Новые технологии применения лазера в медицине. ФДТ и другие методы лечения. В лазерной хирургии

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.

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

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

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

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

Лечение кожи и глаз

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Прибыльная косметическая хирургия

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

Визуализация и диагностика

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

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

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

Голубой в медицине нашел применение в флюоресцентной диагностике.

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

ОКТ для глаз и не только

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

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

Микроскопия живых организмов

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

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

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

ФДТ и другие методы лечения

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

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

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

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

Персонализированное лечение

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

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

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

Леон Голдман - родоначальник лазерной медицины

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

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

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

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

Миниатюризация

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

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

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

Другие применения

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

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

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

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

Лазерный пинцет

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

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

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

Лазер в медицине: плюсы и минусы

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

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

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

Наномедицина

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

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

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

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

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

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

История применения лазеров в медицине

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

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

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

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

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

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

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

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

Дополнительная информация:

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

Применение лазеров в медицине принципиально отличается от других многочисленных областей технологических применения лазеров. Лазерные медицинские технологии отличаются гуманистической направленностью. Если проблема здоровья стоит достаточно остро для самого человека или его близкого, то проблемы медицины становятся неизмеримо важнее любых других проблем.

Лазерные медицинские технологии отличаются многоплановостью, комплексностью, разнообразием. Лазерная медицина включает воздействие лазерного излучения на различные части тела: кожа, кости, мышцы, жировые ткани, сухожилия, внутренние органы, глаза, зубные ткани и т. п. При этом каждая из них в свою очередь имеет сложное строение. Так в зубе можно отдельно рассматривать эмаль, дентин, пульпу. В коже - роговой слой, эпидермис, дерму. Все эти ткани имеют свои свойства, как оптические (спектральные характеристики, коэффициент отражения, глубина проникновения излучения), так и теплофизические (теплопроводность, температуропроводность, теплоемкость), отличные от свойств других биотканей. Поэтому различается и характер воздействия на них лазерного излучения. Соответственно, в каждом случае необходимо выбирать индивидуальные параметры режима облучения: длину волны, длительность воздействия, мощность, частоту следования импульсов и т.п. Сильное различие свойств биотканей делает возможным специфические воздействия, например, чрескожное воздействие на патологические ткани (облучение подкожных тканей без существенного повреждения кожи).

Каждая ткань в силу своей биологической природы неоднородна, имеет сложную микроструктуру. В состав мягких тканей входит значительное количество воды. В состав костей входят различные минералы. Следствием этого является тот факт, что воздействие излучения на ткани, в особенности разрушающее, хирургическое, для разных тканей и длин волн излучения различается не только количественно, но и качественно. Это означает, что существует несколько совершенно различных механизмов удаления биологических тканей: тепловой и низкоэнергетический коагуляционный с последующей резорбцией, взрывные механизмы, «холодная» абляция.

Интересно, что для осуществления терапевтического воздействия на определенную часть тела лазерное воздействие может быть направлено совсем на другой объект. Здесь показательным является лазерная терапия, когда облучение крови, особых точек или проекций органов на коже человека (зоны Захарьина - Геда), стопе или ладони, области позвоночника оказывает воздействие на внутренние органы, весьма удаленные от области воздействия, и на весь организм в целом.

Кроме того, поскольку организм представляет собой единое целое, результат воздействия продолжается очень долго после его окончания. После лазерной операции реакция организма продолжается в течение дней, недель и даже месяцев.

Такая сложность и комплексность лазерной медицины делает ее очень интересной для исследования и разработки новых технологий.

Почему лазерное излучение нашло такое широкое применение в медицине? Основными особенностями лазерного излучения в применении к лазерной медицине являются:

• -направленность, монохроматичность, когерентность, определяющие возможность локализации энергии,
• - широкий спектральный диапазон существующих лазеров (это особенно важно в том случае, когда поглощение носит резонансный характер),
• - возможность в широких пределах управлять длительностью воздействия (существующие лазеры обеспечивают длительность воздействия от фемтосекундного диапазона до непрерывного воздействия),
• - возможность плавного изменения в широких пределах интенсивности воздействия,
• - возможность изменения частотных характеристик воздействия,
• - широкие возможности оптического управления процессами, в том числе, возможность организации обратной связи,
• - широкий спектр механизмов воздействия: тепловой, фотохимический, сугубо биофизический, химический,
• - простота доставки излучения,
• - возможность бесконтактного воздействия, что обеспечивает стерильность,
• - возможность проведения бескровных операций, связанная с тепловым и, следовательно, коагуляционным действием излучения.

Таким образом, лазер представляется исключительно точным, универсальным и удобным в использовании инструментом и имеет большой потенциал для медицинских применений в будущем.

Принцип работы лазера

Принципиальную схему работы любого лазерного излучателя можно представить следующим образом (рис. 1).

Рис. 1.

В структуру каждого из них входит цилиндрический стержень с рабочим веществом, на торцах которого расположены зеркала, одно из которых обладает небольшой проницаемостью. В непосредственной близости от цилиндра с рабочим веществом расположена лампа-вспышка, которая может быть параллельна стержню или змеевидно окружать его. Известно, что в нагретых телах, например в лампе накаливания, происходит спонтанное излучение, при котором каждый атом вещества излучает по-своему, и, таким образом, имеются хаотически направленные друг относительно друга потоки световых волн. В лазерном излучателе используется так называемое вынужденное излучение, которое отличается от спонтанного и возникает при атаке возбужденного атома квантом света. Испускаемый при этом фотон по всем электромагнитным характеристикам абсолютно идентичен первичному, атаковавшему возбужденный атом. В результате появляются уже два фотона, обладающие одинаковой длиной волны, частотой, амплитудой, направлением распространения и поляризации. Легко представить, что в активной среде происходит процесс лавинообразного нарастания числа фотонов, по всем параметрам копирующих первичный "затравочный" фотон, и формирующих однонаправленный световой поток. В качестве такой активной среды в лазерном излучателе выступает рабочее вещество, а возбуждение его атомов (накачка лазера) происходит за счет энергии лампы-вспышки. Потоки фотонов, направление распространения которых перпендикулярно плоскости зеркал, отражаясь от их поверхности, многократно проходят сквозь рабочее вещество туда и обратно, вызывая все новые и новые цепные лавинообразные реакции. Поскольку одно из зеркал обладает частичной проницаемостью, часть образующихся фотонов выходит в форме видимого лазерного луча.

Таким образом, отличительной особенностью лазерного излучения является монохроматичность, когерентность и высокая поляризация электромагнитных волн в световом потоке. Монохроматичность характеризуется наличием в спектре источника фотонов преимущественно одной длины волны, когерентность есть синхронизация во времени и пространстве монохроматичных световых волн. Высокая поляризация - закономерное изменение направления и величины вектора излучения в плоскости, перпендикулярной световому лучу. То есть фотоны в лазерном световом потоке обладают не только постоянством длин волн, частот и амплитуды, но и одинаковым направлением распространения и поляризации. В то время как обычный свет состоит из хаотично разлетающихся разнородных частиц. Для сравнения можно сказать, что между светом, испускаемым лазером, и обычной лампой накаливания такая же разница, как между звуком камертона и шумом улицы.

Применение лазеров в стоматологии

В стоматологии лазерное излучение прочно заняло достаточно обширную нишу. На кафедре ортопедической стоматологии БГМУ проводится работа по изучению возможностей применения лазерного излучения, которая охватывает как физиотерапевтические и хирургические аспекты действия лазера на органы и ткани челюстно-лицевой области, так и вопросы технологического применения лазеров на этапах изготовления и ремонта протезов и аппаратов.