Физические основы применения лазеров в медицине

Е.А. Шахно

 

 

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРОВ В МЕДИЦИНЕ

 

Учебное пособие

 

 

 

Санкт–Петербург

2012

Е.А.Шахно. Физические основы применения лазеров в медицине. – СПб: НИУ ИТМО, 2012. – 129 с.

 

Учебное пособие предназначено для самостоятельной работы студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки специалистов 200201 – Лазерная техника и лазерные технологии, магистров 200500 – Лазерная техника и лазерные технологии. Содержит необходимые сведения об основных направлениях применения лазеров в медицине, оптических и теплофизических свойствах биоткани, физических процессах взаимодействия лазерного излучения с биотканью.

 

Рекомендовано к печати Ученым Советом инженерно–физического факультета 10.04.12, протокол №4.

Рекомендовано УМО по образованию в области приборостроения и оптотехники в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 200201 – Лазерная техника и лазерные технологии и направлению подготовки магистров 200500 – Лазерная техника и лазерные технологии.

 

 

В 2009 году Университет стал победителем многоэтапного конкурса, в результате которого определены 12 ведущих университетов России, которым присвоена категория «Национальный исследовательский университет». Министерством образования и науки Российской Федерации была утверждена программа его развития на 2009–2018 годы. В 2011 году Университет получил наименование «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики»

 

Ó Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет
информационных технологий, механики и оптики, 2012

Ó Е.А.Шахно, 2012

 

 

Оглавление

 

ВВЕДЕНИЕ	5
1. ОБЗОР ОСНОВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРОВ В МЕДИЦИНЕ	7
1.1. Лазерная диагностика	7
1.2. Лазерная терапия	8
1.3. Фотодинамическая терапия	10
1.4. Лазерная хирургия	11
1.5. Основные типы лазеров, применяющихся в медицине	13
2. НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ	16
2.1. Оптические свойства тканей	16
2.2. Теплофизические свойства тканей	20
2.3. Оптический и термический перенос энергии	25
3. ОСНОВНЫЕ ЯВЛЕНИЯ, НАБЛЮДАЕМЫЕ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА БИОТКАНЬ	28
3.1. Действие лазерного излучения на биологическую ткань в зависимости от энергетики облучения	28
3.2. Тепловые воздействия	29
3.3. Фотохимические воздействия	35
3.4. Нелинейные процессы	44
4. БИОФИЗИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С БИОТКАНЬЮ	49
4.1. Тепловой механизм	49
4.2. Механ измы взрывного действия	53
4.3. Действие лазерного излучения УФ диапазона на биологические ткани	58
4.4. Эффекты, сопутствующие абляции	60
5. ОСНОВЫ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРОВ В ХИРУРГИИ	65
5.1. Основные принципы применения лазеров	65
5.2. Особенности течения раневого процесса после воздействия на ткань излучения хирургического лазера	70
6. ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРОВ В РАЗЛИЧНЫХ ОБЛАСТЯХ МЕДИЦИНЫ	77
6.1. Лазерные технологии в дерматологии	77
6.2. Лазерные технологии в стоматологии	84
6.3. Лазерные технологии в офтальмологии	94
6.4. Лазерные технологии в оториноларингологии	107
6.5. Лазерная терапия. Внутрисосудистое лазерное облучение крови	111
6.6. Лазерная сварка ткани	114
Рекомендуемая литература	119

 

ВВЕДЕНИЕ

 

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.

 

ЛАЗЕРОВ В МЕДИЦИНЕ

 

В данном разделе мы лишь обозначим основные направления применения лазеров в медицине, не претендуя на полноту приведенного обзора.

 

Лазерная диагностика

В диагностике лазерное излучение может использоваться как вне организма (ex vivo), так и для прямого анализа органов и тканей пациента (in vivo). Приведем некоторые примеры применения лазеров в диагностике.

