Механизмы действия высокоинтенсивного лазерного излучения на биологические ткани

Одним из крупнейших достижений науки и техники XX века, наряду с другими

открытиями, является создание генераторов индуцированного  электромагнитного

излучения  –  лазеров.  В  основу  их  работы  положено   явление   усиления

электромагнитных  колебаний   при   помощи   вынужденного,   индуцированного

излучения  атомов  и  молекул,  которое  было  предсказано  еще  в  1917  г.

Альбертом Эйнштейном при  изучении  им  равновесия  между  энергией  атомных

систем и их излучением. С  этого  времени,  пожалуй,  и  начинается  история

создания лазеров.

Однако в то время никто не обратил внимания на  принципиальную  ценность

этого явления. Никому не были  известны  способы  получения  индуцированного

излучения и его использования.

В  1940  г.,  анализируя  спектр  газового  разряда,  советский   ученый

В.А. Фабрикант указал, что,  используя  явление  индуцированного  излучения,

можно добиться усиления света. В 1951 г., совместно с учеными Ф.А.  Бутаевой

и М.М. Вудынским, он провел первые опыты в этом направлении.

В 1952 г. ученые трех стран одновременно — в Советском Союзе Н.Г.  Басов

и А.М. Прохоров, в Соединенных Штатах  Америки  Ч.  Таунс,  Дж.  Гордон,  X.

Цайгер  и  в  Канаде  Дж.  Вебер  —  независимо  друг  от  друга  предложили

основанный на использовании явления индуцированного излучения новый  принцип

генерации и усиления сверхвысокочастотных  электромагнитных  колебаний.  Это

позволило  создать  квантовые  генераторы  сантиметрового  и   дециметрового

диапазонов, известные сейчас под названием мазеров, которые  обладали  очень

высокой стабильностью частоты. Использование мазеров в  качестве  усилителей

позволило повысить чувствительность приемной радиоаппаратуры  в  сотни  раз.

Сначала в квантовых генераторах использовались двухуровневые  энергетические

системы и пространственная сортировка молекул с  различными  энергетическими

уровнями в неоднородном электрическом поле. В 1955 г. Н. Г. Басов  и  А.  М.

Прохоров предложили  использовать  для  получения  неравновесного  состояния

частиц   трехуровневые   энергетические   квантовые   системы   и    внешнее

электромагнитное поле для возбуждения.

В 1958 г. была  рассмотрена  возможность  применения  этого  метода  для

создания генераторов оптического диапазона (в СССР — Н.Г. Басов.  Б.М.  Вул,

Ю. М.Попов, А. Н. Прохоров; в США — Ч. Таунс и А. Шавлов).

Опираясь на результаты этих исследований, Т. Мейман (США) в декабре 1960

г. построил первый успешно  работавший  оптический  квантовый  генератор,  в

котором в качестве активного вещества был использован  синтетический  рубин.

С созданием оптического  квантового  генератора  на  рубине  возникло  слово

«лазер». Это слово составлено из первых букв английского  выражения:  «light

amplification by stimulated emission of radiation» (laser), что  в  переводе

означает «усиление света с помощью индуцированного излучения».

Рубиновый лазер работал в импульсном режиме. Его излучение относилось  к

красной  области  видимого  диапазона.  Возбуждение  осуществлялось   мощным

источником света.

Через год, в 1961 г., американские ученые А.  Джаван,  В.  Беннет  и  Д.

Герриотт построили газовый лазер, в котором в  качестве  активного  вещества

применялась смесь  газов  гелия  и  неона.  Возбуждение  активного  вещества

лазера производилось  электромагнитным  полем  высокочастотного  генератора.

Режим работы этого лазера был непрерывным.

В 1962 г. в Советском Союзе и  в  Соединенных  Штатах  Америки  получили

индуцированное излучение в полупроводниковом диоде,  что  означало  создание

полупроводникового   лазера.   Впервые    на    возможность    использования

полупроводников в качестве активного вещества в лазерах указали еще  в  1959

г. советские ученые Н. Г. Басов, Б. М. Вул, Ю. М. Попов. Большая  заслуга  в

создании полупроводникового лазера принадлежит также  американскому  ученому

Р. Холлу.    Полупроводниковый    лазер     возбуждается     непосредственно

электрическим током. Он работает как  в  импульсном,  так  и  в  непрерывном

режиме.

В настоящее время в качестве  рабочих  веществ  в  лазерах  используются

самые различные материалы. Генерация получена более чем  на  ста  веществах:

кристаллах,   активированных   стеклах,   пластмассах,   газах,   жидкостях,

полупроводниках,  плазме.  Рабочим  веществом  могут  служить   органические

соединения,  активированные   ионами   редкоземельных   элементов.   Удалось

получить генерацию с использованием  обычных  паров  воды  и  даже  воздуха.

Создан новый класс газовых лазеров — так называемые ионные лазеры.

Рабочий   диапазон   существующих   оптических   квантовых   генераторов

изменяется  от  ультрафиолетового  излучения  с  длиной  волны  0,3  мкм  до

инфракрасного с длиной волны 300 мкм.

В чем же все-таки главная ценность этих приборов? В том,  что  излучение

лазеров  обладает  рядом  замечательных  свойств.  В   отличие   от   света,

испускаемого обычными источниками, оно когерентно в пространстве и  времени,

монохроматично,  распространяется  очень  узким  пучком  и   характеризуется

чрезвычайно высокой концентрацией  энергии,  которая  еще  недавно  казалась

фантастической.  Это  дает  возможность  ученым  использовать  световой  луч

лазера  в  качестве  тончайшего  инструмента  для   исследований   различных

веществ,  выяснения  особенностей  строения  атомов  и  молекул,   уточнения

природы  их  взаимодействия,  определения  биологической   структуры   живых

клеток.

С помощью луча лазера можно передавать сигналы и поддерживать связь  как

в земных условиях, так и  в  космосе  принципиально  на  любых  расстояниях.

Лазерные линии связи позволяют передавать одновременно  значительно  большее

количество информации по  сравнению  с  традиционными  линиями  связи,  даже

самыми совершенными.  Кроме  того  при  этом  практически  к  нулю  сводятся

внешние помехи.

Развитие современных технологий, многих отраслей промышленности, науки и

техники, медицины сегодня трудно себе представить без применения  лазеров  и

устройств на их основе.

Лазер.

Лазеры обычно называют оптическими квантовыми генераторами. Уже из этого

названия видно, что в основе работы лазеров  лежат  процессы,  подчиняющиеся

законам квантовой механики. Согласно  квантово-механическим  представлениям,

атом, как, впрочем, и другие частицы (молекулы,  ионы  и  др.)  поглощают  и

излучают энергию определёнными порциями – квантами. При обычных  условиях  в

отсутствии каких-либо внешних воздействий атом  находится  в  невозбуждённом

состоянии, соответствующем наиболее  низкому  из  возможных  энергетическому

уровню. В таком состоянии атом не способен излучать энергию. При  поглощении

кванта энергии атом переходит на более высокий  энергетический  уровень,  то

есть возбуждается. Переход атома с одного энергетического уровня  на  другой

происходит дискретно, минуя все промежуточные  состояния.  Время  нахождения

атома в возбуждённом состоянии ограничено и в большинстве случаев  невелико.

Излучая энергию атом переходит снова  в  основное  состояние.  Этот  переход

осуществляется самопроизвольно, в отличие от  процесса  поглощения  квантов,

которое является вынужденным (индуцированным).

Лазеры генерируют излучение в инфракрасной, видимой  и  ультрафиолетовой

областях  спектра,  что  соответствует  диапазону   электромагнитных   волн,

называемому светом.  В  связи  с  этим  наиболее  интересным  представляется

рассмотрение механизма взаимодействия атомов именно с  этой  частью  спектра

электромагнитных излучений. Свет, как известно, имеет двойственную  природу:

с одной  стороны  –  это  волна,  характеризующаяся  определённой  частотой,

амплитудой и фазой колебаний, с другой стороны – поток элементарных  частиц,

называемых  фотонами.  Каждый  фотон  представляет  собой   квант   световой

энергии.  Энергия  фотона  прямо  пропорциональна  частоте  световой  волны,

которая, в свою очередь, определяет цвет светового излучения.

Поглощая фотон, атом переходит с более низкого энергетического уровня на

более высокий. При самопроизвольном переходе на более  низкий  уровень  атом

испускает фотон.  Для  атомов  конкретного  химического  элемента  разрешены

только совершенно определённые переходы между  энергетическими  уровнями.  В

следствие  этого  атомы  поглощают  только  те  фотоны,  энергия  которых  в

точности соответствует  энергии  перехода  атома  с  одного  энергетического

уровня на другой. Визуально это  проявляется  в  существовании  для  каждого

химического  элемента   индивидуальных   спектров   поглощения,   содержащих

определённый набор цветных полос. Фотон, испускаемый атомом при переходе  на

более  низкий   энергетический   уровень,   так   же   обладает   совершенно

определённой    энергией,    соответствующей    разности    энергий    между

энергетическими уровнями. По этой причине атомы способны  излучать  световые

волны только определённых  частот.  Этот  эффект  наглядно  проявляется  при

работе люминесцентных ламп, часто используемых в  уличной  рекламе.  Полость

такой  лампы   заполнена   каким-либо   инертным   газом,   атомы   которого

возбуждаются ультрафиолетовым излучением, которое возникает при  пропускании

электрического  тока  через   специальный   слой,   покрывающий   внутреннюю

поверхность оболочки лампы. Возвращаясь  в  основное  состояние  атомы  газа

дают  свечение  определённого  цвета.  Так,  например,  неон  даёт   красное

свечение, а аргон – зелёное.

