Лазеры и их применение в медицине (2)

Реферат

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 (С02-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.

7 стр., 3285 слов

Сварка, резка и термическая обработка живых тканей

... прижиганием тканей. Первые свидетельства применения высокочастотного электро-коагуляционного оборудования в медицине связаны ... сварка». Следует, однако, отметить, что эта функция относится в основном лишь к процедуре сосудов, а по количеству и разнообразию хирургических методик с использованием ... для отдельных областей хирургии (офтальмология, сердечно-сосудистая хирургия, нейрохирургия и пр.). ...

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.

2 стр., 981 слов

Легирование поверхности металлов с использованием короткоимпульсного ...

... направлений в технологии поверхностной упрочняющей обработки металлов и сплавов является лазерное легирование [1-4]. Достоинством этого вида обработки является возможность создавать в ... механическое воздействие на обрабатываемый материал. При определенных плотностях мощности излучения воздействия происходит генерация ударных волн высокого давления, что позволяет осуществлять массоперенос легирующих ...

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 Тп).

В обоих случаях молекулы получали энергию, превышающую энергию ионизации.

Полоса поглощения ДНК располагается в ультрафиолетовой области спектра при En).

Число атомов с энергией Ега обозначим Nm, а число атомов с энергией En—N„. Числа Nm и N„ принято называть населенностью уровней с энергией Еш и Еп 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 Nm>Nn. 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.

10 стр., 4853 слов

Полупроводниковый инжекционный лазер для применения в лазерной арфе

... резонатора; 3-система накачки; 4-отражающие покрытия. Работа лазера базируется на выполнении трех необходимых и достаточных условий: резонатор накачка лазерный генерация 1.Наличие лазерной активной среды, то есть среды, обладающей способностью усиления оптического излучения ...

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.

Пропущенное частично отражающим зеркалом лазерное излучение выходит за пределы резонатора во внешнее пространство в виде светового пучка с высокой степенью направленности, что обусловлено тем, что в активной среде усиливается в основном излучение, направление распространения которого совпадает с осью резонатора (рис. 2).

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.

9 стр., 4397 слов

Современные твердотельные лазеры

... прозрачными для лазерного излучения. Излучение более чувствительно к неровной поверхности материала, поэтому часто станки на основе твердотельного лазера комплектуются небольшими столами. Твердотельные лазеры на основе ... (Силикатные стёкла), ~1,054 мкм (Фосфатные стёкла) Импульсная лампа, Лазерные диоды Лазеры сверхвысокой мощности (тераватты) и энергии (мегаджоули). Обычно работают в нелинейном ...

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.

22 стр., 10899 слов

Лазеры и их применение в медицине (3)

... излучения в пространстве и во времени, высокая монохроматичность, узкая направленность пучка излучения, огромная концентрация потока мощности и способность фокусироваться в очень малые объемы. Лазеры ... 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, ...

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 С02-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 см3. Поверхностная коагуляция тканей достигается воздействием на нее расфокусированным лазерным излучением при объемных плотностях порядка нескольких сотен ватт на 1 см3.

При мощности лазерного излучения 20 Вт, диаметре сфокусированного пучка лазерного излучения 1 мм (поверхностная плотность мощности 2,5 кВт/см2) и глубине проникновения излучения 50 мкм объемная плотность мощности лазерного излучения, идущая на нагрев биоткани, достигает 500 кВт/см3. 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 С02-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.

7 стр., 3253 слов

Лазерная хирургия

... волны излучения и режим работы очень сильно влияют на требования по выходной мощности хирургического лазера. В лазерной хирургии применяются достаточно мощные лазеры, работающие в непрерывном или импульсном режиме, которые способны сильно нагревать биоткань, ...

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/см2. 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.

12 стр., 5659 слов

Лазерное излучение

... лазерного излучения на сетчатке в том случае, если известны расстояние до источника и линейный размер источника излучения. Прогнозируя возможность опасности лазерного облучения, необходимо учитывать: тип лазера и опасность, ... рассеивается, и хрусталик, фокусирующий излучение на сетчатке, усиливает эффект биологического воздействия. Все это заставляет при работе с лазерами особое внимание обращать на ...

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.