Ласерска медицина

Ласерска медицина је област медицине која свој дијагностички, терапијски и научно-истраживачки рад заснива на примени ласерске монохроматске светлости, кохерентне светлости, само једне таласне дужине (боје) усмерена у уском снопу и истом смеру. Ласерска медицина је данас постала незамењива област медицине, која је нашла примену на само у многобројним дијагностичким и терапијским процедурама већ и у области биолошких истраживања од микроскопије високе резолуције до субцелуларне нанохирургије. Својом појавом и експанзијом, ласерска медицина је доказала како су медицински ласери одличан пример кретање савремене идеје у науци које може истински да промене медицински свет.

Светлосним зраком који се креће дуж оптичког влакна током фотодинамичка терапије ваздухом је раздвојен ласерски зрак у два различита степена да би се креирала одговарајућа терапеутска таласна дужина. Пацијенту је претходно дат фотосензитивни лек које су апсорбовале ћелије рака. Током интервенције, светлосни зрак допире до тумора, и активира лек који убија челије рака

Историја

Некада је било незамисливо да уски, једносмерни, кохерентни, појачани сноп светлости емитован из узбуђених атома може бити довољно снажан да реже челик. Године 1917, Алберт Ајнштајн је поставио темеље за проналажење ласера, односно његовог предака масера, својим револуционарним извођењем из Планковог закона радијације заснованог на концепту спонтане и стимулисане емисије. Ова теорија није нашла своју примену све до пред Други светски рат.

Године 1939. конструисана је прва негативна апсорција са гасним смешама (Фабрикант). 1954. године Чарлс Таунс (енгл. Цхарлес Тоwнес) и његови студенти Џејмс Гордон и Херберт Цајгер направили су први масер, квантни генератор у микроталасном дијапазону, што је интересантно за еталоне фреквенције и времена. Таунсов масер није био способан за рад у континуалном режиму зрачења. Са чувеном тројком Николај Басов, Александар Прохоров и независно Таунс демонстрирали су рад квантног осцилатора који је радио у непрекидном режиму користећи двонивоски систем. Овај систем је постигавши непрекидну стимулисану емисију без пада на основни ниво, у ствари успрео да успостави инверзију насељености. Таунс, Басов и Прохоров су поделили Нобелову награду за физику 1964. године за „фундаменталан допринос на пољу квантне електронике, који је довео до конструисања осцилатора и појачавача заснованог на ласер-масер принципу“.

Године 1957. Чарлс Таунс и Артур Леонард Шаулоу који су тада радили у Беловим лабораторијама, започињу низ испитивања на инфрацрвеном масеру. Како се идеја развијала, рад на инфрацрвеним фреквенцијама бива напуштен, и уместо тага се преусмеравају на видљив део спектра. Концепт је изворно назван „оптички масер“. Истраживачи из Белове лабораторије су касније поднели патентну пријаву за овај нови уређај.

Истовремено Гордон Гулд, апсолвент на Колумбија универзитету разговара са Таунсом на тему емисије и радијације. 1958. године Прохоров је предложио примену резонатора који је данас важан део ласера. Први пут назив „ласер“ помиње се у јевности у извештају Гулда из 1959. године у раду под насловом "Тхе ЛАСЕР, Лигхт Амплифицатион бy Стимулатед Емиссион оф Радиатион". Гулд је имао намеру да већ постојећем „асер“ дода суфикс, који би се користио како би се означио део спектра у коме уређај емитује светлост, па отуда ласер који емитује X зраке би био „иксасер"; ласер за рад у ултраљубичастом делу спектра би био „увасер“. Ниједан од ових предлога није постао популаран, иако се понекад „расер“ користи како би се означио ласер који емитује радио фреквенције.

У Гулдовим белешкама наведене су многе могуће примене ласера, као на пример у спектроскопији, интерферометрији, радарима и нуклеарној фузији. На ову тему је и предао патентну пријаву 1959. године. Амерички патентни завод је је 1960. године одбио његову пријаву и права доделио Беловим лабораторијама. Ово је био повод правног процеса који је трајао три деценије, а тицао се научног престижа и велике количине новца у игри. Гулд је добио први спор, део на права 1977. године, али тек за процес 1987. године можемо да кажемо да је добио значајну победу када је Федерални суд наредио влади да додели права на патент њему за оптички пумпан и ласер са гасним пражњењем.

