Лазерный луч в медицине. Лазеры в современной медицине

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Принцип работы лазера

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

Рис. 1.

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

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

Применение лазеров в стоматологии

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

Ульяновский Государственный Университет

Факультет Трансферных специальностей

Реферат

По дисциплине:

“Концепции современного естествознания”

На тему:

“Лазер и его применение в медицине”

Выполнил:

Студент группы ФТС-17

Алешин Алексей

Ульяновск, 2009г.

1.Введение 3

2.Лазер 4

2.1 Устройство лазера 5

2.2 Классификация лазеров 9

3. Лазеры в медицине 10

3.1 Стоматология 11

3.2 Хирургия 15

3.3 Сосудистые заболевания кожи 16

3.4 Фотоомоложение кожи 17

3.5 Удаление татуировок и пигментных пятен 18

3.6 Применение лазера в лечении ЛОР-заболеваний 19

3.7 Офтальмология 20

4. Заключение 21

Источники 22

1.Введение

Уже самое начало XX века было отмечено величайшими достижениями человеческого ума. 7 мая 1895 г. на заседании Русского физико-химического общества А. С. Попов продемонстрировал изобретенное им устройство связи без проводов, а год спустя аналогичное устройство предложил итальянский техник и предприниматель Г. Маркони. Так родилось радио. В конце уходящего века был создан автомобиль с бензиновым двигателем, который пришел на смену изобретенному еще в XVIIIв. паровому автомобилю. К началу XX столетия уже действовали линии метро в Лондоне, Нью-Йорке, Будапеште, Вене. 17 декабря 1903 г. американские инженеры братья Орвилл и Уилбор Райт пролетели 260м на созданном ими первом в мире аэроплане, а через 12 лет русский инженер И.И.Сикорский сконструировал и построил первый в мире многомоторный самолет, дав ему имя «Илья Муромец». Не менее потрясающими оказались достижения в физике. Только за одно десятилетие на рубеже двух веков было сделано пять открытий. В 1895г. немецкий физик В. Рентген открыл новый вид излучения, названный позднее его именем; за это открытие он получил в 1901г. Нобелевскую премию, став, таким образом, первым в истории нобелевским лауреатом. В 1896г. французский физик Антуан Анри Беккерель открыл явление радиоактивности - Нобелевская премия 1903 г. В 1897г. английский физик Дж. Дж. Томсон открыл электрон и в следующем году измерил его заряд - Нобелевская премия 1906г. 14 декабря 1900г. на заседании Немецкого физического общества Макс Планк дал вывод формулы для испускательной способности черного тела; этот вывод опирался на совершенно новые идеи, ставшие фундаментом квантовой теории - одной из основных физических теорий XX века. В 1905 г. молодой Альберт Эйнштейн - ему тогда было всего 26 лет - опубликовал специальную теорию относительности. Все эти открытия производили ошеломляющее впечатление и многих повергали в замешательство - они никак не укладывались в рамки существовавшей физики, требовали пересмотра ее основных представлений. Едва начавшись, 20-й век возвестил о рождении новой физики, обозначил невидимую грань, за которой осталась прежняя физика, получившая название «классическая». И вот сегодня человек получил в своё распоряжение всемогущий луч лазера. На что употребит он это новое завоевание ума? Чем станет лазер: универсальным инструментом, надёжным помощником или, напротив, грозным космическим оружием, ещё одним разрушителем?

2. Лазер

Ла́зер (англ.laser , сокр. от L ight A mplification by S timulated E mission of R adiation - «усиление света посредством вынужденного излучения»), опти́ческий ква́нтовыйгенера́тор - устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения. Физической основой работы лазера служит квантовомеханическое явление вынужденного (индуцированного) излучения. Луч лазера может быть непрерывным, с постоянной амплитудой, или импульсным, достигающим экстремально больших пиковых мощностей. В некоторых схемах рабочий элемент лазера используется в качестве оптического усилителя для излучения от другого источника. Существует большое количество видов лазеров, использующих в качестве рабочей среды все агрегатные состояния вещества. Некоторые типы лазеров, например лазеры на растворах красителей или полихроматические твердотельные лазеры, могут генерировать целый набор частот (мод оптического резонатора) в широком спектральном диапазоне. Габариты лазеров разнятся от микроскопических для ряда полупроводниковых лазеров до размеров футбольного поля для некоторых лазеров на неодимовом стекле. Уникальные свойства излучения лазеров позволили использовать их в различных отраслях науки и техники, а также в быту, начиная с чтения и записи компакт-дисков и заканчивая исследованиями в области управляемого термоядерного синтеза. Физической основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения . Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией»). Таким образом происходит усиление света. Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайное направление распространения, поляризацию и фазу.

Гелий-неоновый лазер. Светящийся луч в центре - это не собственно лазерный луч, а электрический разряд, порождающий свечение, подобно тому, как это происходит в неоновых лампах. Луч проецируется на экран справа в виде светящейся красной точки. Вероятность того, что случайный фотон вызовет индуцированное излучение возбуждённого атома в точности равняется вероятности поглощения этого фотона атомом, находящимся в невозбуждённым состоянии. Поэтому для усиления света необходимо, чтобы возбуждённых атомов в среде было больше, чем невозбуждённых (так называемая инверсия населённостей). В состоянии термодинамического равновесия это условие не выполняется, поэтому используются различные системы накачки активной среды лазера (оптические, электрические, химические и др.). Первоисточником генерации является процесс спонтанного излучения, поэтому для обеспечения преемственности поколений фотонов необходимо существование положительной обратной связи, за счёт которой излучённые фотоны вызывают последующие акты индуцированного излучения. Для этого активная среда лазера помещается в оптический резонатор. В простейшем случае он представляет из себя два зеркала, одно из которых полупрозрачное - через него луч лазера частично выходит из резонатора. Отражаясь от зеркал, пучок излучения многократно проходит по резонатору, вызывая в нём индуцированные переходы. Излучение может быть как непрерывным, так и импульсным. При этом, используя различные приборы (вращающиеся призмы, ячейки Керра и др.) для быстрого выключения и включения обратной связи и уменьшения тем самым периода импульсов, возможно создать условия для генерации излучения очень большой мощности (так называемые гигантские импульсы. Этот режим работы лазера называют режимом модулированной добротности. Генерируемое лазером излучение является монохроматическим (одной или дискретного набора длин волн), поскольку вероятность излучения фотона определённой длины волны больше, чем близко расположенной, связанной с уширением спектральной линии, а, соответственно, и вероятность индуцированных переходов на этой частоте тоже имеет максимум. Поэтому постепенно в процессе генерации фотоны данной длины волны будут доминировать над всеми остальными фотонами. Кроме этого, из-за особого расположения зеркал в лазерном луче сохраняются лишь те фотоны, которые распространяются в направлении, параллельном оптической оси резонатора на небольшом расстоянии от неё, остальные фотоны быстро покидают объём резонатора. Таким образом луч лазера имеет очень малый угол расходимости. Наконец, луч лазера имеет строго определённую поляризацию. Для этого в резонатор вводят различные поляроиды, например, ими могут служить плоские стеклянные пластинки, установленные под углом Брюстера к направлению распространения луча лазера.

2.1 Устройство лазера.

Все лазеры состоят из трёх основных частей:

• активной (рабочей) среды;
• системы накачки (источник энергии);
• оптического резонатора (может отсутствовать, если лазер работает в режиме усилителя).

Каждая из них обеспечивает для работы лазера выполнение своих определённых функций.

Активная среда

В настоящее время в качестве рабочей среды лазера используются все агрегатные состояния вещества: твёрдое, жидкое, газообразное и даже плазма. В обычном состоянии число атомов, находящихся на возбуждённых энергетических уровнях определяется распределением Больцмана:

здесь N - число атомов, находящихся в возбуждённом состоянии с энергией E , N 0 - число атомов, находящихся в основном состоянии, k - постоянная Больцмана, T - температура среды. Иными словами таких атомов очень мало, поэтому вероятность того, что фотон, распространяясь по среде вызовет вынужденное излучение также очень мала по сравнению с вероятностью его поглощения. Поэтому электромагнитная волна, проходя по веществу, расходует свою энергию на возбуждение атомов. Интенсивность излучения при этом падает по закону Бугера:

здесь I 0 - начальная интенсивность, I l - интенсивность излучения, прошедшего расстояние l в веществе, a 1 - коэффициент поглощения вещества. Поскольку зависимость экспоненциальная, излучение очень быстро поглощается.

В том случае, когда число возбуждённых атомов больше, чем невозбуждённых (то есть в состоянии инверсии населённостей), ситуация прямо противоположна. Акты вынужденного излучения преобладают над поглощением, и излучение усиливается по закону:

где a 2 - коэффициент квантового усиления. В реальных лазерах усиление происходит до тех пор пока величина поступающей за счёт вынужденного излучения энергии не станет равной величине энергии, теряемой в резонаторе. Эти потери связаны с насыщением метастабильного уровня рабочего вещества, после чего энергия накачки идёт только на его разогрев, а также с наличием множества других факторов (рассеяние на неоднородностях среды, поглощение примесями, неидеальностью отражающих зеркал, полезное и нежелательное излучение в окружающую среду и пр.).

Система накачки

Для создания инверсной населённости среды лазера используются различные механизмы. В твердотельных лазерах она осуществляется за счёт облучения мощными газоразрядными лампами-вспышками, сфокусированным солнечным излучением (так называемая оптическая накачка) и излучением других лазеров (в частности, полупроводниковых). При этом возможна работа только в импульсном режиме, поскольку требуются очень большие плотности энергии накачки, вызывающие при длительном воздействии сильный разогрев и разрушение стержня рабочего вещества. В газовых и жидкостных лазерах (см. гелий-неоновый лазер, лазер на красителях) используется накачка электрическим разрядом. Такие лазеры работают в непрерывном режиме. Накачка химических лазеров происходит посредством протекания в их активной среде химических реакций. При этом инверсия населённостей возникает либо непосредственно у продуктов реакции, либо у специально введённых примесей с подходящей структурой энергетических уровней. Накачка полупроводниковых лазеров происходит под действием сильного прямого тока через p-n переход, а также пучком электронов. Существуют и другие методы накачки (газодинамические, заключающиеся в резком охлаждении предварительно нагретых газов; фотодиссоциация, частный случай химической накачки и др.).

На рисунке: а - трёхуровневая и б - четырехуровневая схемы накачки активной среды лазера.

Классическая трёхуровневая система накачки рабочей среды используется, например, в рубиновом лазере. Рубин представляет из себя кристаллкорунда Al 2 O 3 , легированный небольшим количеством ионовхрома Cr 3+ , которые и являются источником лазерного излучения. Из-за влияния электрического полякристаллической решётки корунда внешний энергетический уровень хрома E 2 расщеплён (см. эффект Штарка). Именно это делает возможным использование немонохроматического излучения в качестве накачки. При этом атом переходит из основного состояния с энергией E 0 в возбуждённое с энергией около E 2 . В этом состоянии атом может находиться сравнительно недолго (порядка 10 −8 с), почти сразу происходит безизлучательный переход на уровень E 1 , на котором атом может находиться значительно дольше (до 10 −3 с), это так называемый метастабильный уровень. Возникает возможность осуществления индуцированного излучения под воздействием других случайных фотонов. Как только атомов, находящихся в метастабильном состоянии становится больше, чем в основном, начинается процесс генерации.

