Главная
Английское слово laser представляет собой аббревиатуру от light amplification by stimulated emission of radiation, что в переводе означает усиление света вынужденным излучением. В большинстве атомов электроны наружной оболочки находятся на самом низком энергетическом уровне E0. Под воздействием внешней энергии эти электроны могут переходить на следующий энергетический уровень Еп, а по мере возрастания внешней энергии и на более высокие энергетические уровни Eп. При спонтанном возвращении электрона на исходный уровень E0 испускается фотон с энергией и длиной волны, которые характерны для данного атома. Вынужденное излучение возникает тогда, когда атом, находящийся в возбужденном состоянии, возвращается на нижний энергетический уровень не спонтанно, а при столкновении с фотоном. В результате к первому фотону добавляется второй, причем их фазы, длины волн и направления движения совпадают (рис. 26.1). Эти процессы происходят в активной среде лазера. Она бывает газообразной (например, углекислый газ), жидкой (краситель кумарин) и твердотельной (ионы неодима в ИАГ). Разновидностью твердотельных лазеров являются полупроводниковые лазеры. Активная среда заключена в оптический резонатор. Простейший оптический резонатор состоит из двух параллельных зеркал. Одно зеркало отражает фотоны полностью, второе частично прозрачно, поэтому часть излучения пропускает наружу, а другую часть отражает назад в активную среду. Отражение приводит к быстрому накоплению энергии благодаря непрерывному движению фотонов между зеркалами. За счет этого продолжается индукция вынужденного излучения в активной среде (рис. 26.2).
Для начальной накачки активной среды может использоваться световая, химическая и электрическая энергия. Во многих медицинских лазерах электрическая энергия преобразуется в световую, которая и воздействует на активную среду. Лазеры работают в непрерывном или импульсном режиме. Непрерывный режим — результат постоянной накачки активной среды, когда из оптического резонатора непрерывно испускается часть вынужденного излучения. Импульсный режим обеспечивают двумя способами. В импульсных лазерах с оптической накачкой газоразрядной лампой некогерентный световой пучок с вольтовой дуги поступает в активную среду короткими импульсами, поэтому генерация лазерного излучения тоже происходит импульсно. В лазерах с модуляцией добротности накачка активной среды происходит непрерывно, но лазерное излучение генерируется импульсно благодаря присутствию в оптическом резонаторе нескольких вращающихся зеркал или лазерных затворов. Модуляция добротности резонатора позволяет генерировать импульсы сверхвысокой энергии.
После того как лазерное излучение испускается из оптического резонатора, необходимо доставить его к мишени. В углекислотном лазере, излучение которого нельзя передавать по гибким кварцевым волоконным световодам, для этой цели используют несколько зеркал, помещенных внутрь шарнирного манипулятора. При длине волны 400—2900 нм для передачи лазерного излучения пригодны гибкие световоды. Излучение в них передается в результате многократного полного отражения от внутренней поверхности. Если изгиб волокна не превышает критический, фотоны, сталкивающиеся с его боковой стенкой, полностью отражаются и продолжают двигаться внутри. Если же изгиб волокна слишком велик, угол падения фотона становится меньше критического и фотон выходит за пределы световода. В силу внутреннего отражения и других оптических свойств пучок лазерного излучения на выходе из волокна становится слегка расходящимся, иными словами, фотоны движутся не совсем параллельно. Угол дивергенции в идеальном волокне диаметром 600 мкм составляет 17°. Энергию лазерного излучения можно сконцентрировать с помощью контактного наконечника. Из-за полупрозрачного покрытия наконечник в той или иной степени поглощает лазерное излучение и нагревается, поэтому к мишени поступает и тепловая энергия от горячего наконечника, и часть лазерного излучения, прошедшего сквозь него.
Характеристики лазеров
В отличие от светового потока, излучаемого лампой нашивания, лазерное излучение монохроматично (имеет одинаковую длину волны), когерентно (имеет одинаковую фазу) и направлено параллельно. По законам оптики небольшое расхождение пучка излучения неизбежно. Это зависит от длины волны и диаметра выходного отверстия в оптическом резонаторе. Мощность лазера измеряют в ваттах, энергию — в джоулях. Лазер мощностью 1 Вт излучает 1 Дж энергии за 1 с. Плотность мощности лазерного излучения измеряют в Вт/см2, где в квадратных сантиметрах измеряют площадь пучка излучения на поверхности мишени. Таким образом, плотность мощности обратно пропорциональна квадрату радиуса светового пятна (если принять его за идеальный круг). Поскольку пучок излучения на выходе из световода слегка расходится, площадь светового пятна тем больше, чем дальше от мишени находится конец световода. Следовательно, площадь светового пятна определяется формой, диаметром и углом дивергенции пучка лазерного излучения на выходе из световода, углом падения лазерного пучка, геометрией поверхности мишени и расстоянием от конца световода до мишени. Эти геометрические соотношения следует учитывать при планировании лечебного действия лазерного излучения.
