Физика лазерного излучения. Влияние лазера на организм

Видимый свет является электромагнитным излучением как радиоволны, рентгеновское излучение и у-лучи. Эти разные классы электромагнитного излучения представляют собой одно и то же явление, возникающее в различном диапазоне длин волн. В 1864 г. Максвелл доказал, что свет является электромагнитной волной с комбинированными электрическими и магнитными колебаниями, которые распространяются со скоростью 299 792 458 м/с.

Энергетическая разница между электронными орбиталями специфична для различных атомов и обуславливает неповторимый, как отпечаток пальца, эмиссионный спектр, что применяется в химической идентификации. В нормальных условиях термодинамического равновесия большая часть электронов вещества находится на орбиталях с наименьшим из возможных уровнем энергии. В норме гораздо более вероятно вовлечение электрона в спонтанную, а не стимулированную эмиссию. Ключом к созданию лазера послужило достижение популяционной инверсии, при которой большинство электронов выталкивается на высокие орбитали в ожидании воздействия фотона и начала цепной реакции стимулированной эмиссии. В 1958 г. была открыта технология накачки электронов для достижения стимулированной эмиссии. Метод состоял в размещении активной среды лазера между параллельными зеркалами таким образом, чтобы фотоны с частотой колебаний, соответствующей частоте лазера, могли неоднократно проходить через вещество и увеличивать количество.

То, что мы воспринимаем как цвет, является свойством длины волны видимого света, варьирующей в пределах 385-760 нм. Волны с меньшей длиной относятся к ультрафиолетовому спектру, с большей длиной – к инфракрасному. Эйнштейн также доказал, что фотоэлектрический эффект не зависит от количества имеющихся фотонов и возникает даже при ударе одного фотона о поверхность металла в единицу времени. Ключевое значение имеет частота: только фотоны с достаточной энергией могут обеспечить достаточное количество энергии, необходимой для стимуляции электронной эмиссии. Фотоны с меньшей энергией, даже при их большом потоке в единицу времени, не способны вызывать данный эффект. Эти открытия способствовали созданию лазера.

Ряд дополнительных аспектов квантовой физики способствует более глубокому пониманию источника происхождения и природы лазерного света. Электроны, вращающиеся вокруг ядра атома, «закреплены» за рядом специфических орбитальных положений и радиусов. Каждая орбиталь связана с определенным уровнем энергии. Единственным способом перемещения электрона с одной орбитали на другую, имеющую большую или меньшую энергию, является поглощение или выделение определенного количества энергии, строго соответствующего разнице энергий между этими орбиталями. Процесс, при котором энергия фотона поглощается электроном, приводя к его перемещению на орбиталь с большей энергией, называется стимулированной абсорбцией. Обратный процесс, при котором электрон перемещается на орбиталь с меньшей энергией, испуская фотон, несущий избыток энергии, называется спонтанной эмиссией. В 1917 г. Эйнштейн предсказал возможность возникновения стимулированной эмиссии, стимулированных эмиссий. Когда одно из зеркал полупрозрачно, пучок лазерного излучения в конечном счете проходит через зеркало.

Свет лазера отличается от обычного света по трем параметрам. Во-первых, он высоко монохромен. Он состоит из фотонов, имеющих строго определенный, очень узкий диапазон отклонений по длине волны, тогда как обычный свет представлен широким спектром волн различной длины. Во-вторых, лазерный свет когерентен, это свойство подразумевает, что электромагнитные поля всех фотонов в лазерном луче колеблются синхронно. Фазы электромагнитных полей обычного света случайны даже при одинаковых длинах волн. В-третьих, прямые лучи лазера коллимированы. Свет остается в узком коллимированном пучке, тогда как лучи обычного света рассеиваются от источника света во всех направлениях. Эти три характеристики позволяют лазерам генерировать чрезвычайно мощные световые лучи, эффективно и точно направлять такие лучи через линзы и доставлять энергию высокой мощности к малым по площади целям.

