Лазери та їх використання в медицині

2

1 1

Не Ne

Рисунок 3.22

Індукованим (вимушеним) випромінюванням називають випромінювання збуд­жених атомів під впливом світла, яке на них падає. Особливістю цього випроміню­вання є те, що світлова хвиля, яка виникає при цьому, не відрізняється від хвилі, що падає на атом, ні за частотою, ні за фазою, ні за поляризацією.

Мовою квантової теорії вимушене випромінювання означає перехід атома з вищого енергетичного стану до нижчого, але не самовільно, як при звичайному випромінюванні, а внаслідок зовнішнього впливу. Для того, щоб відбувся процес підсилення світла, необхідно, пдоб концентрація атомів на енергетичних рівнях, які відповідають збудженому стану, була більшою, ніж на нижчих рівнях. Такий стан називається інверсійною заселеністю.

Розглянемо будову і принцип роботи газового гелій-неонового лазера. Основ­ним його елементом є розрядна трубка, заповнена сумішшю газів гелію і неону. Парціальний тиск гелію - 1мм рт.ст, неону - ОД мм рт.ст. Атоми неону є випро­мінюючими (робочими) атомами, гелію - допоміжними, які необхідні для створен­ня інверсійної заселеності атомів неону. На рис. 3.22 схематично зображені енерге­тичні рівні атомів гелію і неону.

При електричному розряді в трубці збуджуються атоми гелію, які переходять в стан 2. Перший збуджуючий рівень гелію 2 співпадає з енергетичним рівнем З атомів неону Співударяючись з атомами неону, атоми гелію передають їм свою енергію і переводять їх в збуджений стан 3. Таким чином, в трубці створюється активне середовище, яке складається з атомів неону з інверсійною заселеністю. Спонтанний перехід окремих атомів неону з рівня 3 на рівень 2 викликає появу окремих фотонів, які, взаємодіючи із збудженими атомами неону, викликають інду­коване когерентне випромінювання.

Для збільшення потужності трубку поміщають в дзеркальний резонатор. Відбиваючись від дзеркал, потік фотонів багаторазово проходить вздовж осі трубки, при цьому в процес індуктивного

2 3

 

 

Рисунок 3.23

випромінення включається все більше число збуджених атомів і інтенсивність індуктивного випромінювання зростає.

Будова лазера схематично показана на рис. 3.23. Розрядна трубка 1 з торців закрита плоскими паралельними пластинками 4. Для створення в трубці електрич­ного розряду в неї введені два електроди 2 і 3. Резонатор складається із плоского 5 і увігнутого 6 дзеркал з багатошаровим діелектричним покриттям. Коефіцієнт відбивання цих дзеркал ~ 98-99 %.

Величезну потужність лазерного променя використовують для випаровуван­ня матеріалів у вакуумі, для зварювання і обробки надтвердих матеріалів. Засто­совуючи лазери отримують кольорові об'ємні зображення предметів у фотографії, кіно і телебаченні (так звана голографія). Перспективним є застосування лазерно­го проміння в засобах зв'язку і наукових дослідженнях.

Виділяють три напрямки використання біологічної дії лазерного випроміню­вання в медицині.

До першого напрямку належить дія на тканини імпульсним або безперервним випромінюванням з невеликою енергією, коли ще не відбувається зневоднення та випаровування тканин. Це, переважно, застосування лазерної радіації в дермато­логії та онкології.

Лазерну радіацію застосовують у дерматології для лікування бородавок, гнійних гранульом, доброякісних новоутворень шкіри. Лазерний промінь вибірково погли­нається забарвленими структурами. Він руйнує лише пігментовані ділянки ткани­ни. Цю його здатність використовують для лікування захворювань шкіри, наприк­лад, для виведення уроджених плям, татуювання. Донедавна вважали невиліков­ними уроджені червоно-сині плями на шкірі. У таких плямах епідерміс має нормальну структуру, а порушена лише структура сітки кровоносних судин під еп­ідермісом. Для лікування використовують синьо-зелене випромінювання від арго­нового лазера, яке проходить через прозорий для нього епідерміс практично не пошкоджуючи його. А далі це випромінювання поглинається гемоглобіном крово­носних судин, зумовлюючи їх термічне пошкодження та закупорювання. На цьому місці утворюється безбарвний рубець.

