ на не твърде големи кръвоносни съдове;

Лазерният скалпел се отличава с постоянни режещи свойства. Контактът с твърд предмет (например кост) не деактивира скалпела. За механичен скалпел подобна ситуация би била фатална;

Лазерният лъч, поради своята прозрачност, позволява на хирурга да вижда оперираната област. Острието на обикновен скалпел, както и острието на електрически нож, винаги до известна степен блокира работното поле от хирурга;

Лазерният лъч разрязва тъканта на разстояние, без да оказва механично въздействие върху тъканта;

Лазерният скалпел осигурява абсолютна стерилност, тъй като само радиацията взаимодейства с тъканта;

Лазерният лъч действа строго локално, изпаряването на тъканите става само във фокусната точка. Съседните области на тъканта се увреждат значително по-малко, отколкото при използване на механичен скалпел;

Клиничната практика показва, че рана, причинена от лазерен скалпел, почти не боли и заздравява по-бързо.

Практическото използване на лазери в хирургията започва в СССР през 1966 г. в Института А. В. Вишневски. Лазерният скалпел е използван при операции на вътрешните органи на гръдната и коремната кухина. В момента лазерните лъчи се използват за извършване на кожни пластични операции, операции на хранопровода, стомаха, червата, бъбреците, черния дроб, далака и други органи. Много е изкушаващо да се извършват операции с лазер върху органи, съдържащи голям брой кръвоносни съдове, например върху сърцето и черния дроб.

Лазерните инструменти са особено широко използвани в очната хирургия. Окото, както знаете, е орган с много фина структура. В очната хирургия прецизността и бързината на манипулацията са особено важни. Освен това се оказа, че при правилен подбор на честотата на лазерното лъчение, то свободно преминава през прозрачните тъкани на окото, без да оказва никакво въздействие върху тях. Това ви позволява да извършвате операции върху лещата на окото и фундуса, без да правите никакви разрези. В момента успешно се извършват операции за отстраняване на лещата чрез изпаряването й с много кратък и мощен импулс. В този случай няма увреждане на околните тъкани, което ускорява лечебния процес, който отнема буквално няколко часа. От своя страна това значително улеснява последващото имплантиране на изкуствена леща. Друга успешно овладяна операция е заваряване на отлепена ретина.

Лазерите се използват доста успешно и при лечението на такива често срещани очни заболявания като миопия и далекогледство. Една от причините за тези заболявания е промяна в конфигурацията на роговицата по някаква причина. С помощта на много прецизно дозирано облъчване на роговицата с лазерно лъчение е възможно да се коригират нейните дефекти, възстановявайки нормалното зрение.

Трудно е да се надцени значението на използването на лазерната терапия при лечението на множество онкологични заболявания, причинени от неконтролираното делене на модифицирани клетки. Чрез прецизно фокусиране на лазерния лъч върху клъстери от ракови клетки, клъстерите могат да бъдат напълно унищожени, без да се увреждат здравите клетки.

Различни лазерни сонди намират широко приложение при диагностициране на заболявания на различни вътрешни органи, особено в случаите, когато използването на други методи е невъзможно или много трудно.

За медицински цели се използва нискоенергийно лазерно лъчение. Лазерната терапия се основава на комбинацията от излагане на тялото на импулсно широколентово лъчение от близкия инфрачервен диапазон заедно с постоянно магнитно поле. Терапевтичният (лечебен) ефект на лазерното лъчение върху живия организъм се основава на фотофизични и фотохимични реакции. На клетъчно ниво, в отговор на действието на лазерното лъчение, енергийната активност на клетъчните мембрани се променя, активира се ядреният апарат на клетките на ДНК-РНК-протеиновата система и следователно се увеличава биоенергийният потенциал на клетките. Реакцията на ниво организъм като цяло се изразява в клинични прояви. Това са аналгетични, противовъзпалителни и антиедематозни ефекти, подобряване на микроциркулацията не само в облъчените тъкани, но и в околните тъкани, ускоряване на заздравяването на увредената тъкан, стимулиране на общи и локални имунопротективни фактори, намаляване на холецистита в кръвта, бактериостатичен ефект.

ЛАЗЕР(съкращение от началните букви на англ. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - усилване на светлината чрез стимулирано излъчване; син. оптичен квантов генератор) - техническо средство, излъчващи електромагнитно лъчение, фокусирано под формата на лъч в диапазона от инфрачервени до ултравиолетови лъчи, което има високо енергийно и биологично действие. L. са създадени през 1955 г. от Н. Г. Басов, А. М. Прохоров (СССР) и Ч. Таунс (САЩ), които през 1964 г. получават Нобелова награда за това изобретение.

Основните части на лазера са работната течност или активната среда, лампата на помпата и огледалният резонатор (фиг. 1). Лазерното лъчение може да бъде непрекъснато или импулсно. Полупроводниковите лазери могат да работят и в двата режима. В резултат на силен светлинен проблясък от лампата на помпата, електроните на активното вещество преминават от спокойно състояние във възбудено. Действайки един на друг, те създават лавина от светлинни фотони. Отразявайки се от резонансните екрани, тези фотони, пробивайки полупрозрачния огледален екран, се появяват като тесен монохроматичен лъч от високоенергийна светлина.

Работната течност на стъкло може да бъде твърда (кристали от изкуствен рубин с добавяне на хром, някои волфрамови и молибденови соли, различни видове стъкло с примес на неодим и някои други елементи и др.), Течна (пиридин, бензен, толуен, бромонафталин, нитробензен и др.), газ (смес от хелий и неон, хелиеви и кадмиеви пари, аргон, криптон, въглероден диоксид и др.).

За да прехвърлите атомите на работния флуид в възбудено състояние, можете да използвате светлинно лъчение, поток от електрони, поток от радиоактивни частици, химикал. реакция.

Ако си представим активната среда като изкуствен рубинен кристал с примес на хром, чиито успоредни краища са оформени под формата на огледало с вътрешно отражение и един от тях е полупрозрачен, и този кристал е осветен с мощен светкавица на лампа с помпа, след това в резултат на такова силно осветление или, както обикновено се нарича, оптично изпомпване, по-голям бройхромовите атоми ще преминат във възбудено състояние.

Връщайки се в основното състояние, атомът на хрома спонтанно излъчва фотон, който се сблъсква с възбудения атом на хром, нокаутирайки друг фотон. Тези фотони, на свой ред се срещат с други възбудени хромни атоми, отново нокаутират фотони и този процес нараства като лавина. Потокът от фотони, многократно отразен от краищата на огледалото, нараства, докато плътността на енергията на излъчване достигне гранична стойност, достатъчна за преодоляване на полупрозрачното огледало, и избухва под формата на импулс от монохроматично кохерентно (строго насочено) излъчване, дължината на вълната на която е 694 .3 nm и продължителност на импулса 0.5-1.0 ms с енергия от фракции до стотици джаули.

Енергията на светлинно изригване може да се оцени, като се използва следният пример: общата енергийна плътност на спектъра на слънчевата повърхност е 10 4 W/cm 2 , а фокусиран лъч от светлина с мощност 1 MW създава интензитет на излъчване при фокус до 10 13 W/cm 2 .

Монохроматичността, кохерентността, малкият ъгъл на отклонение на лъча и възможността за оптично фокусиране позволяват да се получи висока концентрация на енергия.

Фокусиран лазерен лъч може да бъде насочен върху площ от няколко микрона. Така се постига колосална концентрация на енергия и се създава изключително висока температура в облъчвания обект. Лазерното лъчение разтапя стомана и диамант и унищожава всеки материал.

Лазерни устройства и техните области на приложение

Специалните свойства на лазерното лъчение - висока насоченост, кохерентност и монохроматичност - откриват практически големи възможности за използването му в различни области на науката, техниката и медицината.

За мед За цели се използват различни лазери, чиято мощност на излъчване се определя от целите на хирургичното или терапевтично лечение. В зависимост от интензивността на облъчването и характеристиките на взаимодействието му с различни тъкани се постигат ефектите на коагулация, екстирпация, стимулация и регенерация. В хирургията, онкологията и офталмологичната практика се използват лазери с мощност десетки ватове, а за получаване на стимулиращ и противовъзпалителен ефект се използват лазери с мощност десетки миливати.

С помощта на L. е възможно едновременно да се предават огромен брой телефонни разговори, да се комуникира както на земята, така и в космоса и да се локализират небесни тела.

Малката дивергенция на лазерния лъч им позволява да се използват в геодезическата практика, изграждането на големи инженерни съоръжения, за кацане на самолети и в машиностроенето. Газовите лазери се използват за получаване на триизмерни изображения (холография). В геодезическата практика широко се използват различни видове лазерни далекомери. L. се използват в метеорологията, за наблюдение на замърсяването на околната среда, в измервателната и компютърната техника, инструментостроенето, за обработка на размери на микроелектронни вериги и иницииране на химични реакции. реакции и др.

В лазерната технология се използват както твърдотелни, така и газови лазери с импулсно и непрекъснато действие. За рязане, пробиване и заваряване на различни високоякостни материали - стомани, сплави, диаманти, камъни за часовници - се произвеждат лазерни системи на въглероден диоксид (LUND-100, TILU-1, Impulse), на азот (Signal-3), на рубин (LUCH-1M, K-ZM, LUCH-1 P, SU-1), върху неодимови стъкла (Kvant-9, Korund-1, SLS-10, Kizil) и др. Повечето лазерни технологични процеси използват термично ефект на светлината, причинен от нейното поглъщане обработен материал. За увеличаване на плътността на радиационния поток и локализиране на зоната на лечение се използват оптични системи. Характеристиките на лазерната технология са следните: висока плътност на енергията на излъчване в зоната на обработка, което дава необходимия топлинен ефект за кратко време; локалност на въздействащото лъчение, поради възможността за неговото фокусиране и светлинни лъчи с изключително малък диаметър; малка термично засегната зона, осигурена от краткотрайно излагане на радиация; възможност за провеждане на процеса във всяка прозрачна среда, чрез технологични прозорци. камери и др.

Мощността на излъчване на лазерите, използвани за контролно-измервателни уреди на системи за насочване и комуникация, е ниска от порядъка на 1-80 mW. За експериментални изследвания (измерване на дебита на течности, изследване на кристали и т.н.) се използват мощни лазери, генериращи лъчение в импулсен режим с пикова мощност от киловати до хектовати и продължителност на импулса 10 -9 -10 -4 секунди . За обработка на материали (рязане, заваряване, пробиване на отвори и т.н.) се използват различни лазери с изходна мощност от 1 до 1000 вата или повече.

Лазерните устройства значително повишават ефективността на труда. Така, лазерно рязанеосигурява значителни спестявания на суровини, незабавното пробиване на дупки във всякакви материали улеснява работата на бормашината, лазерният метод за производство на микросхеми подобрява качеството на продуктите и т.н. Може да се твърди, че лазерът се е превърнал в едно от най-често използваните устройства за научни, технически и медицински приложения. цели.

Механизмът на действие на лазерния лъч върху биологичната тъкан се основава на факта, че енергията на светлинния лъч рязко повишава температурата в малка част от тялото. Температурата в облъчената област, според J. P. Minton, може да се повиши до 394 °, поради което патологично променената област моментално изгаря и се изпарява. Топлинният ефект върху околните тъкани се простира на много късо разстояние, тъй като ширината на директния монохроматичен фокусиран радиационен лъч е равна на

0,01 мм. Под въздействието на лазерното лъчение се извършва не само коагулацията на живите тъканни протеини, но и експлозивното му разрушаване от действието на вид ударна вълна. Тази ударна вълна се образува в резултат на факта, че при високи температури тъканната течност моментално преминава в газообразно състояние. Характеристиките на биологичното действие зависят от дължината на вълната, продължителността на импулса, мощността, енергията на лазерното лъчение, както и от структурата и свойствата на облъчените тъкани. От значение са цветът (пигментацията), дебелината, плътността, степента на напълване на тъканите с кръв, физиологията им, състоянието и наличието на патол, промени в тях. Колкото по-голяма е мощността на лазерното лъчение, толкова по-дълбоко прониква то и толкова по-силен е ефектът му.

В експериментални изследвания е изследвано въздействието на светлинното лъчение от различни диапазони върху клетките, тъканите и органите (кожа, мускули, кости, вътрешни органи и др.). резултатите се различават от топлинните и радиационни ефекти. След директно излагане на лазерно лъчение върху тъкани и органи, в тях се появяват ограничени лезии с различна площ и дълбочина, в зависимост от естеството на тъканта или органа. При гистол, изучавайки тъкани и органи, изложени на L., в тях могат да се идентифицират три зони на морфолни промени: зоната на повърхностна коагулационна некроза; област на кръвоизлив и подуване; зона на дистрофични и некробиотични промени в клетката.

Лазери в медицината

Развитието на импулсни лазери, както и на непрекъснати лазери, способни да генерират светлинно лъчение с висока енергийна плътност, създаде условия за широкото използване на лазерите в медицината. До края на 70-те години. 20-ти век Лазерното облъчване започва да се използва за диагностика и лечение в различни области на медицината - хирургия (включително травматология, сърдечно-съдова, коремна хирургия, неврохирургия и др.) > онкология, офталмология, стоматология. Трябва да се подчертае, че основателят съвременни методиЛазерната микрохирургия на очите е съветският офталмолог, академик на Академията на медицинските науки на СССР М. М. Краснов. Има перспективи за практическото използване на L. в терапията, физиотерапията и др. Спектрохимичните и молекулярните изследвания на биологични обекти вече са тясно свързани с развитието на лазерна емисионна спектроскопия, абсорбционна и флуоресцентна спектрофотометрия с помощта на честотно регулируем L., лазерен Раман спектроскопия. Тези методи, наред с повишаването на чувствителността и точността на измерванията, съкращават времето за анализ, което доведе до рязко разширяване на обхвата на изследванията за диагностика на професионални заболявания, наблюдение на употребата на лекарства, в областта на съдебната медицина, и др. В комбинация с оптични влакна, методите на лазерната спектроскопия могат да се използват за рентгеново изследване на гръдна кухина, изследване на кръвоносни съдове, фотографиране на вътрешни органи с цел изследване на техните функции, функции и откриване на тумори.

Изследване и идентифициране на големи молекули (ДНК, РНК и др.) И вируси, имунол, изследване, изследване на кинетиката и биола, активност на микроорганизми, микроциркулация в кръвоносните съдове, измерване на дебита на биола, течности - основните области на приложение на лазерните Rayleigh и Доплерови спектрометрични методи, високочувствителни експресни методи, които позволяват да се правят измервания при изключително ниски концентрации на изследваните частици. С помощта на L. се извършва микроспектрален анализ на тъканите, ръководен от естеството на веществото, което се е изпарило под въздействието на радиация.

Дозиметрия на лазерно лъчение

Поради колебания в мощността активно тяло L., особено газ (например хелий-неон), по време на тяхната работа, както и в съответствие с изискванията за безопасност, дозиметричният мониторинг се извършва систематично с помощта на специални дозиметри, калибрирани спрямо стандартни еталонни електромери, по-специално тип IMO-2 , и сертифицирана държавна метрологична служба. Дозиметрията ви позволява да определите ефективни терапевтични дози и плътност на мощността, което определя биол, ефективността на лазерното лъчение.

Лазери в хирургията

Първата област на приложение на L. в медицината е хирургията.

Показания

Способността на L. лъча да дисектира тъкан направи възможно въвеждането му в хирургическата практика. Бактерицидният ефект и коагулиращите свойства на "лазерния скалпел" послужиха като основа за използването му при операции на стомашно-чревния тракт. тракт, паренхимни органи, по време на неврохирургични операции, при пациенти, страдащи от повишено кървене (хемофилия, лъчева болест и др.).

Хелиево-неонови и въглеродни двуокисни лазери се използват успешно при някои хирургични заболявания и наранявания: инфектирани, дълготрайно незарастващи рани и язви, изгаряния, облитериращ ендартериит, деформиращи артрози, фрактури, автотрансплантация на кожа върху повърхности на изгаряния, абсцеси и флегмони на меки тъкани и др. Лазерните апарати “Scalpel” и “Pulsar” са предназначени за рязане на кости и меки тъкани. Установено е, че радиацията на L. стимулира процесите на регенерация, променяйки продължителността на фазите на раневия процес. Например, след отваряне на язви и лечение на стените на L. кухини, времето за зарастване на раните е значително намалено в сравнение с други методи на лечение поради намаляване на инфекцията на повърхността на раната, ускоряване на почистването на раната от гнойно-некротични маси и образуване на гранулации и епителизация. Проучванията с Gistol и cytol показват увеличаване на репаративните процеси поради увеличаване на синтеза на РНК и ДНК в цитоплазмата на фибробластите и съдържанието на гликоген в цитоплазмата на неутрофилните левкоцити и макрофаги, намаляване на броя на микроорганизмите и броят на микробните асоциации в секрета от раната, намаляване на биола, активността на патогенния стафилокок.

Методика

Лезията (рана, язва, повърхност на изгаряне и т.н.) е условно разделена на полета. Всяко поле се облъчва ежедневно или през 1-2 дни с лазери с ниска мощност (10-20 mW) за 5-10 минути. Курсът на лечение е 15-25 сесии. Ако е необходимо, след 25-30 дни можете да повторите курса; обикновено не се повтарят повече от 3 пъти.

Лазери в онкологията

През 1963-1965г В СССР и CETA са проведени експерименти върху животни, които показват, че L. радиацията може да унищожи трансплантируемите тумори. През 1969 г. в Института по онкологични проблеми на Академията на науките на Украинската ССР (Киев) е открит първият отдел по онкология с лазерна терапия, оборудван със специална инсталация, с помощта на която са лекувани пациенти с кожни тумори ( Фиг. 2). Впоследствие се правят опити за разпространение на лазерната терапия при тумори и други локализации.

Показания

L. се използва за лечение на доброкачествени и злокачествени кожни тумори, както и някои предракови състояния на женските полови органи. Ефектите върху дълбоко разположени тумори обикновено изискват излагането им, тъй като лазерното лъчение е значително отслабено при преминаване през тъкан. Поради по-интензивното поглъщане на светлина, пигментните тумори - меланоми, хемангиоми, пигментни невуси и др. - се поддават по-лесно на лазерна терапия от непигментираните (Фиг. 3). Разработват се методи за използване на L. за лечение на тумори на други органи (ларинкс, гениталии, млечна жлеза и др.).

Противопоказаниеза използване на L. са тумори, разположени в близост до очите (поради риск от увреждане на органа на зрението).

Методика

Има два метода за използване на L.: облъчване на тумора с цел некротизация и неговото изрязване. При провеждане на лечение с цел предизвикване на туморна некроза се извършва: 1) обработка на обекта с малки дози радиация, йод, които унищожават туморния участък, а останалата част от него постепенно некротира; 2) облъчване с високи дози (от 300 до 800 J/cm2); 3) многократно облъчване, което води до пълна смърт на тумора. Когато се лекува с метода на некротизация, облъчването на кожни тумори започва от периферията, като постепенно се придвижва към центъра, обикновено улавяйки гранична ивица от нормална тъкан с ширина 1,0-1,5 см. Необходимо е да се облъчи цялата маса на тумора, тъй като не -облъчените зони са източник на повторен растеж. Количеството енергия на излъчване се определя от вида на лазера (импулсен или непрекъснат), спектралната област и други параметри на излъчване, както и от характеристиките на тумора (пигментация, размер, плътност и др.). При лечение на непигментирани тумори в тях могат да се инжектират оцветени съединения, за да се подобри абсорбцията на радиация и разрушаването на тумора. Поради некроза на тъканите на мястото на кожния тумор се образува черна или тъмно сива кора, ръбовете изчезват след 2-6 седмици. (фиг. 4).

При изрязване на тумор с помощта на лазер се постига добър хемостатичен и асептичен ефект. Методът е в процес на разработка.

Резултати

L. всеки тумор, достъпен за радиация, може да бъде унищожен. В този случай няма странични ефекти, особено в хемопоетичната система, което прави възможно лечението на пациенти в напреднала възраст, изтощени пациенти и деца ранна възраст. При пигментираните тумори селективно се унищожават само туморните клетки, което осигурява щадящ ефект и благоприятни козметични резултати. Лъчението може да бъде прецизно фокусирано и следователно интервенцията може да бъде строго локализирана. Кръвоспиращият ефект на лазерното лъчение позволява да се ограничи загубата на кръв). Успешни резултати при лечението на рак на кожата, според 5-годишни наблюдения, са отбелязани в 97% от случаите (фиг. 5).

Усложнения: овъгляване

тъкани при дисекция.

Лазери в офталмологията

Традиционните импулсни немодулирани лазери (обикновено рубинени) се използват до 70-те години. за каутеризация на фундуса, например с цел образуване на хориоретинален адхезив при лечение и профилактика на отлепване на ретината, при малки тумори и др. На този етап обхватът на тяхното приложение е приблизително същият като този на фотокоагулаторите, използващи конвенционален (немонохроматичен, некохерентен) светлинен лъч.