Техническое обеспечение лазерной системы

Основные компоненты лазерной системы включают вещество лазера, содержащее атомы, чьи электроны создают лазерный свет, резонирующие зеркала, усиливающие производительность лазера, и источник энергии, необходимый для возбуждения или накачки атомов вещества лазера для выработки лазерного света. В различных типах лазеров, применяемых в клинической практике, используются различные лазерные среды и генератор энергии. В некоторых применяемых в клинической практике лазерах используется газовая среда, такая как углекислый газ, аргон, криптон или гелий-неон, а накачка атомов осуществляется электрическим разрядом, проходящим через газ. Газовые лазеры могут продуцировать непрерывное излучение либо периодические пульсовые пучки. В других лазерах применяются твердые стержни из лазер-инертного материала, содержащего небольшое количество ионных включений, известных как допанты, которые являются истинным лазерным веществом. Допанты, обычно применяемые из-за их способности продуцировать лазерное излучение, включают хром, неодим и гольмий. Синтетический драгоценный кристалл, известный как иттрий-алюминиевый гранат, часто применяется в качестве пассивной матрицы, также используется и стекло. Накачка твердотельных лазеров обычно осуществляется фотонами высоких энергий, испускаемыми ксеноновыми лампами-вспышками, такие лазеры продуцируют импульсные пучки. Также изготавливаются лазеры на основе красителей в жидких средах и на основе полупроводников, но данные технологии пока только внедряются в хирургическую практику для их дальнейшего значительного развития.

Так как лазеры не способны преобразовывать электричество в свет, им необходим мощный источник энергии. Лазеру с мощностью излучения на выходе в 10 Вт необходим переменный ток мощностью более 1000 Вт, поэтому некоторые лазерные системы могут потребовать специальной электропроводки для высокой нагрузки. Эта электрическая энергия преобразовывается в очень высокое напряжение для обеспечения газового разряда в ксеноновой лампе-вспышке. Многие лазерные системы также требуют проточной воды для охлаждения. Некоторые энергетические блоки содержат немедицинские сжатые газы в качестве лазерной среды или охлаждающего агента.

Удвоители частоты преобразуют длину волны лазерного излучения, расширяя спектр медицинского применения лазеров. Лазерный пучок, прошедший сквозь кристалл калий-титанил-фосфата, на выходе представляет собой смешение света с исходной длиной волны и света с длиной волны в два раза меньше исходной. В медицинских лазерах КТР наиболее часто применяется с Nd:YAG-лазерами. Существуют истинные «настраиваемые» лазеры, или лазеры с регулируемой частотой, но они до сих пор представляют собой низкоэнергетические устройства. Световод направляет лазерный пучок к хирургическому полю. Фиброоптические волокна представляют собой удобное, гибкое средство проведения волн видимого и околоинфракрасного спектра. Волны, выходящие за пределы этого спектра, такие как волны дальнего инфракрасного спектра, продуцируемые углекислотным лазером, требуют шарнирного рукава, имеющего зеркала с наружным отражающим покрытием в каждом из сочленений, либо недавно разработанных экзотических материалов, включенных в фиброоптические волокна. После того как лазерный луч подведен близко к хирургическому полю, он фокусируется линзой операционного микроскопа, либо конфигурация луча намеренно изменяется посредством его прохождения через контактный зонд, воздействующий непосредственно на ткань, подвергающуюся абляции.

Операционный микроскоп точно направляет лазерный луч посредством видимого направляющего луча низкой мощности, имеющего такую же оптическую ось, что и хирургический лазерный луч. Некоторые хирургические лазеры могут фокусировать пучок в точку размером около 30 мкм, создавая луч очень высокой энергетической плотности.

При хирургических процедурах, не требующих дистанционных методик воздействия, существуют специальные термостойкие инструменты прямого контакта. Они могут быть сменными, и их форма может быть разработана с учетом потребностей выполнения тонких разрезов или диффузной коагуляции. Однако эти зонды требуют активного охлаждения сжатым газом или струей жидкости. Эта особенность вносит значительный вклад в обусловленные использованием лазера заболеваемость и смертность. Механизм действия контактного зонда, вероятно, заключается в сочетании перехода большей части энергии лазера в сапфире в тепловую энергию и передаче около 20% энергии околоинфракрасного излучения окружающим тканям.

