59. Приложение на лазерите в медицината.

59.1. Лазерно лъчение.

ЛАЗЕР е съкращение от английския израз Light Amplification by Simulated Emission of Radiation - усилване на светлина чрез стимулирано излъчване на лъчение. В основата на действието на лазерите лежи принципът на принуденото излъчване.

Излъчването и поглъщането на светлина става при преход на електрон от едно енергетично ниво на друго. Айнщайн през 1918 г. установява, че излъчването на една квантова система е два вида – спонтанно и принудено. Принуденото или стимулираното излъчване става под действие на външно лъчение с такава честота ν, че енергияна на кванта hν да е точно равна на разликата между енергиите на двете нива, между които става прехода. Принуденото лъчение има посока, честота и фаза и поляризация, които съвпадат с тези на външното лъчение, което предизвиква прехода.

При термодинамично равновесие броят на атомите в състояния с по-ниска енергия е по-голям от тези в по-високоенергетични състояния. За да се получи усилване на светлината, трябва да се обърне населеността на енергетичните нива, т.е. в състояние с по-висока енергия да се намират по-голям брой атоми. Това се нарича инверсна населеност. За получаване на инверсна населеност се използват системи три или четири нива, едно от което е метастабилно.

Нека имаме система от 3 нива Е₀, Е₁ и Е₂, като нивото Е₁ е метастабилно (Фиг. 59.1).

Фиг. 59. 1.

Чрез облъчване на системата с фотони с енергия  hν₁=Е₂-Е₀ атомите от основно състояние преминават във възбудено състояние Е₂. От състояние Е₂ те бързо преминават в състояние с енергия Е₁, което е метастабилно, т.е. състояние с голямо време на живот. Облъчването на системата с фотони с енергия hν₁ може да продължи до тогава, докато населеността на нивото Е₁ стане по-голямо от населеността на нивото Е_0. Ако след това върху системата се насочи поток от фотони с енергия hν₃=Е₁-Е₀, то принуденото излъчване на фотони със същата енергия ще превиши тяхното поглъщане и фотонният сноп ще бъде усилен.

Лазерът е изграден от три основни компонента: активна среда, външен източник на енергия, наречен източник на напомпване (може да е светлина от газоразрядна лампа, електрически разряд, дори топлина) и резонатор (в най-простият си вид той се състои от две огледала, едното от които има коефициент на отражение близък до 100%, а другото полупропускливо с коефициент на отражение по-малък от 100% (фиг. 59.2). Активната среда е система, в която може да се получи инверсна населеност в резултат на действието на съответния източник на напомпване. Резонаторът е третата основна част на лазерния генератор. Той осигурява многократно преминаване на лъча през активната среда и съответно многократно усилване.

Фиг. 59.2.

Първоначално принципът на стимулираното излъчване е приложен за микровълновата област на ЕМ спектъра. Така се е появил мазерът (maser — microwave amplification by stimulated emision of radiation) който излъчва сноп от микровълни. По-късно, когато принципът на действие е разширен и приложен за електромагнитни вълни в оптичният диапазон се появява и първият лазер (laser) през 1960 г. Той е бил рубинов лазер с оптично напомпване. Първият лазер в България е пуснат четири години по-късно - през 1964 г. Той също е бил рубинов. След това са конструирани най-различни разновидности на лазери с различна мощности и дължини на вълните в целият оптичен диапазон - от ултравиолетовата област (ексимерни лазери и азотни лазери), през видимата (аргонови и хелий - неонови лазери) до инфрачервената област (Nd;YAG лазери и лазери с въглероден оксид и въглероден диоксид). С развитието на полупроводниковата технология се появиха и полупроводникови лазери, които са много използвани в момента за оптично напомпване на други твърдотелни активни среди (използват се вместо лампи).

Лазерите се разделят на видове според:

• вида на активната среда – газови, течни и твърдотелни;
• вида на енергията на напомпване – с оптично напомпване, с електрично напомпване при газов разряд, с енергия от химични реакции и др.;
• енергията на лазерното лъчение – нискоенергийни и високоенергийни;
• продължителността на лазерните импулси – с непрекъснато и импулсно действие;
• спектралната област – с фиксирана или регулируема дължина на вълната.

При твърдотелните лазери активна среда е прозрачен диелектрик или полупроводник. Такъв е например първият конструиран лазер - рубиновия лазер,  който излъчва на дължина на вълната от 684.3 nm. При газовите лазери активната среда е атомен газ, йонизиран газ или молекулен газ. Към лазерите с атомен газ се отнася       He-Ne лазер, He-Cd лазер. Към лазерите с молекулен газ се отнасят лазерите с CO₂ или N_{2 .} Течните лазери са с активна среда разтвор на флуоросцентни бои. 