През 70-те години В офталмологията успешно се използват нови видове лазери (цветни фигури 1 и 2): газови лазери с постоянно действие, модулирани лазери с „гигантски“ импулси („студени“ лазери), лазери на базата на багрило и редица други. Това значително разшири зоната на приложение на клин върху окото - стана възможно активно да се намесва върху вътрешните мембрани на окото, без да се отваря кухината му.

Следните области клин, лазерна офталмология са от голямо практическо значение.

1. Известно е, че съдовите заболявания на очното дъно излизат (и в редица страни вече са излезли) на първо място сред причините за нелечима слепота. Сред тях е широко разпространена диабетната ретинопатия, която се развива при почти всички пациенти с диабет с продължителност на заболяването 17-20 години.

Обикновено пациентите губят зрението си в резултат на повтарящи се вътреочни кръвоизливи от новообразувани патологично променени съдове. С помощта на лазерен лъч (най-добри резултати се получават с газ, например аргон, постоянни лазери) се подлагат на коагулация както променени съдове с зони на екстравазация, така и зони на новообразувани съдове, особено податливи на разкъсване. Успешен резултат, който продължава няколко години, се наблюдава при приблизително 50% от пациентите. Обикновено незасегнатите области на ретината, които нямат основна функция, се коагулират (панретинална коагулация).

2. Тромбозата на съдовете на ретината (особено на вените) също стана достъпна за директно лечение. експозиция само с помощта на L. Лазерната коагулация помага за активиране на кръвообращението и оксигенацията в ретината, намаляване или премахване на трофичния оток на ретината, който не може да бъде лекуван. експозицията обикновено завършва с тежки необратими промени (цв. Фиг. 7-9).

3. Дегенерацията на ретината, особено в стадия на транссудация, в някои случаи може да бъде успешно лекувана с лазерна терапия, което е практически единственият начин за активна намеса в този патологичен процес.

4. Фокални възпалителни процеси в очното дъно, перифлебит, ограничени проявиангиоматозата в някои случаи също може да бъде успешно лекувана с лазерна терапия.

(вижте) направи възможно извършването на нехирургична иридектомия" и по този начин трансформация операцияза амбулаторна процедура. Съвременните методи на лазерна иридектомия, по-специално методът на двуетапна иридектомия с помощта на два L., разработен в СССР от М. М. Краснов и др., Позволяват постигане на иридектомия при почти 100% от пациентите (фиг. 6); неговият хипотензивен ефект (както при хирургическа интервенция) до голяма степен зависи от навременността на процедурата (в по-късните етапи се развиват сраствания в ъгъла на предната камера - така наречената гониосинехия, изискваща допълнителни мерки). С т.нар глаукома с отворен ъгъл, използвайки метода на лазерна гониопунктура, може да избегне хирургично лечение при приблизително 60% от пациентите (фиг. 7 и цвят. Фиг. 3); За тази цел в Съветския съюз за първи път в света беше разработена фундаментална техника на лазерна гониопунктура с помощта на модулиран импулсен („студен“) L. Лазерната коагулация на цилиарното тяло също е възможна за намаляване на вътреочното налягане чрез намаляване на производството на вътреочна течност. Доказан е благоприятният ефект на L. върху протичането на вирусните процеси в роговицата, особено при някои форми на херпесен кератит, чието лечение е труден проблем.

С появата на нови видове лазер и нови методи за неговото използване върху окото, възможностите на лазерната терапия и лазерната микрохирургия в офталмологията непрекъснато се разширяват. Поради сравнителната новост на лазерните методи естеството на дългосрочните резултати от лечението на редица заболявания (диабетни очни лезии, възпалителни и дегенеративни процеси в ретината и др.) се нуждае от допълнително изясняване.

От допълнителни материали

Лазер при лечение на глаукома. Целта на лазерното лечение на глаукома (виж) е нормализиране на вътреочното налягане (виж). Същността и механизмът на хипотензивния ефект на лазерното лъчение може да варира в зависимост от формата на глаукома и характеристиките на използвания лазерен източник. Най-голямо разпространение има в офталмологията. На практика са получени аргонови лазери с непрекъсната вълна и импулсни лазерни източници на базата на рубин и итрий-алуминиев гранат. В рубинен лазерен източник активната среда е рубинен кристал, обогатен с йони на тривалентен хром (A1203:

Cr3+), и в лазерен източник на базата на итрий-алуминиев гранат -

кристал от итриев алуминиев гранат, активиран с тривалентни неодимови йони (Y3A15012:

В случай на закритоъгълна глаукома се използва лазер за създаване на проходен отвор в ириса на засегнатото око (лазерна иридотомия), в резултат на което се подобрява изтичането на вътреочна течност.

Показания за лазерна иридотомия са периодично повтарящи се остри пристъпи на повишено вътреочно налягане с нормалното му ниво в междупристъпния период, както и постоянно повишаване на вътреочното налягане при липса на синехиални промени в ъгъла на предната камера на окото; Използват се три вида лазерна иридотомия: послойна, едноетапна и комбинирана лазерна иридотомия. И при трите метода на лазерно излагане се избира най-тънката област в стромата на периферната част на ириса (виж).

Послойна лазерна иридотомия се извършва с аргонов лазер. В този случай импулсите се прилагат последователно към една точка, което води до постепенно образуване на вдлъбнатина в стромата на ириса и след това на проходен отвор. По време на лечението, от 1 до

4 сесии. За извършване на едновременна лазерна иридотомия се използва лазер с къс импулс. Когато върху повърхността на ириса се приложи един фокусиран лазерен импулс, се образува проходен отвор (виж Колобома). Комбинираната лазерна иридотомия съчетава елементи от послойна и едноетапна иридотомия и се извършва на два етапа. На първия етап ирисът се коагулира с аргоново лазерно лъчение с цел формирането му през следващите 2-3 седмици. област на атрофия и изтъняване на стромата. На втория етап се извършва едноимпулсна перфорация на ириса с помощта на краткоимпулсно лазерно лъчение.

При откритоъгълна глаукома се използва лазер за възстановяване на пропускливостта на засегнатата дренажна система; в този случай се използва лазерна гониопунктура (оформят се изкуствени отвори в трабекулите и вътрешната стена на канала на Шлемов) и лазерна трабекулопластика - коагулация на трабекулите или предната част на цилиарното (цилиарното) тяло, което води до напрежение на трабекули и разширяване на междутрабекуларните пространства. Лазерното лечение е показано в случаи на неефективност на лекарствената терапия или непоносимост към използваните лекарства, тъй като заболяването прогресира.

При лазерната гониопунктура като лазерен източник се използва лазер с къс импулс. Последователно се прилагат 15-20 лазерни импулса в един ред, фокусирани върху повърхността на трабекулите в проекцията на Шлемовия канал; интервенцията се извършва в долната половина на ъгъла на предната камера на окото.

При лазерната трабекулопластика като лазерен източник се използва аргонов лазер. По цялата обиколка на канала на Schlemm се прилагат 80 до 120 импулса под формата на пунктирана линия на границата между канала на Schlemm и предния ограничителен пръстен на Schwalbe (вижте Гониоскопия) или два успоредни реда по протежение на предната част на цилиарното тяло. (лазерен трабекулоспазис).

Усложненията на лазерното лечение на глаукома могат да включват леко кървене от съдовете на ириса, разрушени от лазерния импулс; дългосрочен бавен ирит (виж Иридоциклит) без очевидни клинове, прояви, с образуването на планарни задни синехии в по-късните етапи; реактивно повишаване на вътреочното налягане, развиващо се след непълна лазерна иридотомия; в редки случаи се наблюдава увреждане на ендотела на роговицата (виж) чрез лазерно лъчение, когато лазерният лъч не е ясно фокусиран върху повърхността на ириса. Спазването на необходимите превантивни мерки (правилен избор на мястото на експозиция и правилно техническо изпълнение на метода) прави честотата на тези усложнения минимална.

Прогнозата за лазерно лечение на глаукома е благоприятна, особено в началния стадий на заболяването: в повечето случаи се наблюдава нормализиране на вътреочното налягане и стабилизиране на зрителните функции.

Вижте също Глаукома.

Лазерна фотокоагулация при лечение на диабетна ретинопатия. Консервативните методи за лечение на диабетна ретинопатия (виж) са неефективни. През последното десетилетие лазерите се използват активно при лечението на това заболяване. Лазерната фотокоагулация на големи участъци от исхемичната ретина води до нейното разрушаване и спиране на растежа на новообразуваните съдове.

Лазерната фотокоагулация при пациенти с диабетна ретинопатия е показана, когато се появят първите признаци на исхемия на ретината, открити чрез флуоресцеинова ангиография (виж): patol. пропусклив

мост на капилярите на ретината; появата на неперфузирани области на ретината, разположени извън зоната на макулата; признаци на неоваскуларизация бяха открити за първи път върху главата на зрителния нерв и по главните клонове на централните артерии и вената на ретината. В по-късните стадии на процеса, характеризиращи се с изразена глиална пролиферация, лазерната фотокоагулация е противопоказана. За лечение на диабетна ретинопатия най-често срещаният лазерен източник е аргоновият лазерен фотокоагулатор. Оптималната техника се счита за панретинална лазерна фотокоагулация, при която се подлага на коагулация голяма площ от повърхността на ретината - от централните участъци до екватора и, ако е необходимо, крайната периферия. Само макулната област с папиломакуларния сноп и главата на зрителния нерв остават непокътнати. Техните импулси се прилагат на интервали, равни на половината от диаметъра на лазерното петно. Нормалните съдове на ретината не коагулират. Когато се отдалечите от центъра на фундуса към периферията, диаметърът на фокусното петно ​​на лазерния лъч се увеличава. Панретиналната фотокоагулация се извършва в 3-4 сесии с интервали между тях от 2 до 7 дни. Общият брой лазерни коагулации за едно око може да достигне 2000-2500. Възможно е също да се използват директни коагулиращи лазерни ефекти върху новообразувани съдове - директна фокална лазерна фотокоагулация. Снопове от новообразувани съдове се коагулират чрез прилагане на голям брой импулси към тях, докато кръвотокът в тях напълно спре.

Панретиналната и фокалната лазерна фотокоагулация често се комбинират.

Най-честото усложнение на лазерното лечение на диабетна ретинопатия (до 10% от случаите) е кръвоизлив в ретината (виж) и стъкловидното тяло (виж) - частичен или пълен хемофталм (виж), утежняващ хода на диабетната ретинопатия, намаляващ зрителната функция. острота и усложнява по-нататъшното използване на лазерна фотокоагулация. Възможен е реактивен оток на макулната област на ретината или развитие на остра исхемия, набръчкване на стъкловидното тяло (поради прекомерното му нагряване), което води до необратимо намаляване на зрителната острота.

Предотвратяването на описаните усложнения на лазерната фотокоагулация се състои от показания и внимателно спазване на техниката на метода. При спазване на тези условия лазерната фотокоагулация води до трайно подобрение при повече от половината пациенти с диабетна ретинопатия.

Вижте също Захарен диабет.

Библиография V. S. Лазерни методи за лечение на първична глаукома, Вестн. офталмология, № 6, стр. 19, 1982; Ако

Пян В. С. и Дроздова Н. М. Терапевтична и превантивна стойност на лазерната иридектомия в клиниката на първичната ъглова глаукома, пак там, № 1, стр. 10, 1977; те са, Едноимпулсна лазерна иридектомия, пак там, № 4, стр. 15, 1981; Краснов М. М. Лазерна микрохирургия на очите, пак там, № 1, стр. 3, 1973; Краснов М. М. Лазерна пункция на ъгъла на предната камера при глаукома, пак там, № 3, стр. 27, 1972; o N e, Микрохирургия на глаукома, М., 1980;

Краснов М. М. и др., Лазерно лечение на първична откритоъгълна глаукома, Вестн. офталмология, № 5, стр. 18, 1982; Bass M.S., Perkins E.S.a. Wheeler S. B. Експериментални резултати с импулсен багрилен лазер, Advanc. офтал., v. 34, стр. 164, 1977; Бас М. С. а. о. Лазерна иридотомия за единично лечение, Brit, J. Ophthal., v. 63, стр. 29, 1979; Изследване на диабетна ретинопатия. Шести и седми доклади от проучването за диабетна ретинопатия,

Инвестирам. Офтален. Vis. Sci., v. 21, N 1, pt 2, 1981; Групата за изследване на диабетна ретинопатия, Фотокоагулационно лечение на пролиферативна диабетна ретинопатия, Офталмология, v. 85, стр. 82, 1978; The

Изследователска група за проучване на диабетна ретинопатия, Предварителен доклад за ефектите от фотокоагулационната терапия, Amer. J. Ophthal., v. 81, стр. 383, 1976; Хагер Х. Бесондере

mikrochirurgische Eingriffe, 2. Etst Er-fahrungen mitdem Argon-Laser-Gerat 800, Клин. НИЕ. Augenheilk., Bd 162, S. 437, 1973; L'Esperance F. A. a. James W. A. ​​Диабетна ретинопатия, клинична оценка и управление, St Louis, 1981; Perkins E. S. Лазерна иридотомия, Brit. мед. Й., в. 1, стр. 580, 1970; Perkins E. S. a. Brown N. W. A. ​​Иридотомия с рубинен лазер, Брит. J. Ophthal., v. 57, стр. 487, 1973; Wise J. B, Лечение на глаукома чрез трабекуларно затягане с аргонов лазер, Int. офталмологичен Clin., v. 21, стр. 69, 1981; о-

n D. M. a. Wickham M. G. Аргонова лазерна трабекулотомия, Trans. амер. акад. Офтален. Отоларинг., v. 78, стр. 371,

1974. В. С. Акопян.

Лазери в стоматологията

Експерименталната и теоретична обосновка за използването на радиация в стоматологията беше изследването на особеностите на механизма на действие на радиацията на различни видове радиация върху зъбите (виж Зъби, увреждане), челюстите и устната лигавица.

Диагностиката на заболявания на зъбите и челюстите с помощта на L. има значителни предимства в сравнение с радиографията. L. се използва за трансилюминация (трансилюминация) с помощта на гъвкави световоди от фибростъкло, за да се открият микропукнатини в зъбния емайл (включително на проксималните труднодостъпни повърхности на зъбните корони), субгингивален зъбен камък и да се определи състоянието на зъбна пулпа (зъби, мумификация, некроза и др.) и др.), състоянието на корените на млечните зъби, зачатъците на коронките и корените на постоянните зъби при децата. Лазерните източници на светлина се използват във фотоплетизмографията (виж Плетизмография) и за диагностика на заболявания на зъбната пулпа, пародонта и челюстите. Лазерната холография се извършва за диагностика и оценка на ефективността на лечението на вродени и придобити лицеви деформации и във функционалната диагностика на стоматологията, заболявания, за дешифриране и анализ на реограми, полярограми, фотоплетизмограми, миограми и др.

Предотвратяване начални етапикариес и некариозни лезии на зъбите (ерозии, клиновидни дефекти и др.) се извършват чрез "остъкляване" на увредените участъци от зъбния емайл с гранат, въглероден диоксид и други лазери, работещи в режим на Q-превключване на радиация (ниска импулсна мощност и висока честота на импулса), което позволява да се избегнат неблагоприятните ефекти на високите температури върху зъбната пулпа, образуването на микропукнатини в емайла и дентина. Същите лазери се използват за заваряване на шевове между пломбите и зъбния емайл, което предотвратява рецидивите на кариеса, а ултравиолетовите лазери се използват за втвърдяване на сиалианти (адхезиви) при покриване на фисури на дъвкателните зъби при деца.

За интервенции на челюстите (изрязване на кости, фенестрация, компактостеотомия, налагане на костни шевове на челюстни фрагменти при фрактури, остеопластика и др.) се използват лазери гранат, въглероден диоксид и др.С помощта на същите тези лазери се изработват зъбите подготвено и спешно отваряне на кухината се извършва зъб за пулпит, резекция на върха на корена на зъба за периодонтит, цистотомия и цистектомия, максиларна синусотомия, алвеолотомия, резекция на челюстите за кост, например, адамантинома, одонтомия и др. тумори на челюстите. За операции на меките тъкани, включително пластична хирургия на червената граница на устните и кожата на лицето, както и за хирургично лечение на заболявания на слюнчените жлези, хемангиоми и други тумори на лицево-челюстната област, се използва лазерен "скалпел".

Най-широко използваните в стоматологията са високоефективните хелий-неонови L. за лечение на възпалителни заболявания на устната лигавица (херпесен и хроничен, рецидивиращ афтозен стоматит, херпес на устните, глосалгия, глосит, лихен планус, ексудативна еритема мултиформе, Melkersson-Rosenthal синдром и др.). пародонтоза. Отбелязва се, че лазерното облъчване е придружено от стимулиране на заздравяването на следоперативни рани, изгаряния на устната лигавица и кожата на лицето, трофични язви на устната кухина и др.

Усложнения. Лазерното лъчение, при неправилно и невнимателно използване, може да причини големи вреди както на пациента, така и на медицинския персонал - да предизвика кръвоизлив от кръвоносните съдове, да доведе до изгаряне на очите, некроза, увреждане на кости, кръвоносни съдове, паренхимни органи, кръв и ендокринни жлези. Предотвратяването на усложнения до голяма степен зависи от правилното познаване на техниката на лечение, подбора на пациентите и оптималната техника на лечение.

Хигиена на труда при работа с лазери

Хигиенни характеристики на производствените фактори, съпътстващи работата на лазерните инсталации.

Клинични, хигиенни и експериментални изследвания показват, че лазерното лъчение е едно от биологично активните физически вещества. фактори и могат да представляват опасност за хората. Това обстоятелство обуславя необходимостта от разработване на мерки за здравословни и безопасни условия на труд при работа с лазерни системи и организиране на текуща и профилактична поддръжка. надзор върху тяхното изпълнение и експлоатация.

В механизма на биол, действието на лазерите с непрекъснато излъчване, на първо място е топлинният ефект. Със скъсяването на импулса и увеличаването на мощността на излъчване значението на механичния ефект нараства. Експерименталните изследвания относно механизма на действие показват, че биологичният ефект зависи от дължината на вълната на лъчението, енергията, продължителността на импулса, честотата на повторение на пулса, естеството на лъчението (директно, огледално или дифузно отразено), както и от анатомичните и физиологични характеристики на облъчвания обект.

Под действието на лазерно лъчение с относително висока интензивност, заедно с морфола, тъканта се променя директно на мястото на облъчване, възникват различни функции и промени от рефлекторен характер. Установено е също, че лицата, обслужващи лазерни инсталации, при излагане на лазерно лъчение с нисък интензитет, развиват функции и промени в c. н. стр., сърдечно-съдовата, ендокринната системи, в зрителния анализатор. Експериментални данни и наблюдения върху хора показват, че функционалните промени могат да бъдат изразени и да доведат до здравословни проблеми. Следователно концерт. мерките трябва да вземат предвид възможността не само за вредното въздействие на лазерната енергия, но и да изхождат от факта, че този фактор е недостатъчен дразнител за тялото дори при ниска интензивност. Както показаха трудовете на И. Р. Петров, А. И. Семенов и други, биол, ефектът от лазерното лъчение може да се увеличи при многократно излагане и когато се комбинира с други фактори на промишлената среда.

Директният контакт на медицинския персонал с Л. е периодичен и варира от 3 до 40 часа. през Седмица. При извършване на допълнителна експериментална работа времето, прекарано в работа с L., може да се удвои. Инженерите и техниците, участващи в настройката и регулирането на лазери, могат да бъдат директно изложени на директно лазерно лъчение. Лекарите и медицинските сестри са изложени на радиация, отразена от тъканите. Нивата на радиация на работните места на медицинския персонал могат да бъдат 4*10 -4 -1*10 -5 W/cm 2 и зависят от отразяващата способност на облъчените тъкани.

При използване на хелиево-неонови лампи с изходна мощност 40-50 m, плътността на потока на мощността на работните места на персонала може да бъде 1,5 * 10 -4 -2,2 * 10 -4 W / cm 2. При изходна мощност на лазера от 10-25 m, плътността на потока на мощността намалява с 2-3 порядъка. При изработка на диамантени матрици и пробиване на дупки в камъни за часовници с помощта на неодимови лазери с импулсна енергия до 8-10 J, плътността на енергийния поток на нивото на очите на работниците е 3*10 -4 - 3*10 -5 J/cm 2 и 5* 10 -5 -2*10 -6 j/cm 2 . Висока енергийна плътност на дифузно отразена радиация може да се създаде на работните места, когато се използват мощни лазери с въглероден диоксид за рязане на стоманени листове, тъкани, кожа и др.

В допълнение към възможните неблагоприятни ефекти от директното, огледално или дифузно отразено лазерно лъчение, светлинната енергия от импулсни помпени лампи, достигаща в някои случаи 20 kJ, може да има вредно въздействие върху зрителната функция на работниците. Яркостта на светкавицата на ксенонова лампа е прибл. 4*10 8 nt (cd/m 2) с продължителност на импулса 1 - 90 ms. Излагането на радиация от помпените лампи е възможно, когато те са неекранирани или недостатъчно екранирани, гл. обр. при тестване на режима на работа на флаш лампи. Най-опасните случаи са случаите на спонтанен разряд на неекранирани лампи, тъй като в този случай персоналът няма време да вземе защитни мерки. В същото време е възможно не само нарушение на зрителната адаптация, което продължава няколко минути, но и органично увреждане на различни части на окото. Субективно разрядът на неекранирана лампа се възприема като „непоносим отблясък“. Емисионният спектър на светкавичните лампи съдържа и дълговълнови UV лъчи, които могат да повлияят на персонала само при работа с отворени или недостатъчно екранирани светкавични лампи, предизвиквайки допълнителна, специфична реакция на окото.