Следует отметить, что создать инверсию населённостей атомов хрома Cr с помощью накачки непосредственно с уровня E 0 на уровень E 1 нельзя. Это связано с тем, что если поглощение и вынужденное излучение происходят между двумя уровнями, то оба эти процесса протекают с одинаковой скоростью. Поэтому в данном случае накачка может лишь уравнять населённости двух уровней, чего недостаточно для возникновения генерации.

В некоторых лазерах, например в неодимовом, активной средой которого является специальный сорт стекла, легированный ионами неодима Nd 3+ , используется четырехуровневая схема накачки. Здесь между метастабильным E 2 и основным уровнем E 0 имеется промежуточный - рабочий уровень E 1 . Вынужденное излучение происходит при переходе атома между уровнями E 2 и E 1 . Преимуществом этой схемы является то, что порог генерации достигается, когда населённость метастабильного уровня становится больше населённости рабочего уровня, которая незначительна в состоянии термодинамического равновесия, поскольку последний находится достаточно далеко от основного уровня. Это значительно снижает требования к источнику накачки. Кроме того, подобная схема позволяет создавать мощные лазеры, работающие в непрерывном режиме, что очень важно для некоторых применений.

Оптический резонатор

В ширину спектральной линии , изображённой на рисунке зелёным цветом, укладывается три собственных частоты резонатора . В этом случае генерируемое лазером излучение будет трехмодовым . Для фиолетовой линии излучение будет чисто монохроматическим .

Зеркала лазера не только обеспечивают существование положительной обратной связи, но и работают как резонатор, усиливая одни генерируемые лазером моды, соответствующие стоячим волнам данного резонатора, и ослабляя другие. Если на оптической длинеL резонатора укладывается целое (в смысле «не дробное») число полуволн n :

то такие волны, проходя по резонатору не меняют своей фазы и вследствие интерференции усиливают друг друга. Все остальные, близко расположенные волны, постепенно гасят друг друга. Таким образом спектр собственных частот оптического резонатора определяется соотношением:

здесь c - скорость света в вакууме. Интервалы между соседними частотами резонатора одинаковы и равны:

Линии в спектре излучения в силу различных причин (доплеровское уширение, внешние электрические и магнитное поля, квантовомеханическое эффекты и др.) всегда имеют определённую ширину . Поэтому могут возникать ситуации, когда на ширину спектральной линии укладывается несколько собственных частот резонатора. В этом случае излучение лазера будет многомодовым. Синхронизация этих мод позволяет добиться того, чтобы излучение представляло собой последовательность коротких и мощных импульсов. Если же , то в излучении лазера будет присутствовать только одна частота, в данном случае резонансные свойства системы зеркал слабо выражены на фоне резонансных свойств спектральной линии. При более строгом расчёте необходимо учитывать, что усиливаются волны, распространяющиеся не только параллельно оптической оси резонатора, но и под малым углом к ней. Условие усиления тогда принимает вид:

Это приводит к тому, что интенсивность пучка лучей лазера различна в разных точках плоскости, перпендикулярной этому пучку. Здесь наблюдается система светлых пятен, разделённых тёмными узловыми линиями. Для устранения этих нежелательных эффектов используют различные диафрагмы, рассеивающие нити, а также применяют различные схемы оптических резонаторов.

2.2 Классификация лазеров:

· Твердотельные лазеры на люминесцирующихтвёрдых средах (диэлектрическиекристаллы и стёкла). В качестве активаторов обычно используются ионыредкоземельных элементов или ионы группы железа Fe. Накачка оптическая и от полупроводниковых лазеров, осуществляется по трёх- или четырехуровневой схеме. Современные твердотельные лазеры способны работать в импульсном, непрерывным и квазинепрерывном режимах.

· Полупроводниковые лазеры. Формально также являются твердотельными, но традиционно выделяются в отдельную группу, поскольку имеют иной механизм накачки (инжекция избыточных носителей заряда через p-n переход или гетеропереход, электрический пробой в сильном поле, бомбардировка быстрыми электронами), а квантовые переходы происходят между разрешёнными энергетическими зонами, а не между дискретными уровнями энергии. Полупроводниковые лазеры - наиболее употребительный в быту вид лазеров. Кроме этого применяются в спектроскопии, в системах накачки других лазеров, а также в медицине (см. фотодинамическая терапия).

· Лазеры на красителях. Тип лазеров, использующий в качестве активной среды раствор флюоресцирующих с образованием широких спектроворганических красителей. Лазерные переходы осуществляются между различными колебательными подуровнями первого возбуждённого и основного синглетных электронных состояний. Накачка оптическая, могут работать в непрерывном и импульсном режимах. Основной особенностью является возможность перестройки длины волны излучения в широком диапазоне. Применяются в спектроскопических исследованиях.

· Газовые лазеры - лазеры, активной средой которых является смесь газов и паров. Отличаются высокой мощностью, монохроматичностью, а также узкой направленностью излучения. Работают в непрерывном и импульсном режимах. В зависимости от системы накачки газовые лазеры разделяют на газоразрядные лазеры, газовые лазеры с оптическим возбуждением и возбуждением заряженными частицами (например, лазеры с ядерной накачкой, в начале 80-х проводились испытания систем противоракетной обороны на их основе, однако, без особого успеха), газодинамические и химические лазеры. По типу лазерных переходов различают газовые лазеры на атомных переходах, ионные лазеры, молекулярные лазеры на электронных, колебательных и вращательных переходах молекул и эксимерные лазеры.

· Газодинамические лазеры - газовые лазеры с тепловой накачкой, инверсия населённостей в которых создаётся между возбуждёнными колебательно-вращательными уровнями гетероядерных молекул путём адиабатического расширения движущейся с высокой скоростью газовой смеси (чаще N 2 +CO 2 +He или N 2 +CO 2 +Н 2 О, рабочее вещество - CO 2).

· Эксимерные лазеры - разновидность газовых лазеров, работающих на энергетических переходах эксимерных молекул (димерахблагородных газов, а также их моногалогенидов), способных существовать лишь некоторое время в возбуждённом состоянии. Накачка осуществляется пропусканием через газовую смесь пучка электронов, под действием которых атомы переходят в возбуждённое состояние с образованием эксимеров, фактически представляющих из себя среду с инверсией населённостей. Эксимерные лазеры отличаются высокими энергетическими характеристикам, малым разбросом длины волны генерации и возможности её плавной перестройки в широком диапазоне.

· Химические лазеры - разновидность лазеров, источником энергии для которых служат химические реакции между компонентами рабочей среды (смеси газов). Лазерные переходы происходят между возбуждёнными колебательно-вращательными и основными уровнями составных молекул продуктов реакции. Для осуществления химических реакций в среде необходимо постоянное присутствие свободных радикалов, для чего используются различные способы воздействия на молекулы для их диссоциации. Отличаются широким спектром генерации в ближней ИК-области, большой мощностью непрерывного и импульсного излучения.

· Лазеры на свободных электронах - лазеры, активной средой которых является поток свободных электронов, колеблющихся во внешнем электромагнитном поле (за счёт чего осуществляется излучение) и распространяющихся с релятивистской скоростью в направлении излучения. Основной особенностью является возможность плавной широкодиапазонной перестройки частоты генерации. Различают убитроны и скаттроны, накачка первых осуществляется в пространственно-периодическом статическом поле ондулятора, вторых - мощным полем электромагнитной волны. Существуют также мазеры на циклотронном резонансе и строфотроны, основанные на тормозном излучении электронов, а также флиматроны, использующие эффект черенковского и переходного излучений. Поскольку каждый электрон излучает до 10 8 фотонов, лазеры на свободных электронах являются, по сути, классическими приборами и описываются законами классической электродинамики.

· Квантовые каскадные лазеры − полупроводниковые лазеры, которые излучают в среднем и дальнем инфракрасном диапазоне. В отличие от обычных полупроводниковых лазеров, которые излучают посредством вынужденных переходов между разрешенными электронными и дырочными уровнями, разделенными запрещенной зонойполупроводника, излучение квантовых каскадных лазеров возникает при переходе электронов между слоями гетероструктуры полупроводника и состоит из двух типов лучей, причем вторичный луч обладает весьма необычными свойствами и не требует больших затрат энергии.

· Другие виды лазеров, развитие принципов которых на данный момент является приоритетной задачей исследований (рентгеновские лазеры, гамма-лазеры и др.).

3. Лазеры в медицине

С появлением промышленных лазеров наступила новая эра в хирургии. При этом пригодился опыт специалистов по лазерной обработке металла. Приваривание лазером отслоившейся сетчатки глаза - это точечная контактная сварка; лазерный скальпель - автогенная резка; сваривание костей - стыковая сварка плавлением; соединение мышечной ткани - тоже контактная сварка. Для того чтобы лазерное излучение оказало какое-либо действие, надо, чтобы ткань его поглощала. Самый популярный лазер в хирургии - углекислотный. Другие лазеры монохроматичны, то есть нагревают, разрушают или сваривают только некоторые биологические ткани с вполне определенной окраской. Например, луч аргонового лазера свободно проходит через матовое стекловидное тело и отдает свою энергию сетчатке, цвет которой близок к красному. Углекислотный лазер пригоден в большинстве случаев, например когда нужно рассечь или приварить друг к другу ткани разного цвета. Однако при этом возникает другая проблема. Ткани насыщены кровью и лимфой, содержат много воды, а излучение лазера в воде теряет энергию. Увеличить энергию лазерного луча можно, но это может привести к прожигу тканей. Создателям хирургических лазеров приходится прибегать к всевозможным уловкам, что сильно удорожает аппаратуру. Специалистам по сварке металлов давно известно, что при резке пакета тонких металлических листов необходимо, чтобы они плотно прилегали друг к другу, а при точечной контактной сварке для тесного контакта свариваемых деталей необходимо дополнительное давление. Этот метод был использован и в хирургии: профессор О. И. Скобелкин и его соавторы предложили при сварке тканей слегка их сдавливать, чтобы вытеснить кровь. Для осуществления нового способа был создан целый набор инструментов, который применяется сегодня в желудочно-кишечной хирургии, при операциях на желчных путях, селезенке, печени, легких.

