ЛАЗЕРЫ в медицине

Лазер - устройство для получения узких пучков световой энергии высокой интенсивности. Лазеры были созданы в 1960 г. , СССР) и Ч. Таунсом (США), удостоенными за это открытие Нобелевской пре-мдп 1964 г. Существуют различные типы лазеров - газовые, жидкостные и работающие на твердых телах. Лазерное излучение может быть непрерывным и импульсным.

Сам термин “лазер”- это аббревиатура от английского “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”, т. е. “усиление света вынужденным излучением”. Из физики известно, что “лазер - это источник когерентного электромагнитного излучения, возникающего в результате вынужденного испускания фотонов активной средой, находящейся в оптическом резонаторе". Для лазерного излучения характерна монохроматичность, высокая плотность и упорядоченность потока световой энергии. Многообразие используемых в наши дни источников такого излучения определяет разнообразие областей применения лазерных установок.

В медицину лазеры вошли в конце 1960-х годов. Вскоре сформировались три направления лазерной медицины, различие между которыми определялось мощностью светового потока лазера (и, как следствие, видом его биологического воздействия). Излучение низкой мощности (мВт) в основном используется в терапии крови, средней мощности (Вт) – в эндоскопии и фотодинамической терапии злокачественных опухолей, а высокой Вт) – в хирургии и косметологии . Хирургическое применение лазеров (т. н. “лазерные скальпели”) основано на прямом механическом воздействии высокоинтенсивного излучения, которое позволяет резать и “сваривать” ткани. Тот же эффект лежит в основе применения лазеров в косметологии и эстетической медицине (в последние годы наряду со стоматологией одна из самых прибыльных отраслей здравоохранения). Однако у биологов наибольший интерес вызывает феномен терапевтического воздействия лазеров. Известно, что низкоинтенсивное лазерное воздействие приводит к таким положительным эффектам, как повышение тонуса, устойчивость к стрессам, улучшение работы нервной, имунной эндокринной систем, устранению ишемических процессов, заживлению хронических язв и многим другим... Лазерная терапия, безусловно, высокоэффективна, но, что удивительно, до сих пор нет четкого представления об ее биологических механизмах! Ученые пока лишь разрабатывают модели, объясняющие этот феномен. Так, известно, что низкоинтенсивное лазерное излучение (НИЛИ) воздействует на пролиферативный потенциал клеток (то есть стимулирует их деление и развитие). Считается, что причина этого– в локальных изменениях температуры, которые могут стимулировать процессы биосинтеза в тканях. НИЛИ также укрепляет системы антиоксидантной защиты организма (тогда как излучение высокой интенсивности, напротив, приводит к массовому появлению активных форм кислорода.) Скорее всего, именно этими процессами и объясняется терапевтическое действие НИЛИ. Но, как уже упоминалось, существует и другой тип лазерной терапии - т. н. фотодинамическая терапия, применяемая для борьбы со злокачественными образованиями. Она основана на использовании открытых еще в 60-е годы фотосенсибилизаторов - специфических веществ, способных избирательно накапливаться в клетках (в основном раковых). При лазерном облучении средней мощности молекула фотосенсибилизатора поглощает световую энергию, переходит в активную форму и вызывает целый ряд разрушительных процессов в раковой клетке. Так, повреждаются митохондрии (внутриклеточные энергетические структуры), существенно меняется кислородный обмен, что приводит к появлению огромного количества свободных радикалов. Наконец, сильное нагревание воды внутри клетки вызывает разрушение ее мембранных структур (в частности внешней клеточной оболочки). Все это в итоге приводит к интенсивной гибели опухолевых клеток. Фотодинамическая терапия - сравнительно новая область лазерной медицины (развивается с середины 80-х годов) и пока еще не столь популярная, как, скажем, лазерная хирургия или офтальмология , однако именно на нее сейчас возлагают основные надежды врачи-онкологи.

В целом можно сказать, что лазерная терапия в наши дни - одна из наиболее динамично развивающихся отраслей медицины. Причем, что удивительно, не только традиционной. Некоторые терапевтические эффекты лазеров легче всего объясняются наличием в организме систем энергетических каналов и точек, используемых при акупунктурных воздействиях. Известны случаи, когда локальная обработка лазером отдельных тканей вызывала позитивные изменения в других частях организма. Ученым еще предстоит ответить на множество вопросов, связанных с целебными свойствами лазерного излучения, что, безусловно, откроет новые перспективы развития медицины в XXI веке.

Принцип действия лазерного луча основан на том, что энергия сфокуси-тэванного светового пучка резко повышает температуру в облучаемом месте и вызывает коагуляцию (свертывание) блологич. ткани. Особенности биологич. действия лазерного излучения зависят m типа лазера, мощности энергии, ее характера, структуры и биологич. ;зойств облучаемых тканей. Узкий световой пучок большой мощности дает возможность производить светокоагу-ляцию строго определенного участка тканей за доли секунды. Окружающие ткани при этом не страдают. Кроме коагуляции биологич. ткани, при большой мощности излучения возможно и взрывное ее разрушение от воздействия своеобразной ударной волны, образующейся в результате мгновенного перехода тканевой жидкости в газообразное состояние под влиянием высокой температуры. Имеют значение вид тканей, пх окраска (пигментация), толщина, плотность, степень наполнения кровью. Чем больше мощность лазерного излучения, тем глубже оно проникает и тем сильнее его действие.

Первыми использовали лазеры для лечения больных глазные врачи, применившие их для коагуляции сетчатой оболочки глаза при ее отслойке и разрыве (), а также для разрушения мелких внутриглазных опухолей и создания оптич. отверстия в глазу при вторичных катарактах. Кроме того, лазерным лучом уничтожают небольшие, поверхностно расположенные опухоли, коагулируют патологич. образования на поверхности кожи (пигментные пятна, сосудистые опухоли и т. д.). Лазерное излучение используют и в диагностич. целях для исследования кровеносных сосудов, фотографирования внутренних органов и др. С 1970 г. лазерный луч начали применять при хирургич. операциях в качестве «светового скальпеля» для рассечения тканей организма .

В медицине лазеры применяются как бескровные скальпели, используются при лечении офтальмологических заболеваний (катаракта, отслоение сетчатки, лазерная коррекция зрения и др.). Широкое применение получили также в косметологии (лазерная эпиляция, лечение сосудистых и пигментных дефектов кожи, лазерный пилинг, удаление татуировок и пигментных пятен).

Виды хирургических лазеров

В лазерной хирургии применяются достаточно мощные лазеры, работающие в непрерывном или импульсном режиме, которые способны сильно нагревать биоткань, что приводит к ее резанию или испарению.

Лазеры обычно именуются по типу активной среды, генерирующей лазерное излучение. Наиболее известны в лазерной хирургии неодимовый лазер и лазер на углекислом газе (или СО2-лазер).

Некоторые другие виды высокоэнергетичных лазеров, используемых в медицине, имеют, как правило, свои узкие области применения. Например, в офтальмологии для прецизионного испарения поверхности роговицы глаза применяются эксимерные лазеры.

В косметологии для устранения сосудистых и пигментных дефектов кожи используются КТР-лазеры, лазеры на красителе и на парах меди, для эпиляции - александритовые и рубиновые лазеры.

СО2 - лазер

Лазер на углекислом газе - это первый хирургический лазер, который активно используется с 1970-х годов по настоящее время.

Высокое поглощение в воде и органических соединениях (типичная глубина проникновения 0,1 мм) делает СО2-лазер подходящим для широкого спектра хирургических вмешательств, в том числе для гинекологии , оториноларингологии , общей хирургии, дерматологии , кожно-пластической и косметической хирургии.

Поверхностное воздействие лазера позволяет иссекать биоткань без глубокого ожога. Это также делает CO2-лазер не опасным для глаз, т. к. излучение не проходит сквозь роговицу и хрусталик.

Конечно, мощный направленный луч может повредить роговицу, но для защиты достаточно иметь обычные стеклянные или пластиковые очки.

Недостаток длины волны 10 мкм состоит в том, что очень трудно изготовить подходящее оптическое волокно с хорошим пропусканием. И до сих пор наилучшим решением является зеркальный шарнирный манипулятор, хотя это достаточно дорогое устройство, сложное в юстировке и чувствительное к ударам и вибрации.

Другим недостатком CO2-лазера - это его непрерывный режим работы. В хирургии для эффективного резания необходимо быстро испарять биоткань без нагрева окружающих тканей, для чего нужна высокая пиковая мощность, т. е. импульсный режим. Сегодня в CO2-лазерах для этих целей применяют так называемый "суперимпульсный" режим (superpulse), при котором лазерное излучение имеет вид пачки коротких, но в 2 - 3 раза более мощных импульсов, по сравнению со средней мощностью непрерывного лазера.

Неодимовый лазер

Неодимовый лазер - это самый распространенный тип твердотельного лазера и в промышленности, и в медицине.

Его активная среда - кристалл алюмоиттриевого граната, активированного ионами неодима Nd:YAG, - позволяет получить мощное излучение в ближнем ИК-диапазоне на длине волны 1,06 мкм практически в любом режиме работы с высоким КПД и с возможностью волоконного выхода излучения.

Поэтому вслед за CO2-лазерами в медицину пришли неодимовые как для целей хирургии, так и терапии.

Глубина проникновения такого излучения в биоткани равна 6 - 8 мм и довольно сильно зависит от ее типа. Это означает, что для достижения такого же режущего или испаряющего эффекта, как у CO2-лазера, для неодимового требуется в несколько раз более высокая мощность излучения. А во-вторых, происходит значительное повреждение подлежащих и окружающих лазерную рану тканей, что отрицательно сказывается на послеоперационном ее заживлении, вызывая различные осложнения, типичные для ожоговой реакции - рубцевание, стеноз, стриктура и т. п.

Предпочтительная сфера хирургического применения неодимового лазера - это объемная и глубокая коагуляция в урологии , гинекологии, онкологические опухоли, внутренние кровотечения и т. п. как в открытых, так и в эндоскопических операциях.

Важно помнить, что излучение неодимового лазера невидимо и опасно для глаз даже в малых дозах рассеянного излучения.

Использование в неодимовом лазере специального нелинейного кристалла КТР (калий-титан-фосфат) позволяет удваивать частоту излучаемого лазером света. Получаемый таким образом КТР-лазер, излучающий в видимой зеленой области спектра на длине волны 532 нм, обладает способностью эффективно коагулировать кровенасыщенные ткани и используется в сосудистой и косметической хирургии.

Гольмиевый лазер

Кристалл алюмоиттриевого граната, активированный ионами гольмия, - Ho:YAG, способен генерировать лазерное излучение на длине волны 2,1 мкм, которое хорошо поглощается биотканью. Глубина его проникновения в биоткань составляет около 0,4 мм, т. е. сравнима с CO2-лазером. Поэтому гольмиевый лазер обладает применительно к хирургии всеми преимуществами СО2-лазера.

Но двухмикронное излучение гольмиевого лазера в то же время хорошо проходит через кварцевое оптическое волокно, что позволяет использовать его для удобной доставки излучения к месту хирургического вмешательства. Это особенно важно, в частности, для проведения малоинвазивных эндоскопических операций.

Излучение гольмиевого лазера хорошо коагулирует сосуды размером до 0,5 мм, что вполне достаточно для большинства хирургических вмешательств. Двухмикронное излучение, к тому же, вполне безопасно для глаз.

Типичные выходные параметры гольмиевого лазера: средняя выходная мощность Вт, максимальная энергия излучения - до 6 Дж, частота повторения импульсов - до 40 Гц, длительность импульса - около 500 мкс.

Сочетание физических параметров излучения гольмиевого лазера оказалось оптимальным для целей хирургии, что позволило ему найти многочисленные применения в самых различных областях медицины.

Эрбиевый лазер

Эрбиевый (Er:YAG) лазер имеет длину волны излучения 2,94 мкм (средний ИК-диапазон). Режим работы - импульсный.

Глубина проникновения в биоткань излучения эрбиевого лазера составляет не более 0,05 мм (50 мкм), т. е. его поглощение еще в раз выше, чем у CO2-лазера, и он оказывает исключительно поверхностное воздействие.

Такие параметры практически не позволяют коагулировать биоткань.

Основные направления применения эрбиевого лазера в медицине:

Микрошлифовка кожи,

Перфорация кожи для взятия проб крови,

Испарение твердых тканей зуба,

Испарение поверхности роговицы глаза для исправления дальнозоркости.

Излучение эрбиевого лазера неопасно для глаз, как и у CO2-лазера, и для него также нет надежного и дешевого волоконного инструмента.

Диодный лазер

В настоящее время существует целая гамма диодных лазеров, имеющих широкий спектр длин волн от 0,6 до 3 мкм и параметров излучения. Основными достоинствами диодных лазеров являются высокий КПД (до 60%), миниатюрность и большой ресурс работы (более 10,000 часов).

Типичная выходная мощность одиночного диода редко превышает 1 Вт в непрерывном режиме, а энергия импульса - не более 1 - 5 мДж.

Для получения мощности, достаточной для хирургии, одиночные диоды объединяют в наборы, состоящие от 10 до 100 элементов, расположенные в виде линейки, или к каждому диоду присоединяют тонкие волокна, которые собирают в жгут. Такие композитные лазеры позволяют получать 50 Вт и более непрерывного излучения на длине волны нм, которые сегодня применяются в гинекологии, офтальмологии, косметологии и др.

Основной режим работы диодных лазеров - непрерывный, что ограничивает возможности их использования в лазерной хирургии. При попытках реализовать суперимпульсный режим работы чересчур длинные импульсы (порядка 0,1 с) на длинах волн генерации диодных лазеров в ближнем ИК-диапазоне рискуют вызвать чрезмерный нагрев и последующее ожоговое воспаление окружающих тканей.

ВВЕДЕНИЕ

1 ЛАЗЕРЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В МЕДИЦИНЕ

2 ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ И ЦЕЛИ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЛАЗЕРОВ

3 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРОВ В МЕДИЦИНСКОЙ ПРАКТИКЕ

4 МЕРЫ ЗАЩИТЫ ОТ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

5 ПРОНИКНОВЕНИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В БИОЛОГИЧЕСКИЕ ТКАНИ

6 ПАТОГЕНЕТИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С БИОЛОГИЧЕСКИМИ ТКАНЯМИ

7 МЕХАНИЗМЫ ЛАЗЕРНОЙ БИОСТИМУЛЯЦИИ

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ

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

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

1 ЛАЗЕРЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В МЕДИЦИНЕ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

2hv = E t - E k ,

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

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

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

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

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

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

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

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

2 ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ И ЦЕЛИ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЛАЗЕРОВ

Современные направления медико-биологического применения лазеров могут быть разделены на две основные группы Первая - использование лазерного излучения в качестве инструмента исследования. В этом случае лазер играет роль уникального светового источника при спектральных исследованиях, лазерной микроскопии, голографии и др. Вторая группа - основные пути использования лазеров в качестве инструмента воздействия на биологические объекты. Можно выделить три типа такого воздействия.

Первый тип - воздействие на ткани патологического очага импульсным или непрерывным лазерным излучением при плотности мощности порядка 10 5 Вт/м 2 , недостаточной для глубокого обезвоживания, испарения тканей и возникновения в них дефекта. Этому типу воздействия соответствует, в частности, применение лазеров в дерматологии и онкологии для облучения патологических тканевых образований, которое приводит к их коагуляции. Второй тип- рассечение тканей, когда под влиянием излучения лазера непрерывного или частотно-периодического (импульсы, следующие с большой частотой) действия часть ткани испаряется и в ней возникает дефект. В этом случае плотность мощности излучения может превосходить используемую при коагуляции на два порядка (10 7 Вт/м 2) и более. Этому типу воздействия соответствует применение лазеров в хирургии. Третий тип - влияние на ткани и органы низкоэнергетического излучения (единицы или десятки ватт на квадратный метр), обычно не вызывающего явных морфологических изменений, но приводящего к определенным биохимическим и физиологическим сдвигам в организме, т. е. воздействие физиотерапевтического типа. К этому типу следует отнести применение гелий-неонового лазера с целью биостимуляции при вяло текущих раневых процессах, трофических язвах и др.