Необходимо е да се обърне внимание и на редица неспецифични фактори, свързани с работата с лазер. Поради факта, че лазерното лъчение представлява най-голяма опасност за очите, трябва да се обърне специално внимание на осветеността на работните места и помещенията. Естеството на работа с Л. като правило изисква голямо зрително напрежение. В допълнение, при условия на слаба осветеност, ефектът на лазерното лъчение върху ретината се засилва, тъй като в този случай площта на зеницата на окото и чувствителността на ретината ще се увеличат значително. Всичко това налага необходимостта от създаване на достатъчно високи ниваосветление на промишлени помещения при работа с L.

Работата на лазерните системи може да бъде придружена от шум. На фона на стабилен шум, достигащ 70-80 dB, звуковите импулси се появяват под формата на изскачане или щракане поради действието на лазерния лъч върху обработвания материал или поради работата на механични затвори, които ограничават продължителността на излъчването пулс. По време на работен ден броят на изскачанията или щракванията може да достигне много стотици или дори хиляди, а нивата на звука - 100-120 dB. Разрядите на импулсни помпени лампи, както и, вероятно, процесът на взаимодействие на лазерния лъч с обработвания материал (плазмена горелка) са придружени от образуването на озон, чието съдържание може да варира в широки граници.

Клинични прояви на общо излагане на лазерни лъчи. В проблема за осигуряване на безопасни условия на работа с лазери органът на зрението заема специално място. Прозрачната среда на окото свободно пропуска радиация от оптичния диапазон, включително видимата част на спектъра и близката инфрачервена област (0,4-1,4 микрона), и ги фокусира върху дъното на окото, в резултат на което енергийната плътност върху него се увеличава многократно. Тежестта на увреждане на ретината и хориоидеята зависи от параметрите на радиацията. Експресивност на патоморфол. промени и клин, картината на нарушенията на зрителната функция може да бъде различна - от незначителни функционални промени, промени, открити инструментално, до пълна загуба на зрение. Най-честата травма е хориоретиналното изгаряне. Patol, промените в предните части на окото могат да настъпят при по-високи нива на енергия на лазерното лъчение. Появата на такава патология при използване на L. в технологиите и медицината е практически изключена. Въпреки това, поради увеличаването на мощността на лазера и развитието на нови радиационни диапазони (ултравиолетови, инфрачервени), вероятността от увреждане на предните части на окото се увеличава.

Изгаряния на кожата могат да възникнат при излагане на високи нива на енергия от лазерно лъчение от порядъка на няколко J/cm2. Наличните данни показват, че при излагане на кожата на лазерно лъчение с нисък интензитет в организма настъпват общи функционални и биохимични промени.

Ако очите и кожата са случайно изложени на лазерна енергия с висока плътност, жертвата трябва незабавно да се консултира с лекар, за да диагностицира нараняването и да окаже медицинска помощ. Принципите на първа помощ в тези случаи са същите като при изгаряния на очите и кожата с друга етиология (виж Око, изгаряния; Изгаряния).

Превантивни мерки срещу щети от лазерни лъчи

Защитен и гиг. мерките за предотвратяване на неблагоприятните ефекти на радиацията от радиация и други свързани фактори трябва да включват мерки от колективен характер: организационни, инженерни и технически. планиране, санитарно-хигиенни, както и осигуряване на лични предпазни средства.

Задължително е да се оценят основните неблагоприятни фактори и особености на разпространението на лазерното лъчение (както пряко, така и отразено) преди започване на работа с лазерна инсталация. Инструменталните измервания (в краен случай, чрез изчисления) определят вероятните посоки и зони, в които са възможни нива на радиация, опасни за тялото (превишаващи максимално допустимата граница).

За осигуряване на безопасни условия на труд, освен стриктното спазване на колективните мерки, се препоръчва използването на лични предпазни средства - очила, щитове, маски със спектрално селективна прозрачност и специално защитно облекло. Пример за домашни защитни очила срещу лазерно лъчение в спектралната област с дължина на вълната 0,63-1,5 микрона са очилата от синьо-зелено стъкло SZS-22, които осигуряват защита на очите от рубинено и неодимово лъчение.При работа с мощни лазери , Защитните щитове и маски са по-ефективни, на ръцете се поставят ръкавици от велур или кожа. Препоръчва се носенето на престилки и роби в различни цветове. Изборът на защитно оборудване трябва да се извършва индивидуално във всеки конкретен случай от квалифицирани специалисти.

Медицинско наблюдение на работещите с лазери. Работата, свързана с поддръжката на лазерни системи, е включена в списъка на работите с опасни условия на труд, а работещите подлежат на предварителни и периодични (веднъж годишно) медицински прегледи. Прегледът изисква участието на офталмолог, терапевт и невролог. При изследване на органа на зрението се използва прорезна лампа.

В допълнение към медицинския преглед се извършва клин и кръвен тест за определяне на хемоглобин, червени кръвни клетки, ретикулоцити, тромбоцити, левкоцити и ROE.

Библиография:Александров М. Т. Приложение на лазери в експерименталната и клинична стоматология, Мед. абстрактно. дневник, сек. 12 - Стоматология, No1, с. 7, 1978, библиогр.; Gamaleya N. F. Лазери в експеримента и клиниката, М., 1972, библиогр.; Кавецки Р. Е. и др., Лазери в биологията и медицината, Киев, 1969 г.; K o r y t n y D. L. Лазерна терапия и нейното приложение в стоматологията, Алма-Ата, 1979 г.; Краснов М. М. Лазерна микрохирургия на окото, Вестн, офталм., № 1, стр. 3, 1973, библиогр.; Лазарев И. Р. Лазери в онкологията, Киев, 1977 г., библиогр.; Осипов Г. И. и Пятин М. М. Увреждане на окото от лазерен лъч, Вестн, офталмология, № 1, стр. 50, 1978; P l e t n e in S. D. et al., Газови лазери в експерименталната и клинична онкология, М., 1978; P r o-khonchukov A. A. Постиженията на квантовата електроника в експерименталната и клинична стоматология, Стоматология, т. 56, № 5, стр. 21, 1977, библиогр.; Семенов A.I. Влиянието на лазерното лъчение върху тялото и превантивните мерки, Gig. труд и проф. заболев., № 8, с. 1, 1976; Средства и методи на квантовата електроника в медицината, изд. Р. И. Утями-шева, с. 254, Саратов, 1976; Хромов Б. М. Лазери в експерименталната хирургия, Л., 1973, библиогр.; Хромов Б.М. и др., Лазерна терапия на хирургични заболявания, Вестн, хир., № 2, с. 31, 1979; L’Esperance F. A. Очна фотокоагулация, стереоскопичен атлас, Сейнт Луис, 1975 г.; Приложения на лазера в медицината и биологията, изд. от М. Л. Волбърщ, в

В. А. Поляков; V. I. Belkevich (tech.), N. F. Gamaleya (onc.), M. M. Krasnov (ph.), Yu. P. Paltsev (gig.), A. A. Prokhon-chukov (ostomy) , V. I. Struchkov (хирург).

Слово ЛАЗЕР (Усилване на светлината чрез стимулирано излъчване) се превежда от английски като Усилване на светлината чрез стимулиране на радиация. Самото действие на лазера е описано от Айнщайн още през 1917 г., но първият работещ лазер е построен едва 43 години по-късно от Теодор Майман, който е работил в Hugres Aircraft. За да произведе милисекунди импулси на лазерно лъчение, той използва изкуствен рубинен кристал като активна среда. Дължината на вълната на този лазер е 694 nm. След известно време беше изпробван лазер с дължина на вълната 1060 nm, което е близката инфрачервена област на спектъра. Активната среда в този лазер бяха стъклени пръчки, легирани с неодим.

Но по това време лазерът нямаше практическа полза. Водещи физици са търсили предназначението му в различни области на човешката дейност. Първите експериментални експерименти с лазери в медицината не бяха напълно успешни. Лазерното лъчение при тези вълни беше доста слабо погълнато; все още не беше възможно да се контролира точно мощността. Въпреки това през 60-те години червеният рубинен лазер показа добри резултати в офталмологията.

История на използването на лазерите в медицината

През 1964 г. е разработен и тестван аргоновият йонен лазер. Това беше лазер с непрекъсната вълна със синьо-зелен спектър и дължина на вълната 488 nm. Това е газов лазер и беше по-лесно да се контролира мощността му. Хемоглобинът абсорбира добре радиацията си. След кратко време започнаха да се появяват лазерни системи, базирани на аргонов лазер, които помогнаха при лечението на заболявания на ретината.

През същата година 64 лабораторията Bell разработи лазер на базата на итриев алуминиев гранат, легиран с неодим () и. CO2 е газов лазер, чието излъчване е непрекъснато, с дължина на вълната 1060 nm. Водата поглъща много добре радиацията си. И тъй като меки тъканиПри хората те се състоят главно от вода, тогава CO2 лазерът се превърна в добра алтернатива на конвенционалния скалпел. Чрез използването на този лазер за рязане на тъкан загубата на кръв е сведена до минимум. През 70-те години лазерите с въглероден диоксид намират широко приложение в институционалните болници в Съединените щати. Обхват на приложение по това време на лазерните скалпели: гинекология и отоларингология.

1969 г. е годината, когато е разработен първият импулсен лазер с багрило, а още през 1975 г. се появява първият ексимерен лазер. Оттогава лазерът се използва активно и се въвежда в различни области на дейност.

Лазерите започват да навлизат широко в медицината през 80-те години в болници и клиники в САЩ. В по-голямата си част по това време се използват лазери с въглероден диоксид и аргон, които се използват в хирургията и офталмологията. Един от недостатъците на лазерите от онова време е, че имат постоянно непрекъснато излъчване, което изключва възможността за по-прецизна работа, което води до термично увреждане на тъканта около третираната зона. Успешното използване на лазерните технологии по това време изискваше огромен трудов опит.

Следващата стъпка в развитието на лазерните технологии за медицината беше изобретяването на импулсния лазер. Този лазер дава възможност да се въздейства изключително върху проблемната зона, без да се уврежда околните тъкани. И през 80-те години се появяват първите. Това поставя началото на използването на лазери в козметологията. Такива лазерни системи могат да премахнат капилярни хемангиоми и рождени белези. Малко по-късно се появиха способни лазери. Това бяха лазери с Q-switched (Q-switched lser).

В началото на 90-те години бяха разработени и въведени технологии за сканиране. Точността на лазерната обработка вече се контролира от компютър и стана възможно да се извърши лазерно възстановяване на кожата (), което значително увеличи популярността на и.

Днес обхватът на лазерите в медицината е много широк. Това са хирургия, офталмология, стоматология, неврохирургия, козметология, урология, гинекология, кардиология и др. Можете да си представите, че някога лазерът е бил просто добра алтернатива на скалпела, но днес с него могат да се премахват ракови клетки, да се извършват много прецизни операции на различни органи и да се диагностицират сериозни заболявания в най-ранен стадий, като рак. Сега лазерните технологии в медицината се насочват към разработването на комбинирани методи на лечение, когато наред с лазерната терапия се използват физиотерапия, лекарства и ултразвук. Например, при лечението на гнойни заболявания е разработен комплекс от мерки, който включва лазерно лечение, използване на антиоксиданти и различни биологично активни материали.

Лазерната технология и медицината трябва да вървят ръка за ръка в бъдещето. И днес най-новите разработки на лазерната медицина помагат за отстраняване на ракови тумори и се използват за корекция на тялото в козметологията и корекция на зрението в офталмологията. Минимално инвазивна хирургия, когато много сложни операции се извършват с помощта на лазер.

Подобни материали!

Съвременната медицина използва много постижения на науката и технологиите. Те помагат за навременното диагностициране на заболяванията и спомагат за успешното им лечение. Лекарите активно използват възможностите на лазерното лъчение в работата си. В зависимост от дължината на вълната, той може да има различни ефекти върху телесните тъкани. Поради това учените са изобретили много медицински многофункционални устройства, които се използват широко в клиничната практика. Нека обсъдим използването на лазери и радиация в медицината малко по-подробно.

Лазерна медицинасе развива в три основни направления: хирургия, терапия и диагностика. Ефектът на лазерното лъчение върху тъканта се определя от обхвата на излъчване, дължината на вълната и фотонната енергия на емитера. Като цяло всички видове лазерни ефекти в медицината върху тялото могат да бъдат разделени на две групи

Лазерно лъчение с нисък интензитет;
- лазерно лъчение с висок интензитет.

Как влияе нискоинтензивното лазерно лъчение на тялото?

Излагането на такъв лазер може да предизвика промени в биофизичните и химичните процеси в тъканите на тялото. Също така, такава терапия води до промени в метаболизма (метаболитни процеси) и неговата биоактивация. Въздействието на нискоинтензивния лазер предизвиква морфологични и функционални промени в нервната тъкан.

Този ефект също така стимулира сърдечно-съдовата система и микроциркулацията.
Друг лазер с ниска интензивност повишава биологичната активност на клетъчните и тъканни елементи на кожата, което води до активиране на вътреклетъчните процеси в мускулите. Използването му ви позволява да стартирате редокс процеси.
Освен всичко друго, този метод на въздействие има положителен ефект върху цялостната стабилност на тялото.

Какъв терапевтичен ефект се постига чрез използване на лазерно лъчение с нисък интензитет?

Този метод на лечение помага за премахване на възпалението, намаляване на подуването, премахване на болката и активиране на процесите на регенерация. Освен това стимулира физиологичните функции и имунния отговор.

В какви случаи лекарите могат да използват лазерно лъчение с нисък интензитет?

Този метод на експозиция е показан за пациенти с остри и хронични възпалителни процеси с различна локализация, наранявания на меките тъкани, изгаряния, измръзване и кожни заболявания. Има смисъл да се използва при заболявания на периферната нервна система, заболявания на опорно-двигателния апарат и при много заболявания на сърцето и кръвоносните съдове.

Лазерното лъчение с ниска интензивност се използва и при лечение на дихателната система, храносмилателния тракт, пикочно-половата система, УНГ заболявания и нарушения на имунния статус.

Този метод на лечение се използва широко в стоматологията: за корекция на заболявания на лигавицата на устната кухина, пародонтални заболявания и TMJ (темпоромандибуларна става).

В допълнение, този лазер третира некариозни лезии, възникнали в твърдите тъкани на зъбите, кариес, пулпит и периодонтит, лицева болка, възпалителни лезии и наранявания на лицево-челюстната област.

Приложение на високоинтензивното лазерно лъчение в медицината

Високоинтензивното лазерно лъчение се използва най-често в хирургията и то в различни области. В края на краищата влиянието на лазерното лъчение с висока интензивност помага за разрязване на тъкан (действа като лазерен скалпел). Понякога се използва за постигане на антисептичен ефект, образуване на коагулационен филм и образуване на защитна бариера от агресивни влияния. В допълнение, такъв лазер може да се използва за заваряване на метални протези и различни ортодонтски устройства.

Как високоинтензивното лазерно лъчение влияе на тялото?

Този метод на експозиция причинява термични изгаряния на тъканите или води до тяхната коагулация. Предизвиква изпаряване, изгаряне или овъгляване на засегнатите участъци.

Когато се използва лазерна светлина с висок интензитет

Този метод на въздействие върху тялото се използва широко при извършване на различни хирургични интервенции в областта на урологията, гинекологията, офталмологията, отоларингологията, ортопедията, неврохирургията и др.

В същото време лазерната хирургия има много предимства:

Практически безкръвни операции;
- максимална асептичност (стерилност);
- минимални следоперативни усложнения;
- минимално въздействие върху съседните тъкани;
- кратък следоперативен период;
- висока прецизност;
- намаляване на вероятността от образуване на белези.

Лазерна диагностика

Този диагностичен метод е прогресивен и се развива. Тя ви позволява да идентифицирате много сериозни заболявания на ранен етап на развитие. Има доказателства, че лазерната диагностика помага при откриване на рак на кожата, костната тъкан и вътрешните органи. Използва се в офталмологията за откриване на катаракта и определяне на нейния стадий. В допълнение, този метод на изследване се практикува от хематолози, за да се изследват качествени и количествени промени в кръвните клетки.

Лазерът ефективно определя границите на здрави и патологични тъкани, може да се използва в комбинация с ендоскопско оборудване.

Използване на радиация в друга медицина

Лекарите широко използват различни видове радиация при лечението, диагностиката и профилактиката на различни състояния. За да научите за използването на радиация, просто следвайте интересуващите ви връзки:

Рентгенови лъчи в медицината
- радио вълни
- топлинни и йонизиращи лъчи
- ултравиолетово лъчение в медицината
- инфрачервено лъчение в медицината

лазерно око медицина зрение

Лазери, използвани в медицината

От практическа гледна точка, особено за използване в медицината, лазерите се класифицират според вида на активния материал, метода на захранване, дължината на вълната и мощността на генерираното лъчение.

Активната среда може да бъде газ, течност или твърдо вещество. Формите на активната среда също могат да бъдат различни. Най-често газовите лазери използват стъклени или метални цилиндри, пълни с един или повече газове. Ситуацията е приблизително същата при течните активни среди, въпреки че често се срещат правоъгълни кювети от стъкло или кварц. Течните лазери са лазери, при които активната среда е разтвор на определени съединения на органични багрила в течен разтворител (вода, етилов или метилови алкохолии така нататък.).

В газовите лазери активната среда са различни газове, техните смеси или метални двойки. Тези лазери се делят на газоразрядни, газодинамични и химически. В газоразрядните лазери възбуждането се осъществява чрез електрически разряд в газ, в газодинамичните лазери се използва бързо охлаждане по време на разширяването на предварително нагрята газова смес, а в химическите лазери активната среда се възбужда поради енергия, отделена по време на химичните реакции на компонентите на средата. Спектралния диапазон на газовите лазери е много по-широк от този на всички останали видове лазери. Покрива областта от 150 nm до 600 µm.

Тези лазери имат висока стабилност на параметрите на излъчване в сравнение с други видове лазери.

Твърдотелните лазери имат активна среда под формата на цилиндричен или правоъгълен прът. Такъв прът най-често е специален синтетичен кристал, например рубин, александрит, гранат или стъкло с примеси на съответния елемент, например ербий, холмий, неодим. Първият работещ лазер работи върху рубинен кристал.

Полупроводниците също са вид активен материал в твърдо състояние. IN напоследъкПоради малкия си размер и рентабилността полупроводниковата индустрия се развива много бързо. Поради това полупроводниковите лазери се класифицират като отделна група.

И така, според вида на активния материал се разграничават следните видове лазери:

Газ;

течност;

Върху твърдо тяло (твърдо състояние);

полупроводник.

Видът на активния материал определя дължината на вълната на генерираното лъчение. Различните химически елементи в различни матрици правят възможно идентифицирането на повече от 6000 вида лазери днес. Те генерират радиация от областта на така наречения вакуумен ултравиолетов (157 nm), включително видимата област (385-760 nm), до далечния инфрачервен (> 300 µm) диапазон. Все по-често понятието "лазер", дадено първоначално за видимата област на спектъра, се пренася и в други области на спектъра.

Таблица 1 - лазери, използвани в медицината.

Например, за излъчване с по-къси дължини на вълните от инфрачервените се използва понятието „рентгенови лазери“, а за излъчване с по-дълги дължини на вълните от ултравиолетовите се използва понятието „лазери, генериращи милиметрови вълни“.

Газовите лазери използват газ или смес от газове в тръба. Повечето газови лазери използват смес от хелий и неон (HeNe), с първичен изходен сигнал от 632,8 nm (nm = 10~9 m) във видимо червено. Този лазер е разработен за първи път през 1961 г. и става предшественик на цяло семейство газови лазери. Всички газови лазери са доста сходни по дизайн и свойства.

Например, CO2 газов лазер излъчва дължина на вълната от 10,6 микрона в далечната инфрачервена област на спектъра. Газовите лазери с аргон и криптон работят на множество честоти, като излъчват предимно във видимата част на спектъра. Основните дължини на вълните на аргоновото лазерно лъчение са 488 и 514 nm.

Лазерите в твърдо състояние използват лазерен материал, разпределен в твърда матрица. Един пример е неодимовият (Kyo) лазер. Терминът YAG е съкращение за кристала - итриев алуминиев гранат - който служи като носител за неодимови йони. Този лазер излъчва инфрачервен лъчс дължина на вълната 1,064 µm. Спомагателни устройства, които могат да бъдат вътрешни или външни за резонатора, могат да се използват за преобразуване на изходния лъч във видимия или ултравиолетов диапазон. Като лазерна среда могат да се използват различни кристали с различна концентрация на йони-активатори: ербий (Er3+), холмий (Ho3+), тулий (Tm3+).

