Действие излучений оптического диапазона. Принцип устройства и действия лазеров. Особенности излучения лазеров. Применение лазеров в медицине.

Термин «лазер» представляет собой аббревиатуру начальных букв английских слов Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(усиление света с помощью индуцированного излучения).

Впервые возможность усиления света квантовой системой, находящейся в возбужденном состоянии, была обоснована в 1940 г. советским ученым В.А.Фабрикантом. В 50-е годы эта идея нашла блестящее подтверждение в исследованиях советских и американских ученых Басова, Прохорова и Таунса, которые в 1964 г. были удостоены Нобелевской премии.

Свет излучают валентные электроны при переходах с вышележащих энергетических уровней на ниже лежащие. В зависимости от причины, вызывающей квантовый переход, различают спонтанное и вынужденное излучения. Вынужденное (или индуцированное) излучение возникает при взаимодействии фотона с возбужденным электроном, если энергия фотона равна разности энергетических уровней. В результате вынужденного квантового перехода от электрона в одном направлении будут распространяться два одинаковых фотона: первичный (вынуждающий) и вторичный (испущенный).

Число переходов, совершаемых в единицу времени, зависит от числа фотонов, попадающих в вещество за это же время (т.е. от интенсивности света) и от заселенности соответствующих возбужденных энергетических уровней. Для усиления электромагнитных уровней необходима активная среда(среда с так называемыми метастабильными энергетическими уровнями, спонтанный переход с которых на нижележащие заторможен). Обычно это триплетные уровни, при переходе на которые электрон меняет спин. При сообщении активной среде энергии (накачке) происходит инверсная заселенность энергетических уровней. При попадании фотона в активную среду происходит сброс электронов с триплетных уровней (лавинообразное размножение фотонов), причем все фотоны обладают строго одинаковой энергией.

Таким образом, основные структурные элементы лазера– это активная среда (рабочее тело), система возбуждения (накачки) и оптический резонатор (система зеркал, обеспечивающая многократное прохождение фотонов через вещество).

По типу активного вещества лазеры делятся на: а) твердотельные (неодимовое стекло, гранат, рубин); б) газовые (гелий-неоновые, аргоновые, углекислотные), в) жидкостные (растворы органических и неорганических веществ).

По режиму работылазеры делятся на импульсного типа (длительность импульса менее 0,15 с; режим модулированной добротности – длительность импульса – 1 мкс и меньше, режим свободной генерации 1-100 мс) и непрерывного излучения (более 0,15 с).

Свойства лазерного излучения:а) монохроматичность (одна длина волны; Dl ~ 0,01 нм); б) когерентность (колебания строго согласованы по фазе); в) узкая направленность (расхождение пучка – несколько минут); 4) высокая мощность.

По длинам волн – видимый, инфракрасный, СВЧ-диапазон (МАЗЕР).

Биологические эффекты лазерного излучения:

1) Острые первичные эффекты:

а) термические (коагуляция белков, «испарение жидкости»);

б) нетермические (ударный эффект, световое давление, временное

ослепление);

2) Хронические эффекты (кумулятивное действие).

Термический эффектболее характерен для лазеров, работающих в непрерывном режиме (при небольших мощностях – коагуляция белка, при больших – испарение воды).

Для импульсных – нетепловые эффекты: при работе в режиме модулированной добротности – мгновенный нагрев до высоких температур, подобие взрыва облученных тканей = ударный эффект; разрыв и отслойка сетчатки, кровотечение; кусочки пигментов сетчатки разлетаются во все стороны и глубоко внедряются в стекловидное тело. Временное ослепление = зрительная дезадаптация (важна для наблюдателей, операторов, водителей машин, танков, летчиков) – от нескольких секунд до нескольких часов.

Хронические эффекты – изучены плохо. Считается, что образуются высокоактивные химические соединения (в т.ч. свободные радикалы).

