- •Е.А. Шахно физические основы применения лазеров в медицине
- •Оглавление
- •1. Обзор основных направлений применения
- •1.1. Лазерная диагностика
- •1.2. Лазерная терапия
- •1.3. Фотодинамическая терапия
- •1.4. Лазерная хирургия
- •1.5. Основные типы лазеров, применяющихся в медицине
- •2. Некоторые свойства биологических тканей
- •2.1. Оптические свойства ткани
- •2.2. Теплофизические свойства тканей
- •2.3. Оптический и термический перенос энергии
- •3. Основные явления, наблюдаемые при воздействии лазерного излучения на биоткань
- •3.1. Действие лазерного излучения на биологическую ткань в
- •3.2. Тепловые воздействия
- •3.3. Фотохимические воздействия
- •3.4. Нелинейные процессы
- •Фотоабляция
- •Оптический пробой
- •4.1. Тепловой механизм
- •4.2. Механизмы взрывного действия
- •4.3. Действие лазерного излучения уф диапазона на биологические ткани
- •4.4. Эффекты, сопутствующие абляции
- •5. Основы практического применения лазеров в хирургии
- •5.1. Основные принципы применения лазеров
- •В). Хирургия конечностей
- •5.2. Особенности течения раневого процесса после воздействия на ткань излучения хирургического лазера
- •Примеры применения лазеров в различных
- •6.1. Лазерные технологии в дерматологии
- •6.2. Лазерные технологии в стоматологии
- •6.3. Лазерные технологии в офтальмологии
- •6.4. Лазерные технологии в оториноларингологии
- •6.5. Лазерная терапия. Внутрисосудистое лазерное облучение крови
- •6.6. Лазерная сварка ткани
- •Кафедра лазерных технологий и экологического приборостроения
- •История кафедры лт и эп делится на
- •4 Разных периода:
- •1) Лазерное формирование многофункциональных зондов (мз) для зондовой микроскопии с целью создания универсальных зондовых микроскопов.
- •3) Наноструктурирование тонких металлических и полупроводниковых слоев.
- •4) Управление микрогеометрией, наношероховатостью и физико–химичекими свойствами поверхности материалов
- •2. Лаборатория лазерной очистки и реставрации произведений культуры и искусства (пкин) организована совместно с фирмой ооо «Мобильные лазерные системы».
Оптический пробой
Оптический пробой возникает при более высокой плотности мощности ~1011 Вт/см2. Из-за высокой напряженности поля происходит ионизация материи, что приводит к образованию плазмы и механических ударных волн. Оптический пробой может происходить в газах, жидкостях и твердых телах, в том числе в прозрачных средах, например, в воздухе.
Для оптического пробоя необходимы свободные электроны в зоне фокусировки лазерного пучка. Они могут быть генерированы, например, при многофотонной ионизации атомов и молекул. После образования свободных электронов происходит лавинообразное увеличение их количества при столкновении их с атомами и молекулами в поле действия излучения. При этом принципиально важна большая напряженность электромагнитного поля, а поглощение излучения в ткани для развития оптического пробоя не имеет значения. Вследствие лавинообразного увеличения количества свободных электронов и ионов происходит образование плазмы.
Плазма
Плазма может возникать не только путем оптического пробоя, но и тепловым способом, при нагревании поглощающей материи.
В обоих случаях возникающая плазма вызывает вторичные процессы.
1. Горячая плазма очень быстро расширяется, со скоростью, которая может в несколько раз превышать скорость звука в среде. Это расширение вызывает акустическую или ударную волну и тем самым приводит к механическому воздействию. Это явление используется в ряде медицинских технологий, например, для разрыва мембраны вторичной катаракты, для размельчения камней (литотрипсия).
2. Плазма излучает в видимом и ИК диапазоне.
3. Плазма экранирует поверхность от действующего лазерного излучения. Этим объясняется, в частности, насыщение интенсивности абляции при высокой плотности энергии.
4. Плазма разогревает поверхность облучаемой ткани, причем размеры области воздействия увеличиваются.
4. БИОФИЗИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С БИОТКАНЬЮ
Излучение хирургического лазера вызывает повреждение или гибель живой ткани, а при достаточно высокой плотности поглощенной энергии – абляцию ткани. Под термином «абляция» понимают удаление вещества с поверхности тела. В хирургии, подчеркнем, имеется в виду эффект, проявляющийся непосредственно в процессе лазерного воздействия. Например, не является абляцией ликвидация участков ткани при фотодинамической терапии.
Механизм абляции и его параметры определяются:
1) характеристиками излучения (длина волны, длительность воздействия, мощность, частотные характеристики и т. д.)
2) физическими и структурными свойствами ткани (соотношение жидкого и плотного компонентов, физико-химический состав, термическая чувствительность клеток и макромолекул, кровоснабжение ткани и т.д.)
3) оптическими и теплофизическими свойствами ткани (коэффициент отражения, поглощение и рассеяние в ткани, ее теплоемкость и теплопроводность)
Взаимодействие лазерного излучения с биотканью, в том числе ее абляция, является одной из фундаментальных и интенсивно изучаемых проблем, хотя и еще не вполне решенных.
Исследованию физических механизмов взаимодействия лазерного излучения с биотканью посвящено большое количество работ. Наиболее полная систематизация приведена в работах А.И.Неворотина. На основании многочисленных исследований взаимодействия излучения лазеров с биотканью могут быть выделены 4 механизма взаимодействия, которые различаются друг от друга особенностями протекания процессов. Эти механизмы могут быть рассмотрены (в зависимости от мощности воздействия), как выше порога абляции ткани, так и ниже. Мы будем называть эти режимы соответственно абляционный режим воздействия излучения и субабляционный режим. Оба эти режима эффективно применяются в современной лазерной хирургии.