Задача исследований механизма биологического действия лазерной радиации сводится к изучению тех процессов, которые лежат в основе интегральных эффектов, вызываемых облучением: коагуляции тканей, их рассечения, биостимуляционных сдвигов в организме.

3 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРОВ В МЕДИЦИНСКОЙ ПРАКТИКЕ

Принцип действия лазеров основан на квантово-механических процессах, протекающих в объеме рабочей среды излучателя, объяснение которым дает квантовая электроника - область физики, исследующая взаимодействие электромагнитного излучения с электронами, входящими в состав атомов и молекул рабочей среды.

Согласно принципам квантовой электроники любая атомная система в процессе своего внутреннего движения находится в состояниях с определенными значениями энергии, называемых квантовыми, т. е. имеет строго определенные (дискретные) значения энергии. Набор этих значений энергии образует энергетический спектр атомной системы.

При отсутствии внешнего возбуждения атомная система стремится к состоянию, в котором ее внутренняя энергия минимальна. При внешнем возбуждении переход атома в состояния с большей энергией сопровождается поглощением порции энергии, равной разности энергий конечного Е т и начального Е„ состояний. Этот процесс записывается в следующем виде:

Em - E n =nV mn, (1)

где V mn - частота перехода из состояния п в состояние m; h - постоянная Планка.

Как правило, средняя продолжительность пребывания (время жизни) атома в возбужденном состоянии мала и возбужденный атом самопроизвольно (спонтанно) переходит в состояние с меньшей энергией, испуская при этом квант света (фотон) с энергией, определяемой по формуле (1). При спонтанных переходах атомы испускают кванты света хаотически, не взаимосвязано. Они разлетаются равномерно во всех направлениях. Процесс спонтанных переходов наблюдается при свечении нагретых тел, например, ламп накаливания и др. Такое излучение немонохроматично.

При взаимодействии возбужденного атома с внешним излучением, частота которого соответствует частоте перехода атома из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией, существует вероятность (тем большая, чем выше интенсивность внешнего излучения) перевода этим внешним излучением атома в состояние с меньшей энергией. При этом атом излучает квант света, имеющий те же частоту v mn , фазу, направление распространения и поляризацию, что и вынуждающий этот переход квант света внешнего излучения.

Такие переходы называются вынужденными (индуцированными). Именно наличие вынужденного излучения обеспечивает возможность генерирования когерентного излучения в оптических квантовых генераторах-лазерах.

Теперь рассмотрим, что произойдет при распространении света через систему, в которой имеются атомы с энергией Е т и Е n (для определенности примем E m >En). Число атомов с энергией Е га обозначим N m , а число атомов с энергией E n -N„. Числа N m и N„ принято называть населенностью уровней с энергией Е ш и Е п соответственно.

В естественных условиях на более высоком энергетическом уровне частиц меньше, чем на более низком для любого значения температуры. Поэтому для любого нагретого тела а - величина отрицательная и в соответствии с формулой (2) распространение света в веществе сопровождается его ослаблением. Для усиления света необходимо иметь N m >N n . Такое состояние вещества называют состоянием с инверсией населенности. В этом случае распространение света через вещество сопровождается его усилением за счет энергии возбужденных атомов.

Таким образом, для процесса усиления излучения необходимо обеспечить превышение населенности верхнего уровня перехода над нижним.

Для создания инверсии населенности применяют различные способы, заключающиеся в использовании внешнего источника возбуждения.

Атомную систему с инверсией населенности принято называть активной средой. Для получения генерации излучения необходимо решить проблему обратной связи. Активную среду помещают в оптический резонатор, который в наиболее простом случае представляет собой два взаимно параллельных плоских зеркала, ограничивающих с двух противоположных сторон активную среду. При этом одно из зеркал резонатора частично пропускает излучение генерации и через него осуществляется вывод излучения из резонатора, а другое зеркало полностью отражает падающее на него излучение.

Процесс развития генерации в резонаторе представляется в следующем виде. После создания внешним источником возбуждения в рабочей среде инверсии населенности участвовать в развитии процесса генерации будет только то излучение, которое распространяется вдоль оси резонатора. Это излучение, достигнув поверхности полностью отражающего зеркала резонатора и отразившись от него, снова попадает в активную среду и, распространяясь в ней, за счет вынужденных переходов усиливается. Отразившись от частично отражающего зеркала резонатора, часть усиленного излучения возвращается в активную среду и снова усиливается, а часть излучения выходит из резонатора. Далее указанные процессы повторяются многократно, пока существует внешний источник возбуждения атомной системы.

Для того чтобы процесс генерации излучения был устойчивым, необходимо, чтобы усиление излучения в активной среде за двойной проход в резонаторе было равно или больше полных потерь излучения на том же пути. В полные потери входят потери в активной среде и то излучение, которое выводится из резонатора через частично отражающее зеркало.

В современных лазерах угол расхождения (9) лазерного пучка может достигать дифракционного предела и составлять по порядку величин от нескольких угловых секунд до десятков угловых минут.

Мощность лазерного излучения, снимаемая с единицы объема активной среды, в конечном счете определяется мощностью внешнего источника возбуждения, подводимой к единице объема активной среды. Максимальная полная мощность (энергия) лазерного излучения в довольно широких пределах пропорциональна объему активной среды и максимальной мощности (энергии) источника внешнего возбуждения (накачки).

Основными особенностями лазерного излучения, делающими его перспективным для применения в различных областях медицины, являются высокие направленность, монохроматичность и энергоемкость.

Высокая направленность лазерного излучения характеризуется тем, что угловое расхождение его пучка в свободном пространстве достигает величин, измеряемых десятками угловых секунд. Благодаря этому возможна передача лазерного излучения в пучке на значительные расстояния без существенного увеличения его диаметра. Высокие монохроматичность и направленность как импульсного, так и непрерывного лазерного излучения позволяют фокусировать его в пятна, соизмеримые с длиной волны излучения самого лазера. Столь острая фокусировка делает возможным облучение медико-биологических объектов на клеточном уровне. Кроме того, такая фокусировка позволяет получать требуемый лечебный эффект при небольших энергиях лазерного излучения. Последнее особенно важно при использовании лазерного излучения для обработки биообъектов, чувствительных к свету.

2. Угол расхождения лазерного пучка (6).

1 - непрозрачное зеркало, 2 - полупрозрачное зеркало, 3 - лазерный световой пучок.

Использование острой фокусировки при больших мощностях и энергиях облучения позволяет осуществлять испарение и разрез биоткани, что и обусловило применение лазера в хирургии.

Для объектов, малочувствительных к свету (злокачественные опухоли), возможно облучение мощным излучением на больших площадях.

Во всех случаях характер воздействия лазерного излучения на биологические ткани зависит от длины волны, плотности мощности и режима излучения - непрерывного или импульсного.

Излучение в красной и инфракрасной областях спектра при поглощении биотканями преобразуется в теплоту, которая может расходоваться на испарение вещества, генерацию акустических колебаний, вызывать биохимические реакции.

Излучение в видимой области спектра, помимо тепловых эффектов, обеспечивает условия для стимуляции фотохимических реакций. Так, применение низкоинтенсивного излучения гелий-неонового лазера (длина волны излучения 0,63 мкм) оказывает клинически достоверное действие, приводящее к ускорению заживления трофических и гнойных ран, язв и др. Однако механизм действия этого вида излучения до конца не изучен. Несомненно, что исследования в этом направлении будут способствовать более эффективному и осмысленному применению этого вида излучения в клинической практике.

При использовании лазеров, работающих в непрерывном режиме излучения, преобладает в основном тепловое действие, которое проявляется при средних уровнях мощностей в эффекте коагуляции, а при больших мощностях в эффекте испарения биоткани.

В импульсном режиме действие излучения на биологические объекты более сложно. Взаимодействие излучения с живой тканью здесь носит взрывной характер и сопровождается как тепловыми (коагуляция, испарение) эффектами, так и образованием в биоткани волн сжатия и разрежения, распространяющихся в глубь биоткани. При высоких плотностях мощности возможна ионизация атомов биоткани.

Таким образом, отличие в параметрах лазерного излучения ведет к отличию в механизме и результатах взаимодействия, обеспечивая лазерам широкое поле деятельности для решения различных медицинских задач.

В настоящее время лазеры применяют в таких областях медицины, как хирургия, онкология, офтальмология, терапия, гинекология, урология, нейрохирургия, а также с диагностической целью.

В хирургии лазерный луч нашел широкое применение в качестве универсального скальпеля, превосходящего по своим режущим и кровоостанавливающим свойствам электронож. Механизм взаимодействия лазерного скальпеля с биотканями характеризуется следующими особенностями.

1. Отсутствие прямого механического контакта инструмента с биотканью, устраняющее опасность инфицирования оперируемых органов и обеспечивающее проведение операции на свободном операционном поле.

2. Гемостатическое действие излучения, позволяющее получить практически бескровные разрезы, останавливать кровотечение из кровоточащих тканей.

3. Собственное стерилизующее действие излучения, являющееся активным средством борьбы с инфицированием ран, что предотвращает осложнения в послеоперационном периоде.

4. Возможность управления параметрами лазерного излучения, позволяющая получать различные эффекты при взаимодействии излучения с биотканями.

5. Минимальное воздействие на близлежащие ткани.

Разнообразие проблем, существующих в хирургии, обусловило необходимость всестороннего изучения возможностей применения лазеров с различными параметрами и режимами излучения.

В хирургии в качестве светового скальпеля наиболее широкое применение нашли газовые углекислотные лазеры (длина волны излучения 10,6 мкм), работающие в импульсном и непрерывном режиме с мощностью излучения до 100 Вт.

Механизм действия излучения С0 2 -лазера заключается в нагреве биоткани за счет сильного поглощения ею лазерного излучения. Глубина проникновения этого излучения не превышает 50 мкм. В зависимости от плотности мощности излучения его воздействие проявляется в эффектах разреза или поверхностной коагуляции биоткани.

Разрез ткани осуществляют сфокусированным лазерным лучом за счет послойного испарения ее. Объемная плотность мощности при этом достигает нескольких сотен киловатт на 1 см 3 . Поверхностная коагуляция тканей достигается воздействием на нее расфокусированным лазерным излучением при объемных плотностях порядка нескольких сотен ватт на 1 см 3 .

При мощности лазерного излучения 20 Вт, диаметре сфокусированного пучка лазерного излучения 1 мм (поверхностная плотность мощности 2,5 кВт/см 2) и глубине проникновения излучения 50 мкм объемная плотность мощности лазерного излучения, идущая на нагрев биоткани, достигает 500 кВт/см 3 . Такая чрезвычайно высокая объемная плотность мощности лазерного излучения обеспечивает быстрый нагрев и разрушение биоткани в зоне действия лазерного луча. При этом вначале происходит разложение биоткани с испарением жидкой и карбонизацией твердой фаз. Полная карбонизация биоткани наблюдается в интервале температур 200-220 °С. Карбонизированный каркас биоткани существует до температур 400-450 °С и при дальнейшем повышении температуры - выгорает. При горении карбонизированного каркаса температура газообразных продуктов сгорания составляет 800-1000 °С.

Глубина разреза определяется скоростью перемещения границ слоя разрушения биоткани в глубь ее. При этом скорость перемещения указанной границы зависит от скорости перемещения точки фокусировки лазерного луча вдоль линии разреза. Чем ниже скорость перемещения точки фокусировки вдоль линии разреза, тем больше глубина разреза, и наоборот.

В отличие от излучения с,= 10,6 мкм излучение АИГ-Nd-лазера обладает на порядок большей глубиной проникновения в биоткани, что, несомненно, является благоприятным фактором при коагуляции больших кровеносных сосудов при массивных кровотечениях, а также для разрушения глубоколежащих опухолей.

Таким образом, излучение АИГ-Nd-лазера обладает ярко выраженным коагулирующим (режущее действие излучения этого лазера значительно уступает таковому С0 2 -лазера) действием, что и определяет его область практического применения.

4 МЕРЫ ЗАЩИТЫ ОТ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

При работе с лазерными установками потенциальную опасность для организма человека (пациента, медицинского персонала) представляет неконтролируемое прямое и рассеянное лазерное излучение. Наибольшую опасность оно представляет для зрения оператора, работающего с лазерной установкой. Однако рассеянное инфракрасное лазерное излучение непрерывных углекислотных лазеров установок «Скальпель-1», «Ромашка-1», «Ромашка-2» полностью задерживается слоями слезной жидкости и роговицы глаза и не достигает глазного дна. Поскольку глубина проникновения лазерного излучения не превышает 50 мкм, около 70% его энергии поглощается слезной жидкостью и около 30% -роговицей.

Высокоинтенсивное излучение углекислотного лазера, особенно если оно сфокусировано, может вызывать локальное ожоговое поражение кожи открытых частей тела -рук, лица. Воздействие лазерного излучения на организм человека не проявляется только при интенсивности облучения ниже безопасного уровня, которое для углекислотного лазера непрерывного действия составляет для глаз 0,1 Вт/см 2 . Известно, что в клинических условиях для достижения требуемого клинического эффекта применяют уровни прямого облучения, в сотни и тысячи раз превышающие безопасный уровень, поэтому при работе с углекислотными лазерными установками необходимо соблюдение определенных мер защиты.

В помещении, где выполняют операции с использованием углекислотного лазера, целесообразно стены и потолок покрыть материалом с минимальной отражающей способностью, а_ аппаратуру и приборы с гладкими блестящими поверхностями разместить таким образом, чтобы на них ни при каких обстоятельствах не мог попасть прямой луч, или отгородить их ширмами, с матовыми темными поверхностями. Перед входом в помещение, в котором находится установка, должно быть установлено световое табло («Не_входить»__«Включен лазер»), включаемое во время лазерной операции.

Защита глаз больных и персонала от прямого или отраженного излучения углекислотного лазера надежно гарантируется очками из обычного оптического стекла. Желательно, чтобы очки были изготовлены таким образом, чтобы исключалась возможность попадания лазерного излучения через щели между оправой и лицом и обеспечивалось широкое поле зрения. Очки надевают только на время выполнения лазерного этапа хирургического вмешательства, чтобы предотвратить непосредственное воздействие лазерного облучения на глаза.

При работе с углекислотными лазерными установками использование лазерных хирургических инструментов повышает опасность повреждения кожи рук и лица хирурга за счет отражения от инструментов лазерного луча. Эта опасность резко снижается при применении инструментов, имеющих специальное «чернение». «Черненые» инструменты поглощают около 90% попадающего на них лазерного излучения с длиной волны 10,6 мкм. Другие инструменты - ранорасширители, кровоостанавливающие зажимы, пинцеты, сшивающие аппараты - также могут отражать лазерный луч. Однако в руках опытного хирурга любое хирургическое вмешательство может быть выполнено без направления лазерного луча на эти инструменты. Существует также опасность возгорания операционного материала, салфеток, простыней и др. при попадании на них прямо направленного лазерного излучения, поэтому при работе с ним необходимо в зоне предполагаемой лазерной обработки использовать мягкий материал, смоченный в изотоническом растворе хлорида натрия._ Целесообразно также в момент выполнения лазерного этапа операции удалять из поля действия лазерного излучения приборы и инструменты, изготовленные из пластических масс, способных возгораться при высокой температуре.

Не следует также забывать, что лазерная установка одновременно является и устройством, работающим с использованием электроэнергии. В связи с этим при работе с ней необходимо соблюдать правила электробезопасности, выполняемые при эксплуатации электроустановок потребителей.

Персонал, работающий с лазерными установками, должен пройти специальную подготовку и иметь соответствующую квалификацию. Все лица, работающие с лазерным излучением, регулярно, не менее одного раза в год, должны подвергаться медицинскому обследованию, включающему осмотр офтальмологом, терапевтом и невропатологом. Кроме того, необходим клинический анализ крови с проверкой уровня гемоглобина, числа лейкоцитов и лейкоцитарной формулы. Проводят также основные печеночные пробы.