Самопроизвольные  (спонтанные)  переходы   атомов   с   более   высокого

энергетического  уровня  на   более   низкий   носят   случайный   характер.

Генерируемое при этом излучение не обладает свойствами лазерного  излучения:

параллельностью световых пучков, когерентностью  (согласованностью  амплитуд

и  фаз  колебаний  во  времени  и  пространстве),  монохромностью   (строгой

одноцветностью).  Однако,  ещё  в  1917  году  Альберт  Эйнштейн  предсказал

существование   наряду   со   спонтанными   переходами   на   более   низкий

энергетический  уровень  индуцированных   переходов.   В   последствии   эта

возможность была реализована в конструкции лазеров. Сущность  этого  явления

состоит  в  том,  что  фотон  светового  потока,  встречая  на  своём   пути

возбуждённый   атом   выбивает   из   него   фотон   с   точно   такими   же

характеристиками. В результате число одинаковых фотонов  удваивается.  Вновь

образовавшийся фотон, в свою очередь, способен генерировать ещё один  фотон,

выбивая его из другого возбуждённого атома. Таким образом, число  одинаковых

фотонов   лавинообразно   нарастает.   Генерируемое   при   этом   излучение

характеризуется высокой степенью  параллельности  пучков  светового  потока,

когерентности и монохромности, так как в нём присутствуют только те  фотоны,

которые обладают одинаковой энергией и направлением движения.

Очевидно, что индуцированное излучение  может  возникать  только  в  тех

системах, где число  возбуждённых  атомов  достаточно  велико.  На  практике

число возбуждённых атомов должно превышать 50%  от  общего  числа  атомов  в

системе. В равновесных системах достижение  этого  условия  невозможно,  так

как число переходов с ниже лежащего  уровня  на  выше  лежащий  равно  числу

обратных переходов. Для получения эффекта индуцированного излучения  систему

необходимо  перевести  в  неравновесное,  а,   следовательно,   неустойчивое

состояние.   Кроме   того   интенсивность   внешнего    светового    потока,

предоставляющего исходные фотоны для начала  процесса  так  же  должна  быть

достаточной. Рассмотрим каким образом реализуются эти требования на  примере

конструкции лазера, построенного с использованием  искусственно  выращенного

кристалла рубина, называемого, обычно, рубиновым лазером.

Лазер состоит из трех основных частей:  активного  (рабочего)  вещества,

резонансной системы, представляющей две параллельные пластины с  нанесенными

на них отражающими покрытиями, и системы возбуждения (накачки),  в  качестве

которой обычно используется ксеноновая лампа-вспышка  с  источником  питания.

Рубин представляет собой окись алюминия, в которой часть атомов алюминия

замещена атомами хрома (Al2O3*Cr2O3) Активным веществом  служат  ионы  хрома

Cr3+.  От  содержания  хрома  в  кристалле  зависит  его   окраска.   Обычно

используется бледно-розовый рубин, содержащий около 0,05%  хрома.  Рубиновый

кристалл  выращивают  в  специальных  печах,  затем   полученную   заготовку

отжигают  и  обрабатывают,  придавая  ей  форму   стержня.   Длина   стержня

колеблется от 2 до 30 см, диаметр от 0,5 до 2  см.  Плоские  торцовые  концы

делают строго параллельными, шлифуют и полируют с высокой точностью.  Иногда

отражающие поверхности  наносят  не  на  отдельные  отражающие  пластины,  а

непосредственно на торцы рубинового стержня.  Поверхности  торцов  серебрят,

причем поверхность одного  торца  делают  полностью  отражающей,  другого  —

отражающей частично. Обычно  коэффициент  пропускания  света  второго  торца

составляет около 10—25%, но может быть и другим.

Рубиновый стержень помещают в спиральную  импульсную  ксеноновую  лампу,

витки  которой  охватывают  его  со  всех  сторон.  Вспышка   лампы   длится

миллисекунды. За это  время  лампа  потребляет  энергию  в  несколько  тысяч

джоулей,  большая  часть  которой  уходит  на  нагревание  прибора.  Другая,

меньшая часть, в виде голубого и  зеленого  излучения  поглощается  рубином.

Эта энергия и обеспечивает возбуждение ионов хрома.

В нормальном, невозбужденном состоянии ионы хрома  находятся  на  нижнем

уровне 1. При облучении рубина светом ксеноновой лампы,  содержащим  зеленую

часть спектра, атомы хрома возбуждаются и переходят на  верхний  уровень  3,

соответствующий  поглощению  света  длиной  волны  5600  А.  Ширина   полосы

поглощения этого уровня составляет около 800 А.

С уровня  3  часть  возбужденных  атомов  хрома  снова  возвращается  на

основной уровень 1, а часть переходит  на  уровень  2.  Это  так  называемый

безызлучательный переход, при котором ионы хрома отдают часть своей  энергии

кристаллической решетке в виде тепла. Вероятность перехода  с  уровня  3  на

уровень 2 в 200 раз больше, а с уровня 2 на уровень 1 в 300 раз меньше,  чем

с уровня 3 на уровень 1. Это приводит к  тому,  что  уровень  2  оказывается

более заселенным, чем уровень  1.  Иными  словами,  заселенность  получается

инверсной и создаются необходимые  условия  для  интенсивных  индуцированных

переходов.

Такая система крайне неустойчива.  Вероятность  спонтанных  переходов  в

любой  момент  времени  очень  велика.  Первый  же  фотон,  появившийся  при

спонтанном  переходе,  по  закону  индуцированного   излучения   выбьет   из

соседнего  атома  второй  фотон,  переведя  излучивший   атом   в   основное

состояние. Далее эти два фотона выбьют еще два, после чего их будет  четыре,

и т. д. Процесс нарастает практически  мгновенно.  Первая  волна  излучения,

дойдя до отражающей  поверхности,  повернет  обратно  и  вызовет  дальнейшее

увеличение  числа  индуцированных  переходов  и   интенсивности   излучения.

Отражение от отражающих поверхностей резонатора  повторится  многократно,  и

если потери мощности при отражении,  вызываемые  несовершенством  отражающих

покрытий, а также полупрозрачностью одного из торцов стержня, через  который

уже  в  начале  генерации  будет  вырываться  поток  излучения,   не   будут

превосходить той  мощности,  которую  приобретает  в  результате  начавшейся

генерации формирующийся в стержне лазера луч, то генерация будет  нарастать,

а мощность увеличиваться до тех пор, пока  большинство  возбужденных  частиц

активного вещества (ионов хрома) не отдадут свою  энергию,  приобретенную  в

момент возбуждения. Через частично посеребренный торец стержня вырвется  луч

очень высокой интенсивности. Направление луча будет строго  параллельно  оси

рубина .

Те фотоны, направление распространения которых в начале их возникновения

не совпало с осью стержня, уйдут через боковые  стенки  стержня,  не  вызвав

сколько-нибудь заметной генерации.

Именно  многократное  прохождение  образованной  световой  волны   между

торцовыми стенками резонатора без какого-либо  существенного  отклонения  от

оси стержня обеспечивает лучу строгую  направленность  и  огромную  выходную

мощность.

Лазерное излучение

Лазерное излучение – электромагнитное излучение оптического диапазона, источником которого являются оптические квантовые генераторы – лазеры. Для объяснения сущности и принципов получения лазерного излучения можно воспользоваться планетарной моделью атома, предложенной Э. Резерфордом. Согласно этой модели атомы представляют собой квантово-механические системы, состоящие из ядра и вращающихся вокруг него электронов, занимающих строго определенное, дискретное энергетическое положение.

Лазерное излучение (действие на вещество). Высокая мощность лазерного излучения в сочетании с высокой направленностью позволяет получать с помощью фокусировки световые потоки огромной интенсивности. Наибольшие мощности излучения получены с помощью твердотельных лазеров на стекле с примесью Nd с длиной волны излучения l = 1,06 мкм и в газовых CO2 — лазерах с l = 10,6 мкм

 

 

Лазер

Длительность импульса, секЭнергия импульса, дж 

Мощность, вт

Максимальная плотность потока излучения,

вт/см2

 

 

CO2

Nd + стекло

CO2

Nd + стекло

Nd + стекло

 

Непрерывный

10-3

6 × 10-8

10-9

(0,3) 10-11

104

3 × 102

3 × 102

10—20

103

107

5 × 1019

3 × 1011

1012—1013

до 107

до 107—1011

1013

1016

1015—1016

 

 

 

 

 

 

 

Физические свойства лазерного излучения

Когерентность излучения лазеров определяет постоянство фазы и частоты (длины волны) на протяжении работы лазера, т. е. это свойство, обусловливающее исключительную способность к концентрации световой энергии по разным параметрам: в спектре — очень узкая спектральная линия излучения; во времени — возможность получения сверхкоротких импульсов света; в пространстве и по направлению — возможность получения направленного пучка с минимальной расходимостью и фокусированием всего излучения в малой области с размерами порядка длины волны. Все эти параметры позволяют осуществлять локальные воздействия, вплоть до клеточного уровня, а также эффективно передавать излучение по волоконным световодам для дистанционного воздействия.