От тази класификация ще изберем лазерите, които са най-подходящи и безопасни за медицинска употреба. По-известните газови лазери, използвани в стоматологията, включват CO2 лазери и He-Ne лазери (хелиево-неонови лазери). Газовите ексимерни и аргоновите лазери също представляват интерес. От твърдотелните лазери най-популярен в медицината е лазерът YAG:Er, който има ербиеви активни центрове в кристала. Все повече хора се обръщат към YAG:Ho лазери (с холмиеви центрове). За диагностика и терапевтична употребаизползвани голяма групагазови и полупроводникови лазери. Понастоящем повече от 200 вида полупроводникови материали се използват като активна среда в лазерното производство.

Таблица 2 - характеристики на различните лазери.

Лазерите могат да бъдат класифицирани по вид захранване и режим на работа. Тук се разграничават устройства с непрекъснато или импулсно действие. Лазерът с непрекъсната вълна произвежда радиация, чиято изходна мощност се измерва във ватове или миливати.

В същото време степента енергийно въздействиевърху биологичната тъкан се характеризира с:

Плътността на мощността е съотношението на мощността на излъчване към площта на напречното сечение на лазерния лъч p = P/s].

Мерни единици в лазерната медицина - [W/cm 2 ], [mW/cm 2 ];

Радиационна доза P, равна на съотношението на произведението на радиационната мощност [P и времето на облъчване към площта на напречното сечение на лазерния лъч. Изразено в [W * s/cm2];

Енергията [E= Рt] е произведение на мощността и времето. Мерните единици са [J], т.е. [W s].

По мощност на излъчване (постоянна или средна) медицинските лазери се разделят на:

Лазери с ниска мощност: от 1 до 5 mW;

Лазери със средна мощност: от 6 до 500 mW;

Лазери с висока мощност (висок интензитет): повече от 500 mW. Лазерите с ниска и средна мощност принадлежат към групата на така наречените биостимулиращи лазери (нискоинтензивни). Биостимулиращите лазери намират нарастваща терапевтична и диагностична употреба в експерименталната и клиничната медицина.

От гледна точка на режима на работа лазерите се делят на:

Режим на непрекъснато излъчване (вълнови газови лазери);

Смесен режим на излъчване (твърдотелни и полупроводникови лазери);

Режим Q-switched (възможен за всички видове лазери).

Съвременната медицина използва много постижения на науката и технологиите. Те помагат за навременното диагностициране на заболяванията и спомагат за успешното им лечение. Лекарите активно използват възможностите на лазерното лъчение в работата си. В зависимост от дължината на вълната, той може да има различни ефекти върху телесните тъкани. Поради това учените са изобретили много медицински многофункционални устройства, които се използват широко в клиничната практика. Нека обсъдим използването на лазери и радиация в медицината малко по-подробно.

Лазерната медицина се развива в три основни направления: хирургия, терапия и диагностика. Ефектът на лазерното лъчение върху тъканта се определя от обхвата на излъчване, дължината на вълната и фотонната енергия на емитера. Като цяло всички видове лазерни ефекти в медицината върху тялото могат да бъдат разделени на две групи

Лазерно лъчение с нисък интензитет;
- лазерно лъчение с висок интензитет.

Как влияе нискоинтензивното лазерно лъчение на тялото?

Излагането на такъв лазер може да предизвика промени в биофизичните и химичните процеси в тъканите на тялото. Също така, такава терапия води до промени в метаболизма (метаболитни процеси) и неговата биоактивация. Въздействието на нискоинтензивния лазер предизвиква морфологични и функционални промени в нервната тъкан.

Този ефект също така стимулира сърдечно-съдовата система и микроциркулацията.
Друг лазер с ниска интензивност повишава биологичната активност на клетъчните и тъканни елементи на кожата, което води до активиране на вътреклетъчните процеси в мускулите. Използването му ви позволява да стартирате редокс процеси.
Освен всичко друго, този метод на въздействие има положителен ефект върху цялостната стабилност на тялото.

Какъв терапевтичен ефект се постига чрез използване на лазерно лъчение с нисък интензитет?

Този метод на лечение помага за премахване на възпалението, намаляване на подуването, премахване на болката и активиране на процесите на регенерация. Освен това стимулира физиологичните функции и имунния отговор.

В какви случаи лекарите могат да използват лазерно лъчение с нисък интензитет?

Този метод на експозиция е показан за пациенти с остри и хронични възпалителни процеси с различна локализация, наранявания на меките тъкани, изгаряния, измръзване и кожни заболявания. Има смисъл да се използва при заболявания на периферната нервна система, заболявания на опорно-двигателния апарат и при много заболявания на сърцето и кръвоносните съдове.

Лазерното лъчение с ниска интензивност се използва и при лечение на дихателната система, храносмилателния тракт, пикочно-половата система, УНГ заболявания и нарушения на имунния статус.

Този метод на лечение се използва широко в стоматологията: за корекция на заболявания на лигавицата на устната кухина, пародонтални заболявания и TMJ (темпоромандибуларна става).

В допълнение, този лазер третира некариозни лезии, възникнали в твърдите тъкани на зъбите, кариес, пулпит и периодонтит, лицева болка, възпалителни лезии и наранявания на лицево-челюстната област.

Приложение на високоинтензивното лазерно лъчение в медицината

Високоинтензивното лазерно лъчение се използва най-често в хирургията и то в различни области. В края на краищата влиянието на лазерното лъчение с висока интензивност помага за разрязване на тъкан (действа като лазерен скалпел). Понякога се използва за постигане на антисептичен ефект, образуване на коагулационен филм и образуване на защитна бариера от агресивни влияния. В допълнение, такъв лазер може да се използва за заваряване на метални протези и различни ортодонтски устройства.

Как високоинтензивното лазерно лъчение влияе на тялото?

Този метод на експозиция причинява термични изгаряния на тъканите или води до тяхната коагулация. Предизвиква изпаряване, изгаряне или овъгляване на засегнатите участъци.

Когато се използва лазерна светлина с висок интензитет

Този метод на въздействие върху тялото се използва широко при извършване на различни хирургични интервенции в областта на урологията, гинекологията, офталмологията, отоларингологията, ортопедията, неврохирургията и др.

В същото време лазерната хирургия има много предимства:

Практически безкръвни операции;
- максимална асептичност (стерилност);
- минимални следоперативни усложнения;
- минимално въздействие върху съседните тъкани;
- кратък следоперативен период;
- висока прецизност;
- намаляване на вероятността от образуване на белези.

Лазерна диагностика

Този диагностичен метод е прогресивен и се развива. Тя ви позволява да идентифицирате много сериозни заболявания на ранен етап на развитие. Има доказателства, че лазерната диагностика помага при откриване на рак на кожата, костната тъкан и вътрешните органи. Използва се в офталмологията за откриване на катаракта и определяне на нейния стадий. В допълнение, този метод на изследване се практикува от хематолози, за да се изследват качествени и количествени промени в кръвните клетки.

Лазерът ефективно определя границите на здрави и патологични тъкани, може да се използва в комбинация с ендоскопско оборудване.

Използване на радиация в друга медицина

Лекарите широко използват различни видове радиация при лечението, диагностиката и профилактиката на различни състояния. За да научите за използването на радиация, просто следвайте интересуващите ви връзки:

Рентгенови лъчи в медицината
- радио вълни
- топлинни и йонизиращи лъчи
- ултравиолетово лъчение в медицината
- инфрачервено лъчение в медицината

През последния половин век лазерите намериха приложение в офталмологията, онкологията, пластичната хирургия и много други области на медицината и биомедицинските изследвания.

Възможността за използване на светлина за лечение на болести е известна преди хиляди години. Древните гърци и египтяни са използвали слънчева радиация в терапията и двете идеи дори са били свързани една с друга в митологията - гръцки богАполон бил богът на слънцето и лечението.

Едва с изобретяването на кохерентния източник на радиация преди повече от 50 години потенциалът за използване на светлината в медицината беше наистина разкрит.

Благодарение на специалните си свойства, лазерите са много по-ефективни от радиацията от слънцето или други източници. Всеки квантов генератор работи в много тесен диапазон от дължини на вълните и излъчва кохерентна светлина. Лазерите в медицината също дават възможност за създаване на големи мощности. Енергийният лъч може да се концентрира в много малка точка, като по този начин се постига висока плътност. Тези свойства са довели до използването на лазери в много области на медицинската диагностика, терапия и хирургия днес.

Лечение на кожата и очите

Използването на лазери в медицината започва с офталмологията и дерматологията. Квантовият генератор е открит през 1960 г. И само година след това Леон Голдман демонстрира как рубиненочервен лазер в медицината може да се използва за премахване на капилярна дисплазия, вид родилни петна, и меланом.

Това приложение се основава на способността на кохерентните източници на радиация да работят при определена дължина на вълната. Кохерентните източници на радиация вече се използват широко за премахване на тумори, татуировки, косми и бенки.

В дерматологията се използват лазери с различни видове и дължини на вълните, поради различните видове лезии, които се лекуват и основното абсорбиращо вещество в тях. също зависи от типа кожа на пациента.

Днес не можете да практикувате дерматология или офталмология без лазери, тъй като те са се превърнали в основни инструменти за лечение на пациенти. Използването на квантови генератори за корекция на зрението и широк спектър от офталмологични приложения нараства, след като Чарлз Кембъл през 1961 г. става първият лекар, който използва червен лазер в медицината, за да излекува пациент с отлепена ретина.

По-късно офталмолозите започнаха да използват за тази цел аргонови източници на кохерентно лъчение в зелената част на спектъра. Свойствата на самото око, особено неговата леща, бяха използвани тук, за да фокусират лъча в областта на отлепването на ретината. Силно концентрираната мощност на устройството буквално го споява.

Пациенти с някои форми на макулна дегенерация могат да се възползват от лазерна хирургия – лазерна коагулация и фотодинамична терапия. При първата процедура се използва лъч кохерентно лъчение за запечатване на кръвоносните съдове и забавяне на необичайния им растеж под макулата.

Подобни изследвания са проведени през 40-те години на миналия век със слънчева светлина, но за да ги завършат успешно, лекарите се нуждаеха от уникалните свойства на квантовите генератори. Следващата употреба на аргоновия лазер беше за спиране на вътрешно кървене. Селективното поглъщане на зелена светлина от хемоглобина - пигмента на червените кръвни клетки - се използва за блокиране на кървящи кръвоносни съдове. За да се лекува рак, кръвоносните съдове, навлизащи в тумора и доставящи му хранителни вещества, се разрушават.

Това не може да се постигне с помощта на слънчева светлина. Медицината е много консервативна, както трябва да бъде, но кохерентните източници на радиация са получили признание в различни области. Лазерите в медицината замениха много традиционни инструменти.

Офталмологията и дерматологията също са се възползвали от ексимерни източници на кохерентно ултравиолетово лъчение. Те станаха широко използвани при преоформяне на роговицата (LASIK) за корекция на зрението. Лазерите в естетичната медицина се използват за премахване на петна и бръчки.

Печеливша козметична хирургия

Такива технологични разработки неизбежно са популярни сред търговските инвеститори, тъй като имат огромен потенциал за печалба. Аналитичната компания Medtech Insight през 2011 г. оцени размера на пазара на лазерно козметично оборудване на стойност над 1 милиард долара. Наистина, въпреки спада в общото търсене на медицински системи по време на глобалната рецесия, козметичните операции, базирани на използването на квантови генератори, продължават да бъдат в постоянно търсене в Съединените щати, доминиращият пазар за лазерни системи.

Образна диагностика и диагностика

Лазерите в медицината играят важна роля за ранното откриване на рак, както и на много други заболявания. Например в Тел Авив група учени се заинтересуваха от инфрачервената спектроскопия, използвайки източници на инфрачервено кохерентно лъчение. Причината за това е, че ракът и здравата тъкан могат да имат различна инфрачервена пропускливост. Едно обещаващо приложение на този метод е откриването на меланоми. При рак на кожата ранната диагностика е много важна за оцеляването на пациента. В момента откриването на меланома се извършва на око, така че можете да разчитате само на уменията на лекаря.

В Израел веднъж годишно всеки може да отиде на безплатен скрининг за меланом. Преди няколко години в един от големите медицински центрове бяха проведени изследвания, в резултат на които стана възможно визуално да се наблюдава разликата в инфрачервения диапазон между потенциални, но безвредни признаци и истински меланом.

Кацир, организатор на първата SPIE конференция за биомедицинска оптика през 1984 г., и неговата група в Тел Авив също разработиха оптични влакна, прозрачни за инфрачервени дължини на вълните, което позволява техниката да бъде разширена до вътрешна диагностика. Освен това може да бъде бърза и безболезнена алтернатива на цервикалната цитонамазка в гинекологията.

Синьото в медицината намери приложение във флуоресцентната диагностика.

Системи, базирани на квантови генератори, също започват да заместват рентгеновите лъчи, които традиционно се използват в мамографията. Рентгеновите лъчи поставят трудна дилема за лекарите: за да открият надеждно рак, те трябва да бъдат висока интензивност, но повишената радиация сама по себе си увеличава риска от рак. Като алтернатива се проучва възможността за използване на много бързи лазерни импулси за правене на снимки на гърдите и други части на тялото, като мозъка.

OCT за очите и др

Лазерите в биологията и медицината намериха приложение в оптичната кохерентна томография (OCT), което предизвика вълна от ентусиазъм. Тази техника за изобразяване използва свойствата на квантов генератор и може да произведе много ясни (от порядъка на микрони), напречно сечение и триизмерни изображения на биологична тъкан в реално време. OCT вече се използва в офталмологията и може например да позволи на офталмолог да види напречно сечение на роговицата, за да диагностицира заболявания на ретината и глаукома. Днес техниката започва да се използва и в други области на медицината.

Една от най-големите области, възникващи от OCT, е оптичното изобразяване на артериите. може да се използва за оценка на състоянието на нестабилна плака, склонна към разкъсване.

Микроскопия на живи организми

Лазерите в науката, технологиите и медицината също играят ключова роля в много видове микроскопия. В тази област са направени голям брой разработки, чиято цел е визуализиране на случващото се в тялото на пациента без използване на скалпел.

Най-трудната част при отстраняването на рак е необходимостта от постоянно използване на микроскоп, за да може хирургът да се увери, че всичко е направено правилно. Възможността да се извършва микроскопия „на живо“ и в реално време е значителен напредък.

Ново приложение на лазерите в инженерството и медицината е сканиращата оптична микроскопия в близко поле, която може да произвежда изображения с разделителна способност, много по-голяма от тази на стандартните микроскопи. Този метод се основава на оптични влакна с прорези в краищата, чиито размери са по-малки от дължината на вълната на светлината. Това даде възможност за изобразяване с дължина на вълната и постави основата за изобразяване на биологични клетки. Използването на тази технология в IR лазерите ще ни позволи да разберем по-добре болестта на Алцхаймер, рака и други промени в клетките.

PDT и други методи на лечение

Развитието на оптичните влакна спомага за разширяване на използването на лазери в други области. В допълнение към факта, че те позволяват да се извършва диагностика вътре в тялото, енергията на кохерентното излъчване може да бъде прехвърлена там, където е необходимо. Това може да се използва при лечение. Фибролазерите стават много по-напреднали. Те коренно ще променят медицината на бъдещето.

Областта на фотомедицината, която използва чувствителни към светлина химикали, които взаимодействат с тялото по специфични начини, може да използва квантови генератори както за диагностициране, така и за лечение на пациенти. При фотодинамичната терапия (PDT), например, лазер и фоточувствително лекарство могат да възстановят зрението при пациенти с „мократа“ форма на свързана с възрастта макулна дегенерация, водещата причина за слепота при хора над 50-годишна възраст.

В онкологията някои порфирини се натрупват в раковите клетки и флуоресцират при осветяване с определена дължина на вълната, което показва местоположението на тумора. Ако същите тези съединения след това бъдат осветени с различна дължина на вълната, те стават токсични и убиват увредените клетки.

Червеният газов хелий-неонов лазер се използва в медицината при лечение на остеопороза, псориазис, трофични язви и др., Тъй като тази честота се абсорбира добре от хемоглобина и ензимите. Радиацията забавя възпалителните процеси, предотвратява хиперемия и подуване, подобрява кръвообращението.

Персонализирано лечение

Две други области, в които могат да се използват лазери, са генетиката и епигенетиката.

В бъдеще всичко ще се случва в наномащаб, позволявайки медицината да се практикува в клетъчен мащаб. Лазерите, които могат да генерират фемтосекундни импулси и да се настройват към специфични дължини на вълните, са идеални партньори за медицински специалисти.

Това ще отвори вратата за персонализирани лечения, базирани на индивидуалния геном на пациента.

Леон Голдман - основателят на лазерната медицина

Когато говорим за използването на квантови генератори при лечението на хора, няма как да не споменем Леон Голдман. Той е известен като "бащата" на лазерната медицина.

В рамките на една година след изобретяването на кохерентния източник на радиация, Голдман стана първият изследовател, който го използва за лечение на кожно заболяване. Техниката, използвана от учения, проправи пътя за последващото развитие на лазерната дерматология.

Неговите изследвания в средата на 60-те години доведоха до използването на рубинения квантов генератор в хирургията на ретината и до открития като способността на кохерентното лъчение едновременно да разрязва кожата и да запечатва кръвоносните съдове, ограничавайки кървенето.

Голдман, дерматолог в Университета на Синсинати през по-голямата част от кариерата си, основа Американското общество на лазерите в медицината и хирургията и помогна да се положат основите за лазерна безопасност. Умира 1997 г

Миниатюризация

Първите 2-микронни квантови генератори бяха с размерите на двойно легло и се охлаждаха с течен азот. Днес има диоди, които се побират в дланта ви, и дори по-малки.Тези видове промени проправят пътя за нови области на приложение и развитие. Бъдещата медицина ще разполага с малки лазери за мозъчна хирургия.

Благодарение на технологичния прогрес разходите непрекъснато намаляват. Точно както лазерите станаха нещо обичайно в домакинските уреди, те започнаха да играят ключова роля в болничното оборудване.

Ако преди това лазерите в медицината бяха много големи и сложни, днешното им производство от оптични влакна значително намали разходите, а преходът към наномащаба ще намали разходите още повече.

Други приложения

Използвайки лазери, уролозите могат да лекуват стриктура на уретрата, доброкачествени брадавици, камъни в урината, контрактура на пикочния мехур и уголемяване на простатата.

Използването на лазери в медицината позволи на неврохирурзите да правят прецизни разрези и да извършват ендоскопско наблюдение на мозъка и гръбначния мозък.

Ветеринарите използват лазери за ендоскопски процедури, коагулация на тумори, правене на разрези и фотодинамична терапия.

Зъболекарите използват кохерентно лъчение за правене на дупки, хирургия на венците, антибактериални процедури, дентална десенсибилизация и орофациална диагностика.

Лазерни пинсети

Биомедицински изследователи по целия свят използват оптични пинсети, клетъчни сортери и различни други инструменти. Лазерните пинсети обещават по-добра и по-бърза диагностика на рака и се използват за улавяне на вируси, бактерии, малки метални частици и нишки на ДНК.

Оптичните пинсети използват лъч от кохерентно лъчение, за да задържат и въртят микроскопични обекти, подобно на това как металните или пластмасовите пинсети могат да вземат малки и крехки предмети. Индивидуалните молекули могат да бъдат манипулирани чрез прикрепването им към парчета стъкло или полистиренови перли с микронни размери. Когато гредата удари топката, тя се огъва и има малък удар, избутвайки топката точно в центъра на гредата.

Това създава "оптичен капан", който може да улови малка частица в лъч светлина.

Лазер в медицината: плюсове и минуси

Кохерентната радиационна енергия, чийто интензитет може да се модулира, се използва за рязане, унищожаване или промяна на клетъчната или извънклетъчната структура на биологичните тъкани. В допълнение, използването на лазери в медицината, накратко, намалява риска от инфекция и стимулира заздравяването. Използването на квантови генератори в хирургията повишава точността на дисекцията, но те представляват опасност за бременни жени и има противопоказания за употребата на фотосенсибилизиращи лекарства.

Сложната структура на тъканите не позволява еднозначно тълкуване на резултатите от класическите биологични тестове. Лазерите в медицината (снимка) са ефективен инструмент за унищожаване на раковите клетки. Мощните източници на кохерентно лъчение обаче действат безразборно и разрушават не само засегнатата тъкан, но и околната тъкан. Това свойство е важен инструмент на техниката на микродисекция, използван за извършване на молекулен анализ на интересно място с възможност за селективно унищожаване на излишните клетки. Целта на тази технология е да се преодолее хетерогенността, присъстваща във всички биологични тъкани, за да се улесни тяхното изследване в добре дефинирана популация. В този смисъл лазерната микродисекция има значителен принос за развитието на научните изследвания, за разбирането на физиологичните механизми, които сега могат да бъдат ясно демонстрирани на ниво популация и дори на ниво отделна клетка.

Функционалността на тъканното инженерство се превърна в основен фактор в развитието на биологията днес. Какво се случва, ако срежете актинови влакна по време на деленето? Ще бъде ли стабилен ембрионът на Drosophila, ако клетката бъде унищожена по време на сгъването? Какви са параметрите, включени в меристемната зона на растението? Всички тези проблеми могат да бъдат решени с помощта на лазери.