Применение е x vivo. Через тонкий кварцевый капилляр прокачивается специально обработан­ная кровь (см. рисунок 1). Излучение лазера направляется на прозрачный капилляр и вызывает флюо­ресценцию клеток крови. Флюоресцентное свечение улавливается чувствительными датчиками. Это свечение специфично для каждого типа клеток крови, проходящих поодиночке в области лазерной засветки. Поэтому имеется возможность подсчитать их количество в заданном объеме крови, а также получать с высокой точностью количественные показатели по каждому типу клеток. Этот принцип использован в приборе, который называется гемоцитометр. Производительность этого прибора в сотни раз превышает производительность анализа крови лаборантом традиционным способом. И точность, и объективность результатов также существенно выше.

 

 Рисунок 1. Применение лазерного излучения для диагностики крови.

 

Еще более совершенным диагностическим лазерным анализатором является проточный флуориметр, в котором клетки перед прогоном через капилляр окрашиваются специальными красителями, так что появляется возможность не только исследовать отдельные типы, но и разновидности типов клеток крови. При этом возможен анализ не только клеток крови, но и любых других клеточных элементов, выделенных из любых тканей организма для диагностики.

Диагностика in vivo – новая и перспективная область лазерной медицины. Ее практическая реализация еще только начинается, и большинство исследований находятся в стадии экспериментальной разработки и испытаний. Рассмотрим некоторые примеры диагностики in vivo.

1. Луч CdNe лазера (УФ, λ =327 нм) пропускается через кварцевый световод по сосудистому катетеру и нацеливается на исследуемую ткань, например, сердечной мышцы. Флюоресцентное свечение ткани, происходящее в результате воздействия лазерного излучения, улавливается через тот же световод. По интенсивности флюоресцентного свечения можно судить о концентрации в ткани различных компонентов, определяющих ее жизнедеятельность.

2. Луч эксимерного XeCl лазера, λ=308 нм используется для удаления атеросклеротических бляшек в кровеносных сосудах. Диагностика заключается в том, что одновременно с обработкой производится анализ флюоресцентного излучения от бляшки, разрушающейся под действием излучения. Такой анализ позволяет выявить наличие отложений кальция, магния, а также липидов. Это дает возможность контролировать ход операции и судить об эффективности удаления этих компонентов из пораженного сосуда.

3. Лазерная диагностика может использоваться в других областях, в частности, в стоматологии для дифференциации кариогенного дентина зуба от нормального, лазерной диагностике глазного дна (исследование сосудистой системы), флюоресцентной ангиографии, голографической диагностике.

Лазерную диагностику часто называют методом оптической биопсии.

В последние годы интенсивно исследуются и разрабатываются методы оптической томографии. Различные методы оптической томографии, их особенности, возможности и перспективы подробно изложены в книге В.А.Серебрякова [7].

Лазерная терапия

Практически с начала использования лазеров известно оздоровительное действие лазерного излучения низкой интенсивности. Первоначально преимущественно использовался с этой целью HeNe лазер. Воздействие производится на область поражения, на акупунктурные точки, на области Захарьина – Геда (проекции на коже человека его внутренних органов), на биологически активные точки (акупунктура), области стопы и ладони (рисунки 2 – 4), области позвоночника и т.п. При ряде заболеваний используется облучение крови. Механизмы лечебного эффекта лазерной терапии не всегда и не вполне ясны. Тем не менее, известно их оздоровительное действие, противовоспалительное действие, повышение иммунитета, структурные изменения, активация макромолекул РНК, ДНК, а также отсутствие неблагоприятных исходов при их применении. Поэтому метод лазерной терапии весьма перспективен, и представляются необходимыми его дальнейшие исследования и разработка.

 

Рисунок 2. Зоны Захарьина-Геда. Соответствие областей на поверхности кожи и органов: легкие и бронхи (1), сердце (2), кишечник (3), мочевой пузырь (4), мочеточники (5), почки (6), печень (7 и 9), желудок и поджелудочная железа (8), мочеполовая система (10).