Први функционални ласери су прорадили 1960. године, када је прорадио први Мајманов ласер на рубину (истраживачка лабораторија Хјуз, Калифорнија, САД) или први Јаванов ласер на смеши Хелијума и Неона који се појављује са све три своје карактеристичне таласне дужине (0.63μм, 1.15μм и 3.39μм). Мајман користи синтетички рубинов кристал као чвртим језгром, пумпан оптички, бљескалицом за производњу црвене ласерске светлости таласне дужине 694нм. Ипак, Мајманов ласер је био способан за рад само у импулсном режиму, на тронивоском систему. Касније те године ирански физичар Али Јаван заједно са Вилијам Бенетом и Доналд Хериотом направили су гасни ласер на хелијуму и неону. Јаван је касније добио награду Алберт Ајнштајн 1993. године.

Концепт полупроводничког ласера предложен је од стране Басова и Јавана; рад прве ласерске диоде је демонстриран од стране Роберт Хола 1962. године. Његов ласерски уређај је био конструисан од Галијум-Арсенида и емитовао је светлост таласне дужине 850нм у блиском инфрацрвеном делу спектра. Први полупроводнички ласер за рад у видљивом делу спектра био је демонстриран исте године од стране Ник Холоњака, млађег. Као и први гасни ласери ови рани полупроводнички ласери моглису да раде само у импулсном режиму, и само уз хлађење на температуру течног азота од (77 К).

Године 1970., Совјетски научник Ж. Алферов и истраживачи Изо Хајаши и Мортон Пениш из Белове телефонске лабораторије независно су демонстрирали рад првог континуалног полупроводничког ласера на собној температури, заснованих на предлогу о ласерским диодама са хетеростуктуром. Прва примена ласера дугоживећег са видљивом светлошћу је била као бар-код читач у супер-маркетима, на патенту из 1974. године. Ласерски читач дискова, патентиран је 1978. године, био је први успешан потрошачки уређај који је у себи имао ласер, па је он тиме прва направа која је имала ласер, а да се нашла у домовима корисника за свакодневну употребу, од 1982. године.

Опште информације

Како каскада енергије фотона пролази кроз медијум, одбија се од огледал, она се рефлектује напред-назад, и добија енергију да произведе јак сноп светлости. Иако се данас ласери користе у многим областима, једна од најзначајнијих примена ласерске технологије је развијена кроз његову употребу у медицини.

Бржи и мање инвазивни са високом прецизношћу, ласери су продрли у већину медицинских дисциплина током последњих пола века, укључујући дерматологију, офталмологију, стоматологију, оториноларингологију, гастроентерологију, урологију, гинекологију, кардиологију, неурохирургију и ортопедију.

На много начина ласер је дово да револуције у дијагнозстици и лечењу многих болести. Као хируршки алат, ласер је способан за три основне функције:

• Када се фокусира на тачку, она може дубоко да каутеризира и реже ткиво, смањујући хируршку трауму узроковану ножем.
• Може исуживати површину ткива, и зауставити крварење.
• Кроз оптичка влакна омогућава доктору да види унутрашњост тела.

У биолошким апликацијама ласер је нашао примени почев од микроскопије високе резолуције до субцелуларне нанохирургије. Заиста, медицински ласери су одличан пример како кретање идеје може истински да промени медицински свет.

Врсте ласера

Гасни ласери

Карбон диоксидни ласер

Иако је конструисан 1964. и даље је један од најчешће коришћених медицинских ласера . Садржи смешу хелијума (60–80%), азота (%25%) и ЦО₂ (%5%). Гас се побуђује било са електричним или истосмерним пражњењем или са радио фреквентним (РФ) пољем. Он се разлаже на ЦО и О₂ и обично се допуњује континуираним током, или се производима за гас допушта рекомбинација у затвореним епруветама.