3.1 Стоматология

Анализ литературных данных по лечению заболеваний слизистой оболочки рта и пародонта показывает, что некоторые средства, особенно антибиотики и стероидные препараты, изменяют окислительно-восстановительный потенциал слюны, ослабляют активность лизоцима, способствуют развитию аллергических реакций, обусловливают снижение резистентности организма к патогенным воздействиям. Все это затрудняет течение и лечение патологического процесса в слизистой оболочке рта и пародонте. Эти факторы вызывают необходимость изыскания новых методов лечения – без применения лекарственных средств. Одним из них является физиотерапия, а среди наиболее эффективных – низкоинтенсивное лазерное излучение. Лазерное излучение достоверно повышает пролиферативную активность клеток в 1,3-3,5 раза. Было установлено, что НИЛИ оказывает на травматический дефект слизистой оболочки рта противовоспалительное действие, способствует ускорению эпителизации и органоспецифическому восстановлению тканей слизистой оболочки а области дефекта. Такой эффект, в первую очередь, обусловлен интенсификацией синтеза ДНК клетках. Установлено, что в момент облучения интенсивность кровоснабжения возрастает на 20%. Оптимальная вазоконстрикторная доза облучения составляла 100 мВт/см 2 (для ГНЛ) при экспозиции 2 мин (12 Дж/см 2) [. Александров М.Т, Прохончуков А.А., 1981]. С развитием констрикторной реакции некоторые исследователи связывают и аналгезирующий эффект лазерного облучения, наблюдаемый в клинике. В эксперименте на модели посттравматической регенерации слизистой оболочки языка отмечена более быстрая и лучшая эпителизация раны после воздействия светом гелий-неонового лазера (плотность мощности 200 мВт/см 2 при однократном и 1 мВт/см 2 при ежедневном воздействии) [Виноградов А.В. и др.,1990]. Исследования ультраструктуры десны после 1, 3 и 6 сеансов ежедневного облучения светом ГНЛ, показали наличие выраженной реакции со стороны основных элементов десны. В эпителиальных клетках рогового слоя увеличивается количество светлых вакуолей и сильно осмированных глыбок, а в зернистом слое – число осмированных гранул. В мышечных волокнах появляется большое количество митохондрий, в кровеносных сосудах определяются скопления эритроцитов. Все это указывает на усиление синтеза веществ в клетках под влиянием НИЛИ [Зазулевская Л.Я. и др., (1990)]. По итогам проведенных исследований определены спектр действия и параметры для непрерывного излучения с длиной волны 0,63 мкм (лазерная головка КЛО4 для АЛТ «Матрикс»), оказывающие противовоспалительный (сосудистый), стимулирующий клеточную пролиферацию и ингибирующий эффекты. Так, стимуляция клеточной пролиферации наблюдается при плотности мощности от 10 до 100 мВт/см 2 , экспозиции на одно поле от 30 с до 5 мин; противовоспалительное и аналгезирующее действие – при плотности мощности 100-200 мВт/см 2 , экспозиции на одно поле 2-5 мин; ингибирующее действие – при плотности мощности 100-400 мВт/см 2 и экспозиции 1-6 мин. Следует отметить, что указанные величины плотности мощности лазерного излучения достигаются с помощью специальных световодов. Импульсные полупроводниковые лазеры, в частности излучающие головки инфракрасного спектра (ЛО4) к АЛТ «Матрикс», позволяют в большинстве случаев обходиться и без световодов. Когда воздействие проводится на проекцию зоны поражения с применением зеркальных и зеркально-магнитных насадок. Это зачастую эффективнее и не требует таких высоких плотностей мощности. Особенности импульсного инфракрасного (ИК) излучения позволяют реализовать методики лазерной терапии с более высокой эффективностью при значительно меньшей энергетической нагрузке (плотности мощности). Показано, что лазерное импульсное ИК излучение стимулирует процессы пролиферативной активности клеточных структур в дозе от 0,03-0,86 Дж/см 2 с максимальным эффектом при дозе 0,22 Дж/см 2 . Тогда как для ГНЛ (непрерывное излучение красного спектра) максимальный эффект достигается при 3 Дж/см 2 . Применение же в комплексном лечении больных с одонтогенными флегмонами лица сочетанноговоздействия излучениями обоих видов позволяет получить наилучшие результаты лечения, сократить продолжительность нетрудоспособности в среднем на 8 суток [Платонова В.В., 1990]. Импульсное ИК лазерное излучение в сочетании постоянным с магнитным полем 35-50 мТл можно эффективно использовать на всех этапах ортодонтического лечения. Отсутствие осложнений и рецидивов, повышение производительности труда врачей и среднего медицинского персонала в целом дает общий экономический эффект 36-43% [Кузнецова М.А., 2000]. Применение низкоинтенсивного импульсного лазерного света за счет общего (общеоздоровительного) действия расширяет показания для ортодонтического лечения зубочелюстных аномалий:

· при различных неблагоприятных условиях (гингивиты при тесном положении зубов, недостаточной гигиене полости рта, ювенильные, травматические; пародонтиты);

· при выраженных воспалительно-дистрофических осложнениях в пародонте перемещаемых зубов, а также у ослабленных детей с нарушением иммунного статуса (иммунодефициты, аллергические явления, сенсибилизация, гормонально-иммунологические расстройства и т. П.);

· при подготовке к активному ортодонтическому лечению. НИЛИ статистически достоверно позволяет купировать воспалительные процессы в 1,6 раз быстрее (в среднем на 4-6 дней) по сравнению с традиционными способами, что в свою очередь сокращает подготовительный этап в 2,3 раза, создавая оптимальные условия для начала ортодонтического лечения;

· при удалении отдельных постоянных зубов по ортодонтическим показаниям, обнажении коронок ретенированных зубов, пластике уздечки языка и уздечек губ, углублении преддверия полости рта. Применение низкоинтенсивного импульсного ИК НИЛИ в противовоспалительных и стимулирующих регенерацию дозах позволяет ускорить заживление послеоперационных ран мягких тканей полости рта без образования тяжей и рубцовых изменений в среднем на 4-5 дней по сравнению с обычными способами;

· при устранении зубочелюстных аномалий с применением современной несъемной техники лазерная терапия позволяет ликвидировать болевой синдром после фиксации и активирования элементов аппарата, предотвратить возможное ответное травматическое воспаление в области приложения ортодонтических сил, облегчая период физиологической и психологической адаптации к ортодонтическому аппарату и сокращая (в среднем на 6±1,2 месяца по сравнению с обычными способами) общие сроки лечения.

ЛТ, обеспечивая надежную ретенцию, статистически достоверно дает возможность фиксировать в нужном положении перемещенные зубы и сокращать завершающий период лечения (в среднем на 4-6 месяцев), ускоряет прорезывание задержавшихся в челюсти зубов в 4,7 раза без оперативного вмешательства, нередко являющегося методом выбора. Одновременное сочетанное применение низкоинтенсивного импульсного ИК НИЛИ и постоянного магнитного поля существенно повышает профилактическую и лечебную эффективность перемещения зачатков задержавшихся зубов (изменения положения их в челюсти и установление в направлении прорезывания) и ускоряет их прорезывание в 5,3 раза без оперативного вмешательства. Перечисленные свойства лазерного излучения позволяют дифференцированно применять его в стоматологии при заболеваниях слизистой оболочки рта, которые сопровождаются деструкцией эпителия, замедленной регенерацией, воспалением, болевым синдромом, а также при поражениях вирусного генеза (фотодинамическое действие). При воспалении излучение лазера вызывает общий и местный эффекты. Общие эффекты выражаются в увеличении неспецифических гуморальных факторов защиты (комплемент, интерферон, лизоцим), общей лейкоцитарной реакции, стимуляции костномозгового кроветворения, повышении фагоцитарной активности микро- и макрофагальной систем. Возникает десенсибилизирующий эффект, происходят активация иммунокомпетентной системы, клеточной и гуморальной специфической иммунологической защиты, повышение общих защитно-приспособительных реакций организма. Местные эффекты определяются основными элементами воспалительной реакции: экссудация, альтерация, пролиферация. Экссудация: дилатация сосудов, активация микроциркуляции с последующей вазоконстрикцией – предотвращение развития фазовых нарушений микроциркуляции и нормализация кровообращения в сочетании с нормализацией проницаемости сосудистой стенки (сосудисто-тканевого барьера), уменьшение отека ткани. Под влиянием излучения НИЛИ происходит оптимальное формирование нейтрофильного и моноцитарного барьеров, повышение фагоцитарной активности микро- и макрофагов, продукции бактерицидных субстанций и стимуляторов роста, стимуляция пролиферации, активация барьерных свойств слизистой оболочки рта. Альтерация: активация функций митохондрий и других органелл клеток, метаболизма с увеличением потребления кислорода и активацией тканевого дыхания. Одновременно подавляются анаэробные процессы, предотвращается развитие ацидоза и вторичных дистрофических изменений, в итоге облегчается регенерация поврежденных тканей. Пролиферация: стимуляция системы ДНК–РНК–белок, увеличение митотической (пролиферативной) активности клеток, активация реакции соединительной ткани. Морфологически клеточная реакция проявляется в ускорении и усилении образования фибробластического барьера (на фоне выделения стимуляторов роста), стимуляции образования грануляционной ткани, ускорении созревания фибробластов, активации образования коллагеновых волокон и созревания грануляционной ткани. В результате происходят быстрая и более физиологичная эпителизация, ускоренная и полноценная регенерация слизистой оболочки в области поражения. Терапевтическое действие (стимуляция) процессов регенерации ткани выражается в активации системы ДНК–РНК–белок, усилении синтеза нуклеиновых кислот и ядерных белков, возрастании массы ядра, увеличении синтеза цитоплазматических белков и накоплении их в период интерфазы до критического уровня. Происходят стимуляция митозов, ускоренное и увеличенное размножение клеток соединительной ткани, эпителия. Терапевтический эффект лазерного воздействия на ткани живого организма значительно усиливается в постоянном магнитном поле (ПМП) за счет усиления процессов метаболизма. Магнитолазерная терапия (МЛТ) была предложена в конце 70-х гг. и получила наибольшее распространение благодаря высокой терапевтической эффективности, обусловленной потенцированием действия магнитного поля и лазерного излучения [Мостовников В.А. и др., 1991; Полонский А.К. и др., 1981]. При сочетанном магнитолазерном воздействии, особенно при лечении глубоко расположенных патологических очагов, более эффективным является применение НИЛИ ближней инфракрасной части спектра (длина волны 0,8–1,3 мкм) по следующим объективным причинам. Во-первых, максимум пропускания кожными покровами человека электромагнитного излучения находится в этом диапазоне. Во-вторых, ПМП, ориентируя диполи в одну линию вдоль световой волны коллинеарно, способствует резонансному взаимодействию биологических структур и усиливает светопоглощение в ИК диапазоне. Импульсное ИК (λ = 0,89 мкм) лазерное излучение в большей степени влияет на стабильность клеточных мембран, тогда как в комбинации с ПМП этот фактор оказывает выраженное действие на микроциркуляторные процессы [Зубкова С.М. и др., 1991]. При проведении МЛТ применяют специальные магнитные насадки с оптимальной формой поля, что освобождает врача от необходимости учета специфического действия северного и южного полюсов магнита. Оптимальное время МЛТ составляет 1,5–2 мин при ПМП 15–75 мТл и мощности импульсного ИК НИЛИ 10–15 Вт; число процедур от 5 до 10. Для стимуляции периферического кровотока оптимальным является ПМП с индукцией 50 мТл. МЛТ оказывает гипокоагулирующее, мягкое седативное и гипотензивное действие, положительно влияет на отдельные компоненты иммунной системы [Буйлин В.А., 1997; Москвин С.В., Буйлин В.А., 2005]. Показания к лазеротерапии: пародонтит в стадии обострения, пародонтоз (гиперестезия), герпес губ и герпетический стоматит взрослых, синдром Мелькерссона-Розенталя, хронический рецидивирующий афтозный стоматит, десквамативный глоссит, хронический гингивит, язвенный гингивит, травматические повреждения слизистой оболочки рта, многоформная экссудативная эритема и др. Противопоказания: все формы лейкоплакии, а также явления пролиферативного характера на слизистой оболочке рта (папилломатоз, ограниченный гиперкератоз, ромбовидный глоссит); тяжело протекающие заболевания сердечно-сосудистой системы (атеросклеротический кардиосклероз с выраженным нарушением коронарного кровообращения, церебральный склероз с нарушением мозгового кровообращения II–Ш стадии), гипертоническая болезнь III стадии, гипотония; выраженная и тяжелая степень эмфиземы легких; туберкулезная интоксикация; опухоли злокачественные; доброкачественные опухоли при локализации в области головы и шеи; тяжелая степень сахарного диабета в некомпенсированном состоянии или при неустойчивой компенсации; заболевания крови; состояние после инфаркта миокарда (в течение 6 мес после эксцесса).