 

 

Рисунок 3. Проекции тела на стопе: 1 – гипофиз, 2 – мозг, 3 – глаза, 4 –  шейный отдел позвоночника, 5 – трахея, 6 – легкие, 7 – уши, 8 – щитовидная железа, 9 – тимус, (вилочковая железа) 10 – плечи, 11 – паращитовидная железа, 12 – желудок, 13 – панкреас, 14 –надпочечники, 15 – почки, 16 – кишечник, 17 – мочеточники, 18 – мочевой пузырь, 19 – половая сфера, 20 – тонкий кишечник, 21 – бедра и колени, 22 – крестцовый отдел позвоночника, 23 – седалищный нерв, 24 – костная система, 25 – печень (только на правой стопе), 26 – желчный пузырь (только на правой стопе), 27 –аппендикс (только на правой стопе), 28 – сердце (только на левой стопе), 29 – селезенка (только на левой стопе).

 

 

Рисунок 4. Проекции тела на кисти руки.

Фотодинамическая терапия

Некоторые злокачественные опухоли (первичный рак головного и спинного мозга, поджелудочной и щитовидной желез, метастазы рака печени и др.) способны концентрировать в себе молекулы некоторых фоточувствительных соединений, которые предварительно вводят через кровеносные сосуды. При облучении ткани, аккумулировавшей в себе фоточувствительное соединение – фотосенсибилизатор –лазерным излучением, длина волны излучения  которого соответствует области сильного поглощения сенсибилизатора, происходит его распад. При этом выделяются свободные радикалы, токсичные для живых клеток. На этом принципе основана фотодинамическая терапия.

Сначала больному вводят соответствующий фотосенсибилизатор, затем через световод (или при кожных патологиях непосредственно) производят облучение опухоли. В результате разложения фотосенсибилизатора и массивного выделения токсичных продуктов клетки злокачественной опухоли погибают, а окружающие их здоровые клетки остаются живыми, так как на них вещество сенсибилизатора практически не адсорбируется. Этот метод интенсивно разрабатывается и внедряется в клиниках США, Западной Европы, Японии и России.

 

Лазерная хирургия

Во всех случаях, рассмотренных выше, используется лазерное излучение относительно низкой мощности, при которой излучение не наносит непосредственного повреждения ткани и клеткам живого организма. При лазерной хирургии разрушение ткани происходит непосредственно в процессе воздействия.

Основные показания применения лазеров в хирургии:

– микрохирургические операции (в частности на глазу),

– удаление небольших опухолей,

– операции, требующие избирательного воздействия (пигментные пятна, винные пятна, другие подкожные образования, например, татуировки),

– реканализация сосудов, проходов,

– остановка кровотечений и операции на кровенасыщенных органах,

– сварка тканей.

В лазерной хирургии используются достаточно мощные лазеры, плотность мощности излучения которых достаточна для удаления, разрушения или термического некроза клеток, тканей или иных объектов, подлежащих ликвидации. Именно в области лазерной хирургии достигнут большой прогресс – сравнительно с другими областями лазерной медицины.

Методы лазерной хирургии:

– непосредственное удаление вещества (абляция),

– коагуляция,

– сварка (соединение),

– дробление (с помощью ударной волны).

Необходимо отметить, что нежелательно применение лазера как режущего инструмента при рассечении кожи, мышц и внутренних полых органов, так как в отличие от обычного режущего инструмента воздействие излучения вызывает краевое повреждение структур, что замедлило бы заживление, вызвало бы появление рубцов. Тем не менее, область применения лазеров в хирургии исключительно широка. Приведем краткий (и естественно не исчерпывающий) обзор основных областей применения лазеров в хирургии.

1. В общей хирургии

– остановка и профилактика кровотечений,

– удаление желчного пузыря и отростка слепой кишки,

– для сварки стенок полых органов.