При аккуратном соблюдении изложенных выше правил опасность повреждения органов, тканей и биологических сред человеческого организма практически отсутствует. Так, за 10-летний период работы с различными лазерными установками, которыми в общей сложности было выполнено несколько тысяч различных операций, мы не наблюдали ни одного случая поражения глаз и кожи лазерным излучением, а также изменений в состоянии здоровья ни у одного из сотрудников учреждения, связанных с работой на лазерных установках.

5 ПРОНИКНОВЕНИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В БИОЛОГИЧЕСКИЕ ТКАНИ

Закономерности, управляющие проникновением излучения в ткани, имеют непосредственное отношение к проблеме механизма биологического действия лазерной радиации. Одна из причин того, что излучение проникает на ограниченную глубину, состоит в поглощении лазерного излучения биологическими тканями, а оно является, за редким исключением, обязательным начальным звеном, которое предшествует цепи изменений, развивающихся в облученном организме. Глубина проникновения лазерного излучения в ткани весьма важна в практическом отношении, так как она является одним из факторов, определяющих границы возможного применения лазеров в клинике.

Поглощение - не единственный процесс, приводящий к ослаблению лазерного излучения при прохождении его через биологические ткани. Одновременно с поглощением излучения происходит ряд других физических процессов, в частности отражение света от поверхности между двумя средами, преломление при прохождении границы, разделяющей две оптически разнородные среды, рассеяние света частицами ткани и др. Таким образом, можно говорить об общем ослаблении излучения, включающем, помимо поглощения, потери за счет других явлений, и об истинном поглощении излучения. При отсутствии рассеяния поглощение в среде характеризуется двумя параметрами: поглощательной способностью и глубиной поглощения. Поглощательная способность определяется как отношение энергии, поглощенной в среде, к энергии излучения, падающей на поверхность среды. Это отношение всегда меньше 1, так как излучение частично проходит сквозь нее. Глубина поглощения характеризует пространственное распределение поглощенной энергии в среде. В простейшем случае (экспоненциальное затухание света в веществе) она равна расстоянию, на котором мощность излучения уменьшается в 2,718 раза по отношению к мощности излучения на поверхности среды. Величина, обратная глубине поглощения, называется коэффициентом поглощения. Он имеет размеренность см -1 . Если наряду с поглощением происходит рассеяние света, то расстояние, на котором в результате совместного действия этих процессов излучение затухает в раз, представляет собой глубину ослабления или проникновения излучения, а обратная ей величина - коэффициент ослабления, также имеющий размерность см -1 .

При теоретическом рассмотрении вопросов поглощения лазерного излучения тканями для упрощения задачи можно принять, что излучение представляет собой плоскую волну, падающую на ровную поверхность объекта, а коэффициент поглощения на всем облучаемом участке одинаков и не зависит от интенсивности света. В этом случае энергия (мощность) излучения по мере увеличения глубины будет уменьшаться экспоненциально, и распределение ее выражается уравнением:

Р=Р 0 ехр (1)

где Р - мощность излучения на глубине; Ро - мощность излучения, падающего на поверхность ткани; - коэффициент поглощения ткани (пренебрегаем потерями на отражение света от гкани).

В реальных условиях при облучении биологических объектов такое простое соотношение между толщиной слоя ткани и количеством поглощенной энергии нарушается, например за счет различий в коэффициентах поглощения разных участков облучаемой ткани. Так, коэффициент поглощения меланиновых гранул сетчатки глаза в 1000 раз больше, чем окружающей ткани. Учитывая, что светопоглощение представляет собой молекулярный процесс, который в конечном счете зависит от концентрации поглощающих излучение молекул, величина поглощения на клеточном и субклеточном уровнях может значительно изменяться даже от органеллы к органелле. Наконец, поглощение является функцией длины волны, следовательно, коэффициент поглощения широко варьирует для лазеров, излучающих в различных областях спектра.

В ряде ранних исследований о величине поглощения биологических тканей судили на основании результатов измерений их светопропускания. При этом в большинстве случаев опыты были проведены с рубиновым и неодимовым лазерами. Так, при облучении рубиновым лазером мышей было установлено, что через кожу проникает от 45 до 60% энергии, а через кожу и подлежащие мышцы - от 20 до 30%. Разработке метода определения коэффициентов пропускания и отражения тканей были посвящены исследования Г. Г. Шамаевой и др. (1969). Данные, полученные с помощью этого метода при облучении крыс неодимовым лазером, были использованы для расчета коэффициента поглощения кожи, составившего 9,9 см -1 .

Л. И. Дерлеменко (1969), М. И. Данко и др. (1972) с помощью интегрального фотометра определяли поглощение излучения неодимового лазера тканями мышц и печени крыс. Через слой ткани толщиной 1 мм при облучении мышц проходило 27- 32% излучения, а печени - 20-23%. Для слоев ткани толщиной 6 мм эти значения составили соответственно 3 и 1,5%.

Приведенные данные демонстрируют зависимость поглощения лазерного излучения от степени окрашенности ткани: обильно пигментированная ткань поглощает излучение интенсивнее, чем ткань мышцы. Та же закономерность проявлялась и в опытах по облучению рубиновым и неодимовым лазерами различных опухолей у животных. Наибольшее поглощение характерно для меланом вследствие наличия в них меланина.

А. М. Уразаев и др. (1978) сравнили степень ослабления излучения гелий-неонового (длина волны 632,8 нм) и аргонового (488 нм) лазеров при прохождении через различные участки тела живых депилированных крыс или через препараты, приготовленные из органов забитых животных. Прошедшее излучение измеряли с помощью фотоэлемента и полученные данные использовали для расчета глубины проникновения лазерного излучения. Почти во всех вариантах опыта излучение красной области спектра проникало на большую глубину, чем сине-зеленое, причем наиболее резко эта разница была выражена при прохождении через интенсивно васкуляризованные органы с обильным кровенаполнением.

Сравнение глубины проникновения в биологические ткани излучения азотного (длина волны 337,1 нм), гелий-кадмиевого (441,6 нм) и гелий-неонового (632,8 нм) лазеров проведено в серии исследований других авторов. Измерения были выполнены на срезах различных органов мышей с помощью двух методов; с применением фотометрического шара или светового зонда. В первом случае фотометрически определяли коэффициент отражения и коэффициент ослабления лазерного излучения в ткани, а последний позволял рассчитать глубину проникновения излучения; во втором в облучаемый образец ткани с противоположной стороны от лазерного луча соосно с ним вводили тонкий (диаметр 0,75 мм) стеклянный световод, соединенный с фотоумножителем. Отодвигая кончик световода на различные известные расстояния от точки падения луча на поверхность ткани и измеряя плотность светового потока, получали кривые распределения интенсивности лазерного излучения в ткани и определяли глубину его проникновения.

Оба примененных метода дали схожие результаты. Наибольшей проникающей способностью отличалось излучение гелий-неонового лазера, наименьшей - гелий-кадмиевого. Во всех случаях глубина проникновения не превышала 2-2,5 мм.

Интересная задача была поставлена в опытах, проведенных В. А. Дубровским и О. Г. Астафьевой (1979), в которых сравнивали величину поглощения красного излучения гемолизатом крови с различными физическими свойствами: поляризованного когерентного излучения гелий-неонового лазера; поляризованного некогерентного излучения лампы накаливания, пропущенного через поляроид и спектральные фильтры; неполяризованного и некогерентного излучения лампы накаливания, пропущенного только через спектральные фильтры. Было установлено, что пространственная когерентность не отражается на поглощении. Выраженное влияние на него оказывают ширина спектра и поляризационные свойства излучения: поляризованное излучение поглощается менее активно, чем неполяризованное.

Наряду с приведенными данными о поглощении биологическими тканями излучения лазеров, которые генерируют в ближней ультрафиолетовой (азотный), видимой (гелий-кадмиевый, аргоновый, гели й-неоновый, рубиновый) и ближней инфракрасной (неодимовый) спектральных областях, практически важной является информация о поглощении излучения СОз-лазера, генерирующего в инфракрасной области на длине волны 10 600 нм. Поскольку это излучение интенсивно поглощается водой, а последняя составляет около 80% массы большинства клеток, при воздействии на биологические ткани излучением СОг-лазера оно практически полностью поглощается поверхностными слоями клеток.

Как отмечалось выше, проникновение лазерного излучения в глубину тканей ограничено вследствие не только поглощения, но и других процессов, в частности отражения излучения от по-нерхности ткани. По данным Б. А. Кудряшова (1976), с. Д. Плетнева (1978) и др., отраженное белой кожей человека и животных излучение лазеров, генерирующих в ближней ультрафиолетовой и видимой областях спектра (азотный, гелий-кадмиевый, аргоновый, гелий-неоновый, рубиновый), составляет 30-40%; для инфракрасного излучения неодимового лазера эта величина не-(колько меньше (20-35%), а в случае более далекого инфракрасного излучения СОг-лазера она уменьшается приблизительно до 5%. Для различных внутренних органов животных величина коэффициента отражения света (633 нм) колеблется от 0,18 (печень) до 0,60 (мозг)

Вследствие ослабления лазерного излучения глубина его проникновения в биологические ткани не превышает нескольких миллиметров, и при практическом применении лазеров нужно исходить из этих условий. Однако наряду с изложенными материалами известны данные, позволяющие сделать более оптимистические выводы. Речь идет о том, что во всех рассмотренных выше исследованиях удалось оценить роль рассеяния излучения в глубине ткани. Когда, например, с помощью фотометрического шара определяли коэффициенты пропускания и отражения образца ткани, выявленная разница в интенсивности излучения, падавшего на поверхность образца и прошедшего сквозь него, представляла собой (за вычетом отраженного излучения) сумму потерь на поглощение и рассеивание, причем доля каждого из этих процессов оставалась неизвестной. В другом случае, когда интенсивность излучения, достигшего данной точки в глубине ткани, измеряли с помощью светового зонда, торец последнего воспринимал только излучение, которое падало «спереди» .На самом деле рассматриваемая точка внутри ткани освещается со всех сторон излучением, рассеянным частицами, окружающими ее. Следовательно, с помощью указанного метода получали заниженные показатели распределения интенсивности излучения по глубине, что не позволяло учесть рассеянный свет. Вместе с тем в интенсивно рассеивающих средах, каковыми являются биологические ткани, доля рассеянного излучения весьма значительна.

С учетом этих положений в серии обстоятельных исследований. Dougherty и соавт. (1975, 1978) была сделана попытка выяснить влияние светорассеивания на глубину проникновения излучения в ткани. Авторы с помощью фотоэлемента определяли долю светового излучения ксеноновой лампы (выделялась область 620-640 нм),прошедшего сквозь срезы различной толщины, которые были получены из перевивной опухоли молочной железы мышей или из их нормальных тканей. Полученные величины коэффициента светопропускания использовали для вычисления коэффициентов рассеяния (S) и поглощения (К) из соотношений, установленных P. Kubelka (1964) и F. Kottler (I960). Значения, полученные для опухолевой ткани, составляли S = 13,5 и К = 0,04, откуда видно, что доля рассеянного света намного превышает долю поглощенного. I

Во второй работе, проведенной в 1978 г. той же группой исследователей, были применены два метода, которые позволяли псе величины внутритканевой интенсивности света, как найденные без учета рассеивания, так и включающие его, получить прямым экспериментальным путем. В случае использования одного из методов в глубину свежеиссеченной опухоли (рабдомиоифкомы крыс) вводили волоконный световод толщиной 0,8 мм и его конец, выступающий из ткани, направляли луч гелий-неонового лазера мощностью 2 мВт. С противоположной стороны образца вводили другой световод, соединенный с фотометром. Приводя сначала световоды в соприкосновение, а затем раздвигая их па известные расстояния, измеряли интенсивность излучения, прошедшего сквозь слой ткани фиксированной толщины. Как и в описанных выше опытах, этот метод не позволял учесть рассеянный нет.

Вторая методика была актинометрической (фотохимической) и состояла в том, что в опухолевую ткань на определенную глубину вводили несколько капиллярных трубок диаметром 1 мм, заполненных раствором фоточувствительной смеси. Облучая затем образец ткани светом известной интенсивности с помощью лампы накаливания (длины волн более 600 нм), определяли количество продукта фотохимической реакции, которое было прямо пропорционально интенсивности света и являлось функцией глубины расположения трубок. Очевидно, при такой схеме проведения экспериментов на ход реакции влияло все излучение, дошедшее до данной точки в глубине ткани, в том числе и рассеянный свет. Данные, представленные на рис. 2, позволяют сопоставить результаты, полученные с помощью этих методов. Из графика видно, что интенсивность излучения в опухолевой ткани на одной и той же глубине, определенная актинометрическим способом, существенно выше той, которую устанавливали с помощью волоконнооптической техники. Так, из кривой актинометрических измерений видно, что на глубине 2 см в ткань еще проникает около 8% излучения, тогда как, согласно второй кривой, эта величина составляет менее 0,1% К

Таким образом, значительное преобладание рассеяния видимого света при прохождении его через биологические ткани над поглощением позволяет сделать заключение, что способность лазерного излучения проникать в ткани выше, чем принято считать. Если учесть возможность проведения лазерного излучения вглубь тканей с помощью волоконной оптики и последующее распределение его в толще облучаемого очага благодаря рассеянию, можно попытаться значительно раздвинуть рамки клинического применения лазеров.

6 ПАТОГЕНЕТИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С БИОЛОГИЧЕСКИМИ ТКАНЯМИ

Монохроматичность, строгая направленность, когерентность и свойство концентрировать большое количество энергии на малых площадях дают возможность избирательно коагулировать, испарять и резать биологические ткани бесконтактно, с хорошим гемостазом, стерильностью и абластичностью.

При взаимодействии лазерного излучения с биологическими тканями наблюдается целый ряд эффектов: термический, обусловленный селективным поглощением квантов света, возникновение волн сдавления и упругого удара в среде, действие мощных электромагнитных полей, сопровождающих в ряде случаев лазерное излучение, а также ряд других эффектов, обусловленных оптическими свойствами самой среды.

При воздействии лазерного излучения на ткани важное значение имеет степень его фокусировки. Во время прохождения сфокусированного луча лазера через живые ткани интенсивность излучения быстро падает и для мышечной ткани на глубине 4 см составляет лишь 1-2% начальной энергии. Степень и результат биологического действия лазерного излучения на разные клетки, ткани и органы зависят не только от особенностей излучения (тип лазера, длительность и плотность мощности излучения, частота импульсов и др.), но и от физико-химических и биологических особенностей облучаемых тканей или органов/(интенсивность кровотока, гетерогенность, теплопроводность, коэффициент поглощения и отражения различных промежуточных поверхностей внутри среды и др.). Наиболее чувствительными и легко разрушающимися под воздействием лазерного излучения структурами оказались внутриклеточные компоненты клетки.

Возможность концентрации лазерного излучения в узкий пучок привела к созданию лазерного скальпеля, позволяющего производить практически бескровные разрезы различных тканей. В настоящее время уже накоплен большой опыт использования лазерного излучения в экспериментальной и клинической медицине.

Гемостатические свойства лазерного излучения можно повысить, применяя специальные компрессионные зажимы и лазерные хирургические инструменты, обеспечивающие кратковременное сдавливание и обескровливание тканей по линии предполагаемого разреза. Принцип дозированной компрессии позволяет также значительно уменьшить объем термического некроза тканей, так как в условиях компрессии значительно повышается теплопроводность тканей. В связи с этим одна и та же плотность энергии сфокусированного луча лазера дает возможность более быстро осуществить рассечение тканей при компрессии, обеспечивающей локальную ишемию тканей.

Использование лазера в комплексе со специальными инструментами обеспечивает не только рассечение тканей, но и так называемую биологическую сварку их. Эффект сварки клеточных и тканевых структур отмечен исследователями, применявшими лазерный луч для рассечения различных органов. Однако только с созданием специальной лазерной хирургической аппаратуры удалось наиболее полно реализовать эффект биологической сварки тканей полых органов во время их рассечения. В облучаемой зоне наблюдается повышенная светоабсорбция за счет большей оптической плотности сжатых тканей и многократного отражения света от внутренних частей аппарата, образующих замкнутое пространство. «Сварка» тканей полых органов происходит послойно вдоль линии разреза в зоне локального сжатия тканей, производимого этими аппаратами.