Наномедицина

Наскоро се появиха различни наноструктури със свойства, подходящи за редица биологични приложения. Най-важните от тях са:

• квантови точки - малки частици с нанометрови размери, излъчващи светлина, използвани при високочувствителни клетъчни изображения;
• магнитни наночастици, намерили приложение в медицинската практика;
• полимерни частици за капсулирани терапевтични молекули;
• метални наночастици.

Накратко, развитието на нанотехнологиите и използването на лазери в медицината революционизираха начина, по който се прилагат лекарствата. Суспензии от наночастици, съдържащи лекарства, може да повиши терапевтичния индекс на много съединения (повишаване на разтворимостта и ефективността, намаляване на токсичността) чрез селективно насочване към засегнатите тъкани и клетки. Те доставят активната съставка и също така регулират освобождаването на активната съставка в отговор на външна стимулация. Нанотераностиката е допълнителен експериментален подход, който осигурява двойно използване на наночастици, лекарствени съединения, терапевтични средства и инструменти за диагностично изобразяване, проправяйки пътя за персонализирано лечение.

Използването на лазери в медицината и биологията за микродисекция и фотоаблация направи възможно разбирането на физиологичните механизми на развитие на болестта на различни нива. Резултатите ще помогнат за определяне на най-добрите методи за диагностициране и лечение на всеки пациент. Развитието на нанотехнологиите в тясна връзка с напредъка в изображенията също ще бъде незаменимо. Наномедицината е обещаваща нова форма на лечение на определени видове рак, инфекциозни заболявания или диагностика.

ВЪВЕДЕНИЕ

1 ЛАЗЕРИ И ПРИЛОЖЕНИЕТО ИМ В МЕДИЦИНАТА

2 ОСНОВНИ НАПРАВЛЕНИЯ И ЦЕЛИ НА МЕДИЦИНСКОТО И БИОЛОГИЧНО ИЗПОЛЗВАНЕ НА ЛАЗЕРИТЕ

3 ФИЗИЧЕСКИ ОСНОВИ НА ПРИЛОЖЕНИЕТО НА ЛАЗЕРИТЕ В МЕДИЦИНСКАТА ПРАКТИКА

4 МЕРКИ ЗА ЗАЩИТА СРЕЩУ ЛАЗЕРНО ЛЪЧЕНИЕ

5 ПРОНИКВАНЕ НА ЛАЗЕРНО ЛЪЧЕНИЕ В БИОЛОГИЧНАТА ТЪКАН

6 ПАТОГЕНЕТИЧНИ МЕХАНИЗМИ НА ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НА ЛАЗЕРНОТО ЛЪЧЕНИЕ С БИОЛОГИЧНАТА ТЪКАН

7 МЕХАНИЗМИ НА ЛАЗЕРНА БИОСТИМУЛАЦИЯ

ПРЕПРАТКИ

ВЪВЕДЕНИЕ

Основните инструменти, които хирургът използва за дисекция на тъкани, са скалпел и ножици, т.е. режещи инструменти. Въпреки това, рани и порязвания, направени със скалпел и ножица, са придружени от кървене, което изисква използването на специални мерки за хемостаза. Освен това, когато са в контакт с тъканта, режещите инструменти могат да разпространят микрофлора и злокачествени туморни клетки по линията на срязване. В тази връзка хирурзите отдавна мечтаят да имат на разположение инструмент, който да прави безкръвен разрез, като същевременно унищожава патогенната микрофлора и туморните клетки в оперативната рана. Интервенциите на „сухо хирургично поле“ са идеални за хирурзи от всякакъв профил.

Опитите за създаване на „идеален“ скалпел датират от края на миналия век, когато е проектиран така нареченият електрически нож, работещ с помощта на високочестотни токове. Това устройство, в по-модерни версии, в момента се използва доста широко от хирурзи от различни специалности. Въпреки това, с натрупания опит, са идентифицирани отрицателните аспекти на „електрохирургията“, основната от които е твърде голяма зона на термично изгаряне на тъканите в областта на разреза. Известно е, че колкото по-широка е зоната на изгаряне, толкова по-лошо зараства хирургическата рана. Освен това, когато използвате електрически нож, става необходимо да включите тялото на пациента в електрическа верига. Електрохирургичните устройства влияят негативно върху работата на електронните устройства и устройствата за наблюдение на жизнените функции на тялото по време на операция. Криохирургичните машини също причиняват значително увреждане на тъканите, нарушавайки оздравителния процес. Скоростта на дисекция на тъканите с криоскалпел е много ниска. Всъщност това не включва дисекция, а разрушаване на тъкан. Значителна площ на изгаряне се наблюдава и при използване на плазмен скалпел. Ако вземем предвид, че лазерният лъч има изразени хемостатични свойства, както и способността да запечатва бронхиолите, жлъчните пътища и панкреатичните канали, тогава използването на лазерна технология в хирургията става изключително обещаващо. Изброените накратко някои от предимствата на използването на лазери в хирургията се отнасят предимно до лазерите с въглероден диоксид (CO 2 лазери). Освен тях в медицината се използват лазери, които работят на други принципи и на други работни вещества. Тези лазери имат коренно различни качества при въздействие върху биологични тъкани и се използват за относително тесни показания, по-специално в сърдечно-съдовата хирургия, онкологията, за лечение на хирургични заболявания на кожата и видимите лигавици и др.

1 ЛАЗЕРИ И ПРИЛОЖЕНИЕТО ИМ В МЕДИЦИНАТА

Въпреки общия характер на светлината и радиовълните, в продължение на много години оптиката и радиоелектрониката се развиват независимо, независимо една от друга. Изглежда, че източниците на светлина - възбудени частици и генератори на радиовълни - нямат много общо. Едва в средата на 20-ти век се появява работа по създаването на молекулярни усилватели и генератори на радиовълни, което бележи началото на нова независима област на физиката - квантовата електроника.

Квантовата електроника изучава методи за усилване и генериране на електромагнитни трептения с помощта на стимулирано излъчване на квантови системи. Напредъкът в тази област на знанието все повече се използва в науката и технологиите. Нека се запознаем с някои от явленията, залегнали в квантовата електроника и работата на оптичните квантови генератори – лазерите.

Лазерите са източници на светлина, които работят на базата на процеса на принудително (стимулирано, индуцирано) излъчване на фотони от възбудени атоми или молекули под въздействието на радиация фотони със същата честота. Отличителна черта на този процес е, че фотонът, произведен по време на стимулирано излъчване, е идентичен по честота, фаза, посока и поляризация на външния фотон, който го е причинил. Това определя уникалните свойства на квантовите генератори: висока кохерентност на излъчването в пространството и времето, висока монохроматичност, тясна насоченост на радиационния лъч, огромна концентрация на потока на мощност и способността да се фокусира в много малки обеми. Лазерите се създават на базата на различни активни среди: газообразни, течни или твърди. Те могат да произвеждат радиация в много широк диапазон от дължини на вълните - от 100 nm (ултравиолетова светлина) до 1,2 микрона (инфрачервена радиация) - и могат да работят както в непрекъснат, така и в импулсен режим.

Лазерът се състои от три принципно важни компонента: излъчвател, помпена система и източник на енергия, чиято работа се осигурява с помощта на специални спомагателни устройства.

Излъчвателят е предназначен да преобразува енергията на помпата (превежда хелиево-неоновата смес 3 в активно състояние) в лазерно лъчение и съдържа оптичен резонатор, който най-общо е система от внимателно произведени отразяващи, пречупващи и фокусиращи елементи, в вътрешно пространствокойто възбужда и поддържа определен тип електромагнитни трептения в оптичния диапазон. Оптичният резонатор трябва да има минимални загуби в работната част на спектъра, висока точност при изработката на компонентите и взаимното им инсталиране.

Създаването на лазери се оказа възможно в резултат на прилагането на три основни физически идеи: стимулирано излъчване, създаване на термодинамично неравновесна обратна популация на атомните енергийни нива и използване на положителна обратна връзка.

Възбудените молекули (атоми) са способни да излъчват луминесцентни фотони. Такова излъчване е спонтанен процес. Той е случаен и хаотичен по време, честота (може да има преходи между различни нива), посока на разпространение и поляризация. Друго излъчване - принудително или индуцирано - възниква, когато фотон взаимодейства с възбудена молекула, ако енергията на фотона е равна на разликата в съответните енергийни нива. При принудително (предизвикано) излъчване броят на преходите, извършвани за секунда, зависи от броя на фотоните, влизащи в веществото за същото време, т.е. от интензитета на светлината, както и от броя на възбудените молекули. С други думи, колкото по-голяма е популацията на съответните възбудени енергийни състояния, толкова по-голям е броят на принудителните преходи.

Индуцираното лъчение е идентично с падащото лъчение във всички отношения, включително във фаза, така че можем да говорим за кохерентно усилване на електромагнитна вълна, което се използва като първа фундаментална идея в принципите на лазерното генериране.

Втората идея, реализирана при създаването на лазери, е да се създадат термодинамично неравновесни системи, в които, противно на закона на Болцман, има повече частици на по-високо ниво, отколкото на по-ниско. Състоянието на средата, при което за най-малко две енергийни нива се оказва, че броят на частиците с по-висока енергия надвишава броя на частиците с по-ниска енергия, се нарича състояние с обърната населеност на нивата, а средата се нарича активна. Работното вещество на лазера е активната среда, в която фотоните взаимодействат с възбудени атоми, предизвиквайки принудителни преходи на по-ниско ниво с излъчване на кванти на индуцирано (стимулирано) лъчение. Състояние с обратна популация от нива се получава формално от разпределението на Болцман за T< О К, поэтому иногда называется состоянием с «отрицательной» температурой. По мере распространения света в активной сред интенсивность его возрастает, имеет место явление, обратное поглощению, т. е. усиление света. Это означает, что в законе Бугера kX < 0, поэтому инверсная населенность соответствует среде с отрицательным показателем поглощения.

Състояние на инверсия на населението може да бъде създадено чрез избиране на частици с по-ниска енергия или чрез специално възбуждане на частиците, например със светлина или електрически разряд. Самото състояние отрицателна температуране съществува дълго.

Третата идея, използвана в принципите на лазерното генериране, произхожда от радиофизиката и е използването на положителна обратна връзка. При изпълнението му част от генерираното стимулирано излъчване остава вътре в работното вещество и предизвиква стимулирано излъчване от все повече и повече възбудени атоми. За да се осъществи такъв процес, активната среда се поставя в оптичен резонатор, обикновено състоящ се от две огледала, избрани така, че излъчването, възникващо в него, многократно преминава през активната среда, превръщайки я в генератор на кохерентно стимулирано лъчение.

Първият такъв генератор в микровълновия диапазон (maser) е проектиран през 1955 г. независимо от съветските учени Н. Г. Басой и А. М. Прохоров и американски учени - C. Townes и др.. Тъй като работата на това устройство се основава на стимулирано излъчване на молекули амоняк, генераторът се нарича молекулярен.

През 1960 г. е създаден първият квантов генератор във видимия диапазон на лъчение - лазер с рубинен кристал като работно вещество (активна среда). През същата година е създаден хелиево-неоновият газов лазер. Огромното разнообразие от създадени в момента лазери може да бъде класифицирано според вида на работното вещество: разграничават се газови, течни, полупроводникови и твърдотелни лазери. В зависимост от вида на лазера, енергията за създаване на инверсия на населението се доставя по различни начини: възбуждане с много интензивна светлина - "оптично изпомпване", електрически газоразряд, а в полупроводниковите лазери - електрически ток. Според характера на светенето си лазерите се делят на импулсни и непрекъснати.

Нека разгледаме принципа на работа на твърдотелен рубинен лазер. Рубинът е кристал от алуминиев оксид Al 2 0 3, съдържащ приблизително 0,05% хромни йони Cr 3+ като примес. Възбуждането на хромни йони се извършва чрез оптично изпомпване с помощта на мощни импулсни източници на светлина. Един от дизайните използва тръбен рефлектор с елипсовидно напречно сечение. Вътре в рефлектора има директна ксенонова светкавица и рубинен прът, разположен по протежение на линии, преминаващи през фокусите на елипсата (фиг. 1). Вътрешната повърхност на алуминиевия рефлектор е силно полирана или сребърно покритие. Основното свойство на елипсовиден рефлектор е, че светлината, излизаща от единия му фокус (ксенонова лампа) и отразена от стените, навлиза в другия фокус на рефлектора (рубинен прът).

Рубинният лазер работи по тристепенна схема (фиг. 2 а). В резултат на оптично изпомпване, хромните йони се преместват от основното ниво 1 към краткотрайното възбудено състояние 3. След това настъпва нерадиационен преход към дългоживеещо (метастабилно) състояние 2, от което вероятността от спонтанно излъчване преходът е относително малък. Поради това се получава натрупване на възбудени йони в състояние 2 и се създава обратна популация между нива 1 и 2. При нормални условия преходът от 2-ро към 1-во ниво става спонтанно и се съпровожда от луминесценция с дължина на вълната 694,3 nm. Лазерната кухина има две огледала (виж фиг. 1), едното от които има коефициент на отражение R на интензитета на отразената и падаща върху огледалото светлина, другото огледало е полупрозрачно и пропуска част от падащото върху него лъчение ( Р< 100%). Кванты люминесценции в зависимости от направления их движения либо вылетают из боковой поверхности рубинового стержня и теряются, либо, многократно отражаясь от зеркал, сами вызывают вынужденные переходы. Таким образом, пучок, перпендикулярный зеркалам, будет иметь наибольшее развитие и выходит наружу через полупрозрачное зеркало. Такой лазер работает в импульсном режиме.

Заедно с рубинения лазер, работещ по тристепенна схема, широко разпространени са четиристепенните лазерни схеми, базирани на йони на редкоземни елементи (неодим, самарий и др.), Вградени в кристална или стъклена матрица (фиг. 24 , б). В такива случаи се създава инверсия на населението между две възбудени нива: дълготрайно ниво 2 и краткотрайно ниво 2."

Много разпространен газов лазер е хелиево-неоновият лазер, който се възбужда от електрически разряд. Активната среда в него е смес от хелий и неон в съотношение 10:1 и налягане около 150 Ра. Неоновите атоми излъчват, хелиевите атоми играят поддържаща роля. На фиг. 24, c показва енергийните нива на атомите на хелий и неон. Генерирането става по време на прехода между нива 3 и 2 на неона. За да се създаде обратна популация между тях, е необходимо да се запълни ниво 3 и да се изпразни ниво 2. Заселването на ниво 3 става с помощта на атоми на хелий. По време на електрически разряд ударът на електрони възбужда хелиевите атоми в дълготрайно състояние (с време на живот около 10 3 s). Енергията на това състояние е много близка до енергията на ниво 3 на неона, следователно, когато възбуден атом на хелий се сблъска с невъзбуден атом на неон, се прехвърля енергия, в резултат на което се запълва ниво 3 на неон. За чистия неон животът на това ниво е кратък и атомите преминават към нива 1 или 2 и разпределението на Болцман се реализира. Изчерпването на ниво 2 на неона се дължи главно на спонтанния преход на неговите атоми в основно състояние при сблъсъци със стените на газоразрядната тръба. Това гарантира стационарна обратна популация на нива 2 и 3 на неон.

Основният структурен елемент на хелиево-неонов лазер (фиг. 3) е газоразрядна тръба с диаметър около 7 mm. В тръбата са вградени електроди, които създават газов разряд и възбуждат хелия. В краищата на тръбата под ъгъла на Брюстър има прозорци, поради което излъчването е плоско поляризирано. Плоскопаралелните резонаторни огледала са монтирани извън тръбата, едно от тях е полупрозрачно (коефициент на отражение R< 100%). Таким образом, пучок вынужденного излучения выходит наружу через полупрозрачное зеркало. Это лазер непрерывного действия.

Огледалата на резонатора са направени с многослойни покрития и поради смущения се създава необходимия коефициент на отражение за дадена дължина на вълната. Най-често използваните лазери са хелиево-неонови лазери, които излъчват червена светлина с дължина на вълната 632,8 nm. Мощността на такива лазери е ниска, не надвишава 100 mW.

Използването на лазерите се основава на свойствата на тяхното излъчване: висока монохроматичност (~ 0,01 nm), достатъчно висока мощност, теснота на лъча и кохерентност.

Тесността на светлинния лъч и ниската му дивергенция позволиха да се използват лазери за измерване на разстоянието между Земята и Луната (получената точност е около десетки сантиметри), скоростта на въртене на Венера и Меркурий и др.

Използването им в холографията се основава на кохерентността на лазерното лъчение. Разработени са гастроскопи на базата на хелиево-неонов лазер с помощта на оптични влакна, които позволяват холографско формиране на триизмерно изображение на вътрешната кухина на стомаха.

Монохроматичният характер на лазерното лъчение е много удобен за възбуждане на Раманови спектри на атоми и молекули.

Лазерите се използват широко в хирургията, стоматологията, офталмологията, дерматологията и онкологията. Биологичните ефекти на лазерното лъчение зависят както от свойствата на биологичния материал, така и от свойствата на лазерното лъчение.

Всички лазери, използвани в медицината, условно се разделят на 2 вида: нискоинтензивни (интензивността не надвишава 10 W/cm2, най-често около 0,1 W/cm2) – терапевтични и високоинтензивни – хирургични. Интензитетът на най-мощните лазери може да достигне 10 14 W / cm 2, в медицината обикновено се използват лазери с интензитет 10 2 - 10 6 W / cm 2.

Лазерите с ниска интензивност са тези, които не причиняват забележим разрушителен ефект върху тъканта директно по време на облъчване. Във видимата и ултравиолетовата област на спектъра техните ефекти са причинени от фотохимични реакции и не се различават от ефектите, причинени от монохроматична светлина, получена от конвенционални, некохерентни източници. В тези случаи лазерите са просто удобни монохроматични източници на светлина, които осигуряват точно локализиране и дозиране на експозицията. Примерите включват използването на хелиево-неонова лазерна светлина за лечение на трофични язви, коронарна болест на сърцето и др., както и криптон и други лазери за фотохимично увреждане на тумори при фотодинамична терапия.

Наблюдават се качествено нови явления при използване на видимо или ултравиолетово лъчение от лазери с висок интензитет. При лабораторни фотохимични експерименти с конвенционални източници на светлина, както и в природата под въздействието на слънчева светлина обикновено се получава еднофотонно поглъщане. Това се казва във втория закон на фотохимията, формулиран от Старк и Айнщайн: всяка молекула, участваща в химическа реакция под въздействието на светлина, поглъща един квант радиация, който предизвиква реакцията. Еднофотонната природа на абсорбцията, описана от втория закон, е изпълнена, тъй като при обикновен интензитет на светлината е практически невъзможно два фотона едновременно да влязат в молекула в основно състояние. Ако такова събитие се случи, изразът ще приеме формата:

2hv = E t - E k,

което би означавало сумирането на енергията на два фотона за прехода на молекула от енергийно състояние E k към състояние с енергия E g. Също така няма поглъщане на фотони от електронно възбудени молекули, тъй като техният живот е кратък и обикновено използваните интензитети на облъчване са ниски. Следователно концентрацията на електронно възбудени молекули е ниска и тяхното поглъщане на друг фотон е изключително малко вероятно.

Въпреки това, ако интензитетът на светлината се увеличи, двуфотонното поглъщане става възможно. Например, облъчването на ДНК разтвори с импулсно лазерно лъчение с висок интензитет с дължина на вълната около 266 nm доведе до йонизация на ДНК молекули, подобна на тази, причинена от y-лъчение. Излагането на ултравиолетова радиация с нисък интензитет не предизвиква йонизация. Установено е, че облъчването на водни разтвори на нуклеинови киселини или техните основи с пикосекундни (продължителност на импулса 30 ps) или наносекундни (10 ns) импулси с интензитет над 10 6 W/cm 2 води до електронни преходи, водещи до йонизация на молекулите. С пикосекундни импулси (фиг. 4, а) заселването на високи електронни нива се извършва по схемата (S 0 -> S1 -> S n), а с hv hv наносекундни импулси (фиг. 4, b) - съгласно схемата (S 0 -> S1 - T g -> T p). И в двата случая молекулите получиха енергия, надвишаваща енергията на йонизация.

Лентата на поглъщане на ДНК се намира в ултравиолетовата област на спектъра при< 315 нм, видимый свет нуклеиновые кислоты совсем не поглощают. Однако воздействие высокоинтенсивным лазерным излучением около 532 нм переводит ДНК в электронно-возбужденное состояние за счет суммирования энергии двух фотонов (рис. 5).