2. В сердечно-сосудистой хирургии

– восстановление просвета сосудов (реканализация сосудов),

– ликвидация патологических очагов возбуждения в сердечной мышце (удаление),

– для улучшения кровоснабжения миокарда кровью непосредственно из левого желудочка,

– для соединения рассеченных сосудов путем их сварки.

3. В торакальной хирургии (устранение патологии органов грудной полости: легкие, плевра, бронхи, пищевод)

– восстановление просветов (реканализация) бронха и пищевода,

– удаление небольших опухолей.

4. В нейрохирургии

– удаление опухолей головного и спинного мозга,

– сварка нервных стволов.

5. В оториноларингологии

– удаление опухолей и рубцов на гортани и в полости носа (микрохирургические операции, т. е. прецизионные, с оптическим контролем),

– остановка носовых кровотечений,

– тонзилэктомия (удаление миндалин),

– парацентез (прокол барабанной перепонки при остром отите),

– формирование прохода между ротовой полостью и просветом гайморовой пазухи (при гайморите).

6. В офтальмологии

– рассечение глазодвигательных мышц,

– ликвидация некоторых опухолей,

– выполнение разрезов и проколов глазного яблока,

– коагуляция отдельных участков сетчатки (при ретинопатии),

– приваривание отслоившейся сетчатки,

– создание фистулы (прохода) между передней и задней камерами глаза при глаукоме,

– удаление хрусталика при катаракте,

– кератопластика (проведение операций на роговице).

7. В урологии

– частичная нефрэктомия,

– остановка почечных кровотечений травматического происхождения,

– литотрипсия (дробление почечных камней),

– простатэктомия при доброкачественных новообразованиях простаты,

– кастрация при раке простаты,

– реканализация семявыводящих протоков и мочеиспускательного канала,

– остановка кровотечений из поверхности мочевого пузыря,

– удаление опухолей в дистальных отделах мочеточника.

8. В акушерстве и гинекологии

– клиновидная резекция и коагуляция яичника,

– резекция шейки матки.

9. В стоматологии

– удаление кариозных масс,

– обработка пульпарной полости,

– удаление прикорневых кист,

– ликвидация доброкачественных новообразований слизистой полости рта.

10. В травматологии и ортопедии

– обработка костной ткани (ампутация),

– обработка хрящевой ткани (например, при разрыве менисков коленного сустава),

– при манипуляциях на межпозвоночных дисках.

11. В дерматологии

– удаление злокачественных, потенциально злокачественных и доброкачественных новообразований на любых поверхностях кожных покровов,

– удаление доставляющих неудобства или эстетически неприемлемых образований на коже (родимые пятна, винные пятна, папилломы и т. п.).

12. В косметологии

– вмешательства по поводу косметических дефектов,

– лазерная шлифовка кожи,

– лазерное омоложение кожи.

13. В онкологии

– удаление злокачественных опухолей на ранних стадиях,

– реканализация просветов полых органов у неизлечимых пациентов,

– лечение некоторых медленно прогрессирующих заболеваний,

– устранение метастазов,

– лечение многих доброкачественных новообразований (в желудочно-кишечном тракте, на слизистых оболочках полостей рта, носа, гортани, на поверхности кожи и др.).

Все операции характеризуются либо открытым доступом к объекту вмешательства, либо доступ обеспечивается путем предварительного рассечения и раздвигания тканей. Существуют также эндоскопические операции, когда доступ к объекту осуществляется через естественные отверстия (пищевод, трахея, полость носа и т. д.) или через небольшие проколы, в которые затем вводятся зонды для подведения хирургических инструментов. Такие операции весьма перспективны, так как они менее травматичны и в ряде случаев даже не требуют обезболивания по месту проведения основной процедуры. В лазерных эндоскопических операциях лазерное излучение с заданными параметрами вводится по катетеру через гибкий световод.