Расходимость лазерного излучения — это плоский или телесный угол, характеризующий ширину диаграммы направленности излучения в дальней зоне по заданному уровню распределения энергии или мощности лазерного излучения, определяемому по отношению к его максимальному значению.

Монохроматичность — спектральная ширина излучения и характерная длина волны для каждого источника излучения.

Поляризация — проявление поперечности электромагнитной волны, т. е. сохранение постоянного ортогонального положения взаимно перпендикулярных векторов напряженности электрического и магнитного полей по отношению к скорости распространения волнового фронта.

Высокая интенсивность лазерного излучения позволяет сконцентрировать в малом объеме значительную энергию, что вызывает многофотонные и другие нелинейные процессы в биологической среде, локальный тепловой нагрев, быстрое испарение, гидродинамический взрыв.

К энергетическим параметрам лазеров относятся: мощность излучения, измеряется в ваттах (Вт); энергия излучения, измеряется в джоулях (Дж); длина волны, измеряется в микрометрах (мкм); доза излучения (или плотность энергии) — Дж/смІ.

Лазерное излучение по своим свойствам отличается от других видов электромагнитного излучения (рентгеновское и высокочастотное γ-излучение), используемых в медицине. БСльшая часть лазерных источников излучает в ультрафиолетовом или инфракрасном диапазонах электромагнитных волн, при этом основное отличие лазерного излучения от света обычных тепловых источников заключается в его пространственной и временнСй когерентности. Благодаря этому энергию лазерного излучения относительно легко передавать на значительное расстояние и концентрировать в малых объемах или в небольших временны′х интервалах.

Лазерное излучение, воздействующее на биологический объект с лечебной целью, является внешним физическим фактором. При поглощении энергии лазерного излучения биообъектом все процессы, происходящие при этом, подчиняются физическим законам (отражение, поглощение, рассеивание). Степень отражения, рассеивания и поглощения зависит от состояния кожных покровов: влажности, пигментации, кровенаполнения и отечности кожи и подлежащих тканей.

Глубина проникновения лазерного излучения зависит от длины волны, уменьшаясь от длинноволнового к коротковолновому излучению. Таким образом, инфракрасное (0,76–1,5 мкм) и видимое излучения обладают наибольшей проникающей способностью (3–5–7 см), а ультрафиолетовое и другие длинноволновые излучения сильно поглощаются эпидермисом и поэтому проникают в ткани на небольшую глубину (1–1,5 см).

 

 

Биологическое действие высокоинтенсивного лазерного излучения

Биологическое действие высокоинтенсивного лазерного излучения  реализуется в тканях организма в виде трех основных эффектов:                                                                • первичных – выражающихся в изменениях энергетического содержания электронных уровней и стереохимической перестройке молекул вещества ткани, коагуляции белковых структур и т.п.;                                                                                 • вторичных – фотохимических, фотоэлектрических и фотодинамических эффектов, стимуляции или угнетении биохимических процессов, изменении функционального состояния клеток (включая их мембраны и органеллы), тканей и систем целостного организма;                                                                                                                                • эффектов последствия – цитопатического и др. Первичное воздействие излучения высокоинтенсивных лазеров проявляется в виде трех основных эффектов:                          1)  светового,                                                                                                                               2)  термического,                                                                                                                          3)  давления света.

Основным действующим фактором лазерного излучения является мощный световой поток, который в первую очередь обладает свойством оказывать давление на поверхность ткани (эффект давления света был открыт в 1901 г. П. Н. Лебедевым). Поскольку мощность светового потока высокоинтенсивных лазеров достаточно высока, соответственно значительных величин достигает и вызываемое ими давление света на ткань, создающее ударную световую волну.

Световой поток высокой интенсивности при взаимодействии с тканями в первую очередь вызывает термический эффект, который в зависимости от его мощности (в том числе плотности мощности) может вызывать последовательно ряд изменений тканей:

  • коагуляцию,
  • ожог,
  • обугливание,
  • сгорание,
  • испарение.

При взаимодействии с живой тканью, содержащей воду, происходит ее вскипание с явлениями микровзрывов, отмечается давление образовавшихся паров на ткань. При этом возникает явление суммации давления света и давления паров, из которых складывается общее ударное воздействие лазерного излучения.

Хирургическое применение диодных и Nd:YAG лазеров основывается для большинства из них на переходе оптического излучения большей частью в тепловую энергию и в меньшей мере в механическую энергию.

На молекулярном уровне фототермические процессы можно представить как поглощение фотона органической молекулой, которое переводит ее в возбужденное вращающееся и вибрирующее состояние, и последующую потерю возбуждения, происходящую из-за анакластического удара с молекулой окружающей среды, которая таким образом забирает ее кинетическую энергию. Этот процесс потери возбуждения происходит в течение очень короткого периода (1 – 100 psec), а следующее за ним быстрое нагревание приводит к местному поднятию температуры.

На видимом уровне биологические эффекты фототермического вида можно классифицировать в соответствии с несколькими различными термодинамическими процессами, к которым будут относиться главные гистологические изменения, суммированные в таблице 1:

Табл. 1. Гистологические изменения вызванные фототермическими процессами

 

1.Низкотемпературные эффекты (43 –100°C)

Гипотермический режим (43-45°C, гипотермический интервал). Первый термический эффект, влияющий на биовещество, это разрушение (разбитие водородных связей) биомолекул и их совокупности (протеины, коллаген, жиры, гемоглобин). При температуре около 45°C можно заметить последствия: изменяется структура; нарушаются связи, изменяется оболочка. Каждая отдельная клетка и все ткани при нагревании до температуры около 43-45°C могут перенести небольшие временные повреждения; повреждения станут необратимыми (смерть клетки) после длительного времени воздействия, в диапазоне от 25 минут до нескольких часов в зависимости от вида ткани и условий облучения. В случае опухоли смертельность (для клеток) при этом термическом режиме особенно велика. Эти процессы находят применение в промежуточных гипертермических методах для лечения опухолей, обычно производимых в продолжительном режиме диодного лазера.

Режим свертывания. Когда температура поднимается выше, чем порог разрушения, имеет место процесс омертвения клеток, принимающий форму свертывания вакуолей. Между 50°C и 60°C видоизменяется (уменьшается) ферментная активность, поэтому начинается процесс разрушения макромолекул (таких как белки, жиры, коллаген, гемоглобин), который является основой процесса свертывания.

Важно разрушение коллагена; фиброзный белок состоит из четырех полипепсиновых цепей, объединенных в би-геликоидальную структуру. Поднятие температуры разрушает организацию пространства, созданную макромолекулярными цепями: спирали располагаются хаотично с сильными изменениями в спектрах поглощения и рассеивания оптического излучения, приводя к заметному сжатию в коллагеновых волокнах. Термическое разрушение и сжатие межклеточных протеинов вместе с возможным разрушением скелета клетки приводят к сокращению клетки, подвергшейся коагуляции. Разрыв оболочек становится доминирующим во всех клетках, по мере нарастания повреждений после термического воздействия. В конце концов, во всех тканях, где существует высокая пространственная организация, например, в мышечных, распад протеина нарушит эту правильную структуру с потерей соответствующих оптических характеристик. Эти процессы фотокоагуляции используются, например, в офтальмологической хирургии, чтобы уменьшить отслоение сетчатки, и в дерматологии для лечения пигментных сосудистых повреждений.

2.Средневысокие температурные эффекты (>100°C)

Преобладающие эффекты в рамках данного температурного диапазона можно заметить в воде; по сути, предполагая, что процесс испарения начинается при 100°C, благодаря нагреву воды, происходящему в ткани, последующее облучение станет причиной:

а) поглощение энергии при фазе перехода из воды в пар;

б) высушивание ткани;

в) образование вакуолей (пузырьков) пара внутри ткани;

г) механические эффекты, вызванные быстрым распространением вакуолей пара, заключенных в тканях.

Термическое разрушение характеризуется результатом, похожим на взрыв. Когда температура поднимается выше 100°C, максимальная температура перейдет от поверхности внутрь ткани: жидкости в ткани переходят в пар при давлении свыше 1 атмосферы, и следом за перегреванием, они в конце концов взрываются из-за слишком высокого давления внутри их. Устранение горячей ткани обнажит более холодный слой для облучения. Этот слой сохранит температуру приблизительно 100°C на время, которое нужно для дегидрации ткани (вода отдает высокую теплоэнергию при парообразовании: 2530 J/g). Потеря воды уменьшит местную термопроводимость и ограничит проведения тепла в окружающие области.

3.Термоаблят (удаление горячего слоя ткани), вызванный высокой   температурой (между 300 и тысячами °C).