Морфологическим проявлением изменений, лежащих в основе этого феномена, является коагуляционный термический некроз подвергнутых компрессии тканей с образованием по краю разреза пленки из коагулированных тканевых и клеточных элементов, соединяющей на одном уровне все анатомические слои органа

Следствием трансформации световой энергии излучения в термическую в слизистой оболочке является деформация и укорочение желез, сморщивание эпителиальных клеток с компактным расположением их ядер. Образовавшиеся структуры напоминают «частокол». В мышечной оболочке морфологические изменения менее выражены. Подслизистая основа в зоне «сварки»

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

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

В свою очередь применение усовершенствованной в последние годы специальной лазерной хирургической аппаратуры также позволяет сократить зону коагуляционного термического некроза до 30-60 мкм (табл. 1).

В связи с исключительно высокой температурой, присущей лазерному излучению, происходит чрезвычайно быстрое испарение межтканевой и внутриклеточной жидкости, а затем сгорание сухого остатка. Глубина и степень дистрофических изменений тканей при воздействии различных видов лазерного излучения зависят как от их спектральных характеристик, так и от суммарной энергии (продолжительность воздействия) излучения. При небольших экспозициях деструкции подвергаются лишь поверхностные слои тканей. Последовательное увеличение времени воздействия излучения сопровождается увеличением объема поврежденных тканей вплоть до перфорации органа. Перемещение лазерного луча в продольном или поперечном направлении ведет к испарению тканей и формированию линейного разреза органа.

В зоне коагуляционного термического некроза происходит коагуляция стенок сосудов и крови с образованием коагуляционного гиалиноподобного тромба, закупоривающего просвет сосуда и обеспечивающего адекватный гемостаз. В условиях дозированной компрессии при использовании лазерных хирургических аппаратов гемостатический эффект лазерного излучения в значительной степени усиливается, так как

Схематическое изображение лазерной раны желудка

Сосуды с редуцированным кровообращением моментально коагулируются.

Морфология лазерной раны имеет характерные черты, резко отличающие ее от ран другого происхождения. Подвергшиеся термическому воздействию ткани представлены коагуляционным некрозом, формирующим лазерный термический струп. Последний плотно прикрывает поверхность раны. Непосредственно после лазерного воздействия трудно определить полный объем некротизированных тканей. Граница подвергшихся коагуляционному некрозу тканей стабилизируется в основном через сутки. В этот период в узкой зоне сохранившихся тканей на границе с термическим некрозом обнаруживают отек и различной степени выраженности расстройства кровообращения, проявляющиеся гиперемией, стазами, периваскулярными диапедезными кровоизлияниями.

На основе гистологических исследований выделены следующие зоны лазерного воздействия: зона коагуляционного некроза, периферическую часть которой составляет узкий рыхлый («спонгиозный») слой, а центральную - широкий, компактный, и зона воспалительного отека (рис.23).

Отмечены микроциркуляторные расстройства, наиболее выраженные при воздействии излучения АИГ-Nd-лазера и аргонового лазера (при гемостазе острых кровоточащих язв желудка). Процесс рассечения тканей углекислотным лазером сопровождается строго локальной коагуляцией последних по линии разреза, предотвращая тем самым повреждение окружающих тканей.

В лазерных ранах в отличие от ран другого происхождения слабо выражены или даже отсутствуют переходные зоны от коагулированных тканей к жизнеспособным. Регенерация в этих случаях начинается в основном в клетках зоны, не поврежденной лазерным излучением.

Известно, что повреждение тканей сопровождается выбросом медиаторов воспаления. Среди последних выделяют плазменные (циркулирующие) медиаторы, а также клеточные (локальные) медиаторы, связанные с деятельностью многих клеток - лаброцитов, тромбоцитов, макрофагов, лимфоцитов, полиморфно-ядерных лейкоцитов и др. В частности, роль полиморфно-ядерных лейкоцитов в раневом процессе заключается прежде всего в лизисе мертвых тканей и фагоцитозе микробов. Любое уменьшение степени микробного обсеменения ведет к уменьшению интенсивности всех компонентов воспаления. При бактериологическом исследовании материала с поверхности ран и 1 г ткани при иссечении гнойных ран и некрэктомии с помощью углекислотного лазера у 62 больных из 100 наблюдалась полная стерильность, а в остальных случаях отмечалось снижение содержания микробов ниже критического уровня (10 5).

Уменьшение степени микробного обсеменения лазерной раны, коагуляционный характер термического некроза и тромбоз сосудов в зоне некроза способствуют снижению экссудативного компонента воспаления. Наличие слабо выраженной лейкоцитарной реакции, а порой и полное ее отсутствие в краях лазерной раны подтверждено работами большинства исследователей. Коагулированные ткани не являются источником вазоактивных посредников, в частности кининов, играющих столь важную роль в становлении и развитии экссудативной фазы воспалительной реакции.

По данным В. И. Елисеенко (1980-1985), для лазерных ран характерна активная ранняя пролиферация клеточных элементов макрофагального и фибробластического ряда, обусловливающая ход репаративного процесса по типу асептического продуктивного воспаления. Пролиферация макрофагов и фибробластов в очаге продуктивного воспаления, начинающаяся с первых суток после воздействия лазерного излучения, лежит в основе формирующейся грануляционной ткани.

Однако имеются данные о том, что заживление лазерных ран может идти обычным путем, т. е. включая фазу лейкоцитарного расплавления некротизированных тканей. Заживление лазерных ран, по данным Ю. Г. Пархоменко (1979, 1983), протекает в основном под лазерным струпом. Преобразование лазерного струпа заключается в постепенной его организации и рассасывании (в паренхиматозных органах - печени и поджелудочной железе) или отторжении (в органах желудочно-кишечного тракта) по мере созревания грануляционной ткани.

Существенное значение в процессе заживления лазерных ран имеют клетки системы мононуклеарных фагоцитов - макрофаги. Макрофаги управляют дифференцировкой гранулоцитов и моноцитов из стволовой клетки, влияют на функциональную активность Т- и В-лимфоцитов, а также принимают участие а их кооперации. Они секретируют шесть первых компонентов комплемента, являясь, таким образом, посредниками привлечения иммунной системы в воспалительную реакцию. Макрофаги индуцируют роль фибробластов и синтез коллагена, т. е. являются стимуляторами завершающей фазы репаративной реакции) при воспалении. В частности, обнаружены клеточные контакты между макрофагами и фибробластами грануляционной ткани.

Можно предположить, что интенсивная и продолжительная макрофагальная реакция в лазерных ранах, связанная с длительной сохранностью коагулированных тканей, является фактором, активно стимулирующим процесс коллагенообразования..По мнению В. И. Елисеенко и соавт. (1982, 1985), функциональная роль пролиферирующих макрофагов заключается в «программировании» всего хода процесса заживления лазерных хирургических ран.

Фибробластическая реакция в процессах раннего заживления лазерных ран занимает одно из ведущих мест.

В лазерных ранах в период активного роста грануляционной ткани (5-10-е сутки) высокая плотность расположения фибробластов сочетается с наиболее резким увеличением активности НАД (НАДФ)-липоамид-дегидрогеназы (устар. диафоразы) в этих клетках, что в определенной степени может отражать повышение в них уровня энергетических и синтетических процессов. Позднее ферментативная активность этих клеток постепенно снижается, что свидетельствует об их созревании.

В формирующемся рубце лазерной раны происходит быстрое, диффузное накопление гликозаминогликанов основного вещества соединительной ткани, что свидетельствует о созревании грануляционной ткани. Известно, что после максимального увеличения числа фибробластов и их созревания усиливается и синтез коллагеновых волокон.

В процессе заживления лазерных хирургических ран органов желудочно-кишечного тракта прослеживается отчетливая взаимосвязь созревания соединительной ткани с ростом эпителия.

Таким образом, реакция макрофагов, пролиферация фибробластов и коллагеногенез проявляются очень рано и выражены тем сильнее, чем менее выражена лейкоцитарная инфильтрация, отсутствие которой обеспечивает заживление лазерных ран первичным натяжением.

7 МЕХАНИЗМЫ ЛАЗЕРНОЙ БИОСТИМУЛЯЦИИ

Отдельно следует рассмотреть вопрос о природе биостимулирующей активности низкоэнергетического лазерного излучения красной области спектра, которое получают главным образом с помощью гелий-неоновых лазеров. Благотворное влияние этого излучения было установлено в экспериментах на разных биологических объектах.

В 70-х годах были сделаны попытки объяснить явление лазерной биостимуляции особыми свойствами («биополе», «биоплазма»), которые якобы присущи живым организмам и придают специфическим характеристикам лазерного излучения биологическую значимость. В 1979 г. было выдвинуто предположение, что биологические эффекты низкоэнергетического лазерного излучения связаны с естественными процессами световой регуляции, наблюдающимися у животных. Молекулярная основа начальных этапов таких процессов лучше изучена у растений, для которых установлены не только сам факт фоторегуляции, но и химическая природа одного из первичных акцепторов света- фитохрома. Этот хромопротеид существует в двух формах, одна из которых поглощает свет вблизи 660 нм, а другая - 730 нм. Вследствие взаимопревращения этих форм при освещении меняется их количественное соотношение, что является пусковым механизмом в цепи процессов, приводящих в конечном счете к прорастанию семян, образованию почек, зацветанию растений и другим формообразовательным эффектам. Хотя не вызывает сомнения тот факт, что и у животных в основе таких явлений, как цикличность полового размножения или приуроченность ряда приспособительных реакций (линька и спячка млекопитающих, перелеты птиц) к определенным периодам года, лежат фоторегуляторные процессы, молекулярные механизмы их неясны

Представления о существовании в клетках животных определенной фоторегуляторной системы, возможно, напоминающей фитохромную систему растений, позволяют предположить, что биостимуляционная активность излучения гелий-неонового лазера является следствием простого совпадения его спектральных характеристик с областью поглощения компонентов этой системы. В этом случае следовало ожидать, что монохроматический красный свет некогерентных источников будет также биологически эффективным. Для экспериментальной проверки этого и других вопросов были необходимы чувствительные тесты, дающие количественные, хорошо воспроизводимые и точно измеряемые результаты. Подавляющее большинство исследований с гелий-неоновым лазером было проведено на животных или непосредственно на больных в условиях, не отвечающих этим требованиям.

При выборе подходящей модельной системы исходили из двух предпосылок: 1) клетки, развивающиеся или переживающие в условиях in vitro, представляют собой сравнительно простой тест-объект, позволяющий проводить точный учет условий воздействия и его результатов; 2) особого внимания заслуживает реакция поверхностной мембраны клеток, высокая чувствительность которого установлена ранее в опытах с низкоэнергетическим красным излучением рубинового лазера.

В исследованиях, проведенных Н. Ф. Гамалея и др. было изучено влияние излучения гелий-неонового лазера на поверхностную мембрану лимфоцитов, выделенных из крови человека. С этой целью оценивали способность лимфоцитов образовывать Е-розетки - взаимодействовать с эритроцитами барана. Установлено, что при низких дозах облучения (плотность мощности 0,1-0,5 Вт/м 2 , экспозиция 15 с), которые на полтора -два порядка ниже, чем используемые в клинических работах с гелий-неоновым лазером, происходит небольшое, но статистически достоверное повышение розеткообразовательной способности (в 1,2-1,4 раза) у облученных лимфоцитов по сравнению с контролем. Параллельно с цитомембранными изменениями повышалась функциональная активность лимфоцитов, в частности в 2- 6 раз возрастала их способность к делению, которую определяли в реакции бласттрансформации с фитогемагглютинином [Новиков Д. К., Новикова В. И., 1979], оценивая по накоплению клетками 3 Н-тимидина. В экспериментах на лейкоцитах крови человека было установлено, что при воздействии на них излучения гелий-неонового лазера в таких же низких дозах в 1,5-2 раза усиливается фагоцитоз клетками кишечной палочки (как захватывание, так и переваривание). Излучение гелий-неонового лазера оказывало стимулирующее действие также на другие клетки. Так, в культуре опухолевых клеток мыши (L) задержка их роста в 1-е сутки после облучения сменялась его ускорением, которое было особенно заметно на 3-4-е сутки, когда количество делящихся клеток в 2 раза больше, чем в контроле

Таким образом, было показано, что излучение гелий-неонового лазера очень низкой интенсивности вызывает изменения в мембране клеток разных типов и стимуляцию их функциональной активности. Изменения цитоплазматической мембраны в культивируемых клетках китайского хомячка, облученных гелий-неоновым лазером, выявили также А. К. Абдвахитова и др. (1982) с помощью метода флюоресцентных зондов, хотя использованные ими дозы излучения на два порядка превышали примененные нами.

В гипотезе, выдвинутой венгерским хирургом Е. Местером совместно с группой физиков, предпринята попытка объяснить биостимуляционную активность лазерного излучения исключительно его поляризованностью: благодаря поляризации излучения оно способно реагировать с полярными молекулами липидов в двойном липидном слое цитоплазматической мембраны, что и запускает цепь изменений в клетке. Согласно предложенной модели, стимулирующий эффект не должен зависеть от длины волны излучения. Однако экспериментальные данные этого не подтверждают.

Надежная воспроизводимость биостимуляционного эффекта позволила пойти дальше и попытаться выяснить, вызывается ли этот эффект только лазерным (когерентным, поляризованным) излучением и как он зависит от длины волны. С этой целью путем применения теста на розеткообразование было оценено влияние на лимфоциты крови человека монохроматического красного света (633 ± 5 нм), полученного от ксеноновой лампы с помощью дифракционного монохроматора. Установлено, что при сравнимой дозе некогерентного красного света (3 Дж/м 3) процесс розеткообразования стимулировался так же, как и при использовании гелий-неонового лазера.

Далее эффект красного света был сопоставлен с действием излучения других узких спектральных участков видимой области. При этом активность света оценивали по его влиянию на три процесса: образование Е-розеток лимфоцитами человека, размножение клеток культуры L и выделение в среду лимфоцитами мышей вещества с максимумом поглощения 265 нм. (Последний тест являлся развитием результатов проведенных наблюдений и основывался на том, что из подвергнутых лазерному облучению клеток усиливается выделение определенного химического фактора, имеющего полосу поглощения в области 260- 265 нм.) Опыты показали, что стимуляция всех трех процессов отмечается при облучении монохроматическим светом одних и тех же спектральных участков: красного (633 нм), зеленого (500 и 550 нм) и фиолетового (415 нм).

Таким образом проведенные исследования позволили выявить у разных клеток человека и животных наличие высокой световой чувствительности, даже значительно большей, чем можно было ожидать на основании клинических результатов лазерной биостимуляционной терапии. Эта чувствительность не была обусловлена когерентностью и поляризацией света и не ограничивалась красной областью спектра: наряду с максимумом в этой области имелись два других - в фиолетовом и зеленом участках спектра.

Используя иной методический подход (определение интенсивности синтеза ДНК в клетках культуры HeLa по включению меченого тимидина), Т. Й. Кару и др. (1982, 1983) также показали, что эффект биостимуляции не связан с когерентностью и поляризацией света. В выполненных ими опытах с облучением клеток красным светом максимальная стимуляция синтеза ДНК наблюдалась при дозе 100 Дж/м 2 и эффект быстро снижался при ее изменении в любую сторону. При сравнении активности излучения в различных участках спектра были установлены три максимума: вблизи 400, 630 и 760 нм.

К механизму световой биостимуляции. может иметь отношение образование в облученных клетках и выделение ими того химического фактора, который обнаруживали в среде по пику светоабсорбции вблизи 265 нм. Для выяснения природы этого фактора были проведены хроматография на бумаге и электрофорез в агарозном геле с визуализацией зон бромистым этидием, позволившие обнаружить в выделяемом клетками материале двуспиральную ДНК с молекулярной массой. Двуспиральность структуры ДНК подтверждалась появлением гиперхромного эффекта при нагревании.