3.2 Хирургия

В настоящее время трудно представить прогресс в медицине без лазерных технологий, которые открыли новые возможности в разрешении многочисленных медицинских проблем.
Изучение механизмов воздействия лазерного излучения различных длин волн и уровней энергии на биологические ткани позволяет создавать лазерные медицинские многофункциональные приборы, диапазон применения которых в клинической практике стал настолько широким, что очень трудно ответить на вопрос: для лечения каких заболеваний лазеры не применяют? Развитие лазерной медицины идет по трем основным ветвям: лазерная хирургия, лазерная терапия и лазерная диагностика. Нашей областью деятельности являются лазеры для применений в хирургии и косметологии, имеющие достаточно большую мощность для разрезания, вапоризации, коагуляции и других структурных изменений в биоткани.

В ЛАЗЕРНОЙ ХИРУРГИИ

Применяются достаточно мощные лазеры со средней мощностью излучения десятки ватт, которые способны сильно нагревать биоткань, что приводит к ее резанию или испарению. Эти и другие характеристики хирургических лазеров обуславливают применение в хирургии различных видов хирургических лазеров, работающих на разных лазерных активных средах. Уникальные свойства лазерного луча позволяют выполнять ранее невозможные операции новыми эффективными и минимально инвазивными методами. Хирургические лазерные системы обеспечивают: эффективную контактную и бесконтактную вапоризацию и деструкцию биоткани;

• сухое операционное поле;
• минимальное повреждение окружающих тканей;
• эффективный гемо- и аэростаз;
• купирование лимфатических протоков;
• высокую стерильность и абластичность;
• совместимость с эндоскопическими и лапароскопическими инструментам

Это дает возможность эффективно использовать хирургические лазеры для выполнения самых разнообразных оперативных вмешательств в урологии, гинекологии, оториноларингологии, ортопедии, нейрохирургии и т. д. По нашему убеждению, наилучшим выбором для хирурга по своим физическим свойствам является гольмиевый лазер. Поэтому основное внимание мы уделяем именно Гольмиевым лазерам в хирургии.

КТР - лазер

Это хорошо известный неодимовый лазер на гранате (Nd:YAG), спаренный с нелинейным кристаллом титанил фосфата калия (КТР), который удваивает частоту излучаемого света до получения длины волны 532 нм, расположенной в зеленой области спектра. Лазерное лечение сосудистых нарушений основано на тепловом воздействии лазерного излучения на сосуды без изменения структуры прилегающих тканей. Зеленое излучение КТР-лазера проникает сквозь поверхностные слои кожи и хорошо поглощается гемоглобином крови. В результате в поврежденном кровеносном сосуде происходит выделение большого количества тепла, кровь свертывается, а внутренняя стенка разрушается. В дальнейшем патологический сосуд зарастает соединительной тканью, а кожа обретает естественный цвет. На практике при этом важно учитывать время тепловой релаксации сосуда, которое соответствует периоду, необходимому для передачи тепла за пределы сосуда. Это время зависит, прежде всего, от диаметра сосуда и может изменяться от 1 мс (для сосуда диаметром 50 мкм) до 80 мс (для сосуда диаметром 400 мкм). При облучении слишком короткими импульсами очень интенсивным лазером кровеносный сосуд поглощает достаточно большое количество энергии, которая не успевает рассеиваться. Из-за этого внутри сосуда значительно повышаются температура и давление, что приводит к разрыву его стенки и к микрокровоизлиянию. Клинически это проявляется в виде пурпуры или микрогеморрагий. С увеличением длительности лазерного импульса можно получить режим селективной коагуляции, когда при постепенном повышении температуры стенки сосуда происходит его спаивание и исчезновение. Длительность импульса при этом должна быть больше, чем время релаксации сосуда, но ограниченной, иначе большое количество тепла напрасно рассеивается наружу, и в обширной зоне окружающей дермы могут произойти значительные изменения. На месте лазерного воздействия восстанавливается естественный цвет кожного покрова. Ткани вокруг сосуда практически не поглощают излучение лазера и остаются неповрежденными, поэтому после операции не происходит образования рубцов.

3.4 Фотоомоложение кожи

При поглощении излучения КТР-лазера гемоглобином крови помимо фотокоагуляции кровеносных сосудов и очищения кожи от пигментных и васкулярных поражений можно получить и другой эффект - фотоомоложение кожи. Фотоомоложение - это видимое улучшение состояния кожи при помощи лазера или другого источника света. Что происходит непосредственно в коже при облучении ее мощными световыми импульсами? При поглощении света и нагревании стенок сосудов те в свою очередь передают тепло наружу. Селективное нагревание дермального коллагена (до температуры 55 град. С) вызывает стимуляцию в соединительной ткани особых клеток - фибробластов, которые начинают активно синтезировать новый коллаген. Таким образом, в увядающей коже возникают новые волокна коллагена и эластина, и она вновь обретает молодой, свежий вид. Синтез нового коллагена это биохимический процесс, требующий определенного времени, поэтому результат становится заметным не сразу. Всего может потребоваться 3 - 6 сеансов с интервалом в 3 недели. После курса процедур происходит улучшение цвета и структуры кожи, лицо подтягивается, улучшаются его контуры, сужаются поры. Благодаря общему лифтингу разглаживаются мелкие и средние морщины. Таким образом, фотоомоложение с помощью КТР-лазера - это новый и эффективный неинвазивный метод омоложения кожи с минимальным риском и без длительного периода восстановления для пациента.

Лазерная дермабразия - это:

• малая травматичность проводимых операций;
• минимальное тепловое повреждение и быстрое восстановление кожного покрова;
• минимальный риск послеоперационных рецидивов и осложнений;
• быстрое заживление ран

Механизм действия пилинга

Основан на способности кожи к быстрому самовосстановлению. Любое травмирующее воздействие - ожог, ссадина, порез - вызывает незамедлительную реакцию организма. При малейшей травме на защиту бросаются все силы - начинается процесс регенерации. Однако при восстановлении кожного покрова старые материалы не используются. Дело в том, что при травме происходит уничтожение деформированных клеток, а деятельность молодых и здоровых поощряется как никогда. Конечно, помимо регенерации в коже непрерывно протекают и другие процессы обновления. Это, например, программа деятельности кератиноцитов - основных клеток эпидермиса. По сути эпидермис состоит из слоев кератиноцитов разного возраста. И каждый слой выполняет свою физиологическую задачу (скажем, самый верхний роговой - это плотный защитный барьер из отмерших клеток). С годами в жизненной программе кератиноцитов могут начаться сбои, тогда клетки вместе с накопленными повреждениями задерживаются в промежуточном слое. Исходящий от них негатив (как инфекционные болезни) неминуемо сказывается на деятельности других клеток.
В результате замедляется клеточное деление в живых тканях (они истончаются), а роговой слой, наоборот, утолщается, придавая коже вид пергамента. В этой ситуации пилинг также сослужит хорошую службу, одновременно создавая предпосылки к тщательному очищению верхнего барьера и способствуя проведению контролируемого процесса обновления. Вызываемое отшелушивание кожи как искусственное повреждение эпидермиса, проводится по избирательно-бережным методикам, без боли и дискомфорта. Если регенерация происходит нормально, то кожа после реабилитации выглядит гораздо лучше. Ороговевший слой становится более тонким и однородным, а дерма упругой.