Лазерното лъчение се отличава от обикновената светлина със следните особености – насоченост, монохроматичност, кохерентност и яркост.

Свойството насоченост се дължи на факта, че активната среда се намира в резонатор, и вълните могат да се разпространяват само в посока, перпендикулярна на равнината на огледалата. Разходимостта на лазерния лъч е много по-малка от тази на обикновения лъч (фиг. 59.3).

Фиг. 59.3.

Лазерното лъчение се характеризира с висока степен на монохроматичност – т.е. излъчването е само на една дължина на вълната.

Свойството кохерентност означава съгласуване на трептения и вълни в пространството и времето.  Вълните са монохроматични и имат една и съща фаза (фиг. 59.4).

Фиг. 59.4.

Яркостта е отношение на интензитета на лъчението към площта, от която се излъчва. Яркостта на лазерното лъчение е много по-голямо от тази на лъчението от обикновените източници поради тясната му насоченост и голямата мощност.

59.2. Въздействие на лазерното лъчение върху биологични тъкани. Медицински приложения.

Основните механизми на въздействие на лазерното лъчение върху биологични тъкани са свързани със селективното поглъщане на лъчението от различни молекули и последващите ефекти – фотохимични реакции, отделяне на топлина, фотоаблация и др. Какъв процес ще се осъществи зависи от енергията на лъчението и продължителността на облъчването.

Разликата в спектралния коефициент на поглъщане на различни молекули позволява да се получи селективно въздействие върху различни компоненти на облъчваната тъкан.

Биостимулацията и фотохимичните ефекти се получават при малка мощност на лъчението и по-продължително време на облъчването (Δt>1s). Лазери с малка мощност се използват във физиотерапията за биостимулация за стимулиране на тъканната регенерация и за акупунктура. Прякото въздействие на лазерно лъчение в червената област от спектъра се използват за ускоряване на метаболизма, ускоряване на епителизацията, намаляване на отока при възпалителни процеси и др. Лазерната акупунктура има някои предимства пред класическото използване на игли поради стерилността, липсата на болка, възможността за избор на дълбочината на проникване в тъканите.

Фотолуминесцентната диагностика и Фотодинамичната терапия

Фотолуминесцентната диагностика (ФД) и Фотодинамичната терапия (ФДТ) са принципиално нови методи за откриване и лечение на злокачествени заболявания. Те са основани върху способността на някои фоточуствителни вещества, наречени фотосенсибилизатори (ФС) да се натрупват селективно в туморните тъкани. При локално въздействие с лазерно или светлинно лъчение с определена дължина на вълната протичат два процеса.

1. Областта, съдържаща ФС излъчва специфична светлина (флуоресценция), която значително се различава от светенето на нормалната, здрава тъкан и може да бъде използвана за прецизно определяне на границите и разпространението на патологичния процес. Фотолуминесцентната диагностика е най-перспективна за детекция на тумори, локализирани в повърхностните слоеве на тъканите, като чуствителността й е значително по-висока от тази на другите съвременни диагностични методи. Тя може да бъде прилагана както за кожни тумори, така и за всички органи, които подлежат на ендоскопско наблюдение.
2. Енергията на погълнатите от ФС светлинни кванти се предава на кислородните молекули, съдържащи се в туморната клетка и води до образуване на техни активни форми, които имат цитотоксично действие, т.нар. фотодинамичен ефект. Фотодинамичната терапия е първия селективен антираков клиничен метод, който позволява унищожаване на туморните клетки, без да се засягат съседните здрави клетки, несъдържащи фотосенсибилизатор.

Понастоящем в световната практика се използват няколко различни вида фотосенсибилизатори с висока терапевтична активност и много добри резултати в лечението на почти всички видове рак. Един от малкото недостатъци на ФС от първо и второ поколение е сравнително ниската им флуоресцентна контрастност и забавеното извеждане от организма, което е причина за продължителна фоточуствителност на цялото тяло за период от 1-2 месеца.

Фотодинамичната терапия (ФДТ) се явява относително безвреден метод, който може да се прилага както самостоятелно, така и едновременно с традиционните методи за онколечение - хирургия, лъче- и химиотерапия. Най-висок ефект прилагането на ФДТ показва при ранен стадий на развитие на болестта, като се избягва хирургичната намеса. Тенденцията е ФДТ да се превърне в един от основните методи за лечение на туморите, тъй като тя влияе и на радио- и химиорезистентни форми на рак.