Приводимые в литературе сведения о способности нуклеиновых кислот ускорять восстановление поврежденных тканей [Белоус А. М. и др., 1974] подтверждали возможную причастность выделяемого клетками ДНК-фактора к световой биостимуляции. Для проверки этой гипотезы был поставлен эксперимент на клетках линии L, часть из которых облучали гелий-неоновым лазеpoм, а другую часть, которая не была облучена, помещали, однако, в среду, взятую от облученных клеток и, следовательно, содержавшую ДНК-фактор. Определение скорости роста (митотической активности) клеток показало, что в обеих группах развитие клеток по сравнению с контролем стимулировалось одинаково Более того, разрушение ДНК в среде, взятой от облученных клеток, с помощью фермента ДНКазы лишало эту среду биостимулирующей активности. Сама ДНКаза на рост клеток практически не влияла.

Следовательно, можно думать, что и при действии на ткани целостного организма (например, при лазерной терапии трофических язв) облучение клеток на периферии патологического очага приводит к выделению ими ДНК-фактора, который стимулирует рост фибробластических элементов в тканях, окружающих язву, тем самым ускоряя ее заживление. Однако однозначное доказательство этого может быть получено лишь в опытах на животных.

Таким образом, представленные данные, по-видимому, являются обоснованием целесообразности применения лазерной (или вообще световой биостимуляции) в лечебных целях и указывают пути дальнейшего развития этого метода. Эти данные имеют и более широкое фитобиологическое значение, состоящее в том, что впервые установлена специфическая световая чувствительность неретинальных (незрительных) клеток человека и животных, которая характеризуется рядом особенностей. Эта чувствительность спектрально зависима и чрезвычайно высока: использованные нами плотности мощности, равные десятым долям ватта на квадратный метр, сравнимы с теми, которые являются эффективными для фоторегуляторных систем растений.Как удалось установить с помощью теста на выделение ДНК-фактора, такой фоточувствительностью обладают клетки человека и животных разной видовой принадлежности, взятые из тканей и органов: лимфоциты мыши, собаки и человека, печеночные клетки крысы, клетки культур, полученных из фибробластов человека, почки хомяка и озлокачествленных фибробластов мыши.

Все эти факты подтверждают предположение о том, что у млекопитающих имеется специальная система восприятия света, возможно, подобная фитохромной системе растений и также выполняющая регуляторные функции. О сходстве предполагаемой фоточувствительной системы животных с системой фитохромной регуляции свидетельствует сравнение их основных особенностей.Помимо высокой световой чувствительности, фитохромной системе свойственны недозовый (триггерный) характер действия, который заставляет вспомнить и, может быть, объясняет большую вариабельность доз (с различиями в два порядка), используемых клиницистами для лазерной биостимуляции; сопряженность фитохромной системы (так же, как и описанных нами эффектов) с клеточными мембранами; контроль фитохромной системы над синтезом ДНК,РНК и белка, образование которых в тканях, облученных гелий-неоновым лазером, по данным многих авторов, также усиливается.

В том случае, если в клетках животных действительно имеется специализированная фоточувствительная система, тогда с помощью опытов по определению спектра действия (зависимости величины биологической реакции от длины волны) можно попытаться установить спектр поглощения (а по нему - и химическую индивидуальность) того соединения, которое является первичным акцептором света и запускает цепь процессов, приводящих в конечном итоге к фоторегуляторным эффектам. Соответствие между спектрами действия и спектром поглощения светоакцептора достигается, однако, лишь в том случае, если при постановке экспериментов выполняется ряд методических условий, что на практике является весьма сложной задачей

Тем не менее нельзя не обратить внимание на сходство всех трех кривых, характеризующих спектральную зависимость различных апробированных нами биологических эффектов, с типичным спектром поглощения порфириновых соединений. Это позволяет полагать, что светоакцептором в гипотетической системе фоторегуляции животных клеток служит какое-то соединение из группы порфиринов, являющихся, как известно, составной частью многих важных биохимических компонентов организма животных - гемоглобина, цитохромов, ряда ферментов и др. С. М. Зубкова (1978) высказала предположение, что биостимулирующее действие излучения гелий-неонового лазера связано с его поглощением порфиринсодержащим ферментом каталазой, имеющим максимум светоабсорбции ~628 нм. Облучение клеток на периферии патологического очага приводит к выделению ими ДНК-фактора, который стимулирует рост фибробластических элементов в тканях, окружающих язву, тем самым ускоряя ее заживление. Однако однозначное доказательство этого может быть получено лишь в опытах на животных.

Таким образом, представленные данные, по-видимому, являются обоснованием целесообразности применения лазерной (или вообще световой биостимуляции) в лечебных целях и указывают пути дальнейшего развития этого метода. Эти данные имеют и более широкое фитобиологическое значение, состоящее в том, что впервые установлена специфическая световая чувствительность неретинальных (незрительных) клеток человека и животных, которая характеризуется рядом особенностей. Эта чувствительность спектрально зависима и чрезвычайно высока: использованные плотности мощности, равные десятым долям ватта на квадратный метр, сравнимы с теми, которые являются эффективными для фоторегуляторных систем растений . Как удалось установить с помощью теста на выделение ДНК-фактора, такой фоточувствительностью обладают клетки человека и животных разной видовой принадлежности, взятые из тканей и органов: лимфоциты мыши, собаки и человека, печеночные клетки крысы, клетки культур, полученных из фибробластов человека, почки хомяка и озлокачествленных фибробластов мыши.

Все эти факты подтверждают предположение о том, что у млекопитающих имеется специальная система восприятия света, возможно, подобная фитохромной системе растений и также выполняющая регуляторные функции. О сходстве предполагаемой фоточувствительной системы животных с системой фитохромной регуляции свидетельствует сравнение их основных особенностей. Помимо высокой световой чувствительности, фитохромной системе свойственны недозовый (триггерный) характер действия, который заставляет вспомнить и, может быть, объясняет большую вариабельность доз (с различиями в два порядка), используемых клиницистами для лазерной биостимуляции; сопряженность фитохромной системы (так же, как и описанных нами эффектов) с клеточными мембранами; контроль фитохромной системы над синтезом ДНК,РНК и белка, образование которых в тканях, облученных гелий-неоновым лазером, по данным многих авторов, также усиливается.

В том случае, если в клетках животных действительно имеется специализированная фоточувствительная система, тогда с помощью опытов по определению спектра действия (зависимости величины биологической реакции от длины волны) можно попытаться установить спектр поглощения (а по нему - и химическую индивидуальность) того соединения, которое является первичным акцептором света и запускает цепь процессов, приводящих в конечном итоге к фоторегуляторным эффектам. Соответствие между спектрами действия и спектром поглощения светоакцептора достигается, однако, лишь в том случае, если при постановке экспериментов выполняется ряд методических условий, что на практике является весьма сложной задачей .

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. А. Н. РЕМИЗОВ «МЕДИЦИНСКАЯ И БИОЛОГИЧЕСКАЯ ФИЗИКА»

2. «ЛАЗЕРЫ В ХИРУРГИИ» ПОД РЕДАКЦИЕЙ ПРОФ. О.К. СКОБЕЛКИНА

3. «ЛАЗЕРЫ В КЛИНИЧЕСКОЙ МЕДИЦИНЕ» ПОД РЕДАКЦИЕЙ С. Д. ПЛЕТНЕВА

ВВЕДЕНИЕ

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

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

ЛАЗЕРЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В МЕДИЦИНЕ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

2hv = E t - E k ,

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

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

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

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

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

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

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

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

В современной медицине используется множество достижений науки и техники. Они помогают своевременной диагностике заболеваний и способствуют их успешной терапии. Медики активно применяют в своей деятельности возможности лазерного излучения. В зависимости от длины волн оно может по-разному влиять на ткани организма. Поэтому учеными было изобретено много медицинских многофункциональных приборов, которые широко используются в клинической практике. Обсудим применение лазера и излучений в медицине чуть более подробно.

Лазерная медицина развивается по трем основным направлениям: в хирургии, терапии и диагностике. Влияние лазерного излучения на ткани определяется диапазоном излучения, длиной волны и энергией фотона излучателя. В целом все виды влияния лазера в медицине на организм можно разделить на две группы

Низкоинтенсивное лазерное излучение;
- высокоинтенсивное лазерное излучение.

Как влияет на организм низкоинтенсивное лазерное излучение?

Воздействие таким лазером может вызывать изменение в тканях организма биофизичеческих, а также химических процессов. Также такая терапия приводит к изменениям метаболизма (обменных процессов) и к его биоактивации. Влияние лазером низкой интенсивности вызывает морфологические и функциональные изменения нервных тканей.

Также такое воздействие стимулирует сердечно-сосудистую систему и микроциркуляцию.
Еще лазер низкой интенсивности повышает биологическую активность клеточных, а также тканевых кожных элементов, приводит к активации внутриклеточных процессов в мышцах. Его использование позволяет запустить окислительно-восстановительные процессы.
Кроме всего прочего подобный метод воздействия положительно сказывается на общей устойчивости организма.

Какой лечебный эффект достигается при применении низкоинтенсивного лазерного излучения?

Такой способ терапии способствует устранению воспаления, снижению отечности, устранению болезненных ощущений и активации процессов регенерации. Кроме того он стимулирует физиологические функции и иммунный ответ.

В каких случаях медики могут применять низкоинтенсивное лазерное излучение?

Такой метод воздействия показан пациентам с острыми и хроническими воспалительными процессами различной локализации, травмами мягких тканей, ожогами, обморожениями и кожными недугами. Есть смысл использовать его при недугах периферический нервной системы, болезнях опорно-двигательного аппарата и при многих заболеваниях сердца и сосудов.

Также низкоинтенсивное лазерное излучение применяется в терапии органов дыхания, пищеварительного тракта, мочеполовой системы, ЛОР-заболеваний и нарушений иммунного статуса.

Такой метод терапии широко применяется в стоматологии: при коррекции недугов слизистых оболочек ротовой полости, болезней пародонта и ВНЧС (височно-нижнечелюстного сустава).

Кроме того таким лазером лечат некариозные поражения, возникшие в твердых тканях зубов, кариес, пульпиты и периодонтиты, лицевые боли, воспалительные поражения и травмы челюстно-лицевого участка.

Применение в медицине высокоинтенсивного лазерного излучения

Высокоинтенсивное лазерное излучение чаще всего применяют в хирургии, причем в разных ее областях. Ведь влияние высокоинтенсивным лазерным излучением помогает разрезать ткани (действует как лазерный скальпель). Иногда его используют для достижения антисептического эффекта, для формирования коагуляционной пленки и для образования защитного барьера от агрессивных воздействий. Кроме того такой лазер может применяться при сварке металлических протезов и различных ортодонтических приспособлений.

Как влияет высокоинтенсивное лазерное излучение на организм?

Такой метод воздействия вызывает термический ожог тканей или приводит к их коагуляции. Он становится причиной испарения, сгорания или обугливания соответствующих участков.

Когда используется высокоинтенсивное лазерное излучение

Такой метод воздействия на организм широко применяется при выполнении самых разных оперативных вмешательств в области урологии, гинекологии, офтальмологии, отоларингологии, ортопедии, нейрохирургии и пр.

При этом лазерная хирургия имеет массу плюсов:

Практически бескровные операции;
- максимальная асептичность (стерильность);
- минимум послеоперационных осложнений;
- минимум воздействия на соседние ткани;
- короткий послеоперационный период;
- высокоточность;
- снижение вероятности формирования рубцов.

Лазерная диагностика

Этот метод диагностики является прогрессивным и развивающимся. Он позволяет определить многие серьезнейшие заболевания на ранней стадии развития. Есть данные, что лазерная диагностика помогает в выявлении рака кожи, костных тканей и внутренних органов. Ее применяют в офтальмологии – для обнаружения катаракты и определения ее стадии. Кроме того такой метод исследования практикуют гематологи – для того чтобы исследовать качественные и количественные изменения кровяных клеточек.

Лазер эффективно определяет границы здоровых и патологических тканей, его можно использовать в сочетании с эндоскопической аппаратурой.

Использование излучения в медицине прочей природы

Медики широко используют различные виды излучений в терапии, диагностике и профилактике разных состояний. Чтобы узнать про применение излучений просто перейдите по интересующим ссылкам:

Рентгеновские лучи в медицине
- радиоволны
- тепловые и ионизирующие лучи
- ультрафиолетовое излучение в медицине
- инфракрасное излучение в медицине

Ульяновский Государственный Университет

Факультет Трансферных специальностей

Реферат

По дисциплине:

“Концепции современного естествознания”

На тему:

“Лазер и его применение в медицине”

Выполнил:

Студент группы ФТС-17

Алешин Алексей

Ульяновск, 2009г.

1.Введение 3

2.Лазер 4

2.1 Устройство лазера 5

2.2 Классификация лазеров 9

3. Лазеры в медицине 10

3.1 Стоматология 11

3.2 Хирургия 15

3.3 Сосудистые заболевания кожи 16

3.4 Фотоомоложение кожи 17

3.5 Удаление татуировок и пигментных пятен 18

3.6 Применение лазера в лечении ЛОР-заболеваний 19

3.7 Офтальмология 20

4. Заключение 21

Источники 22

1.Введение

Уже самое начало XX века было отмечено величайшими достижениями человеческого ума. 7 мая 1895 г. на заседании Русского физико-химического общества А. С. Попов продемонстрировал изобретенное им устройство связи без проводов, а год спустя аналогичное устройство предложил итальянский техник и предприниматель Г. Маркони. Так родилось радио. В конце уходящего века был создан автомобиль с бензиновым двигателем, который пришел на смену изобретенному еще в XVIIIв. паровому автомобилю. К началу XX столетия уже действовали линии метро в Лондоне, Нью-Йорке, Будапеште, Вене. 17 декабря 1903 г. американские инженеры братья Орвилл и Уилбор Райт пролетели 260м на созданном ими первом в мире аэроплане, а через 12 лет русский инженер И.И.Сикорский сконструировал и построил первый в мире многомоторный самолет, дав ему имя «Илья Муромец». Не менее потрясающими оказались достижения в физике. Только за одно десятилетие на рубеже двух веков было сделано пять открытий. В 1895г. немецкий физик В. Рентген открыл новый вид излучения, названный позднее его именем; за это открытие он получил в 1901г. Нобелевскую премию, став, таким образом, первым в истории нобелевским лауреатом. В 1896г. французский физик Антуан Анри Беккерель открыл явление радиоактивности - Нобелевская премия 1903 г. В 1897г. английский физик Дж. Дж. Томсон открыл электрон и в следующем году измерил его заряд - Нобелевская премия 1906г. 14 декабря 1900г. на заседании Немецкого физического общества Макс Планк дал вывод формулы для испускательной способности черного тела; этот вывод опирался на совершенно новые идеи, ставшие фундаментом квантовой теории - одной из основных физических теорий XX века. В 1905 г. молодой Альберт Эйнштейн - ему тогда было всего 26 лет - опубликовал специальную теорию относительности. Все эти открытия производили ошеломляющее впечатление и многих повергали в замешательство - они никак не укладывались в рамки существовавшей физики, требовали пересмотра ее основных представлений. Едва начавшись, 20-й век возвестил о рождении новой физики, обозначил невидимую грань, за которой осталась прежняя физика, получившая название «классическая». И вот сегодня человек получил в своё распоряжение всемогущий луч лазера. На что употребит он это новое завоевание ума? Чем станет лазер: универсальным инструментом, надёжным помощником или, напротив, грозным космическим оружием, ещё одним разрушителем?