Поглъщането на всяко лъчение води до освобождаване на определено количество енергия под формата на топлина, която се разсейва от възбудените молекули в околното пространство. Инфрачервеното лъчение се абсорбира главно от водата и причинява главно топлинни ефекти. Поради това излъчването на инфрачервените лазери с висок интензитет предизвиква забележим незабавен топлинен ефект върху тъканта. Топлинният ефект на лазерното лъчение в медицината се разбира главно като изпаряване (разрязване) и коагулация на биологични тъкани. Това се отнася за различни лазери с интензитет от 1 до 10 7 W/cm 2 и с продължителност на облъчване от милисекунди до няколко секунди. Те включват например CO 2 газов лазер (с дължина на вълната 10,6 μm), Nd:YAG лазер (1,064 μm) и други. Nd:YAG лазерът е най-широко използваният твърдотелен четиристепенен лазер. Генерирането се извършва при преходи на неодимови йони (Nd 3+), въведени в кристали Y 3 Al 5 0 12 итриев алуминиев гранат (YAG).

Заедно с нагряването на тъканта, част от топлината се отстранява поради топлопроводимост и кръвен поток. При температури под 40 °C не се наблюдават необратими повреди. При температура от 60 °C започва денатурация на протеина, тъканна коагулация и некроза. При 100-150 °C се предизвиква дехидратация и овъгляване, а при температури над 300 °C тъканта се изпарява.

Когато радиацията идва от фокусиран лазер с висок интензитет, количеството генерирана топлина е голямо, създавайки температурен градиент в тъканта. В мястото на попадане на лъча тъканта се изпарява, а в съседните зони се получава овъгляване и коагулация (фиг. 6). Фотоизпаряването е метод за послойно отстраняване или изрязване на тъкан. В резултат на коагулацията кръвоносните съдове се запечатват и кървенето спира. По този начин, фокусиран лъч на непрекъснат CO 2 лазер () с мощност около 2 10 3 W/cm 2 се използва като хирургически скалпел за рязане на биологични тъкани.

Ако намалите продължителността на експозицията (10 - 10 s) и увеличите интензитета (над 10 6 W / cm 2), тогава размерите на зоните на овъгляване и коагулация стават незначителни. Този процес се нарича фотоаблация (фотопремахване) и се използва за отстраняване на тъкан слой по слой. Фотоаблацията възниква при енергийни плътности от 0,01-100 J/cm 2 .

При по-нататъшно увеличаване на интензивността (10 W/cm и повече) е възможен друг процес - "оптичен срив". Това явление е, че поради много високата сила на електрическото поле на лазерното лъчение (сравнима със силата на вътрешноатомните електрически полета), материята се йонизира, образува се плазма и се генерират механични ударни вълни. Оптичното разпадане не изисква поглъщане на светлинни кванти от вещество в обичайния смисъл, то се наблюдава в прозрачни среди, например във въздуха.

2 ОСНОВНИ НАПРАВЛЕНИЯ И ЦЕЛИ НА МЕДИЦИНСКОТО И БИОЛОГИЧНО ИЗПОЛЗВАНЕ НА ЛАЗЕРИТЕ

Съвременните области на медицинско и биологично приложение на лазерите могат да бъдат разделени на две основни групи.Първата е използването на лазерното лъчение като изследователски инструмент. В този случай лазерът играе ролята на уникален източник на светлина за спектрални изследвания, лазерна микроскопия, холография и др. Втората група са основните начини за използване на лазерите като средство за въздействие върху биологични обекти. Могат да се разграничат три вида такова влияние.

Първият тип е въздействието върху тъканта на патологичния фокус с импулсно или непрекъснато лазерно лъчение с плътност на мощността от порядъка на 10 5 W / m 2, което е недостатъчно за дълбока дехидратация, изпаряване на тъканите и възникване на дефект. в тях. Този вид облъчване съответства по-специално на използването на лазери в дерматологията и онкологията за облъчване на патологични тъканни образувания, което води до тяхната коагулация. Вторият тип е тъканна дисекция, когато под въздействието на лазерно лъчение с непрекъснато или честотно-периодично (импулси с висока честота) действие част от тъканта се изпарява и в нея се появява дефект. В този случай плътността на мощността на излъчване може да надвишава използваната при коагулация с два порядъка (10 7 W/m 2 ) или повече. Този тип въздействие съответства на използването на лазери в хирургията. Третият тип е въздействието върху тъканите и органите на нискоенергийно лъчение (единици или десетки ватове на квадратен метър), което обикновено не причинява очевидни морфологични промени, но води до определени биохимични и физиологични промени в тялото, т.е. ефекти на физиотерапевтичен тип. Този тип трябва да включва използването на хелий-неонов лазер с цел биостимулация при бавни раневи процеси, трофични язви и др.

Задачата за изучаване на механизма на биологичното действие на лазерното лъчение се свежда до изучаване на онези процеси, които са в основата на интегралните ефекти, причинени от облъчването: тъканна коагулация, дисекция, биостимулационни промени в тялото.

3 ФИЗИЧЕСКИ ОСНОВИ НА ПРИЛОЖЕНИЕТО НА ЛАЗЕРИТЕ В МЕДИЦИНСКАТА ПРАКТИКА

Принципът на работа на лазерите се основава на квантово-механични процеси, протичащи в обема на работната среда на излъчвателя, които се обясняват от квантовата електроника - област от физиката, която изучава взаимодействието на електромагнитното излъчване с електроните, изграждащи атомите и молекулите. на работната среда.

Според принципите на квантовата електроника всяка атомна система по време на своето вътрешно движение се намира в състояния с определени енергийни стойности, наречени квантови, т.е. има строго определени (дискретни) енергийни стойности. Наборът от тези енергийни стойности формира енергийния спектър на атомна система.

При липса на външно възбуждане атомната система се стреми към състояние, при което нейната вътрешна енергия е минимална. При външно възбуждане преходът на атома към състояния с по-висока енергия се придружава от поглъщане на част от енергията, равна на разликата между енергиите на крайното Et и началното E„ състояние. Този процес е написан по следния начин:

Em - E n =nV mn, (1)

където V mn е честотата на преход от състояние n към състояние m; h е константата на Планк.

По правило средната продължителност на престоя (времето на живот) на атома във възбудено състояние е малка и възбуденият атом спонтанно (спонтанно) преминава в състояние с по-ниска енергия, излъчвайки светлинен квант (фотон) с енергия, определена по формула ( 1). По време на спонтанни преходи атомите излъчват светлинни кванти хаотично, несвързани помежду си. Те се разпръскват равномерно във всички посоки. Процесът на спонтанни преходи се наблюдава при светене на нагрети тела, например лампи с нажежаема жичка и др. Такова излъчване е немонохроматично.

Когато възбуден атом взаимодейства с външно лъчение, чиято честота съответства на честотата на прехода на атома от състояние с по-висока енергия към състояние с по-ниска енергия, има вероятност (колкото по-голям е интензитетът на външното лъчение), че това външното излъчване ще прехвърли атома в състояние с по-ниска енергия. В този случай атомът излъчва квант светлина със същата честота v mn, фаза, посока на разпространение и поляризация като кванта светлина на външното излъчване, предизвикващо този преход.

Такива преходи се наричат ​​принудителни (индуцирани). Именно наличието на стимулирано излъчване прави възможно генерирането на кохерентно лъчение в оптични квантови лазерни генератори.

Сега нека разгледаме какво се случва, когато светлината се разпространява през система, в която има атоми с енергии E m и E n (за определеност нека вземем E m > En). Броят на атомите с енергия E ha ще бъде означен с N m, а броят на атомите с енергия E n -N„. Числата N m и N„ обикновено се наричат ​​популация на нива с енергии съответно E w и E p.

При естествени условия има по-малко частици на по-високо енергийно ниво, отколкото на по-ниско за всяка температура. Следователно за всяко нагрято тяло a е отрицателна величина и в съответствие с формула (2) разпространението на светлина в веществото е придружено от нейното отслабване. За усилване на светлината е необходимо N m >N n. Това състояние на материята се нарича състояние с инверсия на населението. В този случай разпространението на светлина през веществото се придружава от нейното усилване поради енергията на възбудените атоми.

По този начин, за процеса на усилване на радиацията е необходимо да се гарантира, че населението на горното преходно ниво надвишава долното.

За да се създаде инверсия на населението, се използват различни методи, които включват използване на външен източник на възбуждане.

Атомна система с инверсия на населението обикновено се нарича активна среда. За да се получи генериране на радиация, е необходимо да се реши проблемът с обратната връзка. Активната среда се поставя в оптичен резонатор, който в най-простия случай се състои от две взаимно успоредни плоски огледала, ограничаващи активната среда от две противоположни страни. В този случай едно от огледалата на резонатора частично пропуска лазерното лъчение и през него лъчението излиза от резонатора, а другото огледало напълно отразява падащото върху него лъчение.

Процесът на развитие на генерация в резонатор е представен в следната форма. След създаването на инверсия на населението в работната среда от външен източник на възбуждане, само излъчването, което се разпространява по оста на резонатора, ще участва в развитието на процеса на генериране. Това лъчение, достигащо до повърхността на напълно отразяващото огледало на резонатора и отразено от него, отново навлиза в активната среда и, разпространявайки се в нея, се усилва поради принудителни преходи. След като се отрази от частично отразяващото огледало на резонатора, част от усиленото лъчение се връща в активната среда и се усилва отново, а част от лъчението напуска резонатора. Освен това тези процеси се повтарят многократно, докато има външен източник на възбуждане на атомната система.

За да бъде процесът на генериране на радиация стабилен, е необходимо усилването на радиацията в активната среда по време на двойно преминаване в резонатора да бъде равно или по-голямо от общата загуба на радиация по същия път. Общите загуби включват загуби в активната среда и радиацията, която се отстранява от резонатора чрез частично отразяващо огледало.

В съвременните лазери ъгълът на отклонение (9) на лазерния лъч може да достигне границата на дифракция и да варира по величина от няколко дъгови секунди до десетки дъгови минути.

Мощността на лазерното лъчение, отстранено от единица обем на активната среда, в крайна сметка се определя от мощността на външния източник на възбуждане, подадена към единица обем на активната среда. Максималната обща мощност (енергия) на лазерното лъчение е в доста широк диапазон пропорционална на обема на активната среда и максималната мощност (енергия) на източника на външно възбуждане (изпомпване).

Основните характеристики на лазерното лъчение, които го правят перспективно за използване в различни области на медицината, са високата насоченост, монохроматичността и енергийната интензивност.

Високата насоченост на лазерното лъчение се характеризира с факта, че ъгловата дивергенция на неговия лъч в свободното пространство достига стойности, измерени в десетки дъгови секунди. Благодарение на това е възможно да се предава лазерно лъчение в лъч на значителни разстояния без значително увеличаване на диаметъра му. Високата монохроматичност и насоченост както на импулсното, така и на непрекъснатото лазерно лъчение правят възможно фокусирането му в петна, съизмерими с дължината на вълната на самото лазерно лъчение. Подобно рязко фокусиране дава възможност за облъчване на медицински и биологични обекти на клетъчно ниво. В допълнение, такова фокусиране позволява да се получи необходимия терапевтичен ефект с ниски енергии на лазерното лъчение. Последното е особено важно при използване на лазерно лъчение за обработка на биологични обекти, които са чувствителни към светлина.

2. Ъгъл на отклонение на лазерния лъч (6).

1 - непрозрачно огледало, 2 - полупрозрачно огледало, 3 - лазерен светлинен лъч.

Използването на рязко фокусиране при високи мощности и енергии на облъчване прави възможно изпаряването и разрязването на биологична тъкан, което доведе до използването на лазери в хирургията.

За обекти, които са нечувствителни към светлина (злокачествени тумори), е възможно облъчване с мощно лъчение на големи площи.

Във всички случаи характерът на въздействието на лазерното лъчение върху биологичната тъкан зависи от дължината на вълната, плътността на мощността и режима на излъчване - непрекъснат или импулсен.

Излъчването в червените и инфрачервените области на спектъра, когато се абсорбира от биологичните тъкани, се превръща в топлина, която може да се изразходва за изпаряване на веществото, генериране на акустични вибрации и предизвикване на биохимични реакции.

Излъчването във видимата област на спектъра, освен термични ефекти, осигурява условия за стимулиране на фотохимични реакции. По този начин използването на нискоинтензивно лъчение от хелий-неонов лазер (дължина на вълната на лъчение 0,63 микрона) има клинично надежден ефект, водещ до ускорено заздравяване на трофични и гнойни рани, язви и др. Въпреки това, механизмът на действие на този тип радиацията не е напълно проучена. Няма съмнение, че изследванията в тази насока ще допринесат за по-ефективното и смислено използване на този вид облъчване в клиничната практика.

При използване на лазери, работещи в режим на непрекъснато излъчване, преобладава термичният ефект, който се проявява при средни нива на мощност в коагулационния ефект, а при високи мощности в ефекта на изпаряване на биологичната тъкан.

В импулсен режим въздействието на радиацията върху биологичните обекти е по-сложно. Взаимодействието на радиацията с живата тъкан тук има експлозивен характер и е придружено както от топлинни (коагулация, изпарение) ефекти, така и от образуване на вълни на компресия и разреждане в биологичната тъкан, разпространяващи се дълбоко в биологичната тъкан. При висока плътност на мощността е възможна йонизация на атомите на биологичната тъкан.

По този начин разликата в параметрите на лазерното лъчение води до разлика в механизма и резултатите от взаимодействието, предоставяйки на лазерите широко поле на действие за решаване на различни медицински проблеми.

В момента лазерите се използват в такива области на медицината като хирургия, онкология, офталмология, терапия, гинекология, урология, неврохирургия, както и за диагностични цели.

В хирургията лазерният лъч е намерил широко приложение като универсален скалпел, превъзхождащ по своите режещи и хемостатични свойства електрическия нож. Механизмът на взаимодействие на лазерен скалпел с биологични тъкани се характеризира със следните характеристики.

1. Липсата на директен механичен контакт на инструмента с биологичната тъкан, премахване на риска от инфекция на оперираните органи и осигуряване на операцията да се извършва на свободно хирургично поле.

2. Кръвоспиращият ефект на радиацията, който прави възможно получаването на практически безкръвни разрези и спиране на кървенето от кървящи тъкани.

3. Присъщият стерилизиращ ефект на радиацията, който е активно средство за борба с инфекцията на раната, което предотвратява усложненията в следоперативния период.

4. Способността да се контролират параметрите на лазерното лъчение, което позволява да се получат различни ефекти, когато радиацията взаимодейства с биологичните тъкани.

5. Минимално въздействие върху близките тъкани.

Разнообразието от проблеми, които съществуват в хирургията, наложи цялостно проучване на възможностите за използване на лазери с различни параметри и режими на излъчване.

В хирургията като светлинен скалпел най-широко се използват газови лазери с въглероден диоксид (дължина на вълната на излъчване 10,6 μm), работещи в импулсен и непрекъснат режим с мощност на излъчване до 100 W.

Механизмът на действие на CO 2 лазерното лъчение е нагряване на биологична тъкан поради силното й поглъщане на лазерно лъчение. Дълбочината на проникване на това лъчение не надвишава 50 микрона. В зависимост от плътността на мощността на излъчване ефектът му се проявява в ефектите на разрязване или повърхностна коагулация на биологична тъкан.

Тъканта се изрязва с фокусиран лазерен лъч поради нейното послойно изпаряване. Обемната плътност на мощността достига няколкостотин киловата на 1 cm 3 . Повърхностната коагулация на тъканта се постига чрез излагането й на дефокусирано лазерно лъчение при обемна плътност от порядъка на няколкостотин вата на 1 cm 3 .

При мощност на лазерното излъчване 20 W диаметърът на фокусирания лазерен лъч е 1 mm ( повърхностна плътностмощност 2,5 kW/cm 2) и дълбочина на проникване на радиация от 50 μm, обемната плътност на мощността на лазерното лъчение, използвано за нагряване на биологична тъкан, достига 500 kW/cm 3. Такава изключително висока обемна плътност на мощността на лазерното лъчение осигурява бързо нагряване и разрушаване на биологичната тъкан в зоната на въздействие на лазерния лъч. В този случай биотъканът първо се разлага с изпаряване на течността и карбонизация на твърдите фази. Пълна карбонизация на биологичната тъкан се наблюдава в температурния диапазон 200-220 °C. Карбонизираната рамка на биологичната тъкан съществува до температури от 400-450 ° C и изгаря с по-нататъшно повишаване на температурата. При изгаряне на карбонизирана рамка температурата на газообразните продукти от горенето е 800-1000 °C.

Дълбочината на разреза се определя от скоростта, с която границите на слоя за разрушаване на биологичната тъкан се придвижват по-дълбоко в него. В този случай скоростта на движение на определената граница зависи от скоростта на движение на точката на фокусиране на лазерния лъч по линията на рязане. Колкото по-ниска е скоростта на движение на точката на фокусиране по линията на среза, толкова по-голяма е дълбочината на среза и обратно.

За разлика от радиацията с = 10,6 μm, YAG-Nd лазерното лъчение има порядък по-голяма дълбочина на проникване в биологичните тъкани, което несъмнено е благоприятен фактор за коагулацията на големи кръвоносни съдове по време на масивно кървене, както и за разрушаване на дълбоко разположени тумори.

По този начин лъчението на YAG-Nd лазера има изразен коагулиращ ефект (режещият ефект на лъчението на този лазер е значително по-нисък от този на CO 2 лазер) ефект, което определя неговата област на практическо приложение.

4 МЕРКИ ЗА ЗАЩИТА СРЕЩУ ЛАЗЕРНО ЛЪЧЕНИЕ

При работа с лазерни системи неконтролираното директно и разсеяно лазерно лъчение представлява потенциална опасност за човешкото тяло (пациент, медицински персонал). Той представлява най-голяма опасност за зрението на оператора, работещ с лазерната система. Но разсеяното инфрачервено лазерно лъчение на непрекъснатите лазери с въглероден диоксид от инсталациите Scalpel-1, Romashka-1 и Romashka-2 се задържа напълно от слоевете слъзна течност и роговицата на окото и не достига до фундуса . Тъй като дълбочината на проникване на лазерното лъчение не надвишава 50 микрона, около 70% от неговата енергия се абсорбира от слъзната течност и около 30% от роговицата.

Лъчението с висок интензитет на лазера с въглероден диоксид, особено ако е фокусирано, може да причини локални изгаряния на кожата на откритите части на тялото - ръце, лице. Въздействието на лазерното лъчение върху човешкото тяло не се проявява само когато интензитетът на лъчението е под безопасното ниво, което за непрекъснат лазер с въглероден диоксид е 0,1 W/cm 2 за очите. Известно е, че в клинични условия за постигане на необходимия клиничен ефект се използват нива на директно облъчване, които са стотици и хиляди пъти по-високи от безопасното ниво, поради което при работа с лазерни системи с въглероден диоксид е необходимо да се спазват определени защитни мерки.

В помещение, където се извършват операции с лазер с въглероден диоксид, е препоръчително да покриете стените и тавана с материал с минимална отразяваща способност и да поставите оборудването и устройствата с гладки лъскави повърхности по такъв начин, че при никакви обстоятелства да не могат да бъдат ударени с директен лъч или да ги блокирате от екрани, с матирани тъмни повърхности. Преди да влезете в помещението, в което се намира инсталацията, трябва да се монтира светлинен знак („Не влизайте”__„Лазер включен”), който свети по време на работа на лазера.

Защитата на очите на пациентите и персонала от директно или отразено лъчение на лазер с въглероден диоксид е надеждно гарантирана от очила, изработени от обикновено оптично стъкло. Желателно е очилата да бъдат изработени така, че да се изключи възможността за навлизане на лазерно лъчение през пролуките между рамката и лицето и да се осигури широко зрително поле. Очилата се носят само по време на лазерната фаза на операцията, за да се предотврати директно излагане на очите на лазерно облъчване.

При работа с лазерни системи с въглероден диоксид, използването на лазерни хирургически инструменти увеличава риска от увреждане на кожата на ръцете и лицето на хирурга поради отразяване на лазерния лъч от инструментите. Тази опасност рязко намалява при използване на инструменти, които имат специално „почерняване“. „Почернените“ инструменти поглъщат около 90% от падащото върху тях лазерно лъчение с дължина на вълната 10,6 микрона. Други инструменти - ретрактори, хемостатични щипци, пинсети, телбоди - също могат да отразяват лазерния лъч. Въпреки това, в ръцете на опитен хирург, всяка хирургична процедура може да се извърши без насочване на лазерния лъч към тези инструменти. Съществува и опасност от възпламеняване на операционен материал, салфетки, чаршафи и др., когато върху тях попадне директно насочено лазерно лъчение, поради което при работа с него е необходимо да се използва мек материал, напоен с изотоничен разтвор на натриев хлорид в областта на ​​предвиденото лазерно лечение._ Също така е препоръчително по време на изпълнение По време на лазерния етап на операцията, отстранете от полето на лазерно излъчване устройства и инструменти, изработени от пластмаси, които могат да се запалят при високи температури.

Не трябва да забравяме също, че лазерната машина също е устройство, което използва електричество. В тази връзка при работа с него е необходимо да се спазват правилата за електрическа безопасност, които се спазват при експлоатацията на потребителските електрически инсталации.

Персоналът, работещ с лазерни системи, трябва да премине специално обучение и да има подходяща квалификация. Всички лица, работещи с лазерно лъчение, трябва редовно, поне веднъж годишно, да преминават медицински преглед, включително преглед от офталмолог, терапевт и невролог. Освен това е необходим клиничен кръвен тест за проверка на нивото на хемоглобина, броя на левкоцитите и левкоцитната формула. Правят се и основни чернодробни изследвания.

