Основные типы лазеров, применяющихся в медицине

 

Большое разнообразие рассмотренных выше применений лазерных технологий в медицине, широких диапазон оптических и теплофизических свойств различных биологических тканей определяют разнообразие режимов, необходимых для обработки биотканей, и соответственно, большое разнообразие используемых лазеров. Отметим, что для биологических тканей свойственен резонансный характер поглощения излучения, что требует возможности обеспечения точного подбора требуемой длины волны лазерного излучения. Поэтому вопрос выбора лазера для конкретного медицинского приложения является весьма принципиальным.

В таблице 1 приведены основные типы лазеров, традиционно применяющихся в лазерной медицине.

 

Таблица 1.Основные типы лазеров, традиционно используемых в лазерной медицине.

Тип   лазера	Длина волны		Примечания
	Основная	Другие возможные
Nd:YAG	1,06 мкм	0,53 мкм 0,355 мкм 0,266 мкм
	10,6 мкм	9,6 мкм
He-Ne	633 нм	3,391 мкм – ИК 543 нм – зеленый 594 нм – желтый 604 нм - оранжевый 612 нм – оранжевый	100 мВт
Ar	488 нм – голубой 515 нм – зеленый	Ряд дискретных линий в диапазоне 350 – 530 нм (УФ – зеленый)	30 Вт
Kr	530 нм – зеленый 568 нм – желто-зеленый 676 нм - красный	Ряд дискретных линий в диапазоне 350 – 800 нм (УФ – ИК)	10 Вт
На красителе	400 – 900 нм перестраиваемая в диапазоне шириной 500 – 100 нм для каждого лазера

 

В дальнейшем к перечисленным лазерам были добавлены также эксимерные лазеры (таблица 2), работающие в УФ диапазоне длин волн, а также импульсные твердотельные лазеры (таблица 3), работающие в среднем ИК диапазоне. В последние годы в лазерной медицине широко применяются полупроводниковые лазеры, технологически целесообразным оказалось применение волноводных лазеров.

 

 

Таблица 2. Эксимерные лазеры.

Газовая смесь	Длина волны l, нм	Типичная энергия в импульсе, мДж
	157	5
ArF	193	200
KrCl	223	35
KrF	248	250
XeCl	308	180
XeF	351	80

 

Таблица 3. Импульсные твердотельные лазеры в среднем ИК диапазоне с добавками туллия, гольмия, эрбия.

Ион
, мкм	2,01	2,12	2,78; 2,94
Глубина проникновения в воде, мкм	200	4	5

 2. НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ

Действие лазерного излучения на биологический материал обусловлено взаимодействием фотонов с молекулами и соединениями молекул ткани, последующими молекулярными процессами и биологическими реакциями.

Характер и интенсивность воздействия излучения на биоткань зависят:

– от свойств лазерного излучения (длина волны λ, плотность мощности излучения q, длительность облучения τ, частота повторения воздействия f),

– от свойств биологической ткани. При этом принципиально важными являются два комплекса свойств ткани: оптические свойства и теплофизические свойства.

 

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