2. Лазер

Ла́зер (англ.laser , сокр. от L ight A mplification by S timulated E mission of R adiation - «усиление света посредством вынужденного излучения»), опти́ческий ква́нтовыйгенера́тор - устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения. Физической основой работы лазера служит квантовомеханическое явление вынужденного (индуцированного) излучения. Луч лазера может быть непрерывным, с постоянной амплитудой, или импульсным, достигающим экстремально больших пиковых мощностей. В некоторых схемах рабочий элемент лазера используется в качестве оптического усилителя для излучения от другого источника. Существует большое количество видов лазеров, использующих в качестве рабочей среды все агрегатные состояния вещества. Некоторые типы лазеров, например лазеры на растворах красителей или полихроматические твердотельные лазеры, могут генерировать целый набор частот (мод оптического резонатора) в широком спектральном диапазоне. Габариты лазеров разнятся от микроскопических для ряда полупроводниковых лазеров до размеров футбольного поля для некоторых лазеров на неодимовом стекле. Уникальные свойства излучения лазеров позволили использовать их в различных отраслях науки и техники, а также в быту, начиная с чтения и записи компакт-дисков и заканчивая исследованиями в области управляемого термоядерного синтеза. Физической основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения . Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией»). Таким образом происходит усиление света. Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайное направление распространения, поляризацию и фазу.

Гелий-неоновый лазер. Светящийся луч в центре - это не собственно лазерный луч, а электрический разряд, порождающий свечение, подобно тому, как это происходит в неоновых лампах. Луч проецируется на экран справа в виде светящейся красной точки. Вероятность того, что случайный фотон вызовет индуцированное излучение возбуждённого атома в точности равняется вероятности поглощения этого фотона атомом, находящимся в невозбуждённым состоянии. Поэтому для усиления света необходимо, чтобы возбуждённых атомов в среде было больше, чем невозбуждённых (так называемая инверсия населённостей). В состоянии термодинамического равновесия это условие не выполняется, поэтому используются различные системы накачки активной среды лазера (оптические, электрические, химические и др.). Первоисточником генерации является процесс спонтанного излучения, поэтому для обеспечения преемственности поколений фотонов необходимо существование положительной обратной связи, за счёт которой излучённые фотоны вызывают последующие акты индуцированного излучения. Для этого активная среда лазера помещается в оптический резонатор. В простейшем случае он представляет из себя два зеркала, одно из которых полупрозрачное - через него луч лазера частично выходит из резонатора. Отражаясь от зеркал, пучок излучения многократно проходит по резонатору, вызывая в нём индуцированные переходы. Излучение может быть как непрерывным, так и импульсным. При этом, используя различные приборы (вращающиеся призмы, ячейки Керра и др.) для быстрого выключения и включения обратной связи и уменьшения тем самым периода импульсов, возможно создать условия для генерации излучения очень большой мощности (так называемые гигантские импульсы. Этот режим работы лазера называют режимом модулированной добротности. Генерируемое лазером излучение является монохроматическим (одной или дискретного набора длин волн), поскольку вероятность излучения фотона определённой длины волны больше, чем близко расположенной, связанной с уширением спектральной линии, а, соответственно, и вероятность индуцированных переходов на этой частоте тоже имеет максимум. Поэтому постепенно в процессе генерации фотоны данной длины волны будут доминировать над всеми остальными фотонами. Кроме этого, из-за особого расположения зеркал в лазерном луче сохраняются лишь те фотоны, которые распространяются в направлении, параллельном оптической оси резонатора на небольшом расстоянии от неё, остальные фотоны быстро покидают объём резонатора. Таким образом луч лазера имеет очень малый угол расходимости. Наконец, луч лазера имеет строго определённую поляризацию. Для этого в резонатор вводят различные поляроиды, например, ими могут служить плоские стеклянные пластинки, установленные под углом Брюстера к направлению распространения луча лазера.

2.1 Устройство лазера.

Все лазеры состоят из трёх основных частей:

• активной (рабочей) среды;
• системы накачки (источник энергии);
• оптического резонатора (может отсутствовать, если лазер работает в режиме усилителя).

Каждая из них обеспечивает для работы лазера выполнение своих определённых функций.

Активная среда

В настоящее время в качестве рабочей среды лазера используются все агрегатные состояния вещества: твёрдое, жидкое, газообразное и даже плазма. В обычном состоянии число атомов, находящихся на возбуждённых энергетических уровнях определяется распределением Больцмана:

здесь N - число атомов, находящихся в возбуждённом состоянии с энергией E , N 0 - число атомов, находящихся в основном состоянии, k - постоянная Больцмана, T - температура среды. Иными словами таких атомов очень мало, поэтому вероятность того, что фотон, распространяясь по среде вызовет вынужденное излучение также очень мала по сравнению с вероятностью его поглощения. Поэтому электромагнитная волна, проходя по веществу, расходует свою энергию на возбуждение атомов. Интенсивность излучения при этом падает по закону Бугера:

здесь I 0 - начальная интенсивность, I l - интенсивность излучения, прошедшего расстояние l в веществе, a 1 - коэффициент поглощения вещества. Поскольку зависимость экспоненциальная, излучение очень быстро поглощается.

В том случае, когда число возбуждённых атомов больше, чем невозбуждённых (то есть в состоянии инверсии населённостей), ситуация прямо противоположна. Акты вынужденного излучения преобладают над поглощением, и излучение усиливается по закону:

где a 2 - коэффициент квантового усиления. В реальных лазерах усиление происходит до тех пор пока величина поступающей за счёт вынужденного излучения энергии не станет равной величине энергии, теряемой в резонаторе. Эти потери связаны с насыщением метастабильного уровня рабочего вещества, после чего энергия накачки идёт только на его разогрев, а также с наличием множества других факторов (рассеяние на неоднородностях среды, поглощение примесями, неидеальностью отражающих зеркал, полезное и нежелательное излучение в окружающую среду и пр.).

Система накачки

Для создания инверсной населённости среды лазера используются различные механизмы. В твердотельных лазерах она осуществляется за счёт облучения мощными газоразрядными лампами-вспышками, сфокусированным солнечным излучением (так называемая оптическая накачка) и излучением других лазеров (в частности, полупроводниковых). При этом возможна работа только в импульсном режиме, поскольку требуются очень большие плотности энергии накачки, вызывающие при длительном воздействии сильный разогрев и разрушение стержня рабочего вещества. В газовых и жидкостных лазерах (см. гелий-неоновый лазер, лазер на красителях) используется накачка электрическим разрядом. Такие лазеры работают в непрерывном режиме. Накачка химических лазеров происходит посредством протекания в их активной среде химических реакций. При этом инверсия населённостей возникает либо непосредственно у продуктов реакции, либо у специально введённых примесей с подходящей структурой энергетических уровней. Накачка полупроводниковых лазеров происходит под действием сильного прямого тока через p-n переход, а также пучком электронов. Существуют и другие методы накачки (газодинамические, заключающиеся в резком охлаждении предварительно нагретых газов; фотодиссоциация, частный случай химической накачки и др.).

На рисунке: а - трёхуровневая и б - четырехуровневая схемы накачки активной среды лазера.

Классическая трёхуровневая система накачки рабочей среды используется, например, в рубиновом лазере. Рубин представляет из себя кристаллкорунда Al 2 O 3 , легированный небольшим количеством ионовхрома Cr 3+ , которые и являются источником лазерного излучения. Из-за влияния электрического полякристаллической решётки корунда внешний энергетический уровень хрома E 2 расщеплён (см. эффект Штарка). Именно это делает возможным использование немонохроматического излучения в качестве накачки. При этом атом переходит из основного состояния с энергией E 0 в возбуждённое с энергией около E 2 . В этом состоянии атом может находиться сравнительно недолго (порядка 10 −8 с), почти сразу происходит безизлучательный переход на уровень E 1 , на котором атом может находиться значительно дольше (до 10 −3 с), это так называемый метастабильный уровень. Возникает возможность осуществления индуцированного излучения под воздействием других случайных фотонов. Как только атомов, находящихся в метастабильном состоянии становится больше, чем в основном, начинается процесс генерации.

Следует отметить, что создать инверсию населённостей атомов хрома Cr с помощью накачки непосредственно с уровня E 0 на уровень E 1 нельзя. Это связано с тем, что если поглощение и вынужденное излучение происходят между двумя уровнями, то оба эти процесса протекают с одинаковой скоростью. Поэтому в данном случае накачка может лишь уравнять населённости двух уровней, чего недостаточно для возникновения генерации.

В некоторых лазерах, например в неодимовом, активной средой которого является специальный сорт стекла, легированный ионами неодима Nd 3+ , используется четырехуровневая схема накачки. Здесь между метастабильным E 2 и основным уровнем E 0 имеется промежуточный - рабочий уровень E 1 . Вынужденное излучение происходит при переходе атома между уровнями E 2 и E 1 . Преимуществом этой схемы является то, что порог генерации достигается, когда населённость метастабильного уровня становится больше населённости рабочего уровня, которая незначительна в состоянии термодинамического равновесия, поскольку последний находится достаточно далеко от основного уровня. Это значительно снижает требования к источнику накачки. Кроме того, подобная схема позволяет создавать мощные лазеры, работающие в непрерывном режиме, что очень важно для некоторых применений.

Оптический резонатор

В ширину спектральной линии , изображённой на рисунке зелёным цветом, укладывается три собственных частоты резонатора . В этом случае генерируемое лазером излучение будет трехмодовым . Для фиолетовой линии излучение будет чисто монохроматическим .

Зеркала лазера не только обеспечивают существование положительной обратной связи, но и работают как резонатор, усиливая одни генерируемые лазером моды, соответствующие стоячим волнам данного резонатора, и ослабляя другие. Если на оптической длинеL резонатора укладывается целое (в смысле «не дробное») число полуволн n :

то такие волны, проходя по резонатору не меняют своей фазы и вследствие интерференции усиливают друг друга. Все остальные, близко расположенные волны, постепенно гасят друг друга. Таким образом спектр собственных частот оптического резонатора определяется соотношением:

здесь c - скорость света в вакууме. Интервалы между соседними частотами резонатора одинаковы и равны:

Линии в спектре излучения в силу различных причин (доплеровское уширение, внешние электрические и магнитное поля, квантовомеханическое эффекты и др.) всегда имеют определённую ширину . Поэтому могут возникать ситуации, когда на ширину спектральной линии укладывается несколько собственных частот резонатора. В этом случае излучение лазера будет многомодовым. Синхронизация этих мод позволяет добиться того, чтобы излучение представляло собой последовательность коротких и мощных импульсов. Если же , то в излучении лазера будет присутствовать только одна частота, в данном случае резонансные свойства системы зеркал слабо выражены на фоне резонансных свойств спектральной линии. При более строгом расчёте необходимо учитывать, что усиливаются волны, распространяющиеся не только параллельно оптической оси резонатора, но и под малым углом к ней. Условие усиления тогда принимает вид:

Это приводит к тому, что интенсивность пучка лучей лазера различна в разных точках плоскости, перпендикулярной этому пучку. Здесь наблюдается система светлых пятен, разделённых тёмными узловыми линиями. Для устранения этих нежелательных эффектов используют различные диафрагмы, рассеивающие нити, а также применяют различные схемы оптических резонаторов.

2.2 Классификация лазеров:

· Твердотельные лазеры на люминесцирующихтвёрдых средах (диэлектрическиекристаллы и стёкла). В качестве активаторов обычно используются ионыредкоземельных элементов или ионы группы железа Fe. Накачка оптическая и от полупроводниковых лазеров, осуществляется по трёх- или четырехуровневой схеме. Современные твердотельные лазеры способны работать в импульсном, непрерывным и квазинепрерывном режимах.

· Полупроводниковые лазеры. Формально также являются твердотельными, но традиционно выделяются в отдельную группу, поскольку имеют иной механизм накачки (инжекция избыточных носителей заряда через p-n переход или гетеропереход, электрический пробой в сильном поле, бомбардировка быстрыми электронами), а квантовые переходы происходят между разрешёнными энергетическими зонами, а не между дискретными уровнями энергии. Полупроводниковые лазеры - наиболее употребительный в быту вид лазеров. Кроме этого применяются в спектроскопии, в системах накачки других лазеров, а также в медицине (см. фотодинамическая терапия).

· Лазеры на красителях. Тип лазеров, использующий в качестве активной среды раствор флюоресцирующих с образованием широких спектроворганических красителей. Лазерные переходы осуществляются между различными колебательными подуровнями первого возбуждённого и основного синглетных электронных состояний. Накачка оптическая, могут работать в непрерывном и импульсном режимах. Основной особенностью является возможность перестройки длины волны излучения в широком диапазоне. Применяются в спектроскопических исследованиях.

· Газовые лазеры - лазеры, активной средой которых является смесь газов и паров. Отличаются высокой мощностью, монохроматичностью, а также узкой направленностью излучения. Работают в непрерывном и импульсном режимах. В зависимости от системы накачки газовые лазеры разделяют на газоразрядные лазеры, газовые лазеры с оптическим возбуждением и возбуждением заряженными частицами (например, лазеры с ядерной накачкой, в начале 80-х проводились испытания систем противоракетной обороны на их основе, однако, без особого успеха), газодинамические и химические лазеры. По типу лазерных переходов различают газовые лазеры на атомных переходах, ионные лазеры, молекулярные лазеры на электронных, колебательных и вращательных переходах молекул и эксимерные лазеры.

· Газодинамические лазеры - газовые лазеры с тепловой накачкой, инверсия населённостей в которых создаётся между возбуждёнными колебательно-вращательными уровнями гетероядерных молекул путём адиабатического расширения движущейся с высокой скоростью газовой смеси (чаще N 2 +CO 2 +He или N 2 +CO 2 +Н 2 О, рабочее вещество - CO 2).

· Эксимерные лазеры - разновидность газовых лазеров, работающих на энергетических переходах эксимерных молекул (димерахблагородных газов, а также их моногалогенидов), способных существовать лишь некоторое время в возбуждённом состоянии. Накачка осуществляется пропусканием через газовую смесь пучка электронов, под действием которых атомы переходят в возбуждённое состояние с образованием эксимеров, фактически представляющих из себя среду с инверсией населённостей. Эксимерные лазеры отличаются высокими энергетическими характеристикам, малым разбросом длины волны генерации и возможности её плавной перестройки в широком диапазоне.

· Химические лазеры - разновидность лазеров, источником энергии для которых служат химические реакции между компонентами рабочей среды (смеси газов). Лазерные переходы происходят между возбуждёнными колебательно-вращательными и основными уровнями составных молекул продуктов реакции. Для осуществления химических реакций в среде необходимо постоянное присутствие свободных радикалов, для чего используются различные способы воздействия на молекулы для их диссоциации. Отличаются широким спектром генерации в ближней ИК-области, большой мощностью непрерывного и импульсного излучения.

· Лазеры на свободных электронах - лазеры, активной средой которых является поток свободных электронов, колеблющихся во внешнем электромагнитном поле (за счёт чего осуществляется излучение) и распространяющихся с релятивистской скоростью в направлении излучения. Основной особенностью является возможность плавной широкодиапазонной перестройки частоты генерации. Различают убитроны и скаттроны, накачка первых осуществляется в пространственно-периодическом статическом поле ондулятора, вторых - мощным полем электромагнитной волны. Существуют также мазеры на циклотронном резонансе и строфотроны, основанные на тормозном излучении электронов, а также флиматроны, использующие эффект черенковского и переходного излучений. Поскольку каждый электрон излучает до 10 8 фотонов, лазеры на свободных электронах являются, по сути, классическими приборами и описываются законами классической электродинамики.

· Квантовые каскадные лазеры − полупроводниковые лазеры, которые излучают в среднем и дальнем инфракрасном диапазоне. В отличие от обычных полупроводниковых лазеров, которые излучают посредством вынужденных переходов между разрешенными электронными и дырочными уровнями, разделенными запрещенной зонойполупроводника, излучение квантовых каскадных лазеров возникает при переходе электронов между слоями гетероструктуры полупроводника и состоит из двух типов лучей, причем вторичный луч обладает весьма необычными свойствами и не требует больших затрат энергии.

· Другие виды лазеров, развитие принципов которых на данный момент является приоритетной задачей исследований (рентгеновские лазеры, гамма-лазеры и др.).