Карбон диоксидни ласери могу бити направљени са емисијом до неколико киловата, али је 10-20 V довољан за већину хируршких процедура. Таласна дужина је 10.6 µм, а сноп је високог квалитета у односу на монохроматичност и колимацију. Они раде у CV или пулсном режиму, у зависности од примене.

Радијација овог ласера ​​се не може преносити кроз стандардна оптичка влакна од силицијум диоксида. Међутим, систем огледала, шупљих валовода или влакана од металних халогенида, нпр. талијум бромид.

Има велику ефикасност: 10–15% улазне снаге се претвара у ласерску емисију.

Пошто је инфрацрвено зрачење на 10.6µм невидљиво, ХеНе ласери се користе за генерисање цилиндричних греда. Дубина продирања у вода је око 10µм, а дубине продирања у ткива углавном зависе од садржаја воде.

Овај типласер се користи за бројне хируршке, офталмолошке и козметичке апликације

Карбон моноксидни ласер

Карбон моноксидни ласер(ЦО) ради у CV режиму и има емисионе линије између 5 и 6 µм. Светлост у овом дужем региону снажно се апсорбује у ткивима, а ласер се користи за термичко заваривање крвних судова.

Аргонски и криптонски ласер

За разлику од карбон оксидног ласера, гасови у овим ласерима морају бити јонизован због електричног пражњења. Они нису веома ефикасни и велики део улазне енергије се губи као топлота, која захтева ефикасне системе хлађења. Ар-јонски ласер има свој главне излазне линије на 488 и на 514.5 нм, док су главне линије криптонског ласера ​​на 530.9, 568.2 и 676.4 нм

Док аргонски јонски ласер може дати излаз већи од 20 V, излаз на свакој од линија криптона је мањи од 10 V. Емисија из ових ласера ​​је углавном у видљивом опсегу, може бити пренета кроз оптичка влакна а апсорбују је бројне ткивне хромофоре. Значајно је да, хемоглобин снаћно апсорбује аргон. Због тога, ласер има одличну коагулациона својства и може се користити за испаравање пигментираних лезије на кожи, ендометријуму и мрежњачи.

Хелијум-неонски ласер

Основни састојци овог ласера ​​су хелијум и неон. Он ради у непрекидном режиму и има просечну снагу од неколико миливата. Ласер се може направити тако да емитује на различитим таласним дужинама, нпр. 543 нм (зелено), 594 нм (жуто) и 633 нм (црвено).

Његова поузданост, мала тежина и добар квалитет конструкције чине га погодним за разврставање и аналитичке сврхе.

Хелијум-кадмијски ласер

Хелиј-кадмијумски (ХеЦд) као један из класе гасних ласера ​​користе хелијум у комбинацији са металом који испарава на релативно ниској температури. Слаб је и има ниску ефикасност (< 0.05%) и мали излаз од око 50 мВ и 150 мВ на две главне линије 325 нм и 442 нм.

Ексимерски ласер

Године 1971. откривен је први ексимерски ласер, који ради уз помоћ ксенонског димера (Ксе2) који је побуђен електронским снопом да би произвео стимулисану емисију на таласној дужини 172 нм Ексимер је кратак облик израза „побуђени димери". Неки молекули, као што су халогениди ретких гасова (АрФ, КрФ, КсеЦл, КсеФ), стабилни су само у својим побуђеним стањима, а не у свом основном стању. Ласерски медијум се састоји од таквих молекула у пуферу (хелијум или неон). Они имају ниску ефикасност (%2%), дају кратке импулсе (10–100 нс) и емитирају у УВ области. Типичне таласне дужине су 193 нм (АрФ), 249 нм (КрФ), 308 нм (КсеЦл) и 351 нм (КсеФ).