Якщо потужність випромінювання висока, то його можна використати в хірургії як скальпель. Лазерний промінь направляють гнучким світловодом на тканину. Світловод закінчується лінзою та ручкою. Промінь фокусується в точку з діамет­ром у декілька десятимільярдних часток метра. Таким "скальпелем" розтинають тканину тіла, забезпечуючи стерильність. Розтин проводиться дуже точно і швид­ко, не супроводжується кровотечею, бо висока температура на місці розтину зу­мовлює миттєву коагуляцію білків і просвіт кровоносних судин закривається.

Лазери використовують в офтальмології для лікування глаукоми, катаракти, відшарування сітківки тощо. Глаукома - підвищення внутрішньоочного тиску, зу­мовлене порушенням відтоку внутрішньоочної рідини. Причиною цього є пошкод­ження початкового відрізка системи відтоку. Створено лазерну установку, яка дає модульований світловий імпульс, енергія в одному імпульсі виділяється за мільйонні частки секунди. При модульованому імпульсі потужність зростає дуже швидко і термічний ефект не встигає розвинутись і, як наслідок, у точці фокусування про­меня утворюється отвір.

При відшаровуванні сітківки використовується лазерне випромінювання з не­великою енергією. Промінь проходить через прозорі тканини ока, не пошкоджуючи їх, фокусується на очному дні у місці відшарування сітківки і там виникає точковий опік. Потім утворюється рубець, що приварює сітківку до розміщеної над нею су­динної оболонки, і зір відновлюється.

Використовують лазерний "скальпель" у нейрохірургії, тому що патологічне вогнище можна видалити без механічного контакту з ніжними тканинами нервової системи. Сфокусований до мінімуму лазерний промінь використовують для зши­вання судин мозку як на поверхні мозкової тканини, так і в глибині. Це дозволяє зшивати судини діаметром, меншим від 0,5 мм, звичайна хірургічна техніка не дає таких можливостей.

За допомогою лазерного випромінювання можна припинити кровотечу зі шлун­ка та дванадцятипалої кишки під час проведення фіброгастроскопії.

Використовують методи оперативного лікування за допомогою лазера у ле­геневій, серцево-судинній хірургії, у стоматології, отоларингології, урології та інших галузях медицини.

Низькоенергетичне лазерне випромінювання не пошкоджує клітини і тканини, має біостимулювальний ефект; активізує найважливіші процеси життєдіяльності організму. Підвищується активність важливих біоенергетичних ферментів, при цьому посилюється енергетичний обмін у клітинах, зростає біосинтетична активність, тобто збільшується вміст вуглеводів, білків, нуклеїнових кислот тощо.

Лазерне випромінювання стимулює поділ клітин, прискорює регенерацію кісткової, сполучної, епітеліальної та м'язової тканин, підвищує здатність до при­живлення трансплантатів шкіри, стимулює імунну систему (підсилюється функціо­нальна активність лімфоцитів, лейкоцитів, збільшується вміст білка у крові).

У практичній медицині використовують також лазеропунктуктуру як аналог голкотерапії. Для лазерної пункції (ЛП) найчастіше використовують малопотужнілазери, які генерують випромінювання в червоній області спектра (гелій-неонові з = 632,8 нм). Зручно підводити лазерне випромінювання за допомогою світло-волоконної оптики (світловодів).

Низькоенергетичне випромінювання не викликає морфологічних змін, але зу­мовлює певні біохімічні та фізіологічні зсуви в організмі, тобто створює фізіотера­певтичний ефект. Велика різноманітність лазерів, що дають світло усіх кольорів та відтінків, дає можливість діяти на окремі хімічні складові клітин і тканин.