3.5 Удаление татуировок и пигментных пятен

Татуировки обычно легче сделать, чем удалить. Мода на татуировки прошла через многие страны. До 20 миллионов американцев имеют сейчас многоцветные украшения на различных частях тела, и опросы показывают, что по крайней мере половина из них хотят избавиться от этого легкомысленного поступка в молодости. Наша страна не испытала пока повального увлечения татуировкой, но не следует игнорировать опыт других. Существует много способов удаления красящего вещества из кожи, основанных на различных механизмах деструктивного воздействия. Все эти методы были основаны на одном принципе - удалении участков кожи с татуировкой: дермабразия кожи с помощью алмазной фрезы, хирургические иссечения, химическое удаление изображения путем инъекции специальных кислот, криохирургия. Однако косметический результат после такого удаления оставляет желать лучшего: слишком высока вероятность появления эстетически неприемлемых рубцов, которые могут оказаться еще более нежелательными, чем сама татуировка. Лазерное удаление татуировок За последние годы существенный прогресс приобрел метод лазерного выведения татуировок. За это время был получен огромный клинический материал, а лазерные методы стали наиболее продвинутыми, если не единственно приемлемыми с точки зрения получаемого косметического результата, способами выведения татуировок. Для разрушения красителей, составляющих основу татуировки, лазер должен излучать такой свет, который поглощается данным красителем. Для этого используется специальный режим работы лазера "с модуляцией добротности" (Q-switched), который позволяет добиться высокой мощности лазерных импульсов за счет укорочения их длительности. Для вывода излучения в таких лазерах используется шарнирный зеркальный световод, позволяющий доставить лазерное излучение к рабочему инструменту врача. Гранулы красителей тату избирательно поглощают лазерное излучение, разбиваются на мелкие фрагменты и постепенно выводятся через лимфатическую систему. По сравнению с другими методами лазерное удаление татуировок является более безопасным методом, так как лазерное излучение воздействует только на краситель, а не на окружающую кожу. Лазер позволяет выводить татуировки без рубцов и шрамов. Для полного выведения большинства татуировок и дермальных пигментаций требуется проведение 2 - 5 сеансов. Для выведения больших по площади татуировок может потребоваться более 10 сеансов. Количество сеансов зависит от нескольких факторов, таких как возраст татуировки, ее размеры и расположение, глубина, тип и цвет пигмента. Трудны для выведения зеленые и желтые татуировки. Обычно профессионально выполненные татуировки требуют больше сеансов по их удалению, чем любительские. Встречаются такие стойкие виды красителей, которые остаются видными после серии процедур, хотя и значительно обесцвечиваются. 3.6 Применение лазера в лечении ЛОР-заболеваний В настоящее время лазерное излучение все чаще и чаще находит применение в медицине, в том числе и влечении ЛОР-заболеваний. Положительные характеристики применения лазера состоят в том, что он уменьшает воспалительную реакцию, обладает выраженным анальгезирующим (обезболивающим) эффектом, а также при этом происходит более активное восстановление пораженной ткани. Применяемые в медицине режимы лазерного излучения не оказывают вредного влияния на организм в целом. Разрушение тканей лазером практически бескровно, что связано с коагуляцией (свертыванием) крови в просвете капилляров в зоне коагуляционного некроза и образованием так называемого лазерного тромба. Среди патологических состояний глотки, требующих лазерной коррекции наибольший интерес представляют различные новообразования, хронический гипертрофический боковой и гранулезный фарингит (воспаление глотки), остатки небных миндалин после перенесенной ранее тонзиллэктомии (удаления гланд) и ронхопатия. Применение лазера для лечения патологии глотки значительно эффективнее традиционных методов хирургии: вмешательство не дает осложнений в послеоперационном периоде, оно легко переносится больными, является максимально щадящим к тканям, не требует проведения антибактериальной и противовоспалительной терапии в послеоперационном периоде, не нарушает трудоспособность больных. Для эндоскопической коррекции патологии полости носа широко применяется диодный лазер. Он успешно используется для лечения таких заболеваний, как: хронический гипертрофический ринит, особенно при увеличении средних и задних концов носовых раковин, рубцовые процессы полости носа после перенесенных ранее хирургических вмешательств и травм, полипозный этмоидит (воспаление решетчатой пазухи, сочетающееся наличием в ее полости полипов), рецидивирующий полипоз носа, рецидивирующие носовые кровотечения, новообразования. Довольно широкое распространение в последнее время получила лазерная хирургия гортани. Лазер помогает справиться с такой патологией, как различные доброкачественные и злокачественные новообразования гортани, последствия хронических воспалительных заболеваний гортани, а также различные формы нарушения иннервации ее, т.е. параличи и парезы. Грануляции или рубцовые ткани гортани полностью "выпариваются" лазером. При этом для визуального контроля за процессом лазерной хирургии используется эндоскопическая техника. После такой операции, как трахеотомия, а также такой манипуляции, как интубация трахеи, при длительном нахождении канюли или интубационной трубки в гортани на ее поверхности может образоваться так называемая гранулема. Лечение постинтубационных и посттрахеотомических гранулем гортани и трахеи с помощью лазера также весьма эффективно, так как. в большинстве случаев позволяет полностью восстановить просвет дыхательных путей. Весьма успешно применение лазерной хирургии в лечении таких заболеваний уха, как: новообразования, посттравматические деформации, хронический гнойный средней отит. В хирургии ЛОР-болезней имеется большое количество методов и способов коррекции гиперпластических процессов, которые характеризуются разрастанием патологический ткани, а также сужений и различных дефектов наружного и среднего уха. Лазерная хирургия широко применяется и для лечения этой патологии. В области наружного слухового прохода наиболее часто встречаются папилломы и гемангиомы, которые легко удаляются лазером. Этим же методом лазерной хирургии проводится удаление полипов и грануляций (разрастаний соединительной ткани) из полости среднего уха с большими дефектами барабанной перепонки при таком заболевании, как хронический гнойный средний отит. Особое место в хирургии гиперпластических процессов наружного уха занимают келлоидные рубцы ушных раковин. Традиционная хирургия не способна полностью решить эту проблему. При этом отмечается большое число рецидивов. Введение в практику лазерной хирургии лечение келлоидных рубцов стало более эффективным. С помощью лазера и операционного микроскопа во многих случаях удается очень экономно иссечь келлоидный рубец с неплохим косметическим эффектом. При этом риск рецидива в послеоперационном периоде низок. Весьма ценным эндоскопические вмешательства с применением лазера оказываются при микрохирургических операциях в барабанной полости, когда необходимо с большой точностью удалять микроскопические участки патологических тканей, не разрушая при этом целостности тонких анатомических структур среднего и внутреннего уха. Некоторые из нас страдают от постоянного покраснения глаз (когда видны красные вены), даже если Вы хорошо выспались! Некоторые пытаются применить различные медицинские препараты, но безуспешно. Причем, мы уверены, что сами покраснения не вызваны сухостью глаз либо аллергической реакцией на какой-то продукт. Что говорят по этому поводу ведущие офтальмологи... 3.7 Офтальмология Во-первых, всем необходимо знать, что если видны красные венки в глазу - это вполне нормальное явление, и из этого ненужно делать трагедию! Некоторые, как только видят красные венки, пытаются применять различные препараты, которые "обещают" справиться с данной проблемой, и забывают проконсультироваться с врачом. Но как утверждают специалисты, применение некоторых препаратов (к примеру, известный всем Visin) которые уменьшают венки, делают их менее заметными, способно привести к совершенно обратному результату: по завершению применения препарата вены могут еще больше расшириться и стать более заметными. Расширение вен - это вечная проблема, с которой сталкиваются люди, которые постоянно применяют (злоупотребляют!) какие-то глазные медицинские препараты. Причины постоянной красноты глаз: Хроническая краснота глаз может быть вызвана определенным видом раздражения. Наиболее часто покраснение глаз вызывает их сухость и аллергия. Сухость глаз не всегда способна вызывать их покраснение. Кроме того, с сухостью глаз (на ранней и средней стадии) отлично справляются специальные капли против сухости глаз. Для людей, страдающих от тяжелой формы сухости глаз, в клинике предлагают специальную процедуру (пунктационная обтурация). При данной процедуре, небольшая пластиковая "пробка", напоминающая миниатюрную метку для мяча в гольфе, помещается в одни из двух каналов, который проходит от глаза к носу. Эта перегородка препятствует попаданию слезы в нос, тем самым, задерживая ее дольше в самом глазу. Аллергия - еще одна типичная причина красноты глаз. Самое оптимальное лечение красноты глаз аллергического происхождения - содержать пациента в таких условиях, где бы не было предметов, способных вызвать аллергию. Однако, как известно, порой бывает очень сложно определить, чем же вызвана аллергия. Порой аллергию могут спровоцировать линзы, которые Вы носите. На рынке имеются медицинские препараты, которые снижают некоторые аллергические реакции. Если краснота вызвана линзами, то на сегодняшний день есть такая услуга как лечение лазером. В итоге, зрение практически полностью восстанавливается, и отпадает всякая необходимость в использовании линз либо очков. Краснота глаз может быть также вызвана большой нагрузкой на глаза, просиживанием часами у компьютера, нехваткой витамина А. В любом случае, перед тем как принять те или иные капли, снимающие красноту глаз, следует непременно проконсультироваться с врачом, пройти обследование и лишь затем отправляться в аптеку за медикаментами. 4. Заключение Свет использовался для лечения разнообразных болезней испокон веков. Недаром Эскулап – бог медицины – был сыном бога света Феба Аполлона. Древние греки и римляне часто «принимали солнце» в качестве лекарства. И список болезней, которые приписывалось лечить светом, был достаточно велик. В наше время лазер важный прибор, без которого мы непредставляем своей жизни. Наука развивается широкими шагами. Нам надо только следить за ее успехами и применять достижения в повседневной жизни. Одно из главный новшеств в медицине, связано с лазерами. Ведь теперь с их помощью можно проводить операции без больших разрезов, без боязни занести инфекцию. Такой вид лечения позволит больным принимать меньше таблеток и препаратов, что позволит уменьшить нагрузку на их печень и почки. В конце я бы хотел сказать, что у меня есть надежда, что в будущем, если мне понадобится медицинская помощь, то она будет оказываться с помощью лазера. Список литературы: 1.Бруннер В. Справочник по лазерной технике: Пер. с нем. . - М.: Энергоатомиздат, 1991 2.Звелто О. Принципы лазеров . - М.: Мир, 1990 3.Тарасов Л.В. Физика процессов в генераторах когерентного оптического излучения . - М.: Радио и связь, 1981

ЛАЗЕРЫ в медицине

Лазер - устройство для получения узких пучков световой энергии высокой интенсивности. Лазеры были созданы в 1960 г. , СССР) и Ч. Таунсом (США), удостоенными за это открытие Нобелевской пре-мдп 1964 г. Существуют различные типы лазеров - газовые, жидкостные и работающие на твердых телах. Лазерное излучение может быть непрерывным и импульсным.

Сам термин “лазер”- это аббревиатура от английского “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”, т. е. “усиление света вынужденным излучением”. Из физики известно, что “лазер - это источник когерентного электромагнитного излучения, возникающего в результате вынужденного испускания фотонов активной средой, находящейся в оптическом резонаторе". Для лазерного излучения характерна монохроматичность, высокая плотность и упорядоченность потока световой энергии. Многообразие используемых в наши дни источников такого излучения определяет разнообразие областей применения лазерных установок.

В медицину лазеры вошли в конце 1960-х годов. Вскоре сформировались три направления лазерной медицины, различие между которыми определялось мощностью светового потока лазера (и, как следствие, видом его биологического воздействия). Излучение низкой мощности (мВт) в основном используется в терапии крови, средней мощности (Вт) – в эндоскопии и фотодинамической терапии злокачественных опухолей, а высокой Вт) – в хирургии и косметологии . Хирургическое применение лазеров (т. н. “лазерные скальпели”) основано на прямом механическом воздействии высокоинтенсивного излучения, которое позволяет резать и “сваривать” ткани. Тот же эффект лежит в основе применения лазеров в косметологии и эстетической медицине (в последние годы наряду со стоматологией одна из самых прибыльных отраслей здравоохранения). Однако у биологов наибольший интерес вызывает феномен терапевтического воздействия лазеров. Известно, что низкоинтенсивное лазерное воздействие приводит к таким положительным эффектам, как повышение тонуса, устойчивость к стрессам, улучшение работы нервной, имунной эндокринной систем, устранению ишемических процессов, заживлению хронических язв и многим другим... Лазерная терапия, безусловно, высокоэффективна, но, что удивительно, до сих пор нет четкого представления об ее биологических механизмах! Ученые пока лишь разрабатывают модели, объясняющие этот феномен. Так, известно, что низкоинтенсивное лазерное излучение (НИЛИ) воздействует на пролиферативный потенциал клеток (то есть стимулирует их деление и развитие). Считается, что причина этого– в локальных изменениях температуры, которые могут стимулировать процессы биосинтеза в тканях. НИЛИ также укрепляет системы антиоксидантной защиты организма (тогда как излучение высокой интенсивности, напротив, приводит к массовому появлению активных форм кислорода.) Скорее всего, именно этими процессами и объясняется терапевтическое действие НИЛИ. Но, как уже упоминалось, существует и другой тип лазерной терапии - т. н. фотодинамическая терапия, применяемая для борьбы со злокачественными образованиями. Она основана на использовании открытых еще в 60-е годы фотосенсибилизаторов - специфических веществ, способных избирательно накапливаться в клетках (в основном раковых). При лазерном облучении средней мощности молекула фотосенсибилизатора поглощает световую энергию, переходит в активную форму и вызывает целый ряд разрушительных процессов в раковой клетке. Так, повреждаются митохондрии (внутриклеточные энергетические структуры), существенно меняется кислородный обмен, что приводит к появлению огромного количества свободных радикалов. Наконец, сильное нагревание воды внутри клетки вызывает разрушение ее мембранных структур (в частности внешней клеточной оболочки). Все это в итоге приводит к интенсивной гибели опухолевых клеток. Фотодинамическая терапия - сравнительно новая область лазерной медицины (развивается с середины 80-х годов) и пока еще не столь популярная, как, скажем, лазерная хирургия или офтальмология , однако именно на нее сейчас возлагают основные надежды врачи-онкологи.