Когда вода в клетках полностью испарилась, температура в ткани быстро поднимется до 300°C: участки ядра будут вызваны на поверхность и ткань обуглится. Испарение вместе с обугливанием приведут к разрушению компонентов ткани. Большая интенсивность оптического облучения способствуют температурному максимуму на наружной поверхности по сравнению с поверхностью, которая находится во внутренних слоях ткани из-за отражения излучения, которое следует из рассеивающей природы ткани. Повреждения, имеющие место в данных условиях, имеют кроме чисто термальных последствий еще и механический эффект.  Видимые невооруженным взглядом пузырьки (вакуоли), которые образовываются в самых горячих областях под облучаемой поверхностью, станут давить на ткань из-за значительного увеличения объема при переходе из жидкости в пар; при достижении критического давления тонкие стенки вакуолей разрываются, при этом вакуоли объединяются в большие конгломераты; при дальнейшем облучении пузырьки будут разрастаться до тех пор, пока это не приведет к виду взрывного разрушения (эффект поп-корна). Разрушение вакуолей на поверхности позволит выйти пару, что приведет к временному охлаждению поверхности. Гистологический анализ последствий, вызванных эффектом поп-корна, показывает, что поверхностные воронки, произведенные таким образом, появляются благодаря не потери массы ткани, а образованию, разрастанию и разрушению агломератов вакуолей.

С другой стороны, сильное и быстрое нагревание благодаря облучению в режиме импульсов произведет взрывоподобный разрыв вакуолей со взрывом фрагментов ткани.

Фотомеханическое взаимодействие

В зависимости от типа взаимодействия, можно разделить волны воздействия на:

  1. Акустическую волну, которая является волной малого воздействия, распространяемой на скорости звука;
  2. Ударную волну – волна сильного воздействия, распространяемая на сверхзвуковой скорости.

Ударная волна характеризуется сверхзвуковой скоростью распространения и очень крутым фронтом, где давление достигает несколько тысяч атмосфер на расстоянии нескольких нанометров, создавая временные эффекты с увеличением задержки на несколько пикосекунд.

 

Фотомеханические процессы

В соответствии с интенсивностью лазерного импульса, можно различить три пограничных случая: в поглощающей среде и ниже оптического порога распада, в образовании акустических волн доминируют термоэластичные эффекты и парообразование; в прозрачной среде акустические эффекты связаны с формированием плазмы, которое может объединиться с вышеназванными процессами также и в поглощающей среде.

  1. Низкая интенсивность: термоэластичный эффект

При передаче материалу низких доз энергии термоэластичный эффект определяет термическое распространение слоя нагреваемого материала, которому противостоит нераспространяемая часть, поэтому образуется несколько механических ударов на границе между двумя областями, что рождает эластичные волны, которые передаются массе материала.

  1. Средняя интенсивность: парообразование

При поглощении большего количества энергии может иметь место парообразование в ткани с извержением биоматериала, отдача которого порождает эластичные волны и ограничение инерции (передача постоянного объема оптической энергии жидкостному содержанию ткани). При очень коротких воздействиях, нагретый объем не имеет достаточно времени для распространения в течение импульса: следует внезапное повышение внутреннего давления, а последующее быстрое местное распространение производит акустические волны высокой интенсивности.

III. Высокая интенсивность: ионизация и образование плазмы

Когда показатели плотности энергии достаточно высокие либо достаточно короткое время перемещения, может быть вызвана ионизация облучаемого материала и последующее образование плазмы. В плазме достигаются крайне высокие значения давления и температуры. Расширение плазмы производит ударную волну, которая может привести к образованию фрагментов и местному разрыву ткани.

Фотоаблятивные процессы (удаление горячего слоя ткани)

Лазерный фотоаблят представляет собой сложный процесс, который включает в разном объеме некоторые фотохимические (разрыв молекулярных связей), фототермические (аккумулированное тепло и быстрое испарение материала), и фотомеханические (образование ударной волны) механизмы. Преобладание любого из них будет зависеть от характеристик протокола иррадиации.

Механизм взаимодействия высокоинтенсивного лазерного излучения с тканями во многом зависит от вида и состояния ткани организма (на которую воздействует световое излучение): ее плотности, состава, степени водонасыщаемости, состояния поверхности (цвет, гладкость), теплопроводности, теплоемкости, акустических, механических, физико-химических свойств, микроструктуры (гомо- или гетерогенность) и др. Как известно, степень поглощения светового потока тканью определяется как величиной длины волны лазерного излучения, так и функциональным состоянием ткани. Например, ткань, находящаяся в состоянии повышенной функциональной активности (рабочая гиперемия и т.п.), в большей мере поглощает лазерное излучение. Имеет значение состояние поверхности ткани; например, гладкая блестящая поверхность эмали зуба в большей мере отражает свет и очень мало его поглощает. Воспаленная или отечная кожа (слизистая оболочка) также в основном отражает свет и меньше его поглощает. Патологически измененные ткани (эрозии, шероховатости, струпы и т.п.) главным образом поглощают световую энергию.

Первичные эффекты излучения высокоинтенсивных лазеров вызывают в тканях вторичные эффекты, в первую очередь акустические (воздействие высокой температуры с парообразованием вызывает микровзрывы), сопровождающиеся вибрацией и растрескиванием, эффекты, включая ультразвуковые колебания, ударные и так называемые стоячие волны, явления электрострикции и др., в целом оказывающие на ткани определенное биологическое действие, механизм которого может быть представлен в виде рабочей схемы 1.

Воздействие лазерного излучения на биологические структуры зависит от длины волны излучаемой лазером энергии, плотности энергии луча, временных характеристик энергии луча и от оптических свойств ткани. Свойства ткани, важные при взаимодействии с лазером, включают: содержание воды, содержание меланина, содержание гемоглобина.

Когда лазерный луч ударяется о целевую ткань, лазерный свет поглощается , передается, отрожается и рассеивается. Пропорции этих взаимодействий определяются конкретной длиной волны лазерного излучения и оптическими характеристиками целевой ткани. Только поглощение  лазерной  энергии  производит  заметный  эффект на  ткань. Эффект может быть результатом фотохимического, фототермического, фотомеханического  или  фотоэлектрического  взаимодействия  в  зависимости  от длины  волны  лазера,  плотности  энергии  и  времени  воздействия  лазерного луча. Во время использования лазера нужно соблюдать основное правило: чем больше энергии поглощается на единицу поверхности, тем больше эффект. Каждая  длина  волны  лазерного  света  обладает  уникальными  характеристиками поглощения при прохождении света в ткань. Когда лазерный свет поглощается определенной тканью, что называется селективным поглощением, ткань нагревается, и развиваются различные эффекты, зависящие от количества поглощенной энергии. Эти эффекты могут быть тепловыми, химическими или звуковыми. Пригодность лазера для выполнения определенных процедур зависит от длины волны света.

Свет взаимодействует с тканью определенным образом: Поглощенный лазерный свет трансформируется в тепловую энергию. На поглощение влияют длина волны, содержание воды, пигментация и тип ткани.Отраженный лазерный свет не влияет на ткань. Проходящий лазерный свет не влияет на ткань. На пропускание лазерного света влияют тип ткани и длина волны. Рассеянный лазерный свет излучается повторно в случайном направлении и, в конечном счете, поглощается в большом объеме с менее интенсивным тепловым эффектом. На рассеивание влияет длина волны.

Коэффициент поглощения – это единица измерения того, как сильно свет поглощается в определенном веществе. Существует большая разница между веществами в отношении способности их к поглощению лазерного света. Вода прозрачна для видимого света, но непроницаема для средней инфракрасной области спектра. Меланин и гемоглобин хорошо поглощают видимый свет. Коэффициент поглощения определяет длину спектральной линии поглощения различных лазеров биологическими тканями. Длина спектральной линии поглощения – это расстояние, которое проходит лазерный свет в ткани до того, как поглотится на 63%.

Глубина проникновения лазерного света в биологической ткани коррелирует с коэффициентом поглощения. Чем выше поглощение в определенном хромофоре (пигменты, вода), тем ниже глубина проникновения.

Лазерный свет поглощается определенным структурным элементом, входящим в состав биологической ткани. Поглощающее вещество носит название хромофор. Им могут являться различные пигменты (меланин), кровь, вода и др. Каждый тип лазера рассчитан на определенный хромофор, его энергия калибруется исходя из поглощающих свойств хромофора, а также с учетом области применения. Способность к проникновению лазерной энергии через кожу увеличивается пропорционально длине волны.

Применение лазера в офтальмологии

Выделяют следующие направления использования лазеров в офтальмологии (С.Н. Федоров с соавт.).