Пенетрација зрачења на овим таласним дужинама у ткивима је ниска, што чини ласере погодним за многе хируршке примене. УВ зрачење, нарочито на 193 и 249 нм, може јонизовати молекуле у ткиву, разбити везе и довести до абразивних реакција. Висока енергија (просјечна снага до 200 V) и кратки импулси су одличан за ово укључујући и неке апликације у поље офталмологије [28,29]. Због високог кванта и енергетски ниске просечне стопе флуенце ови ласери могу да секу без грејања, па се, они понекад називају „хладни ласери"

Хидроген flуоридни ласер

Ови типови ласера ​​се називају хемијским ласером, јер се генеришу инверзијом из егзотермних хемијских реакција између слободног флуора и водоника да би се произвео побуђени водоник флуор.

Излази од више од 100 V могу се добити у модусима наносекундних импулса. Током рада троше СФ6, О2, Хе и Х2 и генерише зрачење у подручју таласне дужине 2.6–3.0 µм . Због тога су интересантне за хируршке захвате као и њему слични типови ЦО2 и ЦО ласери.

Приказ нивоа Нд:YАГ ласера

Чврстотелни ласери

Чврстотелни ласери имају језгро направљено од кристала или аморфног материјала, често у облику цилиндра. Огледала могу бити изведена као танки сребрени филмови напарени на крајеве овог цилиндра. На тај начин он чини ласерску шупљину. Побуђивање атома од којег се састоји језгро се обично врши неким интензивним извором светла. У ту сврху се често користе ксенонске бљескалице, а у новије вриеме ЛЕД диоде, или полупроводнички ласери, чиме се повећава енергетска ефикасност. Први ласер који је давао видљиву свјетлост је био рубински ласер, који користи језгро од рубина као извор зрачења. Рубински ласер даје црвену светлост таласне дужине 694.3 нм. Данас се често користи Нд:YАГ ласер, који за језгро има итријум алуминијум гранат (YАГ), допираног атомима неодијума. Нд:YАГ ласер даје инфрацрвено зрачење.

Хемијски ласери

Одређене хемијске реакције могу произвести молекуле у побуђеном стању. Хемијски ласери користе такве реакције како би се постигла инверзија насељености. Пример је флуороводонични ласер који користи реакцију водоника и флуора, за производњу флуороводоника у побуђеном стању. Ласерски зрак настаје у реакциској комори, у коју стално дотичу реактанти, а продукти излазе напоље. На тај начин је постигнута инверзија насељености, јер је у реакцијској комори стално присутно више побуђених молекула од оних у основном стању. Овакви ласери могу постићи јако велику снагу у континуалном моду. Једна врста хемијских ласера користи ексцимере. Ексцимер је молекул који је стабилан само у побуђеном стању. Ласер се састоји од смесе гасова кроз које се нарине високи напон, слично као код гасних ласера. Електрична струја ствара мноштво иона и побуђених атома у ласерској шупљини, који могу реаговати и створити ексцимер. Након што ексцимер доживи ласерски прелаз, он се распада јер не може постојати у основном стању. То је и разлог инверзије насељеност у овом ласерском медијуму.

Полупроводнички ласери

Полупроводнички ласер представља ласер малих димензија произведен од полупроводничких материјала, изведен на различитим структурама као што су квантна јама, квантна жица или квантна тачка. Најједноставнију структуру има диодни полупроводнички ласер, код кога на н-страни вишак електрона представља носиоце струје, док на п-страни превладавају шупљине које представљају недостатак електрона. Кад се на п страну примени позитиван напон, а на н-страну негативан, електрони и шупљине се крећу једни према другима. Честице се сретну у ултратанком простору који се назива квантна јама, где се врши рекомбинација електрона и шупљина при чему долази до емисије фотона. Ако су крајеви диоде уједно и високорефлектирајућа огледала долази до ласерског ефекта, емитовања истоврсних кохерентних фотона. Енергија фотона (боја свјетлости) одређена је својствима полуводичког споја, износом енергијског процепа (енгл. банд-гап). Нпр. за ласере на ГаАс тај енергијски процеп износи око 1,45 еВ, што одговара емисији фотона таласне дужине 885 нм. Плави ласер је појам (синтагма) који означава полуводичке ласере у подручју 400-450 нм, а чије би остварење представља значајан напредак у развоју ласерских дисплеја и повећању капацитета оптичких меморија.