Высокая чувствительность глаз к лазерному излучению – фокусирование излучение = возрастание плотности потока энергии на сетчатке в 104-106 раз по сравнению с роговицей и кожей. Преимущественное повреждение сетчатки – видимый свет; УФ и ИК-лучи – поглощаются в основном роговой оболочкой (кератиты, конъюнктивиты). Повышение температуры сред глаза под воздействием ИК – способствует образованию катаракты.

ПДУ– в видимом диапазоне и ближнем ИК = 1-2 Дж/см² (одиночный импульс) и 0,1 Вт/см² (непрерывное излучение).

Защита: соблюдение техники безопасности; ограничение допуска людей в рабочие помещения; знаки лазерной опасности и сигнальные устройства, извещающие о генерации излучения; исключение зеркальных поверхностей; противолазерные очки (диэлектрические пленки, отражающие до 90% падающей энергии + поглощение; ослабление до 100 раз). Щитки, маски, халаты, перчатки. Т.е. проблема скорее организационно-техническая.

Использование лазеров в медицине:

А) Лазерная хирургия – разрушение биологических тканей совместно с коагуляцией белка = бескровные рассечения.

Офтальмокоагулятор = лечение отслойки сетчатки; лечение глаукомы = прокалывание отверстий размером 50-100 мкм для оттока внутриглазной жидкости; разрушение раковых опухолей; разрушение дентина при лечении зубов.

Лазерно-эндоскопическая техника обеспечивает непрерывное наблюдение за эффектом воздействия, возможность биопсии и т.п. В качестве примера можно привести подход исследователей из Национальной лаборатории им. Лоуренса (Ливермор, США) к решению задачи диагностики и лечения инсульта. При этом заболевании снижается кровоснабжение головного мозга в связи с полной или частичной закупоркой (ишемический инсульт) или разрывом (геморрагический инсульт) снабжающих мозг кровеносных сосудов. Ежегодно в мире инсульт становится причиной смерти около 4,5 млн человек. Заболевание характеризуется очень коротким критическим периодом (от 2 до 4 часов), в течение которого необходимо восстановить кровоснабжение мозга, прежде чем в нем произойдут необратимые изменения. Закупорка сосудов может быть устранена с применением тромболитических препаратов, растворяющих тромбы. В значительном количестве случаев применение этих препаратов противопоказано по причинам либо низкой эффективности для конкретного вида заболевания, либо высокого риска серьезных осложнений. Исследователями лаборатории предложен новый минимально инвазивный метод восстановления кровотока с использованием лазерного излучения. Катетер со световодом внутри вводится в артерию и подводится к месту расположения тромба. При взаимодействии с лазерным излучением в крови возникают акустические волны, которые и разрушают тромб. Предклинические испытания продемонстрировали высокую эффективность методики, а также отсутствие осложнений, связанных с возможной закупоркой более мелких сосудов по направлению кровотока частицами разрушенного тромба.

Разработка в Научно-исследовательском центре по технологическим лазерам РАН надежного моноимпульсного СО₂-лазера с энергией до 100 Дж для лазерной реваскуляризации - перспективного метода эффективного лечения ишемической болезни сердца, суть которого заключается в создании с помощью лазерного излучения сквозных каналов в сердечной мышце левого желудочка, способствующих восстановлению ее кровоснабжения.

До последнего времени ликвидация очагов аритмий в тканях миокарда в критических ситуациях требовала проведения тяжелой хирургической операции на открытом сердце (с применением дорогостоящих систем искусственного дыхания и кровоснабжения) и последующей долгой реабилитации. Поиски путей более щадящего метода лечения аритмий привело к развитию лазерных методов лечения этого заболевания путем коагуляции аритмогенных зон миокарда при их нагреве лазерным излучением с помощью вводимого через артерию катетера, внутри которого размещается волоконный световод. В настоящее время задача лазерной коагуляции тканей миокарда, являющейся, по свидетельству специалистов, весьма перспективным направлением в лазерной хирургии, далека от завершения и находится на стадии экспериментальных исследований, в том числе клинических, которые ведутся в ряде медицинских центров. Так, в Институте кардиологии им. Бакулева проведено более ста операций по указанной методике.