  1. Лазеркоагуляция. Используют термическое воздействие лазерного излучения, которое дает особенно выраженный терапевтический эффект при сосудистой патологии глаза: лазеркоагуляция сосудов роговицы радужки, сетчатки, трабекулопластика, а также воздействие на роговицу ИК-излучением (1,54-2,9 мкм), которое поглощается стромой роговицы, с целью изменения рефракции. Среди лазеров, позволяющих коагулировать ткани, в настоящее время по-прежнему наиболее популярным и часто используемым является аргоновый лазер.
  2. Фотодеструкция (фотодисцизия). Благодаря высокой пиковой мощности под действием лазерного излучения происходит рассечение тканей. В его основе лежит электрооптический “пробои” ткани, возникающий вследствие высвобождения большого количества энергии в ограниченном объеме. При этом в точке воздействия лазерного излучения образуется плазма, которая приводит к созданию ударной волны и микроразрыву ткани. Для получения данного эффекта используется инфракрасный YAG-лазер.
  3. Фотоиспарение и фотоинцизия. Эффект заключается в длительном тепловом воздействии с испарением ткани. С этой целью используется ИК СО2-лазер (10,6 мкм) для удаления поверхностных образований конъюнктивы и век.
  4. Фотоабляция (фотодекомпозиция). Заключается в дозированном удалении биологических тканей. Речь идет об эксимерных лазерах, работающих в жестком УФ-диапазоне (193 нм). Область использования: рефракционная хирургия, лечение дистрофических изменении роговицы с помутнениями, воспалительные заболевания роговицы, оперативное лечение птеригиума и глаукомы.
  5. Лазерстимуляция. С этой целью в офтальмологии используется низкоинтенсивное красное излучение He-Ne-лазеров. Установлено, что при взаимодействии данного излучения с различными тканями в результате сложных фотохимических процессов проявляются противовоспалительный, десенсибилизирующий, рассасывающий эффекты а также стимулирующее влияние на процессы репарации и трофики. Лазерстимуляция в офтальмологии применяется в комплексном лечении увеитов склеритов, кератитов, экссудативных процессов в передней камере глаза, гемофтальмов, помутнений стекловидного тела, преретинальных кровоизлияний, амблиопий, после операционных вмешательств ожогов, эрозий роговицы, некоторых видах ретино- и макулопатии Противопоказаниями являются увеиты туберкулезной этиологии, гипертоническая болезнь в стадии обострения, кровоизлияния сроком давности менее 6 дней.

Первые четыре направления использования лазеров в офтальмологии относятся к хирургическим, а лазерстимуляция – к терапевтическим методам лечения.

Лазеры применяются также при диагностике офтальмологических заболеваний. Лазерная интерферометрия позволяет сделать заключение о ретинальной остроте зрения при мутных глазных средах, например перед операцией по поводу катаракты. Сканирующая лазерная офтальмоскопия дает возможность исследовать сетчатку без получения оптического изображения. При этом плотность мощности излучения, падающего на сетчатку, в 1000 раз ниже, чем при использовании метода офтальмоскопии, к тому же нет необходимости расширять зрачок. С помощью лазерного допплеровского измерителя скорости можно определить скорость кровотока в сосудах сетчатки.

Увеличение размеров глазного яблока при миопии в большинстве случаев сопровождается истончением и растяжением сетчатки, ее дистрофическими изменениями. Подобно натянутой нежной вуали, она местами “расползается”, в ней появляются мелкие отверстия, что может вызвать отслойку сетчатки – самое тяжелое осложнение близорукости, при котором значительно, вплоть до слепоты, может снижаться зрение. Для предупреждения осложнений при дистрофических изменениях сетчатки применяется периферическая профилактическая лазерная коагуляция (ППЛК). В ходе операции излучением аргонового лазера производится “приваривание” сетчатки в участках ее истончения и вокруг разрывов.

Когда патологический рост глаза остановлен и проведена профилактика осложнений (ППЛК), становится возможной рефракционная хирургия близорукости.

Применение лазера в хирургии

Использование лазеров началось еще в далекие 1960-е годы. С тех пор, конечно, очень многое изменилось, и современные лазеры в хирургии позволяют делать большинство ранее болезненных лечебных процедур практически незаметными для пациента.

Все мы знаем, что многими опасными болезнями можно заразиться через проникновение вируса в кровь. Поэтому каждый человек, которому предстоит серьезная операция, очень беспокоится о том, чтобы не получить инфекционное заболевание. Однако именно лазеры в хирургии позволяют максимально снизить риск проникновения инфекций в организм пациента и, к тому же, значительно уменьшают кровопотери.

Применение лазера в хирургии обусловлено:

  • Возможностью осуществлять точную резку, вапоризацию и коагуляцию биотканей.
  • Уменьшением риска инфекций и снижением требований к анестезии.
  • Снижением теплового поражения прилегающих тканей
  • Мощным биостимуляционным свойствам лазерного излучения
  • Хороший гомеостаз вследствие малой ширины некротической зоны
  • Отсутствие поражения глубоко лежащих тканей и низкий уровень пороговой мощности переизлучения

Применение лазера в хирургии позволяет докторам проводить сложные операции с минимальным риском для пациентов.

До появления современных методов лечения даже несложная операция причиняла  множество болевых ощущений как в процессе, так и в послеоперационный период. Но именно лазеры серии АСТ, применяемые в хирургии, максимально снижают болевые ощущения и устраняют необходимость в использовании сильнодействующей анестезии.

Лазеры в хирургии работают на разных длинах волн, и правильный выбор подходящей длины волны рабочего излучения позволяет максимально уменьшить тепловое поражение тканей, расположенных рядом с больным органом.

Преимущества использования лазера в хирургии в послеоперационный период:

  • Проведение операций без крови
  • Асептичность
  • Незначительные отеки
  • Минимальные болевые ощущения
  • Снижается потребность в большом количестве обезболивающих
  • Быстрое восстановление
  • Косметический эффект на высоком уровне

Примеры применения:

Трахеобронхиальное дерево:

·        трахеальные и бронхиальные свищи (интерстициальная гипертермия);

·        реканализация обтюрирующих доброкачественных и злокачественных опухолей трахеи и бронхов;

Брюшная полость:

·        аппендэктомия;

·        иссечение спаек;

·        холецистэктомия;

·        грыжесечение;

·        биопсия лимфатического узла;

·        ваготомия;

·        резекция паренхиматозных органов (печень, селезенка, почки, поджелудочная железа);

·        лечение кист яичников;

Желудочно-кишечный тракт:

·        доброкачественные, воспалительные и предопухолевые заболевания.

 

 

Применение лазера в гинекологии

До сих пор не создано ни одной универсальной энергии, которая бы удовлетворяла всем требованиям врачей. В гинекологии лазер используется в основном для лечение (прижигания) шейки матки (деструкции) и пришел на смену более старым методикам: электрокоагуляции, криодеструкции. При этом электрокоагуляция до сих пор проводится, однако перечень показаний существенно сокращен.

Использование лазера при лечении шейки матки и влагалища.

Остроконечные кондиломы, папилломы, полипы иссекаются лазерным лучом. Воздействие на эрозию шейки матки напоминает «туширование», то есть ткань не иссекается, а лишь прогревается или выпариваются на определенной глубине, уничтожая очаг поражения. На сегодня определены показания для лечения лазером:

простые,

умеренно выраженные и тяжелые дисплазии эпителия шейки матки,

лейкоплакия шейки матки, особенно при распространении процесса на своды влагалища, где применение других методов лечения затруднительно.

Также применяется при эритроплакии шейки матки, рецидивирующих фоновых заболеваниях (псевдоэрозии, эктопии, эрозированные эктропионы), возникающие после других методов лечения, ретенционные кисты шейки матки и влагалища; рубцовая деформация шейки матки; крауроз вульвы.

Методика прижигания шейки матки лазером предполагает обработку задней поверхность шейки матки до наружного зева, затем передней поверхности, область наружного зева.

Важно! Лазером при лечении ткань шейки матки не иссекается, а лишь проходит термическую обработку на глубине поражения и изобретение данной методики позволило лечить заболевания шейки матки у женщин только планирующих беременность.

Важно! Криодеструкция-щадящий метод, сходный по безопасности с лазеровапоризацией, однако не позволяющий проводить лечение на необходимой глубине и требующий повторных деструкций. Именно высокая частота рецидивов и появление лазера превратило эту методику только в предмет исторического изучения.

Важно! Методы электроэксцизии и радиоволновой хирургии предполагают удаление части шейки матки и у молодых, нерожавших женщин для лечения эрозии применяться не должны.

Использование лазера при хирургическом лечении гинекологических заболеваний

Лазерная энергия предполагает более широкое использование в гинекологии. В оперативной гинекологии лазер может быть применен при ампутации и экстирпации матки, резекции яичников, консервативной миомэктомии, эндометриозе. Однако, на сегодняшний день методика не получила широкого внедрения.

Использование лазера при интимной пластике.

Также рассматривалось применение лазера при проведении пластических операций в области интимной хирургии. Врачи чаще всего используют лазерную энергию при лабиопластике (пластике малых половых губ), при этом лазерным лучом отсекается избыточная ткань малых половых губ. Данная методика позволяет быстро и бескровно решить проблему гиперплазии малых половых губ, однако, несмотря на то, что лазер облегчает работу хирурга, существует масса отрицательных моментов. Прежде всего, за счет термического ожога край резекции остается более грубым. Малая половая губа выглядит значительно толще по сравнению с традиционной клиновидной резекцией скальпелем. Именно излишняя грубость рубца ограничивает его применение в пластической хирургии и опытные пластические хирурги до сих пор предпочитают скальпель.