В целом можно сказать, что лазерная терапия в наши дни - одна из наиболее динамично развивающихся отраслей медицины. Причем, что удивительно, не только традиционной. Некоторые терапевтические эффекты лазеров легче всего объясняются наличием в организме систем энергетических каналов и точек, используемых при акупунктурных воздействиях. Известны случаи, когда локальная обработка лазером отдельных тканей вызывала позитивные изменения в других частях организма. Ученым еще предстоит ответить на множество вопросов, связанных с целебными свойствами лазерного излучения, что, безусловно, откроет новые перспективы развития медицины в XXI веке.

Принцип действия лазерного луча основан на том, что энергия сфокуси-тэванного светового пучка резко повышает температуру в облучаемом месте и вызывает коагуляцию (свертывание) блологич. ткани. Особенности биологич. действия лазерного излучения зависят m типа лазера, мощности энергии, ее характера, структуры и биологич. ;зойств облучаемых тканей. Узкий световой пучок большой мощности дает возможность производить светокоагу-ляцию строго определенного участка тканей за доли секунды. Окружающие ткани при этом не страдают. Кроме коагуляции биологич. ткани, при большой мощности излучения возможно и взрывное ее разрушение от воздействия своеобразной ударной волны, образующейся в результате мгновенного перехода тканевой жидкости в газообразное состояние под влиянием высокой температуры. Имеют значение вид тканей, пх окраска (пигментация), толщина, плотность, степень наполнения кровью. Чем больше мощность лазерного излучения, тем глубже оно проникает и тем сильнее его действие.

Первыми использовали лазеры для лечения больных глазные врачи, применившие их для коагуляции сетчатой оболочки глаза при ее отслойке и разрыве (), а также для разрушения мелких внутриглазных опухолей и создания оптич. отверстия в глазу при вторичных катарактах. Кроме того, лазерным лучом уничтожают небольшие, поверхностно расположенные опухоли, коагулируют патологич. образования на поверхности кожи (пигментные пятна, сосудистые опухоли и т. д.). Лазерное излучение используют и в диагностич. целях для исследования кровеносных сосудов, фотографирования внутренних органов и др. С 1970 г. лазерный луч начали применять при хирургич. операциях в качестве «светового скальпеля» для рассечения тканей организма .

В медицине лазеры применяются как бескровные скальпели, используются при лечении офтальмологических заболеваний (катаракта, отслоение сетчатки, лазерная коррекция зрения и др.). Широкое применение получили также в косметологии (лазерная эпиляция, лечение сосудистых и пигментных дефектов кожи, лазерный пилинг, удаление татуировок и пигментных пятен).

Виды хирургических лазеров

В лазерной хирургии применяются достаточно мощные лазеры, работающие в непрерывном или импульсном режиме, которые способны сильно нагревать биоткань, что приводит к ее резанию или испарению.

Лазеры обычно именуются по типу активной среды, генерирующей лазерное излучение. Наиболее известны в лазерной хирургии неодимовый лазер и лазер на углекислом газе (или СО2-лазер).

Некоторые другие виды высокоэнергетичных лазеров, используемых в медицине, имеют, как правило, свои узкие области применения. Например, в офтальмологии для прецизионного испарения поверхности роговицы глаза применяются эксимерные лазеры.

В косметологии для устранения сосудистых и пигментных дефектов кожи используются КТР-лазеры, лазеры на красителе и на парах меди, для эпиляции - александритовые и рубиновые лазеры.

СО2 - лазер

Лазер на углекислом газе - это первый хирургический лазер, который активно используется с 1970-х годов по настоящее время.

Высокое поглощение в воде и органических соединениях (типичная глубина проникновения 0,1 мм) делает СО2-лазер подходящим для широкого спектра хирургических вмешательств, в том числе для гинекологии , оториноларингологии , общей хирургии, дерматологии , кожно-пластической и косметической хирургии.

Поверхностное воздействие лазера позволяет иссекать биоткань без глубокого ожога. Это также делает CO2-лазер не опасным для глаз, т. к. излучение не проходит сквозь роговицу и хрусталик.

Конечно, мощный направленный луч может повредить роговицу, но для защиты достаточно иметь обычные стеклянные или пластиковые очки.

Недостаток длины волны 10 мкм состоит в том, что очень трудно изготовить подходящее оптическое волокно с хорошим пропусканием. И до сих пор наилучшим решением является зеркальный шарнирный манипулятор, хотя это достаточно дорогое устройство, сложное в юстировке и чувствительное к ударам и вибрации.

Другим недостатком CO2-лазера - это его непрерывный режим работы. В хирургии для эффективного резания необходимо быстро испарять биоткань без нагрева окружающих тканей, для чего нужна высокая пиковая мощность, т. е. импульсный режим. Сегодня в CO2-лазерах для этих целей применяют так называемый "суперимпульсный" режим (superpulse), при котором лазерное излучение имеет вид пачки коротких, но в 2 - 3 раза более мощных импульсов, по сравнению со средней мощностью непрерывного лазера.

Неодимовый лазер

Неодимовый лазер - это самый распространенный тип твердотельного лазера и в промышленности, и в медицине.

Его активная среда - кристалл алюмоиттриевого граната, активированного ионами неодима Nd:YAG, - позволяет получить мощное излучение в ближнем ИК-диапазоне на длине волны 1,06 мкм практически в любом режиме работы с высоким КПД и с возможностью волоконного выхода излучения.

Поэтому вслед за CO2-лазерами в медицину пришли неодимовые как для целей хирургии, так и терапии.

Глубина проникновения такого излучения в биоткани равна 6 - 8 мм и довольно сильно зависит от ее типа. Это означает, что для достижения такого же режущего или испаряющего эффекта, как у CO2-лазера, для неодимового требуется в несколько раз более высокая мощность излучения. А во-вторых, происходит значительное повреждение подлежащих и окружающих лазерную рану тканей, что отрицательно сказывается на послеоперационном ее заживлении, вызывая различные осложнения, типичные для ожоговой реакции - рубцевание, стеноз, стриктура и т. п.

Предпочтительная сфера хирургического применения неодимового лазера - это объемная и глубокая коагуляция в урологии , гинекологии, онкологические опухоли, внутренние кровотечения и т. п. как в открытых, так и в эндоскопических операциях.

Важно помнить, что излучение неодимового лазера невидимо и опасно для глаз даже в малых дозах рассеянного излучения.

Использование в неодимовом лазере специального нелинейного кристалла КТР (калий-титан-фосфат) позволяет удваивать частоту излучаемого лазером света. Получаемый таким образом КТР-лазер, излучающий в видимой зеленой области спектра на длине волны 532 нм, обладает способностью эффективно коагулировать кровенасыщенные ткани и используется в сосудистой и косметической хирургии.

Гольмиевый лазер

Кристалл алюмоиттриевого граната, активированный ионами гольмия, - Ho:YAG, способен генерировать лазерное излучение на длине волны 2,1 мкм, которое хорошо поглощается биотканью. Глубина его проникновения в биоткань составляет около 0,4 мм, т. е. сравнима с CO2-лазером. Поэтому гольмиевый лазер обладает применительно к хирургии всеми преимуществами СО2-лазера.

Но двухмикронное излучение гольмиевого лазера в то же время хорошо проходит через кварцевое оптическое волокно, что позволяет использовать его для удобной доставки излучения к месту хирургического вмешательства. Это особенно важно, в частности, для проведения малоинвазивных эндоскопических операций.

Излучение гольмиевого лазера хорошо коагулирует сосуды размером до 0,5 мм, что вполне достаточно для большинства хирургических вмешательств. Двухмикронное излучение, к тому же, вполне безопасно для глаз.

Типичные выходные параметры гольмиевого лазера: средняя выходная мощность Вт, максимальная энергия излучения - до 6 Дж, частота повторения импульсов - до 40 Гц, длительность импульса - около 500 мкс.

Сочетание физических параметров излучения гольмиевого лазера оказалось оптимальным для целей хирургии, что позволило ему найти многочисленные применения в самых различных областях медицины.

Эрбиевый лазер

Эрбиевый (Er:YAG) лазер имеет длину волны излучения 2,94 мкм (средний ИК-диапазон). Режим работы - импульсный.

Глубина проникновения в биоткань излучения эрбиевого лазера составляет не более 0,05 мм (50 мкм), т. е. его поглощение еще в раз выше, чем у CO2-лазера, и он оказывает исключительно поверхностное воздействие.

Такие параметры практически не позволяют коагулировать биоткань.

Основные направления применения эрбиевого лазера в медицине:

Микрошлифовка кожи,

Перфорация кожи для взятия проб крови,

Испарение твердых тканей зуба,

Испарение поверхности роговицы глаза для исправления дальнозоркости.

Излучение эрбиевого лазера неопасно для глаз, как и у CO2-лазера, и для него также нет надежного и дешевого волоконного инструмента.

Диодный лазер

В настоящее время существует целая гамма диодных лазеров, имеющих широкий спектр длин волн от 0,6 до 3 мкм и параметров излучения. Основными достоинствами диодных лазеров являются высокий КПД (до 60%), миниатюрность и большой ресурс работы (более 10,000 часов).

Типичная выходная мощность одиночного диода редко превышает 1 Вт в непрерывном режиме, а энергия импульса - не более 1 - 5 мДж.

Для получения мощности, достаточной для хирургии, одиночные диоды объединяют в наборы, состоящие от 10 до 100 элементов, расположенные в виде линейки, или к каждому диоду присоединяют тонкие волокна, которые собирают в жгут. Такие композитные лазеры позволяют получать 50 Вт и более непрерывного излучения на длине волны нм, которые сегодня применяются в гинекологии, офтальмологии, косметологии и др.