Взаимодействие лазерного излучения с тканями
При контакте с тканями лазерное излучение может отражаться, рассеиваться, проходить вглубь или поглощаться. Лечебное действие обусловлено только поглощением фотонов. Основной механизм действия большинства медицинских лазеров — фототермический (рис. 26.3). Поглощенные тканью фотоны нагревают ее. При температуре выше 45°С повреждаются ферменты и начинают разрушаться клеточные мембраны. Если такая температура поддерживается долго, происходит денатурация некоторых белков, хотя денатурация белков и коагуляция тканей в основном происходят при температуре выше 60°С. При температуре 100°C в тканях закипает вода, что приводит к разрыву клеток, обезвоживанию и сморщиванию ткани. После испарения всей воды температура ткани вновь начинает повышаться. При температуре примерно 150°С ткань обугливается. Черная обугленная ткань активно поглощает фотоны, и если воздействие лазера продолжается, температура резко повышается и ткань испаряется полностью. Глубина проникновения лазерного излучения в ткань — это расстояние, в пределах которого в ткани поглощается 90% исходной энергии лазерного излучения. Глубина проникновения зависит от свойств лазера и ткани.
Основной параметр лазерного излучения, определяющий его взаимодействие с тканями, — длина волны. Разные материалы по-разному поглощают фотоны разной длины волны. Также существенны длительность импульсов и интервал между ними. Если длительность импульсов мала, а интервалы между ними велики, то до воздействия очередного импульса ткань успевает охладиться (это зависит также от времени остывания данной ткани). Наконец, важна и плотность мощности, которая при прочих равных условиях зависит от площади светового пятна.
Существенный фактор, влияющий на результат лазерного воздействия, — тип ткани, ведь разные ткани имеют разные коэффициенты поглощения фотонов разной длины волны. В этом смысле играют роль цвет ткани, содержание в ней гемоглобина и химический состав. Кроме того, тепловую энергию от места воздействия могут уносить усиленный кровоток и жидкость для промывания. Чтобы правильно выбрать лазер для того или иного вмешательства, нужно знать, как поглощается лазерное излучение разной длины волны водой и гемоглобином (рис. 26.4). Например, излучение ПАГ-неодимового лазера с длиной волны 1064 нм, плохо поглощаясь водой и гемоглобином, действует преимущественно на белки и проникает на глубину 3—5 мм. Если энергия излучения невысока, оно вызывает коагуляцию, потому что этой энергии для испарения воды недостаточно. Излучение ИАГ-неодимового лазера с кристаллом калий титанил фосфата с длиной волны 532 нм хорошо поглощается гемоглобином, но не водой. Оно, подобно излучению ИАГ-неодимового лазера, глубоко проникает в непигментированную, плохо васкуляризованную ткань, а в пигментированной, окрашенной или обильно васкуляризованной ткани поглощается близко к поверхности. Добавление экзогенных хромофоров (веществ, придающих тканям окраску) может усиливать избирательное поглощение лазерного излучения.
Даже лазерное излучение, плохо поглощаемое данным типом ткани, может вызвать ее испарение, если плотность мощности излучения высока. Например, излучение ИАГ-неодимового лазера при контактном воздействии на ткань и малой площади светового пятна несет энергию, достаточную для испарения воды. Когда ткань обугливается, начинает поглощаться почти вся энергия, за чем следует резкий подъем температуры и испарение значительной части ткани. По определению, плотность мощности зависит от мощности излучения и площади светового пятна. При постоянной выходной энергии излучения нужного эффекта можно добиться, регулируя площадь светового пятна. Если требуется испарить ткань, площадь светового пятна уменьшают, приближая световод к ткани, если требуется коагуляция, площадь светового пятна увеличивают, отодвигая его от ткани.
Лазерное излучение может оказывать не только термическое действие. Урологам больше всего известен фотоакустический эффект. Когда лазерный литотрип-тор (например, световод от импульсного лазера на красителе) подводят к камню, поверхность камня поглощает излучение и нагревается до столь высокой температуры, что на его поверхности образуются пузырьки плазмы. Когда они лопаются, возникают ударные волны, разрушающие камень. Другой эффект — фотодеструкция — это результат воздействия узким пучком лазерного излучения сверхвысокой энергии. При таких условиях химические связи в веществе разрываются без его существенного нагрева. Лазеры оказывают и фотохимическое действие. Оно заключается в активации определенных веществ, например фотосенсибилизирующих средств, в частности гематопорфирина, применяемых для лечения злокачественных опухолей (фотодинамическая терапия).