3. Лазеры в медицине

С появлением промышленных лазеров наступила новая эра в хирургии. При этом пригодился опыт специалистов по лазерной обработке металла. Приваривание лазером отслоившейся сетчатки глаза - это точечная контактная сварка; лазерный скальпель - автогенная резка; сваривание костей - стыковая сварка плавлением; соединение мышечной ткани - тоже контактная сварка. Для того чтобы лазерное излучение оказало какое-либо действие, надо, чтобы ткань его поглощала. Самый популярный лазер в хирургии - углекислотный. Другие лазеры монохроматичны, то есть нагревают, разрушают или сваривают только некоторые биологические ткани с вполне определенной окраской. Например, луч аргонового лазера свободно проходит через матовое стекловидное тело и отдает свою энергию сетчатке, цвет которой близок к красному. Углекислотный лазер пригоден в большинстве случаев, например когда нужно рассечь или приварить друг к другу ткани разного цвета. Однако при этом возникает другая проблема. Ткани насыщены кровью и лимфой, содержат много воды, а излучение лазера в воде теряет энергию. Увеличить энергию лазерного луча можно, но это может привести к прожигу тканей. Создателям хирургических лазеров приходится прибегать к всевозможным уловкам, что сильно удорожает аппаратуру. Специалистам по сварке металлов давно известно, что при резке пакета тонких металлических листов необходимо, чтобы они плотно прилегали друг к другу, а при точечной контактной сварке для тесного контакта свариваемых деталей необходимо дополнительное давление. Этот метод был использован и в хирургии: профессор О. И. Скобелкин и его соавторы предложили при сварке тканей слегка их сдавливать, чтобы вытеснить кровь. Для осуществления нового способа был создан целый набор инструментов, который применяется сегодня в желудочно-кишечной хирургии, при операциях на желчных путях, селезенке, печени, легких.

3.1 Стоматология

Анализ литературных данных по лечению заболеваний слизистой оболочки рта и пародонта показывает, что некоторые средства, особенно антибиотики и стероидные препараты, изменяют окислительно-восстановительный потенциал слюны, ослабляют активность лизоцима, способствуют развитию аллергических реакций, обусловливают снижение резистентности организма к патогенным воздействиям. Все это затрудняет течение и лечение патологического процесса в слизистой оболочке рта и пародонте. Эти факторы вызывают необходимость изыскания новых методов лечения – без применения лекарственных средств. Одним из них является физиотерапия, а среди наиболее эффективных – низкоинтенсивное лазерное излучение. Лазерное излучение достоверно повышает пролиферативную активность клеток в 1,3-3,5 раза. Было установлено, что НИЛИ оказывает на травматический дефект слизистой оболочки рта противовоспалительное действие, способствует ускорению эпителизации и органоспецифическому восстановлению тканей слизистой оболочки а области дефекта. Такой эффект, в первую очередь, обусловлен интенсификацией синтеза ДНК клетках. Установлено, что в момент облучения интенсивность кровоснабжения возрастает на 20%. Оптимальная вазоконстрикторная доза облучения составляла 100 мВт/см 2 (для ГНЛ) при экспозиции 2 мин (12 Дж/см 2) [. Александров М.Т, Прохончуков А.А., 1981]. С развитием констрикторной реакции некоторые исследователи связывают и аналгезирующий эффект лазерного облучения, наблюдаемый в клинике. В эксперименте на модели посттравматической регенерации слизистой оболочки языка отмечена более быстрая и лучшая эпителизация раны после воздействия светом гелий-неонового лазера (плотность мощности 200 мВт/см 2 при однократном и 1 мВт/см 2 при ежедневном воздействии) [Виноградов А.В. и др.,1990]. Исследования ультраструктуры десны после 1, 3 и 6 сеансов ежедневного облучения светом ГНЛ, показали наличие выраженной реакции со стороны основных элементов десны. В эпителиальных клетках рогового слоя увеличивается количество светлых вакуолей и сильно осмированных глыбок, а в зернистом слое – число осмированных гранул. В мышечных волокнах появляется большое количество митохондрий, в кровеносных сосудах определяются скопления эритроцитов. Все это указывает на усиление синтеза веществ в клетках под влиянием НИЛИ [Зазулевская Л.Я. и др., (1990)]. По итогам проведенных исследований определены спектр действия и параметры для непрерывного излучения с длиной волны 0,63 мкм (лазерная головка КЛО4 для АЛТ «Матрикс»), оказывающие противовоспалительный (сосудистый), стимулирующий клеточную пролиферацию и ингибирующий эффекты. Так, стимуляция клеточной пролиферации наблюдается при плотности мощности от 10 до 100 мВт/см 2 , экспозиции на одно поле от 30 с до 5 мин; противовоспалительное и аналгезирующее действие – при плотности мощности 100-200 мВт/см 2 , экспозиции на одно поле 2-5 мин; ингибирующее действие – при плотности мощности 100-400 мВт/см 2 и экспозиции 1-6 мин. Следует отметить, что указанные величины плотности мощности лазерного излучения достигаются с помощью специальных световодов. Импульсные полупроводниковые лазеры, в частности излучающие головки инфракрасного спектра (ЛО4) к АЛТ «Матрикс», позволяют в большинстве случаев обходиться и без световодов. Когда воздействие проводится на проекцию зоны поражения с применением зеркальных и зеркально-магнитных насадок. Это зачастую эффективнее и не требует таких высоких плотностей мощности. Особенности импульсного инфракрасного (ИК) излучения позволяют реализовать методики лазерной терапии с более высокой эффективностью при значительно меньшей энергетической нагрузке (плотности мощности). Показано, что лазерное импульсное ИК излучение стимулирует процессы пролиферативной активности клеточных структур в дозе от 0,03-0,86 Дж/см 2 с максимальным эффектом при дозе 0,22 Дж/см 2 . Тогда как для ГНЛ (непрерывное излучение красного спектра) максимальный эффект достигается при 3 Дж/см 2 . Применение же в комплексном лечении больных с одонтогенными флегмонами лица сочетанноговоздействия излучениями обоих видов позволяет получить наилучшие результаты лечения, сократить продолжительность нетрудоспособности в среднем на 8 суток [Платонова В.В., 1990]. Импульсное ИК лазерное излучение в сочетании постоянным с магнитным полем 35-50 мТл можно эффективно использовать на всех этапах ортодонтического лечения. Отсутствие осложнений и рецидивов, повышение производительности труда врачей и среднего медицинского персонала в целом дает общий экономический эффект 36-43% [Кузнецова М.А., 2000]. Применение низкоинтенсивного импульсного лазерного света за счет общего (общеоздоровительного) действия расширяет показания для ортодонтического лечения зубочелюстных аномалий:

· при различных неблагоприятных условиях (гингивиты при тесном положении зубов, недостаточной гигиене полости рта, ювенильные, травматические; пародонтиты);

· при выраженных воспалительно-дистрофических осложнениях в пародонте перемещаемых зубов, а также у ослабленных детей с нарушением иммунного статуса (иммунодефициты, аллергические явления, сенсибилизация, гормонально-иммунологические расстройства и т. П.);

· при подготовке к активному ортодонтическому лечению. НИЛИ статистически достоверно позволяет купировать воспалительные процессы в 1,6 раз быстрее (в среднем на 4-6 дней) по сравнению с традиционными способами, что в свою очередь сокращает подготовительный этап в 2,3 раза, создавая оптимальные условия для начала ортодонтического лечения;

· при удалении отдельных постоянных зубов по ортодонтическим показаниям, обнажении коронок ретенированных зубов, пластике уздечки языка и уздечек губ, углублении преддверия полости рта. Применение низкоинтенсивного импульсного ИК НИЛИ в противовоспалительных и стимулирующих регенерацию дозах позволяет ускорить заживление послеоперационных ран мягких тканей полости рта без образования тяжей и рубцовых изменений в среднем на 4-5 дней по сравнению с обычными способами;

· при устранении зубочелюстных аномалий с применением современной несъемной техники лазерная терапия позволяет ликвидировать болевой синдром после фиксации и активирования элементов аппарата, предотвратить возможное ответное травматическое воспаление в области приложения ортодонтических сил, облегчая период физиологической и психологической адаптации к ортодонтическому аппарату и сокращая (в среднем на 6±1,2 месяца по сравнению с обычными способами) общие сроки лечения.

ЛТ, обеспечивая надежную ретенцию, статистически достоверно дает возможность фиксировать в нужном положении перемещенные зубы и сокращать завершающий период лечения (в среднем на 4-6 месяцев), ускоряет прорезывание задержавшихся в челюсти зубов в 4,7 раза без оперативного вмешательства, нередко являющегося методом выбора. Одновременное сочетанное применение низкоинтенсивного импульсного ИК НИЛИ и постоянного магнитного поля существенно повышает профилактическую и лечебную эффективность перемещения зачатков задержавшихся зубов (изменения положения их в челюсти и установление в направлении прорезывания) и ускоряет их прорезывание в 5,3 раза без оперативного вмешательства. Перечисленные свойства лазерного излучения позволяют дифференцированно применять его в стоматологии при заболеваниях слизистой оболочки рта, которые сопровождаются деструкцией эпителия, замедленной регенерацией, воспалением, болевым синдромом, а также при поражениях вирусного генеза (фотодинамическое действие). При воспалении излучение лазера вызывает общий и местный эффекты. Общие эффекты выражаются в увеличении неспецифических гуморальных факторов защиты (комплемент, интерферон, лизоцим), общей лейкоцитарной реакции, стимуляции костномозгового кроветворения, повышении фагоцитарной активности микро- и макрофагальной систем. Возникает десенсибилизирующий эффект, происходят активация иммунокомпетентной системы, клеточной и гуморальной специфической иммунологической защиты, повышение общих защитно-приспособительных реакций организма. Местные эффекты определяются основными элементами воспалительной реакции: экссудация, альтерация, пролиферация. Экссудация: дилатация сосудов, активация микроциркуляции с последующей вазоконстрикцией – предотвращение развития фазовых нарушений микроциркуляции и нормализация кровообращения в сочетании с нормализацией проницаемости сосудистой стенки (сосудисто-тканевого барьера), уменьшение отека ткани. Под влиянием излучения НИЛИ происходит оптимальное формирование нейтрофильного и моноцитарного барьеров, повышение фагоцитарной активности микро- и макрофагов, продукции бактерицидных субстанций и стимуляторов роста, стимуляция пролиферации, активация барьерных свойств слизистой оболочки рта. Альтерация: активация функций митохондрий и других органелл клеток, метаболизма с увеличением потребления кислорода и активацией тканевого дыхания. Одновременно подавляются анаэробные процессы, предотвращается развитие ацидоза и вторичных дистрофических изменений, в итоге облегчается регенерация поврежденных тканей. Пролиферация: стимуляция системы ДНК–РНК–белок, увеличение митотической (пролиферативной) активности клеток, активация реакции соединительной ткани. Морфологически клеточная реакция проявляется в ускорении и усилении образования фибробластического барьера (на фоне выделения стимуляторов роста), стимуляции образования грануляционной ткани, ускорении созревания фибробластов, активации образования коллагеновых волокон и созревания грануляционной ткани. В результате происходят быстрая и более физиологичная эпителизация, ускоренная и полноценная регенерация слизистой оболочки в области поражения. Терапевтическое действие (стимуляция) процессов регенерации ткани выражается в активации системы ДНК–РНК–белок, усилении синтеза нуклеиновых кислот и ядерных белков, возрастании массы ядра, увеличении синтеза цитоплазматических белков и накоплении их в период интерфазы до критического уровня. Происходят стимуляция митозов, ускоренное и увеличенное размножение клеток соединительной ткани, эпителия. Терапевтический эффект лазерного воздействия на ткани живого организма значительно усиливается в постоянном магнитном поле (ПМП) за счет усиления процессов метаболизма. Магнитолазерная терапия (МЛТ) была предложена в конце 70-х гг. и получила наибольшее распространение благодаря высокой терапевтической эффективности, обусловленной потенцированием действия магнитного поля и лазерного излучения [Мостовников В.А. и др., 1991; Полонский А.К. и др., 1981]. При сочетанном магнитолазерном воздействии, особенно при лечении глубоко расположенных патологических очагов, более эффективным является применение НИЛИ ближней инфракрасной части спектра (длина волны 0,8–1,3 мкм) по следующим объективным причинам. Во-первых, максимум пропускания кожными покровами человека электромагнитного излучения находится в этом диапазоне. Во-вторых, ПМП, ориентируя диполи в одну линию вдоль световой волны коллинеарно, способствует резонансному взаимодействию биологических структур и усиливает светопоглощение в ИК диапазоне. Импульсное ИК (λ = 0,89 мкм) лазерное излучение в большей степени влияет на стабильность клеточных мембран, тогда как в комбинации с ПМП этот фактор оказывает выраженное действие на микроциркуляторные процессы [Зубкова С.М. и др., 1991]. При проведении МЛТ применяют специальные магнитные насадки с оптимальной формой поля, что освобождает врача от необходимости учета специфического действия северного и южного полюсов магнита. Оптимальное время МЛТ составляет 1,5–2 мин при ПМП 15–75 мТл и мощности импульсного ИК НИЛИ 10–15 Вт; число процедур от 5 до 10. Для стимуляции периферического кровотока оптимальным является ПМП с индукцией 50 мТл. МЛТ оказывает гипокоагулирующее, мягкое седативное и гипотензивное действие, положительно влияет на отдельные компоненты иммунной системы [Буйлин В.А., 1997; Москвин С.В., Буйлин В.А., 2005]. Показания к лазеротерапии: пародонтит в стадии обострения, пародонтоз (гиперестезия), герпес губ и герпетический стоматит взрослых, синдром Мелькерссона-Розенталя, хронический рецидивирующий афтозный стоматит, десквамативный глоссит, хронический гингивит, язвенный гингивит, травматические повреждения слизистой оболочки рта, многоформная экссудативная эритема и др. Противопоказания: все формы лейкоплакии, а также явления пролиферативного характера на слизистой оболочке рта (папилломатоз, ограниченный гиперкератоз, ромбовидный глоссит); тяжело протекающие заболевания сердечно-сосудистой системы (атеросклеротический кардиосклероз с выраженным нарушением коронарного кровообращения, церебральный склероз с нарушением мозгового кровообращения II–Ш стадии), гипертоническая болезнь III стадии, гипотония; выраженная и тяжелая степень эмфиземы легких; туберкулезная интоксикация; опухоли злокачественные; доброкачественные опухоли при локализации в области головы и шеи; тяжелая степень сахарного диабета в некомпенсированном состоянии или при неустойчивой компенсации; заболевания крови; состояние после инфаркта миокарда (в течение 6 мес после эксцесса).

3.2 Хирургия

В настоящее время трудно представить прогресс в медицине без лазерных технологий, которые открыли новые возможности в разрешении многочисленных медицинских проблем.
Изучение механизмов воздействия лазерного излучения различных длин волн и уровней энергии на биологические ткани позволяет создавать лазерные медицинские многофункциональные приборы, диапазон применения которых в клинической практике стал настолько широким, что очень трудно ответить на вопрос: для лечения каких заболеваний лазеры не применяют? Развитие лазерной медицины идет по трем основным ветвям: лазерная хирургия, лазерная терапия и лазерная диагностика. Нашей областью деятельности являются лазеры для применений в хирургии и косметологии, имеющие достаточно большую мощность для разрезания, вапоризации, коагуляции и других структурных изменений в биоткани.

В ЛАЗЕРНОЙ ХИРУРГИИ

Применяются достаточно мощные лазеры со средней мощностью излучения десятки ватт, которые способны сильно нагревать биоткань, что приводит к ее резанию или испарению. Эти и другие характеристики хирургических лазеров обуславливают применение в хирургии различных видов хирургических лазеров, работающих на разных лазерных активных средах. Уникальные свойства лазерного луча позволяют выполнять ранее невозможные операции новыми эффективными и минимально инвазивными методами. Хирургические лазерные системы обеспечивают: эффективную контактную и бесконтактную вапоризацию и деструкцию биоткани;

• сухое операционное поле;
• минимальное повреждение окружающих тканей;
• эффективный гемо- и аэростаз;
• купирование лимфатических протоков;
• высокую стерильность и абластичность;
• совместимость с эндоскопическими и лапароскопическими инструментам

Это дает возможность эффективно использовать хирургические лазеры для выполнения самых разнообразных оперативных вмешательств в урологии, гинекологии, оториноларингологии, ортопедии, нейрохирургии и т. д. По нашему убеждению, наилучшим выбором для хирурга по своим физическим свойствам является гольмиевый лазер. Поэтому основное внимание мы уделяем именно Гольмиевым лазерам в хирургии.