При внимателно спазване на горните правила опасността от увреждане на органите, тъканите и биологичната среда на човешкото тяло практически отсъства. Така за 10-годишен период на работа с различни лазерни инсталации, които общо извършиха няколко хиляди различни операции, не наблюдавахме нито един случай на увреждане на очите и кожата от лазерно лъчение, както и промени в здравословното състояние на някой от служителите на институцията, свързани с работа по лазерни инсталации.

5 ПРОНИКВАНЕ НА ЛАЗЕРНО ЛЪЧЕНИЕ В БИОЛОГИЧНАТА ТЪКАН

Законите, управляващи проникването на радиация в тъканите, са пряко свързани с проблема за механизма на биологичното действие на лазерното лъчение. Една от причините радиацията да проникне на ограничена дълбочина е поглъщането на лазерното лъчение от биологичните тъкани и това е, с редки изключения, задължителна начална връзка, която предхожда веригата от промени, развиващи се в облъчения организъм. Дълбочината на проникване на лазерното лъчение в тъканите е много важна от практическа гледна точка, тъй като това е един от факторите, които определят границите на възможното използване на лазери в клиниката.

Абсорбцията не е единственият процес, който води до отслабване на лазерното лъчение при преминаването му през биологична тъкан. Едновременно с поглъщането на радиация протичат редица други физични процеси, по-специално отражение на светлината от повърхността между две среди, пречупване при преминаване на границата, разделяща две оптически различни среди, разсейване на светлината от тъканни частици и др. По този начин, можем да говорим за общо отслабване на радиацията, включително, в допълнение към поглъщането, загуби, дължащи се на други явления, и за истинското поглъщане на радиацията. При липса на разсейване абсорбцията в среда се характеризира с два параметъра: абсорбционна способност и дълбочина на абсорбция. Капацитетът на поглъщане се определя като съотношението на енергията, погълната в среда, към енергията на излъчване, падаща върху повърхността на средата. Това съотношение винаги е по-малко от 1, тъй като радиацията преминава частично през него. Дълбочината на поглъщане характеризира пространственото разпределение на погълнатата енергия в средата. В най-простия случай (експоненциално разпадане на светлината в дадено вещество) то е равно на разстоянието, на което мощността на излъчване намалява с коефициент 2,718 спрямо мощността на излъчване на повърхността на средата. Реципрочната стойност на дълбочината на абсорбция се нарича коефициент на абсорбция. Има размери cm -1. Ако наред с поглъщането има и разсейване на светлината, тогава разстоянието, на което в резултат на съвместното действие на тези процеси лъчението намалява с коефициент, е дълбочината на затихване или проникване на лъчението, а обратната му стойност е коефициент на затихване, който също има размерност cm -1.

Когато теоретично се разглежда абсорбцията на лазерно лъчение от тъканите, за да се опрости проблема, може да се приеме, че лъчението е плоска вълна, падаща върху плоска повърхност на обект, и коефициентът на абсорбция в цялата облъчена област е еднакъв и не зависи от интензитета на светлината. В този случай енергията (мощността) на излъчване ще намалява експоненциално с увеличаване на дълбочината и нейното разпределение се изразява с уравнението:

P=P 0 опит (1)

където P е мощността на излъчване в дълбочина; Po е мощността на радиацията, падаща върху повърхността на тъканта; - коефициент на поглъщане на тъканта (пренебрегваме загубите поради отразяване на светлината от тъканта).

В реални условия, когато се облъчват биологични обекти, тази проста връзка между дебелината на тъканния слой и количеството погълната енергия се нарушава, например поради разликите в коефициентите на поглъщане на различните участъци от облъчената тъкан. Така коефициентът на абсорбция на меланиновите гранули в ретината е 1000 пъти по-голям от този на околната тъкан. Като се има предвид, че абсорбцията на светлина е молекулярен процес, който в крайна сметка зависи от концентрацията на поглъщащите радиация молекули, количеството на абсорбцията на клетъчно и субклетъчно ниво може да варира значително дори от органела до органела. И накрая, абсорбцията е функция на дължината на вълната, следователно коефициентът на абсорбция варира в широки граници за лазерите, излъчващи в различни области на спектъра.

В редица ранни проучвания стойността на абсорбцията на биологичните тъкани се оценява въз основа на резултатите от измерванията на тяхната пропускливост на светлина. В повечето случаи експериментите са проведени с рубинени и неодимови лазери. Така при облъчване на мишки с рубинен лазер беше установено, че от 45 до 60% от енергията прониква през кожата и от 20 до 30% през кожата и подлежащите мускули. Разработването на метод за определяне на коефициентите на пропускливост и отражение на тъканите е посветено на изследването на Г. Г. Шамаева и др.(1969). Данните, получени с помощта на този метод при облъчване на плъхове с неодимов лазер, бяха използвани за изчисляване на коефициента на абсорбция на кожата от 9,9 cm -1.

L. I. Derlemenko (1969), M. I. Danko и др. (1972) използват интегриран фотометър за определяне на абсорбцията на неодимов лазерно лъчение от мускулни и чернодробни тъкани на плъхове. При облъчване на мускулите 27-32% от радиацията преминава през слой тъкан с дебелина 1 mm и 20-23% от черния дроб. За слоеве тъкан с дебелина 6 mm тези стойности са съответно 3 и 1,5%.

Представените данни демонстрират зависимостта на абсорбцията на лазерното лъчение от степента на оцветяване на тъканите: богато пигментираната тъкан абсорбира лъчението по-интензивно от мускулната тъкан. Същият модел беше очевиден при експерименти с облъчване на различни тумори при животни с рубинени и неодимови лазери. Най-голяма абсорбция е характерна за меланомите поради наличието на меланин в тях.

А. М. Уразаев и др.. (1978) сравняват степента на отслабване на излъчването на хелиево-неонови (дължина на вълната 632,8 nm) и аргонови (488 nm) лазери при преминаване през различни части на тялото на живи депилирани плъхове или през препарати, приготвени от органи на запушени животни. Пропуснатото лъчение се измерва с помощта на фотоклетка и получените данни се използват за изчисляване на дълбочината на проникване на лазерното лъчение. В почти всички варианти на експеримента радиацията от червената област на спектъра прониква на по-голяма дълбочина от синьо-зелената, като тази разлика е най-силно изразена при преминаване през интензивно васкуларизирани органи с обилно кръвоснабдяване.

Сравнение на дълбочината на проникване на азотни (дължина на вълната 337,1 nm), хелиево-кадмиеви (441,6 nm) и хелиево-неонови (632,8 nm) лазери в биологични тъкани е извършено в серия от изследвания от други автори. Бяха направени измервания върху срезове на различни органи на мишка, като се използваха два метода; с помощта на фотометрична топка или светлинна сонда. В първия случай коефициентът на отражение и коефициентът на затихване на лазерното лъчение в тъканта се определят фотометрично, а последният дава възможност да се изчисли дълбочината на проникване на лъчението; във втория, тънък (диаметър 0,75 mm) стъклен светлинен водач, свързан с фотоумножител, беше вкаран в облъчената тъканна проба от противоположната страна на лазерния лъч, коаксиално с него. Чрез преместване на върха на световода на различни известни разстояния от точката на падане на лъча върху повърхността на тъканта и измерване на плътността на светлинния поток бяха получени криви на разпределението на интензитета на лазерното лъчение в тъканта и е определена дълбочината на проникването му.

И двата използвани метода дадоха подобни резултати. Лъчението от хелиево-неонов лазер има най-голяма проникваща способност, а хелиево-кадмиевият лазер има най-малка. Във всички случаи дълбочината на проникване не надвишава 2-2,5 mm.

Интересен проблем беше поставен в експерименти, проведени от В. А. Дубровски и О. Г. Астафиева (1979), в които те сравняваха абсорбцията на червено лъчение от кръвен хемолизат с различни физични свойства: поляризирано кохерентно лъчение на хелиево-неонов лазер; поляризирано некохерентно лъчение от лампа с нажежаема жичка, преминало през полароид и спектрални филтри; неполяризирано и некохерентно лъчение от лампа с нажежаема жичка, преминало само през спектрални филтри. Установено е, че пространствената кохерентност не влияе на абсорбцията. Тя се влияе силно от ширината на спектъра и поляризационните свойства на радиацията: поляризираната радиация се абсорбира по-малко активно от неполяризираната радиация.

Наред с дадените данни за поглъщането от биологичните тъкани на радиация от лазери, които генерират в близката ултравиолетова (азот), видима (хелий-кадмий, аргон, хелий-неон, рубин) и близка инфрачервена (неодимов) спектрални области, информация върху абсорбцията е практически важно излъчването от CO3 лазер, генериращ в инфрачервената област при дължина на вълната 10 600 nm. Тъй като това лъчение се абсорбира интензивно от водата, а последната съставлява около 80% от масата на повечето клетки, когато биологичните тъкани са изложени на CO2 лазерно лъчение, то се абсорбира почти напълно от повърхностните слоеве на клетките.

Както беше отбелязано по-горе, проникването на лазерно лъчение в дълбините на тъканта е ограничено поради не само абсорбцията, но и други процеси, по-специално отражението на радиацията от повърхността на тъканта. Според B. A. Kudryashov (1976), p. Д. Плетнев (1978) и др., излъчването на лазери, генериращи в близката ултравиолетова и видима област на спектъра (азот, хелий-кадмий, аргон, хелий-неон, рубин), отразено от бялата кожа на хора и животни, е 30 -40%; за инфрачервено лъчение на неодимов лазер тази стойност не е много по-малка (20-35%), а в случай на по-далечно инфрачервено лъчение на CO2 лазер тя намалява до приблизително 5%.За различни вътрешни органи на животните, стойността на светлоотражението (633 nm) варира от 0,18 (черен дроб) до 0,60 (мозък)

Поради затихването на лазерното лъчение, дълбочината на проникването му в биологичните тъкани не надвишава няколко милиметра и практическото използване на лазерите трябва да се основава на тези условия. Въпреки това, наред с представените материали, са известни данни, които ни позволяват да направим по-оптимистични изводи. Въпросът е, че във всички обсъдени по-горе изследвания беше възможно да се оцени ролята на разсейването на радиацията дълбоко в тъканта. Когато, например, коефициентите на пропускливост и отражение на тъканна проба бяха определени с помощта на фотометрична топка, откритата разлика в интензитета на радиацията, падаща върху повърхността на пробата и преминаваща през нея, беше (минус отразената радиация) сумата на загубите, дължащи се на абсорбция и разсейване, и делът на всеки от тези процеси остава неизвестен. В друг случай, когато интензитетът на радиацията, достигаща до дадена точка дълбоко в тъканта, се измерва с помощта на светлинна сонда, краят на последната възприема само радиация, която пада "отпред". Всъщност въпросната точка вътре в тъканта е осветена от всички страни от радиация, разпръсната от заобикалящите я частици. Следователно, използвайки този метод, бяха получени подценени показатели за разпределението на интензитета на радиацията по дълбочина, което не позволи да се вземе предвид разсеяната светлина. В същото време в интензивно разсейващите среди, като биологични тъкани, делът на разсеяната радиация е много значителен.

Като се вземат предвид тези разпоредби в серия от подробни проучвания. Dougherty и др. (1975, 1978) е направен опит да се определи ефектът от разсейването на светлината върху дълбочината на проникване на радиация в тъканта. Авторите, използвайки фотоклетка, определят дела на светлинното лъчение от ксенонова лампа (областта от 620-640 nm е подчертана), която преминава през срезове с различна дебелина, които са получени от трансплантиран тумор на млечната жлеза на мишки или от нормалните им тъкани. Получените стойности на коефициента на пропускливост на светлината бяха използвани за изчисляване на коефициентите на разсейване (S) и абсорбция (K) от отношенията, установени от P. Kubelka (1964) и F. Kottler (I960). Получените стойности за туморна тъкан са S = 13,5 и K = 0,04, което показва, че фракцията на разсеяната светлина е много по-голяма от фракцията на абсорбираната светлина. аз

Във втората работа, извършена през 1978 г. от същата група изследователи, бяха използвани два метода, които позволиха всички стойности на интензитета на интерстициалната светлина, както тези, открити без отчитане на разсейването, така и включването му, да бъдат получени директно експериментално. В случай на използване на един от методите, в дълбочината на прясно изрязан тумор (рабдомиофома на плъх) се вкарва влакнест светлинен проводник с дебелина 0,8 mm, а краят му, излизащ от тъканта, се насочва от 2 mW хелиево-неонов лазерен лъч . Друг светлинен водач, свързан с фотометър, беше поставен от противоположната страна на пробата. Чрез първо поставяне на световодите в контакт и след това раздалечаването им до известни разстояния, беше измерен интензитетът на радиацията, предавана през слой тъкан с фиксирана дебелина. Както в експериментите, описани по-горе, този метод не позволява да се вземе предвид разпръснатото не.

Втората техника е актинометрична (фотохимична) и се състои във вкарване на няколко капилярни тръбички с диаметър 1 mm, напълнени с разтвор на фоточувствителна смес в туморната тъкан на определена дълбочина. След това при облъчване на тъканна проба със светлина с известен интензитет с помощта на лампа с нажежаема жичка (дължини на вълните над 600 nm) се определя количеството на продукта от фотохимичната реакция, което е право пропорционално на интензитета на светлината и е функция на дълбочината на тръбите . Очевидно при този експериментален дизайн протичането на реакцията е повлияно от цялата радиация, достигнала до дадена точка дълбоко в тъканта, включително разсеяната светлина. Данните, представени на фиг. 2 ни позволяват да сравним резултатите, получени с помощта на тези методи. Графиката показва, че интензитетът на радиация в туморната тъкан на същата дълбочина, определен чрез актинометричен метод, е значително по-висок от този, определен с помощта на оптична технология. Така от кривата на актинометричните измервания става ясно, че на дълбочина 2 cm около 8% от радиацията все още прониква в тъканта, докато според втората крива тази стойност е по-малка от 0,1% K

По този начин значителното преобладаване на разсейването на видимата светлина при преминаване през биологични тъкани над абсорбцията ни позволява да заключим, че способността на лазерното лъчение да проникне в тъканта е по-висока, отколкото обикновено се смята. Ако вземем предвид възможността за доставяне на лазерно лъчение дълбоко в тъканите с помощта на оптични влакна и последващото му разпространение в облъчената лезия поради разсейване, можем да се опитаме значително да разширим обхвата на клиничното използване на лазери.

6 ПАТОГЕНЕТИЧНИ МЕХАНИЗМИ НА ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НА ЛАЗЕРНОТО ЛЪЧЕНИЕ С БИОЛОГИЧНАТА ТЪКАН

Монохроматичността, стриктната насоченост, кохерентността и способността за концентриране на големи количества енергия в малки зони правят възможно селективно коагулиране, изпаряване и разрязване на биологични тъкани без контакт, с добра хемостаза, стерилност и абластичност.

При взаимодействие на лазерното лъчение с биологичните тъкани се наблюдават редица ефекти: термични, причинени от селективното поглъщане на светлинни кванти, появата на компресионни вълни и еластични удари в средата, действието на мощни електромагнитни полета, които в някои случаи придружават лазера радиация, както и редица други ефекти, причинени от оптичните свойства на самата среда.

Когато лазерното лъчение въздейства на тъканта, степента на фокусирането му е важна. По време на преминаването на фокусиран лазерен лъч през жива тъкан, интензитетът на излъчване бързо намалява и за мускулната тъкан на дълбочина 4 cm е само 1-2% от първоначалната енергия. Степента и резултатът от биологичното въздействие на лазерното лъчение върху различни клетки, тъкани и органи зависят не само от характеристиките на лъчението (вид на лазера, продължителност и плътност на мощността на лъчението, честота на импулса и др.), но и от физикохимичните и биологичните характеристики на облъчените тъкани или органи /(интензивност на кръвния поток, хетерогенност, топлопроводимост, коефициент на абсорбция и отражение на различни междинни повърхности в средата и др.). Вътреклетъчните компоненти на клетката се оказаха най-чувствителните и лесно разрушаеми структури под въздействието на лазерното лъчение.

Способността да се концентрира лазерното лъчение в тесен лъч доведе до създаването на лазерен скалпел, който прави възможно практически безкръвни разрези в различни тъкани. Понастоящем е натрупан богат опит в използването на лазерно лъчение в експерименталната и клиничната медицина.

Хемостатичните свойства на лазерното лъчение могат да бъдат увеличени чрез използване на специални компресионни скоби и лазерни хирургически инструменти, които осигуряват краткотрайна компресия и кървене на тъкан по линията на планирания разрез. Принципът на дозирана компресия също така позволява значително да се намали степента на термична тъканна некроза, тъй като при условия на компресия топлопроводимостта на тъканите значително се увеличава. В това отношение същата енергийна плътност на фокусиран лазерен лъч прави възможно по-бързото дисектиране на тъкан при компресия, осигурявайки локална тъканна исхемия.

Използването на лазер в комбинация със специални инструменти осигурява не само дисекция на тъканите, но и тяхното така наречено биологично заваряване. Ефектът от заваряването на клетъчни и тъканни структури беше отбелязан от изследователи, които използваха лазерен лъч за дисекция на различни органи. Въпреки това, само със създаването на специално лазерно хирургическо оборудване беше възможно най-пълно да се реализира ефектът от биологичното заваряване на тъкани на кухи органи по време на тяхната дисекция. В зоната на облъчване се наблюдава повишена абсорбция на светлина поради по-голямата оптична плътност на компресираните тъкани и множество отражения на светлината от вътрешните части на апарата, образуващи затворено пространство. „Заваряването“ на тъканите на кухите органи се извършва слой по слой по линията на срязване в зоната на локално компресиране на тъканите, произведени от тези устройства.

Морфологичната проява на промените в основата на това явление е коагулативна термична некроза на тъкани, подложени на компресия с образуването на филм от коагулирана тъкан и клетъчни елементи по ръба на разреза, свързващ всички анатомични слоеве на органа на едно и също ниво

Последицата от трансформацията на светлинната радиационна енергия в топлинна енергия в лигавицата е деформация и скъсяване на жлезите, набръчкване на епителните клетки с компактно разположение на техните ядра. Получените структури приличат на „ограда с колове“. В мускулния слой морфологичните промени са по-слабо изразени. Субмукоза в зоната на "заваряване".

Дълбочина (μm) на термично увреждане на стомашната стена по време на гастротомия с помощта на лазер с въглероден диоксид(по данни от светлинен микроскоп)

става слабо видима. Ширината на зоната на коагулационна некроза по ръба на дисектираната тъкан в тези случаи е в рамките на 1-2 mm. Обемът на некротичните лезии може да бъде намален както чрез увеличаване на количеството течност в дисектираните тъкани, така и чрез използване на подходящо лазерно оборудване. Например, при дисекция на скелетни мускули с лазер с въглероден диоксид, ширината на зоната на коагулационна некроза, достигаща 1,1-1,2 mm, след предварително инжектиране на течност в мускула, намалява с 28-40%

От своя страна, използването на специално лазерно хирургично оборудване, подобрено през последните години, също позволява да се намали зоната на коагулационна термична некроза до 30-60 микрона (Таблица 1).

Дължи се единствено на висока температура, присъщо на лазерното лъчение, настъпва изключително бързо изпаряване на интерстициална и вътреклетъчна течност и след това изгаряне на сухия остатък. Дълбочината и степента на дегенеративните промени в тъканите при излагане на различни видове лазерно лъчение зависят както от техните спектрални характеристики, така и от общата енергия (продължителност на експозиция) на лъчението. При малки експозиции се разрушават само повърхностните слоеве на тъканта. Постоянното увеличаване на времето на излагане на радиация е придружено от увеличаване на обема на увредената тъкан до перфорация на орган. Преместването на лазерния лъч в надлъжна или напречна посока води до изпаряване на тъканта и образуване на линеен разрез на органа.

В зоната на коагулационна термична некроза настъпва коагулация на стените на кръвоносните съдове и кръвта с образуването на коагулационен хиалиноподобен тромб, запушващ лумена на съда и осигуряващ адекватна хемостаза. При условия на дозирана компресия при използване на лазерни хирургични устройства, хемостатичният ефект на лазерното лъчение се засилва значително, тъй като

Схематично представяне на лазерна рана на стомаха

Съдовете с намалено кръвообращение мигновено се коагулират.

Морфологията на лазерната рана има характерни черти, които я отличават рязко от рани с друг произход. Тъканите, изложени на термични въздействия, са представени от коагулативна некроза, образуваща лазерна термична краста. Последният плътно покрива повърхността на раната. Непосредствено след излагане на лазер е трудно да се определи пълният обем на некротичната тъкан. Границата на тъканите, подложени на коагулационна некроза, се стабилизира главно в рамките на един ден. През този период в тясна зона на запазена тъкан на границата с термична некроза се открива оток и различна степен на тежест на циркулаторни нарушения, проявяващи се с хиперемия, стаза и периваскуларни диапедезни кръвоизливи.