Ласери на бојама

Ласери на бојама користе одређена органска једињења, која служе као активни ласерски медијум. Молекули, за разлику од атома имају тракаст спектар, који се састоје од много спектралних линија. Код ових једињења, енергетским нивоима се може манипулисати (електричним пољем, магнетским пољем, температуром ...). На тај начин је могуће подесити ласер за рад на одговарајућој таласној дужини. Побуда молекула се обавља помоћу неког другог ласера.

Ласери на слободним електронима

Ласери на слободним електронима користе сноп релативистичких електрона који пролази кроз магнетско поље које наизменично мења смер дуж пута електрона. У нормалним околностима, релативистички електрони, који пролазе кроз магнетско поље емитују синхротронско зрачење. Код ласера са слободним електронима, пут који електрони пролазе између наизменичо постављених магнета се ставља у ласерску шупљину, тако да фотони, који су ухваћени између огледала, изазивају стимулисану емисију слободних електрона у магнетном пољу, као и код електрона у побуђеним атомима. Ласери на слободним електронима се могу подешавати променом густине распореда магнета, јачине њиховог магнетног поља и променом енергије електрона. Тако да се могу направити и ласери на слободним електронима који раде на таласним дужинама које су недоступне класичним ласерима, јер не постоји погодан ласерски медијум који би могао произвести светлост задате таласне дужине. Могуће је направити и ласер са јако дугачком ласерском шупљином, без огледала, чији фотони онда не би требало да пролазе много пута дуж оптичког пута ласера, већ би прошли само једанпут. Такав ласер се назива суперрадијантни ласер. Данас се покушава направити суперрадијантни ласери на слободним електронима, који би радили у спектралним подручјима, у којима не постоје огледала која би то зрачење рефлектовала; нпр. у рендгенској обласи спектра

Ласери у терапији и дијагностици

Терапијску и дијагностичку примену ласери су нашли у следећим областима медицине:

Ласери у дерматологији

У дерматологије ласери су почели да се примењуј средином 1960-их. Због добре приступачности коже њихова примена у дерматологији добила је важно место у терапији и дијагностици. Када се апсорпција ласерског зрака обави у циљаном ткиву коже прецизно упареним идеалним таласним дужинама ласера, постиже се максимална специфичност интеракције ласера ​​и ткива.

Оптичко својство кожа је важна детерминанта селективности ласерског ефекта, јер у кожи постоје два главна хромофора:

• оксигенисан хемоглобин са три пикова апсорпције на 418, 542 и 577 нм; и
• меланин који има веома широк опсег апсорпција.

Осим тога, вода је кључна компонента ткива коже која може да утиче на квалитет термичких ефеката, почев од структурних промена протеина на температурама од 42–45°Ц, до коагулације на 50–60°Ц и испаравања на температури изнад 100°Ц.

Ласери у офталмологији

Примена ласера у офталмологији

Ниједно поље медицине није боље искористило достигнућа у убласти ласерске медицине као што је тослучај са офталмологија. Предност ласера у овој области је способност ласерског зрак да улази у око без изазивања повреде. Герд Меиер-Сцхвицкератх, немачки офталмолог, је 1940-их, међу првима почео да користи енергију сунца за „заваривање" епитела испод мрежњаче. Ово је било прва операција ока са лаком коагулацијом ретине.

Офталмологија била је можда и прва субспецијалност у медицини која је користила ласерску светлост за лечење пацијената. Одмах након проналаска првог ласера 1960. почела је примена конфокалних ласерских преносних систем за прву ретиналну ласерску коагулацију 1961. године.