Основной режим работы диодных лазеров - непрерывный, что ограничивает возможности их использования в лазерной хирургии. При попытках реализовать суперимпульсный режим работы чересчур длинные импульсы (порядка 0,1 с) на длинах волн генерации диодных лазеров в ближнем ИК-диапазоне рискуют вызвать чрезмерный нагрев и последующее ожоговое воспаление окружающих тканей.

В медицине лазерные установки нашли свое применение в виде лазерного скальпеля. Его использование для проведения хирургических операций определяют следующие свойства:

Он производит относительно бескровный разрез, так как одновременно с рассечением тканей он коагулирует края раны “заваривая” не слишком крупные кровеносные сосуды;

Лазерный скальпель отличается постоянством режущих свойств. Попадание на твердый предмет (например, кость) не выводит скальпель из строя. Для механического скальпеля такая ситуация стала бы фатальной;

Лазерный луч в силу своей прозрачности позволяет хирургу видеть оперируемый участок. Лезвие же обычного скальпеля, равно как и лезвие электроножа, всегда в какой-то степени загораживает от хирурга рабочее поле;

Лазерный луч рассекает ткань на расстоянии, не оказывая никакого механического воздействия на ткань;

Лазерный скальпель обеспечивает абсолютную стерильность, ведь с тканью взаимодействует только излучение;

Луч лазера действует строго локально, испарение ткани происходит только в точке фокуса. Прилегающие участки ткани повреждаются значительно меньше, чем при использовании механического скальпеля;

Как показала клиническая практика, рана от лазерного скальпеля почти не болит и быстрее заживляется.

Практическое применение лазеров в хирургии началось в СССР в 1966 году в институте имени А. В. Вишневского. Лазерный скальпель был применен в операциях на внутренних органах грудной и брюшной полостей. В настоящее время лазерным лучом делают кожно-пластические операции, операции пищевода, желудка, кишечника, почек, печени, селезенки и других органов. Очень заманчиво проведение операций с использованием лазера на органах, содержащих большое количество кровеносных сосудов, например, на сердце, печени.

Характеристики некоторых типов лазеров.

В настоящее время имеется громадное разнообразие лазеров, отличающихся между собой активными средами, мощностями, режимами работы и другими характеристиками. Нет необходимости все их описывать. Поэтому здесь даётся краткое описание лазеров, которые достаточно полно представляют характеристики основных типов лазеров (режим работы, способы накачки и т. д.)

Рубиновый лазер. Первым квантовым генератором света был рубиновый лазер, созданный в 1960 году.

Рабочим веществом является рубин, представляющий собой кристалл оксида алюминия Аl 2 O 3 (корунд), в который при выращивании введен в виде примеси оксид хрома Сr 2 Оз. Красный цвет рубина обусловлен положительным ионом Сr +3 . В решетке кристалла Аl 2 О 3 ион Сг +3 замещает ион Аl +3 . Вследствие этого в кристалле возникают две полосы поглощения: одна-в зеленой, другая-в голубой части спектра. Густота красного цвета рубина зависит от концентрации ионов Сг +3: чем больше концентрация, тем гуще красный цвет. В темно-красном рубине концентрация ионов Сг +3 достигает 1%.

Наряду с голубой и зеленой полосами поглощения имеется два узких энергетических уровня Е 1 и Е 1 ’ , при переходе с которых на основной уровень излучается свет с длинами волн 694,3 и 692,8 нм. Ширина линий составляет при комнатных температурах примерно 0,4 нм. Вероятность вынужденных переходов для линии 694,3 нм больше, чем для 692,8 нм. Поэтому проще работать с линией 694,3 нм. Однако можно осуществить генерацию и линии 692,8 нм, если использовать специальные зеркала, имеющие большой коэффициент отражения для излучения l = 692,8 нм и малый - для l = 694,3 нм.

При облучении рубина белым светом голубая и зеленая части спектра поглощаются, а красная отражается. В рубиновом лазере используется оптическая накачка ксеноновой лампой, которая дает вспышки света большой интенсивности при прохождении через нее импульса тока, нагревающего газ до нескольких тысяч Кельвин. Непрерывная накачка невозможна, потому что лампа при столь высокой температуре не выдерживает непрерывного режима работы. Возникающее излучение близко по своим характеристикам к излучению абсолютно черного тела. Излучение поглощается ионами Cr + , переходящими в результате этого на энергетические уровни в области полос поглощения. Однако с этих уровней ионы Сr +3 очень быстро в результате безызлучательного перехода переходят на уровни Е 1 , Е 1 ’ . При этом излишек энергии передается решетке, т. е. превращается в энергию колебаний решетки или, другими словами, в энергию фотонов. Уровни Е 1 , Е 1 ’ метастабильны. Время жизни на уровне Е 1 равно 4,3 мс. В процессе импульса накачки на уровнях Е 1 , Е 1 ’ накапливаются возбужденные атомы, создающие значительную инверсную заселенность относительно уровня Е 0 (это уровень невозбужденных атомов).

Кристалл рубина выращивается в виде круглого цилиндра. Для лазера обычно используют кристаллы размером: длина L = 5 см, диаметр d = 1 см. Ксеноновая лампа и кристалл рубина помещаются в эллиптическую полость с хорошо отражающей внутренней поверхностью. Чтобы обеспечить попадание на рубин всего излучения ксеноновой лампы, кристалл рубина и лампа, имеющая также форму круглого цилиндра, помещаются в фокусы эллиптического сечения полости параллельно ее образующим. Благодаря этому на рубин направляется излучение с плотностью, практически равной плотности излучения на источнике накачки.

Один из концов рубинового кристалла срезан так, что от граней среза обеспечивается полное отражение и возвращение луча обратно. Такой срез заменяет одно из зеркал лазера. Второй конец рубинового кристалла срезан под углом Брюстера. Он обеспечивает выход из кристалла рубина без отражения луча с соответствующей линейной поляризацией. Второе зеркало резонатора ставится на пути этого луча. Таким образом, излучение рубинового лазера линейно поляризовано.

Гелий-неоновый лазер. Активной средой является газообразная смесь гелия и неона. Генерация осуществляется за счет переходов между энергетическими уровнями неона, а гелий играет роль посредника, через который энергия передается атомам неона для создания инверсной заселенности.

Неон, в принципе, может генерировать лазерное изучение в результате более 130 различных переходов. Однако наиболее интенсивными являются линии с длиной волны 632,8 нм, 1,15 и 3,39 мкм. Волна 632,8 нм находится в видимой части спектра, а волны 1,15 и 3,39 мкм - в инфракрасной.

При пропускании тока через гелий-неоновую смесь газов электронным ударом атомы гелия возбуждаются до состояний 2 3 S и 2 2 S, которые являются метастабильными, поскольку переход в основное состояние из них запрещен квантово-механическими правилами отбора. При прохождении тока атомы накапливаются на этих уровнях. Когда возбужденный атом гелия сталкивается с невозбужденным атомом неона, энергия возбуждения переходит к последнему. Этот переход осуществляется очень эффективно вследствие хорошего совпадения энергии соответствующих уровней. Вследствие этого на уровнях 3S и 2S неона образуется инверсная заселенность относительно уровней 2P и 3P, приводящая к возможности генерации лазерного излучения. Лазер может оперировать в непрерывном режиме. Излучение гелий-неонового лазера линейно поляризовано. Обычно давление гелия в камере составляет 332 Па, а неона - 66 Па. Постоянное напряжение на трубке около 4 кВ. Одно из зеркал имеет коэффициент отражения порядка 0,999, а второе, через которое выходит лазерное излучение, - около 0,990. В качестве зеркал используют многослойные диэлектрики, поскольку более низкие коэффициенты отражения не обеспечивают достижения порога генерации.

Газовые лазеры . Они представляют собой, пожалуй, наиболее широко используемый в настоящее время тип лазеров и, возможно, в этом отношении они превосходят даже рубиновые лазеры. Газовым лазерам также посвящена большая часть выполненных исследований. Среди различных типов газовых лазеров всегда можно найти такой, который будет удовлетворять почти любому требованию, предъявляемому к лазеру, за исключением очень большой мощности в видимой области спектра в импульсном режиме. Большие мощности необходимы для многих экспериментов при изучении нелинейных оптических свойств материалов. В настоящее время большие мощности в газовых лазерах не получены по той простой причине, что плотность атомов в них недостаточно велика. Однако почти для всех других целей можно найти конкретный тип газового лазера, который будет превосходить как твердотельные лазеры с оптической накачкой, так и полупроводниковые лазеры. Много усилий было направлено на то, чтобы эти лазеры могли конкурировать с газовыми лазерами, и в ряде случаев был достигнут определенный успех, однако он всегда оказывался на грани возможностей, в то время как газовые лазеры не обнаруживают никаких признаков уменьшения популярности.

Особенности газовых лазеров часто обусловлены тем, что они, как правило, являются источниками атомных или молекулярных спектров. Поэтому длины волн переходов точно известны. Они определяются атомной структурой и обычно не зависят от условий окружающей среды. Стабильность длины волны генерации при определенных усилиях может быть значительно улучшена по сравнению со стабильностью спонтанного излучения. В настоящее время имеются лазеры с монохроматичностью, лучшей, чем в любом другом приборе. При соответствующем выборе активной среды может быть осуществлена генерация в любой части спектра, от ультрафиолетовой (~2ООО А) до далекой инфракрасной области (~ 0,4 мм), частично захватывая микроволновую область.

Нет также оснований сомневаться, что в будущем удастся создать лазеры для вакуумной ультрафиолетовой области спектра. Разреженность рабочего газа обеспечивает оптическую однородность среды с низким коэффициентом преломления, что позволяет применять простую математическую теорию для описания структуры мод резонатора и дает уверенность в том, что свойства выходного сигнала близки к теоретическим. Хотя КПД превращения электрической энергии в энергию вынужденного излучения в газовом лазере не может быть таким большим, как в полупроводниковом лазере, однако благодаря простоте управления разрядом газовый лазер оказывается для большинства целей наиболее удобным в работе как один из лабораторных приборов. Что касается большой мощности в непрерывном режиме (в противоположность импульсной мощности), то природа газовых лазеров позволяет им в этом отношении превзойти все другие типы лазеров.

С0 2 -лазер с замкнутым объемом. Молекулы углекислого газа, как и другие молекулы, имеют полосатый спектр, обусловленный наличием колебательных и вращательных уровней энергии. Используемый в CO 2 - лазере переход дает излучение с длиной волны 10,6 мкм, т. е. лежит в инфракрасной области спектра. Пользуясь колебательными уровнями, можно несколько варьировать частоту излучения в пределах примерно от 9,2 до 10,8 мкм. Энергия молекулам CO 2 передается от молекул азота N 2 , которые сами возбуждаются электронным ударом при прохождении тока через смесь.