Наблюдение после лазерного лечения

Непосредственно после лазерного воздействия больным рекомендуется половое воздержание в течение 2-3 недель, ограничение физической нагрузки в первые 7-10 дней. При отсутствии у больных жалоб контрольное кольпоскопическое и цитологическое обследование целесообразно производить спустя 4-5 недель после операции. При отсутствии патологических изменений шейки матки профилактические осмотры производят 1-2 раз в год с обязательным цитологическим исследованием. При обнаружении рецидива рекомендуется повторное лазерное лечение.

Заживление вульвы и влагалища после лазерокоагуляции по поводу остроконечных кондилом протекает безболезненно и завершается к 3-4 неделе без образования стриктур и косметических дефектов.

Применение лазера в стоматологии

Лазерная стоматология – это сравнительно молодая область стоматологических услуг, но уже хорошо зарекомендовавшая себя среди пациентов и имеющая положительные отзывы.

Стоматологический лазер – альтернатива привычным бормашины. В отличие от бормашины, которая механически разрушает ткани зуба, лазер работает в инфракрасном спектре, безвредном для самого зуба.

Первые лазеры стали применяться для лечения стоматологических заболеваний с 60-х годов. На сегодняшний день лазерная стоматология безопасна и безболезненна.

В стоматологии применению лазера долгое время мешали дороговизна, высокая технологическая сложность, побочные температурные эффекты (перегрев) и недостаточная эффективность при работе с твёрдыми тканями зуба.

В стоматологии используются различные типы лазеров: аргоновый, диодный, неодимовый, углекислотный, эрбиевый и др., каждый из которых применяется для решения определенных стоматологических задач.

Все эти лазеры имеют разную длину волны и соответственно, разные свойства и особенности применения.

Лазерная стоматология открыла перед стоматологами и пациентами новые перспективы в лечении зубов, дала возможность повысить качество и эффективность оказываемых стоматологических услуг, повысило комфорт врача и пациента.

Стоматологи используют лазеры в целях:

Лечение кариесаЛазер используется для удаления кариозных тканей и подготовки окружающей эмали к пломбированию.

Кроме того, лазеры используют для отверждения композитных пломб.

Лечение заболеваний десенЛазеры используются при реконтурировании десен, а также для уничтожения бактерий при лечении корневых каналов.
Биопсия или удаление патологических образованийЛазеры могут использоваться для взятия небольших фрагментов ткани (это называется биопсией), которые затем исследуют на наличие злокачественных клеток.

Помимо этого, лазеры используют для удаления патологических образований в полости рта, а также снятия боли при афтозном стоматите.

Отбеливание зубовЛазеры используют для ускорения процесса профессионального отбеливания зубов.

Действие отбеливающего вещества (раствора перекиси водорода), нанесенного на поверхность зуба, “активируют” лазерной энергией, что ускоряет процесс отбеливания.

Лазерное отбеливание имеет существенные преимущества перед другими самыми современными видами отбеливания.

Результат отбеливания бывает выше и устойчивее, а болевые ощущения после процедуры и вовсе отсутствуют.

  • Стоматологический лазер действует не на сами ткани зуба, а на водные частицы, которые их пропитывают.
  • Вода испаряется из дентинных канальцев, пораженные ткани зуба удаляются, умирают бактерии, полость становится стерильной в процессе лечения, живые ткани зуба остаются нетронутыми.
  • Во время лазерного лечения уплотняется эмаль зуба, она становится тверже и крепче.
  • Особенно стоматологический лазер не заменим при лечении детей, так как он не сверлит, не нагревает и позволяет лечить зубы без укола (анестезии).

Основные преимущества лазерной стоматологии:

  • Безболезненность.
  • Отсутствие необходимости применения анестезии.
  • Возможность лечения беременных женщин и маленьких детей.
  • Бесшумная работа лазера.
  • Быстрая заживляемость после оказания стоматологических услуг.
  • Высокая точность хирургического вмешательства.
  • Минимальное травмирование ткани полости рта.
  • Минимальное или полное отсутствие возможных кровотечений.
  • Уплотнение зубной эмали, в результате чего она становится более крепкой и твердой.
  • Лазерный луч не повреждает здорового дентина.
  • Незначительное образование рубцов.
  • Отсутствие послеоперационных болей.
  • Поставленная пломба будет держаться значительно дольше, чем при традиционном методе лечения.

Лазер в стоматологии широко применяется в хирургических целях. Лазерная стоматология – это бескровный метод хирургического лечения зубов. Возможность занесения инфекции через рану минимально, так как происходит коагуляция сосудов.

Лечение зубов лазером применяется при лечении любых видов болезней дёсен, используется при протезировании и установке брекетов, вживлении имплантатов, хирургии, отбеливании зубов и других процедурах.

Инструменты, применяющиеся для лазерного лечения зубов, одноразовые.

Применение лазера в дерматологии и косметологии

В дерматологии используется лазерное излучение двух типов: низкоинтенсивное — в качестве лазерной терапии и высокоинтенсивное — в лазерной хирургии.

По типу активной среды лазеры делятся:

на твердотельные (рубиновый, неодимовый);

газовые – HE-NE (гелий-неоновый), СО2;

полупроводниковые (или диодные);

жидкостные (на неорганических или органических красителях);

лазеры на парах металлов (самые распространенные: на парах меди или золота).

По типу излучения существуют ультрафиолетовые, видимые и инфракрасные лазеры. При этом и полупроводниковые лазеры, и лазеры на парах металлов могут быть как низкоинтенсивными (для терапии), так и высокоинтенсивными (для хирургии).

Низкоинтенсивное лазерное излучение (НИЛИ) используется для лазерной терапии кожных заболеваний. Действие НИЛИ заключается в активации ферментов мембран клеток, увеличении электрического заряда белков и фосфолипидов, стабилизации мембранных и свободных липидов, увеличении оксигемоглобина в организме, активации процессов тканевого дыхания, повышении синтеза цАМФ, стабилизации окислительного фосфорилирования липидов (снижении свободно-радикальных комплексов).

При воздействии НИЛИ на биоткань наблюдаются следующие основные эффекты:

противовоспалительный,

антиоксидантный,

обезболивающий,

иммуномодулирующий.

Выраженный терапевтический эффект при лечении различных по этиологии и патогенезу заболеваний человека предполагает существование биостимулирующего механизма действия лазерного излучения небольшой мощности. Исследователи считают реакцию иммунной системы на лазерное излучение одним из важнейших факторов в механизме лазерной терапии, что, по их мнению, является пусковым моментом в реакции всего организма.

Противовоспалительный эффект

При воздействии НИЛИ на кожу наблюдается противовоспалительный эффект: активизируется микроциркуляция в тканях, расширяются сосуды, увеличивается число функционирующих капилляров и формируются коллатерали, повышается кровоток в тканях, нормализуется проницаемость клеточных мембран и осмотическое давление в клетках, повышается синтез цАМФ. Все эти процессы приводят к уменьшению интерстициального отека, гиперемии, шелушения, зуда, наблюдается отграниченность патологического процесса (очага), стихание острых воспалительных проявлений в течение 2–3 дней. Воздействие НИЛИ на область воспаления в коже, помимо противовоспалительного эффекта, обеспечивает антибактериальное и фунгицидное действие. По литературным данным, количество бактерий и грибковой флоры снижается на 50% в течение 3–5 мин лазерного облучения патологической зоны.

С учетом противовоспалительного и антибактериального эффекта НИЛИ при местном воздействии на кожу лазеры применяются в лечении таких заболеваний, как пиодермии (фолликулиты, фурункулы, импетиго, угревая болезнь, стрептостафилодермии, шанкриформная пиодермия), трофические язвы, аллергодерматозы (истинная экзема, микробная экзема, атопический дерматит, крапивница). Также НИЛИ используется при дерматитах, ожогах, псориазе, красном плоском лишае, склеродермии, витилиго, заболеваниях слизистой оболочки полости рта и красной каймы губ (буллезный пемфигоид, многоформная экссудативная эритема, хейлиты, стоматиты и т. д.).

Антиоксидантный эффект

При воздействии НИЛИ наблюдается антиоксидантный эффект, который обеспечивается за счет снижения выработки свободнорадикальных комплексов, когда происходит предохранение клеточных и субклеточных компонентов от повреждения, а также обеспечение целостности органелл. Данный эффект связан с патогенезом значительного количества кожных болезней и механизмом старения кожи. Как показали исследования Г. Е. Брилль и соавторов, НИЛИ активизирует ферментативное звено антиоксидантной защиты в эритроцитах и несколько ослабляет стимулирующее влияние стресса на перекисное окисление липидов в эритроцитах.

Антиоксидантный эффект НИЛИ используется при лечении аллергодерматозов, хронических заболеваний кожи и при проведении омолаживающих процедур.

Обезболивающий эффект

Обезболивающий эффект при воздействии НИЛИ осуществляется за счет блокады болевой чувствительности по нервным волокнам. Одновременно наблюдается легкий седативный эффект. Также обезболивающий эффект обеспечивается за счет снижения чувствительности рецепторного аппарата кожи, повышения порога болевой чувствительности, стимуляции деятельности опиатных рецепторов.