Въз основа на хистологични изследвания са идентифицирани следните зони на лазерно излагане: зона на коагулативна некроза, чиято периферна част е тесен, хлабав ("гъбест") слой, а централната част е широка, компактна и зона на възпалителен оток (фиг. 23).

Отбелязани са микроциркулаторни нарушения, най-изразени при излагане на радиация от YAG-Nd лазер и аргонов лазер (за хемостаза на остри кървящи стомашни язви). Процесът на дисекция на тъкани с лазер с въглероден диоксид е придружен от строго локална коагулация на тъканта по протежение на линията на срязване, като по този начин се предотвратява увреждането на околната тъкан.

При лазерни рани, за разлика от рани от друг произход, преходните зони от коагулирана тъкан към жизнеспособна тъкан са слабо изразени или дори липсват. Регенерацията в тези случаи започва главно в клетките на зоната, която не е увредена от лазерното лъчение.

Известно е, че увреждането на тъканите е придружено от освобождаване на възпалителни медиатори. Сред последните се разграничават плазмени (циркулиращи) медиатори, както и клетъчни (местни) медиатори, свързани с активността на много клетки - мастоцити, тромбоцити, макрофаги, лимфоцити, полиморфонуклеарни левкоцити и др. По-специално, ролята на полиморфонуклеарните левкоцити в процеса на раната е предимно в лизиране на мъртва тъкан и фагоцитоза на микроби. Всяко намаляване на степента на микробно замърсяване води до намаляване на интензивността на всички компоненти на възпалението. При бактериологично изследване на материал от повърхността на рани и 1 g тъкан по време на изрязване на гнойни рани и некректомия с лазер с въглероден диоксид, пълна стерилност се наблюдава при 62 пациенти от 100, а в други случаи се наблюдава намаляване на съдържание на микроби под критично ниво (10 5).

Намаляването на степента на микробно замърсяване на лазерната рана, коагулативният характер на термичната некроза и съдовата тромбоза в зоната на некроза спомагат за намаляване на ексудативния компонент на възпалението. Наличието на слабо изразена левкоцитна реакция, а понякога и пълното й отсъствие в краищата на лазерна рана, е потвърдено от работата на повечето изследователи. Коагулираните тъкани не са източник на вазоактивни медиатори, по-специално кинини, които играят толкова важна роля във формирането и развитието на ексудативната фаза на възпалителната реакция.

Според VI Eliseenko (1980-1985), лазерните рани се характеризират с активна ранна пролиферация на клетъчни елементи от макрофагите и фибробластните серии, което определя хода на репаративния процес според вида на асептичното продуктивно възпаление. Пролиферацията на макрофаги и фибробласти във фокуса на продуктивното възпаление, започвайки от първия ден след излагане на лазерно лъчение, е в основата на образуващата се гранулационна тъкан.

Има обаче доказателства, че заздравяването на лазерни рани може да протече по обичайния начин, т.е. включително фазата на разтопяване на левкоцитите на некротичната тъкан. Заздравяването на лазерни рани, според Ю. Г. Пархоменко (1979, 1983), се извършва главно под лазерната краста. Трансформацията на лазерната краста се състои в нейното постепенно организиране и резорбция (в паренхимни органи - черен дроб и панкреас) или отхвърляне (в органите на стомашно-чревния тракт) с узряването на гранулационната тъкан.

Клетките от мононуклеарната фагоцитна система - макрофагите - са от съществено значение в процеса на зарастване на лазерни рани. Макрофагите контролират диференциацията на гранулоцитите и моноцитите от стволовите клетки, влияят върху функционалната активност на Т- и В-лимфоцитите, а също така участват в тяхното сътрудничество. Те секретират първите шест компонента на комплемента, като по този начин медиират участието на имунната система във възпалителния отговор. Макрофагите индуцират ролята на фибробластите и синтеза на колаген, т.е. те са стимулатори на крайната фаза на репаративната реакция) по време на възпаление. По-специално бяха открити клетъчни контакти между макрофагите и фибробластите на гранулационната тъкан.

Може да се предположи, че интензивната и продължителна реакция на макрофагите при лазерни рани, свързана с дългосрочното запазване на коагулираните тъкани, е фактор, който активно стимулира процеса на образуване на колаген.Според V.I.Eliseenko et al. (1982, 1985), функционалната роля на пролифериращите макрофаги е да „програмират“ целия ход на лечебния процес на лазерни хирургични рани.

Фибробластната реакция заема едно от водещите места в процесите на ранно зарастване на лазерни рани.

При лазерни рани, по време на периода на активен растеж на гранулационната тъкан (5-10 дни), високата плътност на фибробластите се комбинира с най-драматичното повишаване на активността на NAD (NADP)-липоамид дехидрогеназа (стара диафораза) в тези клетки , което до известна степен може да отразява повишаване нивото на енергийните и синтетични процеси в тях. По-късно ензимната активност на тези клетки постепенно намалява, което показва тяхното съзряване.

В развиващия се белег от лазерна рана се наблюдава бързо, дифузно натрупване на гликозаминогликани от основното вещество на съединителната тъкан, което показва узряването на гранулационната тъкан. Известно е, че след максималното увеличаване на броя на фибробластите и тяхното съзряване се увеличава и синтеза на колагенови влакна.

По време на лечебния процес на лазерни хирургични рани на стомашно-чревния тракт има ясна връзка между узряването на съединителната тъкан и растежа на епитела.

По този начин реакцията на макрофагите, пролиферацията на фибробластите и колагеногенезата се появяват много рано и са по-изразени, колкото по-слабо е изразена левкоцитната инфилтрация, липсата на която осигурява заздравяването на лазерни рани с първично намерение.

7 МЕХАНИЗМИ НА ЛАЗЕРНА БИОСТИМУЛАЦИЯ

Отделно трябва да разгледаме естеството на биостимулиращата активност на нискоенергийното лазерно лъчение в червената област на спектъра, което се получава главно с помощта на хелиево-неонови лазери. Благоприятното въздействие на това лъчение е установено при експерименти върху различни биологични обекти.

През 70-те години се правят опити да се обясни феноменът на лазерната биостимулация чрез специални свойства („биополе“, „биоплазма“), за които се твърди, че са присъщи на живите организми и придават биологично значение на специфичните характеристики на лазерното лъчение. През 1979 г. се предполага, че биологичните ефекти на нискоенергийното лазерно лъчение са свързани с естествените процеси на регулиране на светлината, наблюдавани при животни. Молекулярната основа на началните етапи на такива процеси е по-добре проучена в растенията, за които е установен не само фактът на самата фоторегулация, но и химическата природа на един от първичните светлинни акцептори, фитохром. Този хромопротеин съществува в две форми, едната от които абсорбира светлина близо до 660 nm, а другата при 730 nm. Поради взаимното преобразуване на тези форми при осветяване, тяхното количествено съотношение се променя, което е спусък във веригата от процеси, които в крайна сметка водят до покълване на семена, образуване на пъпки, цъфтеж на растения и други формиращи ефекти. Въпреки че няма съмнение, че при животните фоторегулаторните процеси са в основата на такива явления като цикличността на половото размножаване или ограничаването на редица адаптивни реакции (линеене и зимен сън на бозайници, миграция на птици) до определени периоди от годината, техните молекулярни механизми са неясни

Идеята за съществуването на определена фоторегулаторна система в животинските клетки, може би напомняща фитохромната система на растенията, предполага, че биостимулиращата активност на хелиево-неоновото лазерно лъчение е следствие от простото съвпадение на неговите спектрални характеристики с абсорбцията регион на компонентите на тази система. В този случай би се очаквало монохроматичната червена светлина от некохерентни източници също да бъде биологично ефективна. За да се тестват експериментално този и други въпроси, бяха необходими чувствителни тестове, които биха довели до количествени, силно възпроизводими и точно измерими резултати. По-голямата част от изследванията с хелиево-неонови лазери са проведени върху животни или директно върху пациенти при условия, които не отговарят на тези изисквания.

Когато избирахме подходяща моделна система, ние изхождахме от две предпоставки: 1) клетките, които се развиват или оцеляват in vitro, са сравнително прост тестов обект, който позволява точно отчитане на условията на експозиция и нейните резултати; 2) реакцията на повърхностната мембрана на клетките заслужава специално внимание, чиято висока чувствителност е установена преди това в експерименти с нискоенергийно червено лъчение от рубинен лазер.

В проучвания, проведени от N. F. Gamaleya и др., е изследван ефектът на хелиево-неоновото лазерно лъчение върху повърхностната мембрана на лимфоцити, изолирани от човешка кръв. За целта е оценена способността на лимфоцитите да образуват Е-розетки – да взаимодействат с еритроцитите на овцете. Установено е, че при ниски дози на радиация (плътност на мощността 0,1-0,5 W/m2, експозиция 15 s), които са с един и половина до два порядъка по-ниски от използваните в клиничната работа с хелиево-неонов лазер, малко, но статистически значимо увеличение на способността за образуване на розетка (1,2-1,4 пъти) в облъчените лимфоцити в сравнение с контролата. Успоредно с цитомембранните промени се повишава функционалната активност на лимфоцитите, по-специално тяхната способност за делене се увеличава 2-6 пъти, което се определя в реакцията на бластна трансформация с фитохемаглутинин [Новиков Д.К., Новикова В.И., 1979], оценено чрез натрупване от 3 N-тимидин. При експерименти с човешки кръвни левкоцити е установено, че когато са изложени на хелиево-неоново лазерно лъчение в същите ниски дози, фагоцитозата от клетките на E. coli (както улавяне, така и смилане) се увеличава 1,5-2 пъти. Лъчението на хелий-неоновия лазер имало стимулиращ ефект и върху други клетки. По този начин, в културата на миши туморни клетки (L), забавянето на растежа им на 1-вия ден след облъчването беше заменено с неговото ускорение, което беше особено забележимо на 3-4-ия ден, когато броят на делящите се клетки беше 2 пъти по-голяма от контролната

Така е доказано, че хелиево-неоновото лазерно лъчение с много нисък интензитет предизвиква промени в мембраната на различни видове клетки и стимулиране на тяхната функционална активност. Промените в цитоплазмената мембрана в култивирани клетки от китайски хамстер, облъчени с хелиево-неонов лазер, също са разкрити от А. К. Абдвахитова и др.(1982), използвайки метода на флуоресцентните сонди, въпреки че използваните от тях дози радиация са с два порядъка по-високи от тези използвани от нас.

Хипотезата, изложена от унгарския хирург Е. Местер заедно с група физици, се опитва да обясни биостимулиращата активност на лазерното лъчение единствено с неговата поляризация: поради поляризацията на лъчението, то може да реагира с полярни липидни молекули в липиден двоен слой на цитоплазмената мембрана, който задейства верига от промени в клетката. Според предложения модел, стимулиращият ефект не трябва да зависи от дължината на вълната на излъчване. Експерименталните данни обаче не потвърждават това.

Надеждната възпроизводимост на биостимулационния ефект позволи да отидем по-далеч и да се опитаме да разберем дали този ефект се причинява само от лазерно (кохерентно, поляризирано) лъчение и как то зависи от дължината на вълната. За тази цел ефектът на монохроматична червена светлина (633 ± 5 nm), получена от ксенонова лампа, използваща дифракционен монохроматор, върху човешки кръвни лимфоцити беше оценен чрез използване на тест за образуване на розетка. Установено е, че при сравнима доза некохерентна червена светлина (3 J/m3) процесът на образуване на розетка се стимулира по същия начин, както при използване на хелиево-неонов лазер.

След това ефектът на червената светлина беше сравнен с ефекта на радиация от други тесни спектрални области на видимата област. В този случай активността на светлината беше оценена чрез нейния ефект върху три процеса: образуването на Е-розетки от човешки лимфоцити, пролиферацията на L клетки от културата и освобождаването на вещество с максимум на абсорбция от 265 nm в средата. от миши лимфоцити. (Последният тест е развитие на резултатите от наблюденията и се основава на факта, че от клетки, подложени на лазерно облъчване, се засилва освобождаването на определен химичен фактор с абсорбционна лента в областта от 260-265 nm.) Експериментите показват, че се наблюдава стимулиране и на трите процеса при облъчване на някои с монохроматична светлина и същите спектрални области: червено (633 nm), зелено (500 и 550 nm) и виолетово (415 nm).

По този начин проведените изследвания позволиха да се идентифицира наличието на висока светлинна чувствителност в различни човешки и животински клетки, дори много по-голяма, отколкото би могло да се очаква въз основа на клиничните резултати от терапията с лазерна биостимулация. Тази чувствителност не се дължи на кохерентността и поляризацията на светлината и не се ограничава до червената област на спектъра: наред с максимума в тази област имаше още две - във виолетовата и зелената област на спектъра.

Използвайки различен методологичен подход (определяне на интензитета на синтеза на ДНК в HeLa културални клетки чрез включването на белязан тимидин), T. Y. Karu и др. (1982, 1983) също показват, че биостимулационният ефект не е свързан с кохерентността и поляризацията на светлина . В техните експерименти с клетъчно облъчване с червена светлина се наблюдава максимално стимулиране на синтеза на ДНК при доза от 100 J/m 2 и ефектът бързо намалява при промяна в която и да е посока. При сравняване на радиационната активност в различни части на спектъра са установени три максимума: близо до 400, 630 и 760 nm.

Към механизма на светлинната биостимулация. може да бъде свързано с образуването в облъчени клетки и тяхното освобождаване на химичния фактор, който е открит в средата чрез пика на абсорбция на светлина близо до 265 nm. За да се изясни природата на този фактор, бяха проведени хартиена хроматография и електрофореза в агарозен гел със зонова визуализация с етидиев бромид, което направи възможно откриването на двойноверижна ДНК с молекулно тегло в материала, секретиран от клетките. Структурата на двойна спирала на ДНК се потвърждава от появата на хиперхромен ефект при нагряване.

Информацията, дадена в литературата за способността на нуклеиновите киселини да ускоряват възстановяването на увредените тъкани [Belous A.M. et al., 1974] потвърждава възможното участие на ДНК фактора, секретиран от клетките, в светлинната биостимулация. За да се тества тази хипотеза, беше проведен експеримент върху клетки от линия L, част от които бяха облъчени с хелиево-неонов лазер, а другата част, която не беше облъчена, обаче беше поставена в среда, взета от облъчени клетки и , следователно, съдържащи ДНК фактора. Определянето на скоростта на растеж (митотична активност) на клетките показва, че и в двете групи клетъчното развитие е стимулирано еднакво в сравнение с контролата.Освен това, разрушаването на ДНК в средата, взета от облъчени клетки с помощта на ензима ДНКаза, лишава тази среда от биостимулираща активност . Самата ДНК-аза практически няма ефект върху клетъчния растеж.

Следователно може да се мисли, че когато се действа върху тъканите на целия организъм (например по време на лазерна терапия на трофични язви), облъчването на клетките в периферията на патологичния фокус води до освобождаване на ДНК фактор, който стимулира растежа на фибробластни елементи в тъканите около язвата, като по този начин ускорява нейното зарастване. Недвусмислено доказателство за това обаче може да се получи само при опити върху животни.

По този начин представените данни очевидно оправдават осъществимостта на използването на лазер (или дори светлинна биостимулация) за терапевтични цели и показват начини за по-нататъшно развитие на този метод. Тези данни имат и по-широко фитобиологично значение, състоящо се в това, че за първи път е установена специфичната светлочувствителност на неретиналните (невизуални) клетки на хора и животни, която се характеризира с редица особености. Тази чувствителност е спектрално зависима и изключително висока: плътностите на мощността, които използвахме, равни на десети от вата на квадратен метър, са сравними с тези, които са ефективни за фоторегулаторните системи на растенията.Както беше установено чрез теста за изолиране на ДНК фактор, човешки клетки имат такава фоточувствителност и животни от различни видове, взети от тъкани и органи: миши, кучешки и човешки лимфоцити, клетки от черен дроб на плъх, клетки от култури, получени от човешки фибробласти, бъбрек на хамстер и злокачествени миши фибробласти.

Всички тези факти подкрепят предположението, че бозайниците имат специална система за възприятие на светлината, вероятно подобна на фитохромната система на растенията и също изпълняваща регулаторни функции. Сходството на предполагаемата фоточувствителна система на животните със системата за регулиране на фитохрома се доказва от сравнението на основните им характеристики.В допълнение към високата светлочувствителност, фитохромната система се характеризира с нискодозов (тригерен) характер на действие, което прави човек помни и може би обяснява голямата вариабилност на дозите (с разлики от два порядъка), използвани от клиницистите за лазерна биостимулация; конюгирането на фитохромната система (както и ефектите, които описахме) с клетъчните мембрани; контролът на фитохромната система върху синтеза на ДНК, РНК и протеин, чието образуване в тъканите, облъчени с хелиево-неонов лазер, според много автори също се засилва.

Ако животинските клетки действително имат специализирана фоточувствителна система, тогава с помощта на експерименти за определяне на спектъра на действие (зависимостта на големината на биологичната реакция от дължината на вълната) може да се опита да се установи спектърът на поглъщане (и от него химическата идентичност) на съединението, което е първичният акцептор на светлина и задейства верига от процеси, които в крайна сметка водят до фоторегулаторни ефекти. Съответствие между спектрите на действие и спектъра на поглъщане на светлинния акцептор обаче се постига само ако са изпълнени редица методически условия при поставянето на експерименти, което на практика е много трудна задача

Въпреки това не може да не се обърне внимание на сходството на трите криви, характеризиращи спектралната зависимост на различните биологични ефекти, които тествахме, с типичния спектър на абсорбция на порфириновите съединения. Това предполага, че акцепторът на светлината в хипотетичната система за фоторегулация на животинските клетки е някакво съединение от групата на порфирините, които, както е известно, са неразделна част от много важни биохимични компоненти на животинския организъм - хемоглобин, цитохроми, редица ензими и др. S. M. Zubkova (1978) предполага, че биостимулиращият ефект на хелиево-неоновото лазерно лъчение е свързан с абсорбцията му от порфирин-съдържащия ензим каталаза, който има максимум на абсорбция на светлина ~ 628 nm. Облъчването на клетките по периферията на патологичния фокус води до освобождаване от тях на ДНК фактор, който стимулира растежа на фибробластични елементи в тъканите около язвата, като по този начин ускорява нейното заздравяване. Недвусмислено доказателство за това обаче може да се получи само при опити върху животни.

По този начин представените данни очевидно оправдават осъществимостта на използването на лазер (или дори светлинна биостимулация) за терапевтични цели и показват начини за по-нататъшно развитие на този метод. Тези данни имат и по-широко фитобиологично значение, състоящо се в това, че за първи път е установена специфичната светлочувствителност на неретиналните (невизуални) клетки на хора и животни, която се характеризира с редица особености. Тази чувствителност зависи от спектъра и е изключително висока: използваните плътности на мощността, равни на десети от вата на квадратен метър, са сравними с тези, ефективни за растителни фоторегулаторни системи. Както беше установено чрез тест за изолиране на ДНК фактор, такава фоточувствителност имат човешки и животински клетки от различни видове, взети от тъкани и органи: миши, кучешки и човешки лимфоцити, клетки от черен дроб на плъхове, клетки от култури, получени от човешки фибробласти, бъбреци на хамстер и злокачествени миши фибробласти.

Всички тези факти подкрепят предположението, че бозайниците имат специална система за възприятие на светлината, вероятно подобна на фитохромната система на растенията и също изпълняваща регулаторни функции. Сходството на предполагаемата фоточувствителна система на животните със системата за регулиране на фитохрома се доказва чрез сравнение на техните основни характеристики. В допълнение към високата чувствителност към светлина, фитохромната система се характеризира с ниска доза (задействащ) характер на действие, което ни кара да си спомним и, може би, обяснява голямата променливост на дозите (с разлики от два порядъка), използвани от клиницистите за лазерна биостимулация; конюгирането на фитохромната система (както и ефектите, които описахме) с клетъчните мембрани; контролът на фитохромната система върху синтеза на ДНК, РНК и протеин, чието образуване в тъканите, облъчени с хелиево-неонов лазер, според много автори също се засилва.

Ако животинските клетки действително имат специализирана фоточувствителна система, тогава с помощта на експерименти за определяне на спектъра на действие (зависимостта на големината на биологичната реакция от дължината на вълната) може да се опита да се установи спектърът на поглъщане (и от него химическата идентичност) на съединението, което е първичният акцептор на светлина и задейства верига от процеси, които в крайна сметка водят до фоторегулаторни ефекти. Съответствие между спектрите на действие и спектъра на поглъщане на акцептора на светлината обаче се постига само ако са изпълнени редица методически условия при поставянето на експерименти, което на практика е много трудна задача.

ПРЕПРАТКИ

1. А. Н. РЕМИЗОВ „МЕДИЦИНСКА И БИОЛОГИЧНА ФИЗИКА“

2. “ЛАЗЕРИ В ХИРУРГИЯТА” ПОД РЕДАКЦИЯТА НА ПРОФ. ДОБРЕ. СКОБЕЛКИНА

3. “ЛАЗЕРИ В КЛИНИЧНАТА МЕДИЦИНА” ПОД РЕДАКЦИЯТА НА С. Д. ПЛЕТНЕВ