 

Оптические свойства ткани

 

При падении пучка лазерного излучения на поверхность биологической ткани могут наблюдаться отражение, поглощение, рассеяние и пропускание.

Рассмотрим, как это происходит, на примере падения излучения на поверхность кожи. Кожа состоит из рогового слоя (толщиной 10 – 200 мкм), эпидермиса (40 – 150 мкм) и дермы (1000 – 4000 мкм). Непосредственно от поверхности обычно отражается небольшая доля излучения.

Излучение проникает в роговой слой, в нем частично поглощается, частично рассеивается, частично проходит в эпидермис (если глубина проникновения излучения достаточна). В эпидермисе излучение также частично поглощается, частично рассеивается, частично проходит в дерму. В дерме излучение также частично поглощается, частично рассеивается. Часть рассеянного излучения выходит над поверхностью кожи, образуя диффузное отраженное излучение. В зависимости от длины волны падающего излучения отражается до 60% излучения.

Таким образом, существенной особенностью распространения излучения в биологической ткани является рассеяние излучения, которое может быть значительным. Рассеяние излучения в биоткани происходит вследствие того, что структура биологической ткани имеет негомогенный характер, ячеистую структуру и определяется разными показателями преломления у разных ячеек и у ячеек и окружающей их средой. Рассеяние в биологической ткани зависит от длины волны лазерного излучения.

Поглощение излучения также зависит от длины волны излучения (см. рисунок 5). В УФ диапазоне поглощение определяется содержанием белка, в ИК диапазоне поглощение – содержанием воды. Кроме того, поглощение излучения гемопротеинами, пигментами, нуклеиновыми кислотами и другими макромолекулами сильно зависит от длины волны излучения. Большинство органических молекул, также как и протеины, интенсивно поглощают излучение УФ диапазона. Оксигенированный гемоглобин интенсивно поглощает излучение, начиная с УФ области, включая зеленую и желтую область видимой части спектра до длины волны 600 нм. Меланин, важнейший эпидермальный хромофор, поглощает во всей видимой части спектра.

 

Таблица 4. Качественные характеристики рассеяния излучения в биоткани.

Тип лазера	Область  спектра, мкм	Глубина проникновения    излучения	Рассеяние
Эксимерные лазеры УФ диапазона	УФ 0,193, 0,248, 0,308,     0,351	1-20 мкм	не велико
Ar	0,450 - 0,590	0,5-2,5 мм	значительно (15-40%)
Nd:YAG	0,590 - 1,5	2-8 мм	доминирует
Er:YAG,   CO2	ИК  2,9,   10,6	1-20 мкм	не велико

 

 

Рисунок 5. Спектры поглощения основных хромофоров биоткани.

Вообще в УФ, видимой и ближней ИК области спектра лазерное излучение поглощается в основном электронами атомов и затем преобразуется в тепло при безызлучательной релаксации. В средней и дальней ИК области излучение поглощается возбуждением вращательного и колебательного состояний молекул. Посредством атомарного и молекулярного поглощения и последующей релаксации возбужденных частиц оптическая энергия преобразуется в тепловую.

В диапазоне от 600 нм до 1200 нм излучение глубже проникает в ткань, с минимальными потерями на рассеяние и поглощение. В этом диапазоне можно достигнуть глубоко расположенных объектов.

Применение лазеров зависит от спектральной поглощающей способности биологических тканей. Такие лазеры как Ar лазер, лазеры на красителях, Nd:YAG, Nd:YAG с удвоением частоты действуют преимущественно на гемоглобин, меланин и другие органические вещества и поэтому имеют коагуляционный эффект. СО₂ и Er:YAG (λ=2,9 мкм) лазеры из-за высокого поглощения их излучения водой подходят для рассечения ткани.

 

Таблица 5. Поглощение лазерного излучения в воде и крови.

Лазер