Совокупность обезболивающего и легкого седативного эффектов играет важную роль, так как при различных кожных заболеваниях зуд (как извращенное проявление боли) является основным симптомом, нарушающим качество жизни больного. Эти эффекты позволяют применять НИЛИ при аллергодерматозах, зудящих дерматозах, красном плоском лишае.

Иммуномодулирующий эффект

В последнее время доказано, что при различных кожных заболеваниях наблюдается дисбаланс иммунной системы. Как при местном облучении кожи, так и при внутривенном облучении крови НИЛИ оказывает иммуномодулирующий эффект — устраняется дисглобулинемия, повышается активность фагоцитоза, происходит нормализация апоптоза и активация нейроэндокринной системы.

Некоторые методики с использованием НИЛИ

Аллергодерматозы (атопический дерматит, хроническая экзема, рецидивирующая крапивница). Проводят облучение НИЛИ венозной крови инвазивным или неинвазивным методом, а также локальную лазеротерапию.

Инвазивный метод заключается в венопункции (венесекции) в области лучевой вены, заборе крови в количестве 500–750 мл, которая пропускается через лазерный луч, после чего следует реинфузия облученной крови. Процедура проводится однократно, 1 раз в полгода с экспозицией 30 мин.

Неинвазивный метод заключается в подведении лазерного луча в проекцию лучевой вены. В это время больной сжимает и разжимает кулак. В результате в течение 30 мин облучается 70% крови. Метод безболезненный, не требует специальных условий, предполагает использование как непрерывного, так и импульсного лазерного излучения — от 5 до 10 000 Гц. Установлено, что колебания в 10 000 Гц соотносятся с колебаниями на поверхности мембран клеток.

Облучение крови производится только гелий-неоновым лазером, длиной волны 633 нм, мощностью 60,0 мВт и полупроводниковыми лазерами с длиной волны 0,63 мкм.

С. Р. Утц и соавторы для лечения тяжелых форм атопического дерматита у детей, применив неинвазивный метод, использовали лазерные головки с отражающей поверхностью; на кожу в месте облучения наносили иммерсионное масло, а головкой создавали компрессию. Зоной облучения служила большая подкожная вена на уровне медиальной лодыжки.

Перечисленные методы дополняют локальной лазеротерапией. Рекомендуемые максимальные размеры площадей для проведения лазерной терапии в течение одного сеанса: для кожи лица и слизистых оболочек полости носа, рта и губ — 10 смІ, для остальных участков кожи — 20 смІ. При симметричных поражениях целесообразно в течение одного сеанса последовательно работать на двух контралатеральных зонах с равным разделением рекомендуемой площади.

При работе на коже лица категорически запрещается направлять луч на глаза и веки. Отсюда следует, что излучение гелий-неонового лазера не следует применять для лечения заболеваний кожи век.

Излучение гелий-неонового лазера применяют преимущественно в дистанционном режиме. Для лечения заболеваний кожи с площадью поражения свыше 1–2 смІ пятно лазерного луча перемещают со скоростью 1 см/с по всей выбранной для сеанса площади так, чтобы она вся была равномерно подвергнута облучению. Целесообразен спиральный вектор сканирования — от центра к периферии.

При атопическом дерматите облучение проводят по полям с захватом всей пораженной поверхности кожи по конфигурации патологического участка от периферии к центру, с облучением здоровых тканей в пределах 1–1,5 см или сканированием лазерным лучом со скоростью 1 см/с. Доза облучения на сеанс составляет 1–30 Дж/смІ, длительность сеанса — до 25 мин, курс из 5–15 сеансов. Лечение можно проводить на фоне антиоксидантной терапии и витаминотерапии.

При облучении венозной крови с помощью НИЛИ у больных с аллергодерматозами мы добиваемся всех вышеупомянутых эффектов лазерного излучения, что способствует быстрейшему выздоровлению и снижению случаев рецидивов.

Псориаз. При псориазе используется облучение крови, применяется лазерная индуктотермия надпочечников, а также локальное воздействие на бляшки. Проводится обычно инфракрасным (0,89 нм, 3–5 Вт) или гелий-неоновым лазерами (633 нм, 60 мВт).

Лазерная индуктотермия надпочечников проводится контактно на кожу в проекции надпочечников, от 2 до 5 мин, в зависимости от веса больного, курс — 15–25 сеансов. Лазерное облучение проводят в стационарной и регрессирующей стадиях псориаза, обеспечивая выработку эндогенного кортизола организмом больного, что приводит к разрешению псориатических элементов и позволяет добиться выраженного противовоспалительного эффекта.

Показана эффективность лазерной терапии при псориатическом артрите. В ходе лечения облучают пораженные суставы, иногда местную терапию сочетают с облучением надпочечников. После двух сеансов отмечается обострение, которое становится менее интенсивным к 5-му сеансу, к 7–10-му сеансам состояние стабилизируется. Курс лазеротерапии состоит из 14–15 сеансов.

Принципиально новым направлением в терапии псориаза и витилиго является разработка и клиническое применение эксимерного лазера на основе хлорида ксенона, который представляет собой источник узкополосного ультрафиолетового (UVB) излучения длиной 308 нм. Поскольку энергия направляется только на область бляшки и здоровая кожа не подвергается воздействию, очаги поражения можно облучать с помощью излучения с высокой плотностью энергии (от 100 мДж/смІ и выше), что усиливает антипсориатическое действие. Избежать вапоризации и термических поражений позволяют короткие импульсы до 30 нс. Узкий монохроматический спектр излучения с длиной 308 нм действует только на один хромофор, вызывая гибель мутагенных ядер кератиноцитов и активируя Т-клеточный апоптоз. Ограничивают внедрение в широкую клиническую практику эксимерных лазерных систем их высокая стоимость, отсутствие методического обеспечения, недостаточная изученность отдаленных результатов, сложности, связанные с расчетом глубины воздействия по мере истончения бляшек в ходе терапии.

Красный плоский лишай (КПЛ). При КПЛ обычно используется методика местного облучения высыпаний контактным способом, скользящими движениями от периферии к центру. Экспозиция — от 2 до 5 мин, в зависимости от площади поражения. Суммарная доза не должна превышать 60 Дж/смІ. Такие процедуры обеспечивают противовоспалительный и противозудный эффект. Для рассасывания бляшек экспозицию увеличивают до 15 мин.

При локализации КПЛ на волосистой части головы лазерное облучение проводится с экспозицией до 5 мин. Кроме вышеупомянутых эффектов, достигается стимуляция роста волос в зоне облучения.

При применении данных методов используется инфракрасное, гелий-неоновое и на парах меди лазерное излучение. При КПЛ также может проводиться облучение венозной крови.

Пиодермии. При гнойничковых заболеваниях кожи также применяется методика облучения НИЛИ венозной крови и методика местного облучения контактным способом, скользящими движениями с экспозицией до 5 мин.

Данные методики позволяют достичь противовоспалительного, антибактериального (бактериостатического и бактериоцидного) эффектов, а также стимуляции репаративных процессов.

При рожистом воспалении применяют НИЛИ контактно, дистанционно и внутривенно. При использовании лазерной терапии на 2–4 дня раньше нормализуется температура тела, на 4–7 сут быстрее наступает регрессия локальных проявлений, на 2–5 сут быстрее происходят очищение и все процессы репарации. Выявлено повышение фибринолитической активности, содержания Т- и В-лимфоцитов и их функциональной активности, улучшение микроциркуляции. Рецидивы при традиционном лечении составляют 43%, при применении НИЛИ — 2,7%.

Васкулиты. Для лечения васкулитов кожи В. В. Кулага и соавторы предлагают инвазивный метод НИЛИ. Из вены больного берут 3–5 мл крови, помещают ее в кювету и подвергают облучению гелий-неоновым лазером, мощностью 25 мВт, в течение 2–3 мин, после чего 1–2 мл облученной крови вводят в очаги поражения. За один сеанс делают 2–4 инъекции, в течение недели — 2–3 сеанса, курс лечения состоит из 10–12 сеансов. Другие авторы рекомендуют внутрисосудистое облучение крови энергией гелий-неонового лазера мощностью 1–2 мВт длительностью 10–30 мин, сеансы проводят ежедневно или через день, курс состоит из 10–30 сеансов.

Склеродермия. Ж. Ж. Рапопорт и соавторы предлагают проводить сеансы лазерной терапии с помощью гелий-неонового лазера через световод, введенный по игле на границе здоровой и пораженной кожи. Сеанс длится 10 мин, доза — 4 Дж/смІ. Другая методика заключается в наружном облучении очагов поражения излучением мощностью 3–4 мВт/смІ с экспозицией 5–10 мин, курс — 30 сеансов.

Вирусные дерматозы. Достаточно успешно лазерная терапия применяется при опоясывающем лишае. А. А. Каламкарян и соавторы предложили дистанционное посегментарное облучение очагов гелий-неоновым лазером мощностью 20–25 мВт, при котором луч лазера перемещается по ходу нервных стволов и на места высыпаний. Сеансы проводятся ежедневно, длятся от 3 до 20 дней.