Топлинни ефекти в резултат на облъчване с лазерно лъчение

Топлинните ефекти се дължат на превръщането на енергията на фотоните в топлина и са по-слаби при по-големи дължини на вълните. При ниска мощност фототермичното действие се изразява в коагулация в резултат на термична денатурация на белтъците. При висока мощност може да се получи овъгляване, изгаряне или изпаряване на тъканите. На фотокоагулацията се основава използването на лазерите за рязане “лазерен скалпел”, или съединяване на тъкани “заваряване” в оперативната хирургия. С лазерен лъч най-лесно се разрязват органи с обилно кръвоснабдяване, например черен дроб и слезка. Лазерен фотокоагулатор се използва за залепване на ретината в офталмологията.

Фотоаблация

Фотоаблация е отстраняване на материя чрез облъчване със светлина. Аблацията е по-бърза при по-къси импулси и при по-голяма честота на повторение на импулсите. Лазерните импулси трябва да имат енергия, достатъчна да разкъсат междумолекулните връзки в биологичните тъкани и да предизвикат фотохимични реакции. Лазерната аблация чрез изпарение е най-ефективна при биологични тъкани с високо съдържание на вода. Дълбочината на аблация от един импулс може да бъде зададена предварително и повърхността може да бъде обработвана до желана дълбочина и форма. Този вид аблация се прилага широко в офталмологията за хирургична корекция на кривината на роговицата (фиг. 59.5) при късогледство, далекогледство и астигматизъм (Lasik).

   

Фиг. 59.5. Принцип на лазерна корекция на късогледство.

Локалната аблация на сърдечна тъкан чрез къси импулси от мощен лазер се прилага в сърдечната хирургия за пробиване на тънки каналчета в увредената област на миокарда, през които се възстановява нарушено кръвоснабдяване.

Ендоскопско разбиване на камъни в бъбреците и уретера

Ендоскопското разбиване на камъни с лазер става възможно благодарение на миниатюризирането и усъвършенстването на оптичните влакна, което позволява преминаването им през работния канал на уретероскопа и пренасянето на лъзерния лъч до всяка част на отделителната система. Съвременните оптични влакна, които се използват за ендоскопска интракорпорална литотрипсия са с дебелина около 200-400μm.

Когато интензивен лазерният лъч влезе в контакт с повърхността на камъка, се създава плазмен или парен балон (в зависимост от типа на използвания лазер). Този балон нараства изключително бързо, като по този начин действа механичен удар, който в раздробява конкремента. Камъкът се разбива на малки фрагменти, приличащи понякога на прах, което в последствие позволява елиминацията им (фиг. 59.6).

Фиг. 59.6. Механизъм на действие на лазера при разбиване на камъни.

Двата основни типа съвременни лазери, които са подходящи и се използват в урологията за разбиване на камъни са Neodym: YAG (Nd: YAG) и Holmium:YAG (Ho: YAG). Neodym:YAG (yttrium-aluminum-garnet) лазер излъчва при дължина на вълната 1060 nm в постоянен или пулсиращ режим. Тъй като тази дължина на вълната не се абсорбира от хемоглобина и водата, лъча има прониквателна способност в тъканите до 10 mm. Holmium:YAG лазерът излъчва на 2150 nm. Механизъма на действие за дезинтегриране на конкремета е термомеханичен. На върха на сондата, енергията на лъча се абсорбира от водата, която се загрява и се създава парен балон, който бързо нараства и разрушава всички видове камъни, включително и цистиновите. Освен това, тъй като тази дължина на вълната се абсорбира от водата и хемоглобина, този лазер има изключително малка проникваща способност от 0,5 mm, което го прави значително по-безопасен за околните тъкани.

http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=PR747B-baxQ

Приложение на лазерите в пластичната хирургия

Лазерът навлиза все по-дълбоко в сферата на медицината, а в частност и на пластичната хирургия. Телеангиектазиите могат да бъдат третирани с лазер, чиито спектър на абсорбция е равен на този на хемоглобина. С помощта на конверсията на фототермичната енергия капилярите се коагулират, а това подобрява външния вид на лезията. Татуировки също могат да бъдат премахнати с помощта на лазер, който разбива частиците на туша на малки фрагменти. Тези фрагменти са достатъчно малки, за да ги погълнат макрофагите. Премахването на най-горния слой на дермата стимулира регенерацията на колагена, еластина и епидермиса. Лазерният пилинг може да премахне също и повърхностни дефекти като: старчески петна, разширени капиляри и кератози. С метода на пилинга се третират също и повърхностни бръчки, лунички и други повърхностни дефекти в следствие на въздействието на слънчевите лъчи. С лазер, с дължина на вълната равна на тази на меланина, могат да се разрушават меланофорите, които са основните виновници за кафявите лезии. Този тип лазери действат добре само при повърхностни пигментации. Лазери се използват и за депилация.