Клиническое применение

Лазеры, применяемые в качестве скальпелей и электрокоагуляторов, обладают рядом уникальных преимуществ. Лазеры позволяют выполнять высокоточные микрохирургические вмешательства даже в ограниченных или труднодоступных участках. Двумя примерами вмешательств с использованием способности лазерной системы эффективно достигать отдаленных участков тела являются чрескожная дискэктомия и эндоваскулярная ангиопластика. Способность фокусировать лазерные пучки на небольшом участке приводит к чрезвычайно высокой концентрации мощности или энергии на единицу площади. Лазерный пучок с исходной мощностью 10 Вт и площадью 1 см² после фокусировки на участке-мишени площадью 0,001 см² обладает плотностью энергии 10000 Вт/см. Эта плотность энергии передает около 2500 ккал/с участку-мишени, продуцируя тепловую энергию со скоростью в несколько тысяч градусов в секунду, что зависит от объема поглощения энергии. Такое нагревание обеспечивает точную и быструю вапоризацию тканей и большинства других материалов. Даже металлы и керамика подвержены действию высокоэнергетических лазеров. Лазеры не увеличивают энергию отдельно взятых фотонов, они концентрируют большее количество фотонов в заданном месте и времени в сравнении с другими источниками света. Лазерная хирургия является относительно «сухой», обеспечивая практически мгновенное «заваривание» мелких кровеносных и лимфатических сосудов, даже при наличии нарушений свертываемости крови. Однако ранние утверждения о более быстром, чем в норме, заживлении и меньшей частоте инфицирования убедительно не подтвердились.

Биологические эффекты лазерного света

Живая ткань представляет собой комплекс водных растворов, содержащих различные молекулы, которые поглощают свет. Когда атом взаимодействует с фотоном, чья энергия не соответствует в полной мере энергии, необходимой для перемещения электрона, его энергия может быть трансформирована в энергию атомных колебаний, которую мы определяем как тепло. Степень, с которой свет с определенной длиной волны поглощается и трансформируется в тепло в тканях-мишенях, определяет его воздействие на эту ткань.

Инфракрасные лучи длинного спектра более эффективно абсорбируются водой - основным составляющим компонентом ткани. Длинноволновой лазерный свет, например от СО₂-лазера, полностью поглощается водой в первых нескольких клеточных слоях. При фокусировании мощных пучков СО₂-лазера это приводит к взрывной вапоризации поверхностных тканей-мишеней с минимальным повреждением ниже лежащих клеток. Эксимерные лазеры обладают высокоточным эффектом, так как продуцируют ультрафиолетовый свет, который поглощается более интенсивно водой и другими молекулами. Такие лазеры представляют наибольшую ценность для амбулаторной хирургической коррекции зрения. Околоинфракрасный свет Nd:YAG-лазера с длиной волны 1064 нм в меньшей степени поглощается водой, и пучок проникает на глубину нескольких миллиметров, рассеиваясь в объеме тканей, в 100-1000 раз превышающем объем, в котором рассеивается пучок СО₂-лазера. Следовательно, энергия пучка Nd:YAG-лазера рассеивается более широко, приводя к меньшей вапоризации и более выраженной термической коагуляции. Некоторые из эффектов такой массивной коагуляции могут быть не заметны в течение нескольких часов и даже дней после воздействия.

Энергия гольмиевых и Nd:YAG-лазеров, доставляемая с помощью фиброоптических волокон, начала замещать традиционные электродиссекторы в трансуретральной резекции простаты. Влияние этой новой технологии на анестезию заключается в снижении частоты развития ТУРП-синдрома, так как в данном случае возможно использование физиологического раствора в качестве промывного. Ряд авторов рекомендует применять местную анестезию в сочетании с контролируемой пальпаторно трансперинеальной блокадой простаты вместо более традиционного субарахноидального блока. Другим бурно развивающимся в последнее время направлением использования фиброоптических Nd:YAG-лазеров является амбулаторная резекция папиллом и дисплазий гортани с применением только местной анестезии. Другим применением лазеров в амбулаторной хирургии дыхательных путей является лазерная увулопалатопластика, которая, по крайней мере, умеренно эффективна в устранении симптомов обструктивного сонного апноэ. Отсутствие эндотрахеальной трубки при проведении таких амбулаторных вмешательств уменьшает вероятность возгорания дыхательных путей, однако сохраняется риск воспламенения хирургических салфеток.