Витилиго. Для лечения витилиго применяют излучение гелий-неонового лазера и наружные фотосенсибилизаторы, например анилиновые красители. Непосредственно перед процедурой на очаги наносят раствор красителя (бриллиантовый зеленый, метиленовый синий, фукорцин), после чего проводят локальное облучение расфокусированным лазерным лучом мощностью 1–1,5 мВт/смІ. Продолжительность сеанса оставляет 3–5 мин, ежедневно, курс 15–20 сеансов, повторные курсы возможны через 3–4 нед.

Облысение. Применение лазера на парах меди в эксперименте, проводившемся на коже, по данным электронной микроскопии, выявило выраженное усиление пролиферативной и метаболической активности в эпидермоцитах, в том числе в волосяных фолликулах. Отмечено расширение микрососудов сосочкового слоя дермы. В соединительной ткани, в частности в фибробластах, обнаружено относительное нарастание объема внутриклеточных структур, связанных с синтезом коллагена. Зарегистрировано возрастание активности в нейтрофилах, эозинофилах, макрофагах и тучных клетках. Перечисленные изменения лежат в основе лечения облысения. Уже после 4–5-го сеанса лазерной терапии отмечается рост пушковых волос на голове.

Описанная выше техника лечения витилиго применяется также для лечения очагового облысения.

Рубцы. С помощью световой и электронной микроскопии изучались изменения, которые происходят в кожных рубцах в результате применения лазерного излучения у человека. Так, применение ультрафиолетового и гелий-неонового НИЛИ не вызывало существенных изменений вследствие неглубокого проникновения лазерной энергии. После использования излучения инфракрасного лазера растет число резорбирующих коллаген фибробластов, при этом коллагеновые волокна истончаются, несколько снижается число тучных клеток и выделение секреторных гранул. В некоторой степени увеличивается относительная объемная доля микрососудов.

При использовании НИЛИ для профилактики грубого рубцевания кожных хирургических ран выявлено снижение содержания активных фибробластов и, следовательно, коллагена.

Использование высокоинтенсивного лазерного излучения (ВИЛИ)

ВИЛИ получают с помощью СО2, Er:YAG-лазера и аргонового лазера. СО2-лазер в основном используется для лазерного удаления (деструкции) папиллом, бородавок, кондилом, рубцов и дермабразии; Er:YAG-лазер — для лазерного омолаживания кожи. Существуют также комбинированные СО2-, Er:YAG-лазерные системы.

Лазерная деструкция. ВИЛИ применяется в дерматологии и косметологии для деструкции новообразований, удаления ногтевых пластинок, а также для лазерной вапоризации папиллом, кондилом, невусов и бородавок. При этом мощность излучения может составлять от 1,0 до 10,0 Вт.

В клинической практике применяют неодимовый и СО2-лазеры. При применении СО2-лазера меньше повреждаются окружающие ткани, а неодимовый лазер обладает лучшим гемостатическим эффектом. Помимо того, что лазер физически удаляет поражения, исследования показали токсическое действие лазерного излучения на вирус папилломы человека (ВПЧ). Путем изменения мощности лазера, размера пятна и времени экспозиции можно контролировать глубину коагуляции. Для выполнения процедур необходим хорошо обученный персонал. При использовании лазеров требуется обезболивание, однако местной или локальной анестезии оказывается достаточно, что позволяет проводить процедуры в амбулаторных условиях. Однако 85% больных все равно отмечают легкую болезненность. Метод имеет примерно такую же эффективность, как электрокоагуляция, но менее болезнен, вызывает меньше послеоперационных побочных эффектов, включая менее выраженное рубцевание, дает хороший косметический эффект. Эффективность метода достигает 80–90% при терапии остроконечных кондилом.

Лазеротерапию можно успешно применять для лечения распространенных, устойчивых к другой терапии бородавок. При этом проводится несколько курсов лечения, что позволяет повысить процент излечения с 55 (после 1 курса) до 85%. Однако в особых случаях при многолетнем неэффективном лечении различными методами эффективность лазеротерапии оказывается не столь высока. Даже после многократных курсов лечения она позволяет прекратить рецидивирование примерно лишь у 40% больных. Тщательные исследования показали, что столь невысокий показатель связан с тем, что СО2-лазер неэффективен для устранения генома вируса из поражений, устойчивых к лечению (по данным ПЦР молекулярно-биологическое излечение наступает у 26% больных).

Лазерную терапию можно применять для лечения генитальных бородавок у подростков. Показана высокая эффективность и безопасность метода при лечении данного контингента пациентов, в большинстве случаев для излечения достаточно 1 процедуры.

Для уменьшения количества рецидивов остроконечных кондилом (частота рецидивов от 4 до 30%) рекомендуют применять после процедуры удаления лазерное «очищение» окружающей слизистой. При использовании методики «очищения» часто наблюдаются дискомфорт и болезненность. При наличии больших кондилом перед лазеротерапией рекомендуется их предварительное разрушение, в частности электрокаутером. Это, в свою очередь, позволяет избежать побочных эффектов, связанных с электрорезекцией. Возможной причиной рецидивов является сохранение генома ВПЧ в коже рядом с участками обработки, что было выявлено как после применения лазера, так и после электрохирургического иссечения.

Наиболее тяжелыми побочными эффектами лазерной деструкции являются: изъязвления, кровотечение, вторичное инфицирование раны. После лазерного иссечения бородавок осложнения развиваются у 12% больных.

Как и при использовании электрохирургических методов, происходит выделение ДНК ВПЧ с дымом, что требует соответствующих мер предосторожности во избежание заражения носоглотки врача. В то же время в некоторых исследованиях показано отсутствие различий в частоте выявления бородавок у хирургов, занимающихся лазеротерапией, в сравнении с другими группами населения. Не обнаружено существенных различий в частоте появления бородавок и между группами врачей, применявших и не применявших защитные средства и эвакуаторы дыма. Тем не менее, поскольку типы ВПЧ, вызывающие генитальные бородавки, способны инфицировать слизистую верхних дыхательных путей, лазерный дым, содержащий эти вирусы, опасен для хирургов, производящих вапоризацию.

Широкому распространению методов лазерной деструкции препятствует высокая стоимость качественного оборудования и необходимость подготовки опытного персонала.

Лазерная эпиляция. В основе лазерной эпиляции (термолазерной эпиляции) лежит принцип селективного фототермолиза. Световая волна со специально подобранными характеристиками проходит через кожу и, не повреждая ее, избирательно поглощается меланином, содержащимся в больших количествах в волосяных луковицах. Это вызывает нагрев волосяных луковиц (фолликулов) с последующей их коагуляцией и разрушением. Для разрушения фолликулов требуется, чтобы к корню волоса было подведено необходимое количество световой энергии. Для эпиляции используется излучение мощностью от 10,0 до 60,0 Вт. Так как волосы находятся в разных стадиях роста, то для полной эпиляции требуется несколько процедур. Они проводятся на любом участке тела, бесконтактно, не менее 3 раз с интервалом 1–3 мес.

Основными преимуществами лазерной эпиляции являются комфортность и безболезненность процедур, достижение стойкого и долговременного результата, безопасность, высокая скорость обработки (одним импульсом одновременно удаляются сотни фолликулов), неинвазивность, бесконтактность. Таким образом, этот метод на сегодня представляет собой самый эффективный и наиболее экономически выгодный способ эпиляции. Существенно снижает эффективность процедур длительное пребывание на солнце и загар (естественный или искусственный).

Лазерная дермабразия. Дермабразия — это снятие верхних слоев эпидермиса. После воздействия остается достаточно мягкий и безболезненный лазерный струп. В течение 1 мес после процедуры под струпом формируется новая молодая кожа. Применяется лазерная дермабразия для омолаживания кожи лица и шеи, сведения татуировок, шлифовки рубцов, а также в качестве лечения постакне у больных тяжелыми формами угревой болезни.

Лазерное омоложение кожи. С помощью лазера проводится точная и поверхностная абляция с минимальным тепловым повреждением и без кровотечений, что приводит к быстрому заживлению и исчезновению эритемы. Для этого используют в основном Er:YAG-лазеры, которые хороши для поверхностного омоложения кожи (в том числе у темнокожих пациентов). Аппараты позволяют проводить быстрое и равномерное сканирование кожи, а также выравнивать цветовые границы после обработки CO2-лазером.

Противопоказания к применению лазерной терапии

Лазерную терапию применяют с осторожностью у больных с онкологическими заболеваниями, сахарным диабетом, гипертонической болезнью и тиреотоксикозом в стадии декомпенсации, тяжелыми нарушениями сердечного ритма, стенокардией напряжения 3–4-го функциональных классов и недостаточностью кровообращения 2–3-й стадии, заболеваниями крови, угрозой кровотечения, активной формой туберкулеза, психическими болезнями, а также при индивидуальной непереносимости.

Таким образом, лазерное излучение является мощным вспомогательным средством в лечении больных различными дерматологическими заболеваниями и методом выбора в хирургической дерматологии и косметологии.

Қажетті материалды таппадың ба? Онда KazMedic авторларына тапсырыс бер

Механизмы действия высокоинтенсивного лазерного излучения на биологические ткани

error: Материал көшіруге болмайды!