КТР - лазер

Это хорошо известный неодимовый лазер на гранате (Nd:YAG), спаренный с нелинейным кристаллом титанил фосфата калия (КТР), который удваивает частоту излучаемого света до получения длины волны 532 нм, расположенной в зеленой области спектра. Лазерное лечение сосудистых нарушений основано на тепловом воздействии лазерного излучения на сосуды без изменения структуры прилегающих тканей. Зеленое излучение КТР-лазера проникает сквозь поверхностные слои кожи и хорошо поглощается гемоглобином крови. В результате в поврежденном кровеносном сосуде происходит выделение большого количества тепла, кровь свертывается, а внутренняя стенка разрушается. В дальнейшем патологический сосуд зарастает соединительной тканью, а кожа обретает естественный цвет. На практике при этом важно учитывать время тепловой релаксации сосуда, которое соответствует периоду, необходимому для передачи тепла за пределы сосуда. Это время зависит, прежде всего, от диаметра сосуда и может изменяться от 1 мс (для сосуда диаметром 50 мкм) до 80 мс (для сосуда диаметром 400 мкм). При облучении слишком короткими импульсами очень интенсивным лазером кровеносный сосуд поглощает достаточно большое количество энергии, которая не успевает рассеиваться. Из-за этого внутри сосуда значительно повышаются температура и давление, что приводит к разрыву его стенки и к микрокровоизлиянию. Клинически это проявляется в виде пурпуры или микрогеморрагий. С увеличением длительности лазерного импульса можно получить режим селективной коагуляции, когда при постепенном повышении температуры стенки сосуда происходит его спаивание и исчезновение. Длительность импульса при этом должна быть больше, чем время релаксации сосуда, но ограниченной, иначе большое количество тепла напрасно рассеивается наружу, и в обширной зоне окружающей дермы могут произойти значительные изменения. На месте лазерного воздействия восстанавливается естественный цвет кожного покрова. Ткани вокруг сосуда практически не поглощают излучение лазера и остаются неповрежденными, поэтому после операции не происходит образования рубцов.

3.4 Фотоомоложение кожи

При поглощении излучения КТР-лазера гемоглобином крови помимо фотокоагуляции кровеносных сосудов и очищения кожи от пигментных и васкулярных поражений можно получить и другой эффект - фотоомоложение кожи. Фотоомоложение - это видимое улучшение состояния кожи при помощи лазера или другого источника света. Что происходит непосредственно в коже при облучении ее мощными световыми импульсами? При поглощении света и нагревании стенок сосудов те в свою очередь передают тепло наружу. Селективное нагревание дермального коллагена (до температуры 55 град. С) вызывает стимуляцию в соединительной ткани особых клеток - фибробластов, которые начинают активно синтезировать новый коллаген. Таким образом, в увядающей коже возникают новые волокна коллагена и эластина, и она вновь обретает молодой, свежий вид. Синтез нового коллагена это биохимический процесс, требующий определенного времени, поэтому результат становится заметным не сразу. Всего может потребоваться 3 - 6 сеансов с интервалом в 3 недели. После курса процедур происходит улучшение цвета и структуры кожи, лицо подтягивается, улучшаются его контуры, сужаются поры. Благодаря общему лифтингу разглаживаются мелкие и средние морщины. Таким образом, фотоомоложение с помощью КТР-лазера - это новый и эффективный неинвазивный метод омоложения кожи с минимальным риском и без длительного периода восстановления для пациента.

Лазерная дермабразия - это:

• малая травматичность проводимых операций;
• минимальное тепловое повреждение и быстрое восстановление кожного покрова;
• минимальный риск послеоперационных рецидивов и осложнений;
• быстрое заживление ран

Механизм действия пилинга

Основан на способности кожи к быстрому самовосстановлению. Любое травмирующее воздействие - ожог, ссадина, порез - вызывает незамедлительную реакцию организма. При малейшей травме на защиту бросаются все силы - начинается процесс регенерации. Однако при восстановлении кожного покрова старые материалы не используются. Дело в том, что при травме происходит уничтожение деформированных клеток, а деятельность молодых и здоровых поощряется как никогда. Конечно, помимо регенерации в коже непрерывно протекают и другие процессы обновления. Это, например, программа деятельности кератиноцитов - основных клеток эпидермиса. По сути эпидермис состоит из слоев кератиноцитов разного возраста. И каждый слой выполняет свою физиологическую задачу (скажем, самый верхний роговой - это плотный защитный барьер из отмерших клеток). С годами в жизненной программе кератиноцитов могут начаться сбои, тогда клетки вместе с накопленными повреждениями задерживаются в промежуточном слое. Исходящий от них негатив (как инфекционные болезни) неминуемо сказывается на деятельности других клеток.
В результате замедляется клеточное деление в живых тканях (они истончаются), а роговой слой, наоборот, утолщается, придавая коже вид пергамента. В этой ситуации пилинг также сослужит хорошую службу, одновременно создавая предпосылки к тщательному очищению верхнего барьера и способствуя проведению контролируемого процесса обновления. Вызываемое отшелушивание кожи как искусственное повреждение эпидермиса, проводится по избирательно-бережным методикам, без боли и дискомфорта. Если регенерация происходит нормально, то кожа после реабилитации выглядит гораздо лучше. Ороговевший слой становится более тонким и однородным, а дерма упругой.

3.5 Удаление татуировок и пигментных пятен

Татуировки обычно легче сделать, чем удалить. Мода на татуировки прошла через многие страны. До 20 миллионов американцев имеют сейчас многоцветные украшения на различных частях тела, и опросы показывают, что по крайней мере половина из них хотят избавиться от этого легкомысленного поступка в молодости. Наша страна не испытала пока повального увлечения татуировкой, но не следует игнорировать опыт других. Существует много способов удаления красящего вещества из кожи, основанных на различных механизмах деструктивного воздействия. Все эти методы были основаны на одном принципе - удалении участков кожи с татуировкой: дермабразия кожи с помощью алмазной фрезы, хирургические иссечения, химическое удаление изображения путем инъекции специальных кислот, криохирургия. Однако косметический результат после такого удаления оставляет желать лучшего: слишком высока вероятность появления эстетически неприемлемых рубцов, которые могут оказаться еще более нежелательными, чем сама татуировка. Лазерное удаление татуировок За последние годы существенный прогресс приобрел метод лазерного выведения татуировок. За это время был получен огромный клинический материал, а лазерные методы стали наиболее продвинутыми, если не единственно приемлемыми с точки зрения получаемого косметического результата, способами выведения татуировок. Для разрушения красителей, составляющих основу татуировки, лазер должен излучать такой свет, который поглощается данным красителем. Для этого используется специальный режим работы лазера "с модуляцией добротности" (Q-switched), который позволяет добиться высокой мощности лазерных импульсов за счет укорочения их длительности. Для вывода излучения в таких лазерах используется шарнирный зеркальный световод, позволяющий доставить лазерное излучение к рабочему инструменту врача. Гранулы красителей тату избирательно поглощают лазерное излучение, разбиваются на мелкие фрагменты и постепенно выводятся через лимфатическую систему. По сравнению с другими методами лазерное удаление татуировок является более безопасным методом, так как лазерное излучение воздействует только на краситель, а не на окружающую кожу. Лазер позволяет выводить татуировки без рубцов и шрамов. Для полного выведения большинства татуировок и дермальных пигментаций требуется проведение 2 - 5 сеансов. Для выведения больших по площади татуировок может потребоваться более 10 сеансов. Количество сеансов зависит от нескольких факторов, таких как возраст татуировки, ее размеры и расположение, глубина, тип и цвет пигмента. Трудны для выведения зеленые и желтые татуировки. Обычно профессионально выполненные татуировки требуют больше сеансов по их удалению, чем любительские. Встречаются такие стойкие виды красителей, которые остаются видными после серии процедур, хотя и значительно обесцвечиваются. 3.6 Применение лазера в лечении ЛОР-заболеваний В настоящее время лазерное излучение все чаще и чаще находит применение в медицине, в том числе и влечении ЛОР-заболеваний. Положительные характеристики применения лазера состоят в том, что он уменьшает воспалительную реакцию, обладает выраженным анальгезирующим (обезболивающим) эффектом, а также при этом происходит более активное восстановление пораженной ткани. Применяемые в медицине режимы лазерного излучения не оказывают вредного влияния на организм в целом. Разрушение тканей лазером практически бескровно, что связано с коагуляцией (свертыванием) крови в просвете капилляров в зоне коагуляционного некроза и образованием так называемого лазерного тромба. Среди патологических состояний глотки, требующих лазерной коррекции наибольший интерес представляют различные новообразования, хронический гипертрофический боковой и гранулезный фарингит (воспаление глотки), остатки небных миндалин после перенесенной ранее тонзиллэктомии (удаления гланд) и ронхопатия. Применение лазера для лечения патологии глотки значительно эффективнее традиционных методов хирургии: вмешательство не дает осложнений в послеоперационном периоде, оно легко переносится больными, является максимально щадящим к тканям, не требует проведения антибактериальной и противовоспалительной терапии в послеоперационном периоде, не нарушает трудоспособность больных. Для эндоскопической коррекции патологии полости носа широко применяется диодный лазер. Он успешно используется для лечения таких заболеваний, как: хронический гипертрофический ринит, особенно при увеличении средних и задних концов носовых раковин, рубцовые процессы полости носа после перенесенных ранее хирургических вмешательств и травм, полипозный этмоидит (воспаление решетчатой пазухи, сочетающееся наличием в ее полости полипов), рецидивирующий полипоз носа, рецидивирующие носовые кровотечения, новообразования. Довольно широкое распространение в последнее время получила лазерная хирургия гортани. Лазер помогает справиться с такой патологией, как различные доброкачественные и злокачественные новообразования гортани, последствия хронических воспалительных заболеваний гортани, а также различные формы нарушения иннервации ее, т.е. параличи и парезы. Грануляции или рубцовые ткани гортани полностью "выпариваются" лазером. При этом для визуального контроля за процессом лазерной хирургии используется эндоскопическая техника. После такой операции, как трахеотомия, а также такой манипуляции, как интубация трахеи, при длительном нахождении канюли или интубационной трубки в гортани на ее поверхности может образоваться так называемая гранулема. Лечение постинтубационных и посттрахеотомических гранулем гортани и трахеи с помощью лазера также весьма эффективно, так как. в большинстве случаев позволяет полностью восстановить просвет дыхательных путей. Весьма успешно применение лазерной хирургии в лечении таких заболеваний уха, как: новообразования, посттравматические деформации, хронический гнойный средней отит. В хирургии ЛОР-болезней имеется большое количество методов и способов коррекции гиперпластических процессов, которые характеризуются разрастанием патологический ткани, а также сужений и различных дефектов наружного и среднего уха. Лазерная хирургия широко применяется и для лечения этой патологии. В области наружного слухового прохода наиболее часто встречаются папилломы и гемангиомы, которые легко удаляются лазером. Этим же методом лазерной хирургии проводится удаление полипов и грануляций (разрастаний соединительной ткани) из полости среднего уха с большими дефектами барабанной перепонки при таком заболевании, как хронический гнойный средний отит. Особое место в хирургии гиперпластических процессов наружного уха занимают келлоидные рубцы ушных раковин. Традиционная хирургия не способна полностью решить эту проблему. При этом отмечается большое число рецидивов. Введение в практику лазерной хирургии лечение келлоидных рубцов стало более эффективным. С помощью лазера и операционного микроскопа во многих случаях удается очень экономно иссечь келлоидный рубец с неплохим косметическим эффектом. При этом риск рецидива в послеоперационном периоде низок. Весьма ценным эндоскопические вмешательства с применением лазера оказываются при микрохирургических операциях в барабанной полости, когда необходимо с большой точностью удалять микроскопические участки патологических тканей, не разрушая при этом целостности тонких анатомических структур среднего и внутреннего уха. Некоторые из нас страдают от постоянного покраснения глаз (когда видны красные вены), даже если Вы хорошо выспались! Некоторые пытаются применить различные медицинские препараты, но безуспешно. Причем, мы уверены, что сами покраснения не вызваны сухостью глаз либо аллергической реакцией на какой-то продукт. Что говорят по этому поводу ведущие офтальмологи... 3.7 Офтальмология Во-первых, всем необходимо знать, что если видны красные венки в глазу - это вполне нормальное явление, и из этого ненужно делать трагедию! Некоторые, как только видят красные венки, пытаются применять различные препараты, которые "обещают" справиться с данной проблемой, и забывают проконсультироваться с врачом. Но как утверждают специалисты, применение некоторых препаратов (к примеру, известный всем Visin) которые уменьшают венки, делают их менее заметными, способно привести к совершенно обратному результату: по завершению применения препарата вены могут еще больше расшириться и стать более заметными. Расширение вен - это вечная проблема, с которой сталкиваются люди, которые постоянно применяют (злоупотребляют!) какие-то глазные медицинские препараты. Причины постоянной красноты глаз: Хроническая краснота глаз может быть вызвана определенным видом раздражения. Наиболее часто покраснение глаз вызывает их сухость и аллергия. Сухость глаз не всегда способна вызывать их покраснение. Кроме того, с сухостью глаз (на ранней и средней стадии) отлично справляются специальные капли против сухости глаз. Для людей, страдающих от тяжелой формы сухости глаз, в клинике предлагают специальную процедуру (пунктационная обтурация). При данной процедуре, небольшая пластиковая "пробка", напоминающая миниатюрную метку для мяча в гольфе, помещается в одни из двух каналов, который проходит от глаза к носу. Эта перегородка препятствует попаданию слезы в нос, тем самым, задерживая ее дольше в самом глазу. Аллергия - еще одна типичная причина красноты глаз. Самое оптимальное лечение красноты глаз аллергического происхождения - содержать пациента в таких условиях, где бы не было предметов, способных вызвать аллергию. Однако, как известно, порой бывает очень сложно определить, чем же вызвана аллергия. Порой аллергию могут спровоцировать линзы, которые Вы носите. На рынке имеются медицинские препараты, которые снижают некоторые аллергические реакции. Если краснота вызвана линзами, то на сегодняшний день есть такая услуга как лечение лазером. В итоге, зрение практически полностью восстанавливается, и отпадает всякая необходимость в использовании линз либо очков. Краснота глаз может быть также вызвана большой нагрузкой на глаза, просиживанием часами у компьютера, нехваткой витамина А. В любом случае, перед тем как принять те или иные капли, снимающие красноту глаз, следует непременно проконсультироваться с врачом, пройти обследование и лишь затем отправляться в аптеку за медикаментами. 4. Заключение Свет использовался для лечения разнообразных болезней испокон веков. Недаром Эскулап – бог медицины – был сыном бога света Феба Аполлона. Древние греки и римляне часто «принимали солнце» в качестве лекарства. И список болезней, которые приписывалось лечить светом, был достаточно велик. В наше время лазер важный прибор, без которого мы непредставляем своей жизни. Наука развивается широкими шагами. Нам надо только следить за ее успехами и применять достижения в повседневной жизни. Одно из главный новшеств в медицине, связано с лазерами. Ведь теперь с их помощью можно проводить операции без больших разрезов, без боязни занести инфекцию. Такой вид лечения позволит больным принимать меньше таблеток и препаратов, что позволит уменьшить нагрузку на их печень и почки. В конце я бы хотел сказать, что у меня есть надежда, что в будущем, если мне понадобится медицинская помощь, то она будет оказываться с помощью лазера. Список литературы: 1.Бруннер В. Справочник по лазерной технике: Пер. с нем. . - М.: Энергоатомиздат, 1991 2.Звелто О. Принципы лазеров . - М.: Мир, 1990 3.Тарасов Л.В. Физика процессов в генераторах когерентного оптического излучения . - М.: Радио и связь, 1981