Красный свет, продуцируемый рубиновым лазером, слабо абсорбируется тканями за исключением клеток, содержащих темный пигмент. Зеленый и синий свет, вырабатываемый аргоновым и криптоновым газовыми лазерами, проходит через водную среду, но интенсивно поглощается гемоглобином, что обеспечивает его способность проходить через кожу или структуры глаза и селективно коагулировать сосудистые или пигментные зоны. Хотя лазеры, продуцирующие инфракрасные и видимые лучи, обладают исключительно термическим эффектом на ткани, фотоны, испускаемые ультрафиолетовыми эксимерными лазерами, обладают энергией, достаточной для прямого разрыва химических связей и ионизации, что может приводить к развитию мутаций и канцерогенезу.

Несмотря на высокую энергию фотонов, свет эксимерных лазеров очень интенсивно абсорбируется и поддается предельно точной фокусировке, обеспечивая высоко точную контролируемую вапоризацию и коагуляцию, необходимую при фоторефрактивных хирургических вмешательствах на роговице. Фоторефрактивная кератотомия, а в последнее время и лазерный кератомилез in situ в последнее время широко применяются в амбулаторных центрах с использованием только местной анестезии, например пропаракаином или оксибупрокаином. Иногда лазерная кератопластика требуется также и детям с тяжелой патологией рефракции, что делает необходимым выполнение общей анестезии. В 2001 г. было обнаружено, что закись азота при утечке через лицевую маску поглощает луч аргон-фторидного лазера длиной 193 нм в достаточной степени, чтобы сделать неэффективной фоторефракционную коррекцию.

Многие годы утверждалось, что лазерное излучение низких энергий ускоряет заживление ран в результате гипотетической стимуляции иммунной функции и пролиферации фибробластов. Критический анализ соответствующей литературы, проведенный Агентством по здравоохранению и качеству исследований, выявил лишь незначительные доказательства клинической эффективности. Также исследовали лазерное излучение в отношении стимуляции аналгезии кожи либо на болезненных участках кожи, либо в установленных точках акупунктуры. В лучшем случае доказательства эффективности неоднозначны.

Другим способом применения лазерного излучения является использование пучков эбрий Nd:YAG- лазера для преодоления кожного барьера диффузии и усиления доставки местно нанесенных лекарственных средств. Singer и колл. показали, что одиночный импульс портативного лазера с последующей аппликацией на 5 мин 4% крема лидокаина на две трети эффективнее снижал болевые ощущения, связанные с постановкой внутривенного катетера, по сравнению с мнимым воздействием лазера в сочетании с той же экспозицией крема с лидокаином.

Управление по контролю за продуктами питания и лекарствами США контролирует производство и продажу лазерного медицинского оборудования. Не существует, однако, обязательных федеральных профилактических мероприятий по безопасности или нормативных документов, контролирующих клиническое применение лазеров. Учреждения, применяющие лазеры в клинической практике, должны быть подписаны на стандарты, публикуемые в Американских национальных стандартах по безопасному использованию лазеров в здравоохранении, изданные Американским институтом национальных стандартов. Документация ANSI Z133-1988 доступна в самом ANSI либо в Американском институте лазеров. Эти стандарты отражают согласованное мнение правительства, производителей и профессионалов по поводу методов, применяемых для выявления и контроля рисков использования лазеров, определения и стандартизации проведения инструктажа, а также оценки и обеспечения безопасности. FDA также предлагает установить нормативы, которые были бы адаптированы и модифицированы по некоторым положениям. Предложенные ANSI и FDA рекомендации по безопасности необходимо соблюдать по возможности в максимально полном объеме.

Хотя в результате хирургического применения лазеров наиболее высокий риск повреждений отмечается у пациентов, встречаются и поражения медицинского персонала. Управление охраны труда и защиты здоровья работников уполномочено осуществлять вмешательство в случаях, когда медицинское применение лазеров угрожает здоровью персонала. Сведения об истинной частоте лазерных повреждений ограничены. Производители просят сообщать о необычных инцидентах или случаях повреждений, как только о них стало известно. До недавнего времени клинические сообщения были добровольными, за исключением случаев, когда осложнения применения лазера возникали в процессе предпродажного тестирования. Принятый в 1990 г. Акт Конгресса о безопасности медицинских устройств требует от клиницистов сообщать обо всех серьезных повреждениях и предоставлять более подробные данные о распространенности таких повреждений.