Ласери су данас метода избора у минимално инвазивно микрохирургија ока. Систем за фокусирање рожњаче и објектив доводи ласерске зраке у оштар фокус унутар око. То заправо носи ризик од повреде, али има и значајне терапеутске могућности. Генерално, ласерска енергија има четири различита ефекта интеракције светлости на ткиво на ока:

• фотодискриминација,
• фотоаблација,
• фотокоагулација и
• фотокемијске реакција

Ласери у стоматологији

Уобичајени ласери који се данас користе у различитим областима клиничке стоматологије су — аргон, КТП, ХеНе, диода, Нд: ИАГ, ЕрЦр: ИСГГ, Ер: ИАГ и ЦО₂. Међу њима су Хе-Не ласер и диодни ласер (632 нм) са малом снагом примењени за фотодетекцију и ПДТ. Ова подручја углавном укључују пародонтологију, ендодонцију, лечење тврдих ткива, хирургију меких ткива и естетску стоматологију.

Ласери у оториноларингологији

Ласери у гастроентеруологy

Ласери у урологији

Ласери у гинекологији

Ласери су у гинекологији донели су значајан напредак у побољшавању квалитета живота жена. Ова методаа је за жене не само врло поштедна већ и знатно ублажава или потпуно отклања симптоме попут:

• пецкања и сврбежа у спољним гениталијама,
• губитак влажности и еластицитета вагине,
• бол приликом полних односа
• блага инконтиненција узроковане атрофичним вагинитисом.

Након што су карбон диоксидни ласер у гинекологији први пут коришћени пре 20 година, дана се користи и низ других ласера у овој области као што су Нд: ИАГ, КТП, и диодни ласери. Како се у гинекологији све више користе лапароскопска, колпоскопска и хистероскопска хирургија, употреба ласера у овој области непрестано расте.

Ласери у кардиоваскуларним хирургији

Ласери у неурохирургији

Ласери у ортопедији

Уобичајене врсте медицинских ласера ​​и њихове главне индикације

Област медицине	Врста ласера	Главне индикације
Дерматологија	Пулсед дyе, рубy, КТП, диоде, алеxандрите, аргон, ЦО2, Нд : YАГ, Б еxцимер	Васкуларне лезије Бенигни и малигни тумори инфективне лезије Пигментисане лезије и козметичка корекција тетовирања
Офталмологија	Рубy, аргон, Нд : YАГ, диоде, еxцимер	Дијабетична ретинопатија Старосна дегенерација макуле Глауком Поремећај рожњаче.
Стоматологија	Аргон, КТП, ХеНе, диоде, Нд : YАГ, ЕрЦр : YСГГ, Ер : YАГ, ЦО2	Каријес Периодонтитис Инфицирани коренски канали Припрема кавитета Операција меког ткива Избељивање зуба
Оториноларингологија	ЦО2, КТП, аргон, Нд : YАГ, Хо : YАГ, диоде	Полипи, нодули, цисте леукоплакија Субглотична стеноза Мрежа крвних судова, капиларни хемангиоми,
Гастроентерологија	Нд : YАГ, диоде	Хемостаза Васкуларне лезије Дисплазија у Барретт-овом једњаку Резање и уклањање тумора Фрагментација камења у жучи
Урологија	Пулсед дyе, Хо : YАГ, КТП, Нд : YАГ, диоде	Литотрипсија Бенигна хиперплазија простате Тумор простате Тумор мокраћне бешике
Гинекологија	Нд : YАГ, ЦО2, КТП, дyе, диоде	Спаљивање кондилом Леукоплакиа ЦИН, ВИН, ВАИН Ектопична трудноћа Дисменореја, ендометриоза цисте јајника Хистеректомија
Кардиоваскуларна хирургија	Аргон, еxцимер, Хо : YАГ, ЦО2	Атеросклеротске лезије Уклањање тромба и емболуса Трансмиокардијална реваскуларизација Перкутана реваскуларизација миокарда
Неурохирургија	ЦО2, Нд : YАГ, диоде, аргон	Менингиоми Акустички неуриноми Спинални тумоури Метастасе тумора Васкуларне малформације Стереотаксична неурохирургија
Ортопедија	Нд : YАГ, Хо : YАГ	Сечење и аблација меког и/ли тврдог ткива Глатка хрскавица Операција колена Декомпресија лумбалног диска

Спољашње везе

Молимо Вас, обратите пажњу на важно упозорење у вези са темама из области медицине (здравља).