Возбужденное состояние молекулы азота N 2 является метастабильным и отстоит от основного уровня на расстоянии 2318 см -1 , что весьма близко к энергетическому уровню (001) молекулы CO 2 . Ввиду метастабильности возбужденного состояния N 2 при прохождении тока число возбужденных атомов накапливается. При столкновении N 2 с CO 2 происходит резонансная передача энергии возбуждения от N 2 к CO 2 . Вследствие этого возникает инверсия заселенностей между уровнями (001), (100), (020) молекул CO 2 . Обычно для уменьшения заселенности уровня (100), который имеет большое время жизни, что ухудшает генерацию при переходе на этот уровень, добавляют гелий. В типичных условиях смесь газов в лазере состоит из гелия (1330 Па), азота (133 Па) и углекислого газа (133 Па).

При работе CO 2 - лазера происходит распад молекул CO 2 на СО и О, благодаря чему активная среда ослабляется. Далее СО распадается на С и О, а углерод осаждается на электродах и стенках трубки. Всё это ухудшает работу СO 2 -лазера. Чтобы преодолеть вредное действие этих факторов в закрытую систему добавляют пары воды, которые стимулируют реакцию

СО + О ® CO 2 .

Используются платиновые электроды, материал которых является катализатором для этой реакции. Для увеличения запаса активной среды резонатор соединяется с дополнительными емкостями, содержащими CO 2 , N 2 , Не, которые в необходимом количестве добавляются в объём резонатора для поддержания оптимальных условий работы лазера. Такой закрытый CO 2 -лазер, в состоянии работать в течение многих тысяч часов.

Проточный СО 2 -лазер. Важной модификацией является проточный СО 2 -лазер, в котором смесь газов CO 2 , N 2 , Не непрерывно прокачивается через резонатор. Такой лазер может генерировать непрерывное когерентное излучение мощностью свыше 50 Вт на метр длины своей активной среды.

Неодимовый лазер. Название может ввести в заблуждение. Телом лазера является не металл неодим, а обычное стекло с примесью неодима. Ионы атомов неодима беспорядочно распределены среди атомов кремния и кислорода. Накачка производятся лампами-молниями. Лампы дают излучение в пределах длин волн от 0,5 до 0,9 мкм. Возникает широкая полоса возбужденных состояний. Атомы совершают безызлучательные переходы на верхний лазерный уровень. Каждый переход дает разную энергию, которая превращается в колебательную энергию всей «решетки» атомов.

Лазерное излучение, т.е. переход на пустой нижний уровень, имеет длину волны 1,06 мкм.

Т-лазер. Во многих практических приложениях важную роль играет СO 2 -лазер, в котором рабочая смесь находится под атмосферным давлением и возбуждается поперечным электрическим полем (Т-лазер). Поскольку электроды расположены параллельно оси резонатора, для получения больших значений напряженности электрического поля в резонаторе требуются сравнительно небольшие разности потенциалов между электродами, что дает возможность работать в импульсном режиме при атмосферном давлении, когда концентрация CO 2 в резонаторе велика. Следовательно, удается получить большую мощность, достигающую обычно 10 МВт и больше в одном импульсе излучения продолжительностью менее 1 мкс. Частота повторения импульсов в таких лазерах составляет обычно несколько импульсов в минуту.

Газодинамические лазеры. Нагретая до высокой температуры (1000-2000 К) смесь CO 2 и N 2 при истечении с большой скоростью через расширяющееся сопло сильно охлаждается. Верхний и нижний энергетический уровни при этом термоизолируются с различной скоростью, в результате чего образуется инверсная заселенность. Следовательно, образовав на выходе из сопла оптический резонатор, можно за счет этой инверсной заселенности генерировать лазерное излучение. Действующие на этом принципе лазеры называются газодинамическими. Они позволяют получать очень большие мощности излучения в непрерывном режиме.

Лазеры на красителях. Красители являются очень сложными молекулами, у которых сильно выражены колебательные уровни энергии. Энергетические уровни в полосе спектра располагаются почти непрерывно. Вследствие внутримолекулярного взаимодействия молекула очень быстро (за времена порядка 10 -11 -10 -12 с) переходит безызлучательно на нижний энергетический уровень каждой полосы. Поэтому после возбуждения молекул через очень короткий промежуток времени на нижнем уровне полосы Е 1 сосредоточатся все возбужденные молекулы. Они далее имеют возможность совершить излучательный переход на любой из энергетических уровней нижней полосы. Таким образом, возможно излучение практически любой частоты в интервале, соответствующем ширине нулевой полосы. А это означает, что если молекулы красителя взять в качестве активного вещества для генерации лазерного излучения, то в зависимости от настройки резонатора можно получить практически непрерывную перестройку частоты генерируемого лазерного излучения. Поэтому на красителях создаются лазеры с перестраиваемой частотой генерации. Накачка лазеров на красителях производится газоразрядными лампами или излучением других лазеров.

Выделение частот генерации достигается тем, что порог генерации создается только для узкой области частот. Например, положения призмы и зеркала подбираются так, что в среду после отражения от зеркала благодаря дисперсии и разным углам преломления возвращаются лишь лучи с определенной длиной волны. Только для таких длин волн обеспечивается лазерная генерация. Вращая призму, можно обеспечить непрерывную перестройку частоты излучения лазера на красителях. Генерация осуществлена со многими красителями, что позволило получить лазерное излучение не только во всем оптическом диапазоне, но и на значительной части инфракрасной и ультрафиолетовой областей спектра.

Полупроводниковые лазеры. Основным примером работы полупроводниковых лазеров является магнитно-оптический накопитель (МО).

Принципы работы МО накопителя.

МО накопитель построен на совмещении магнитного и оптического принципа хранения информации. Записывание информации производится при помощи луча лазера и магнитного поля, а считывание при помощи одного только лазера.

В процессе записи на МО диск лазерный луч нагревает определенные точки на диски, и под воздействием температуры сопротивляемость изменения полярности, для нагретой точки, резко падает, что позволяет магнитному полю изменить полярность точки. После окончания нагрева сопротивляемость снова увеличивается. Полярность нагретой точки остается в соответствии с магнитным полем, примененным к ней в момент нагрева.

В имеющихся на сегодняшний день МО накопителях для записи информации применяются два цикла: цикл стирания и цикл записи. В процессе стирания магнитное поле имеет одинаковую полярность, соответствующую двоичным нулям. Лазерный луч нагревает последовательно весь стираемый участок и таким образом записывает на диск последовательность нулей. В цикле записи полярность магнитного поля меняется на противоположную, что соответствует двоичной единице. В этом цикле лазерный луч включается только на тех участках, которые должны содержать двоичные единицы, оставляя участки с двоичными нулями без изменений.

В процессе чтения с МО диска используется эффект Керра, заключающийся в изменении плоскости поляризации отраженного лазерного луча, в зависимости от направления магнитного поля отражающего элемента. Отражающим элементом в данном случае является намагниченная при записи точка на поверхности диска, соответствующая одному биту хранимой информации. При считывании используется лазерный луч небольшой интенсивности, не приводящий к нагреву считываемого участка, таким образом при считывании хранимая информация не разрушается.

Такой способ в отличие от обычного применяемого в оптических дисках не деформирует поверхность диска и позволяет повторную запись без дополнительного оборудования. Этот способ также имеет преимущество перед традиционной магнитной записью в плане надежности. Так как перемагничеваниие участков диска возможно только под действием высокой температуры, то вероятность случайного перемагничевания очень низкая, в отличие от традиционной магнитной записи, к потери которой могут привести случайные магнитные поля.

Область применения МО дисков определяется его высокими характеристиками по надежности, объему и сменяемости. МО диск необходим для задач, требующих большого дискового объема. Это такие задачи, как обработка изображений звука. Однако небольшая скорость доступа к данным, не дает возможности применять МО диски для задач с критичной реактивностью систем. Поэтому применение МО дисков в таких задачах сводится к хранению на них временной или резервной информации. Для МО дисков очень выгодным использованием является резервное копирование жестких дисков или баз данных. В отличие от традиционно применяемых для этих целей стримеров, при хранение резервной информации на МО дисках, существенно увеличивается скорость восстановления данных после сбоя. Это объясняется тем, что МО диски являются устройствами с произвольным доступом, что позволяет восстанавливать только те данные, в которых обнаружился сбой. Кроме этого при таком способе восстановления нет необходимости полностью останавливать систему до полного восстановления данных. Эти достоинства в сочетании с высокой надежностью хранения информации делают применение МО дисков при резервном копировании выгодным, хотя и более дорогим по сравнению со стримерами.

Применение МО дисков, также целесообразно при работе с приватной информацией больших объемов. Легкая сменяемость дисков позволяет использовать их только во время работы, не заботясь об охране компьютера в нерабочее время, данные могут храниться в отдельном, охраняемом месте. Это же свойство делает МО диски незаменимыми в ситуации, когда необходимо перевозить большие объемы с места на место, например с работы домой и обратно.

Основные перспективы развития МО дисков связаны прежде всего с увеличением скорости записи данных. Медленная скорость определяется в первую очередь двухпроходным алгоритмом записи. В этом алгоритме нули и единицы пишутся за разные проходы из-за того, что магнитное поле, задающие направление поляризации конкретных точек на диске, не может изменять свое направление достаточно быстро.

Наиболее реальная альтернатива двухпроходной записи - это технология, основанная на изменение фазового состояния. Такая система уже реализована некоторыми фирмами-производителями. Существуют еще несколько разработок в этом направлении, связанные с полимерными красителями и модуляциями магнитного поля и мощности излучения лазера.

Технология, основанная на изменении фазового состояния, основана на способности вещества переходить из кристаллического состояния в аморфное. Достаточно осветить некоторую точку на поверхности диска лучом лазера определенной мощности, как вещество в этой точке перейдет в аморфное состояние. При этом изменяется отражающая способность диска в этой точке. Запись информации происходит значительно быстрее, но при этом деформируется поверхность диска, что ограничивает число циклов перезаписи.

В настоящие время уже разрабатывается технология, позволяющая менять полярность магнитного поля на противоположную всего за несколько наносекунд. Это позволит изменять магнитное поле синхронно с поступлением данных на запись. Существует также технология, построенная на модуляции излучения лазера. В этой технологии дисковод работает в трех режимах: режим чтения с низкой интенсивностью, режим записи со средней интенсивностью и режим записи с высокой интенсивностью. Модуляция интенсивности лазерного луча требует более сложной структуры диска и дополнения механизма дисковода инициализирующим магнитом, установленным перед магнитом смещения и имеющим противоположную полярность. В самом простом случае диск имеет два рабочих слоя - инициализирующий и записывающий. Инициализирующий слой сделан из такого материала, что инициализирующий магнит может изменять его полярность без дополнительного воздействия лазера.

Безусловно МО диски перспективные и бурно развивающиеся устройства, которые могут решать назревающие проблемы с большими объемами информации. Но их дальнейшее развитие зависит не только от технологии записи на них, но и от прогресса в области других носителей информации. И если не будет изобретен более эффективный способ хранения информации, МО диски возможно займут доминирующие роли.

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

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

История применения лазеров в медицине

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

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

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

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

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

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

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

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

Дополнительная информация: