«Введение в лазерные технологии в медицине»

Фундаментом для понимания процессов взаимодействия лазера с биологической тканью должны служить знания по биофизике, оптике и анатомии кожи. Усложняет ситуацию путаница в терминологии и классификации лазерных воздействий, порождающая неоправданные ожидания от процедуры со стороны как врачей, так и пациентов. Некоторые торгующие организации и учебные центры распространяют невероятные истории о волшебных лазерах, чудесным образом решающих любые проблемы, хотя такие аппараты имеют только одну длину волны. Но невозможно решать множество задача только одним лазером! Почему?! Об этом читай дальше…

Однако начать все же следует с физики. Без этого оценить возможности современных лазерных технологий довольно сложно. Лазерное оборудование – это световые устройства, поэтому начнём с того, что же такое свет?!

Свет в узком смысле — это электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом и занимающие участок спектра электромагнитных волн в диапазоне от 380 до 800 нм. Будем использовать для этого спектра термин видимое излучение.

1 нанометр (нм) меньше 1 метра (м) в миллиард раз = 10-9 м = 0,000 000 001 м

Свет по своей природе обладает корпускулярно-волновым дуализмом и его можно рассматривать как частицу в виде сгустка энергии, которая называется фотон. Фотон – элементарная частица света, квант электромагнитного излучения, не имеющая массы, но обладающая энергией, которая связана с длиной волны и частотой этих волн. Фотоны поглощаются электронами атомов отдавая им свою энергию, это может приводить к возбуждению атомов, отрыву от них электронов, нагреванию вещества и пр.

Так же свет можно рассматривать и как волны, распространяющиеся в пространстве, со всеми присущими волнам явлениями при взаимодействии с телами и границами сред с разной оптической плотностью – это отражение, преломление, рассеивание, дифракция, интерференция.

Каждый фотон – это и частица, и волна; много фотонов = много волн.

Количество фотонов (электромагнитных волн) = интенсивность светового потока, яркость света.

В зависимости от длины волны электромагнитного излучения (и, соответственно, энергии фотона) меняются эффекты его взаимодействия с атомами (рис. 1). Например, гамма и рентгеновское излучение относятся к ионизирующему излучению, так как они обладают большой энергией и способны приводить к отрыву электронов от атомов, и таким образом могут губительно влиять на геном человека и приводить к гибели клеток, тканей и организма.

Свет в широком его понимании включает в себя спектр ультрафиолетового, видимого и инфракрасного электромагнитного излучения (рис. 1).

Световые электромагнитные волны не относятся к ионизирующему излучению, поэтому хочется развенчать распространённый МИФ об опасности лазерного света: он так же безопасен, как и свет от бытовой лампочки накаливания. Поднеся ладонь к обычной лампочке, вы почувствуете тепло от воздействия инфракрасных световых волн. Лазерный свет более интенсивный, поэтому позволяет нагревать объекты значительно сильнее.

Тепло независимо от того, каким физическим способом оно вызвано, не обладает канцерогенным эффектом.

Л.А.З.Е.Р

Акроним ЛАЗЕР (анг. LASER — Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) — означает Усиление Света путем Вынужденного Излучения.

То есть лазер такой же искусственный источник света, как и обычная лампочка накаливания, но у него есть 3 уникальных свойства:

1. Лазерный свет является монохроматичным (одноцветность – все волны одной длины волны, например, 1064 нм): он состоит из одного «цвета» или очень узкого диапазона «цветов». Обычный свет имеет намного более широкий диапазон длин волн (цветов). Это свойство позволяет лазерному свету оказывать очень определенные воздействия на биологические ткани.
2. Лазерный свет является колированным (все волны параллельны друг другу и без рассеивания могут распространяться на большое расстояние): он распространяется в единственном направлении с очень маленьким расхождением. Обычные световые волны при распространении быстро теряют свою интенсивность. Это свойство позволяет лазерному свету передаваться с очень маленькой потерей мощности по сравнению с обычным светом.
3. Лазерный свет является когерентным (все волны совпадают по фазе колебаний во времени и пространстве): это свойство позволяет доставлять лазерную энергию чрезвычайно точным и контролируемым способом. Обычный, некогерентный свет от электрической лампочки состоит из смеси волн с различными частотами, распространяющимися в различных направлениях.

Уникальные свойства лазерного света

Особенности лазерных источников света, позволяющие использовать их в медицине, следующие:

• излучение селективно воздействует на определенные молекулы (хромофоры), поглощающие электромагнитные волны только определённого спектра;
• высокоинтенсивный пучок света можно сжимать до очень узкого луча с диаметром толщиной в пушковый волос (30 мкм) и менее;
• можно менять время экспозиции (длительность воздействия) от фемтосекунд (квадриллионная доля секунды – 10-15) до минут;
• за счет эффекта усиления можно повышать интенсивность и мощность света в тысячи и миллионы раз.

Кроме лазерных источников света (монохроматичных) в медицине нашли применение источники интенсивного импульсного полихроматичного (широкополосного) света (от англ. Intensive pulse light – IPL). Для этого используют мощные ксеноновые лампы вспышки, которые излучают в спектре от 400 до 1200 нм. С помощью фотофильтров можно изменять спектр волн воздействуя на различные хромофоры, но всё же IPL сильно проигрывают лазерам в селективности воздействия.

По сравнению с лазерами они обладают рядом недостатков, а именно:

• плохая селективность – воздействие идет сразу на все хромофоры кожи;
• нельзя сжимать свет в узкий пучок;
• работа возможна только с помощью длинных импульсов (вспышек);
• зачастую слабая мощность.

При этом один аппарат IPL может использоваться для фотоэпиляции, фотоомоложения, коагуляции мелких сосудов и лечения пигментации. Лазеры могут решать те же задачи, но для этого может понадобиться два или три лазерных излучателя и, соответственно, 2-3 длины волны. Обычно один лазерный излучатель — один лазер. Аппараты с несколькими излучателями называют мультиплатформами.

Основные компоненты медицинского лазера

Лазерный свет генерируется внутри лазерного генератора, который состоит из трех основных компонентов.

1. Первым компонентом является активная среда (рис. 3) — это может быть твердое тело, жидкость или газ. Твердотельная активная среда состоит из цилиндрического лазерного кристалла. Популярными лазерными кристаллами для медицинских лазерных применений являются Nd:YAG (неодим: алюмоиттриевый гранат), Er:YAG (эрбий: алюмоиттриевый гранат), Alexandrite (александрит). Активная среда определяет конкретную длину волны света, с которой работает лазер (например, 1064 нм для Nd:YAG и 2940 нм для Er:YAG).

2. Вторым компонентом является система накачки, используемая для возбуждения атомов активной среды. Наиболее часто для этого используется импульсная ксеноновая лампа низкого давления.

3. Третьим компонентом является оптический резонатор – два тщательно отполированных зеркала, расположенных на обоих концах активной среды.

Дальше для доставки лазерного света на поверхность кожи пациента используются различные системы доставки лазерного луча, которое могут быть представлены, призмой в лазер-пистолете, шарнирным световодом, или оптическом волокном. То, что специалист непосредственно держит в руке как правило называется манипула, но возможны другие названия — манипулятор, аппликатор, пистолет, насадка.

Лазерные параметры контролируются врачом при помощи интерфейса лазерной системы.

Типы лазеров

Есть множество классификаций лазерных устройств, но то, с чем тебе чаще всего придётся сталкиваться, сводиться к четырём классификациям лазеров – по материалу активной среды (рабочему телу), по энергии лазерного луча (интенсивность или плотность мощности), по режиму работы, и по типу взаимодействия лазера с тканью.

1. Активная среда

Для медицинских применений доступен широкий диапазон лазеров. В общем, медицинские лазеры можно разделить на три группы по материалу активной среды:

• 1. Газовые лазеры (CO2 – 10600 нм, Argon, HeNe и т.д.),
• 2. Твердотельные лазеры:
  • — лазеры на кристаллах (Er:YAG – 2940 нм; Nd:YAG – 1064 нм; KTP – 532 нм и т.д.);
  • — диодные (светодиодные) лазеры – полупроводниковые (585, 755, 810, 940, 980, 1060, 1540 нм и т.д.);
  • — оптоволоконные (Er:Glass — 1550 нм; как и диодные, могут быть любой длины волны).
• 3. Жидкостные лазеры (лазеры на красителе – PDL «Pulsed Dye Laser» — 595 нм)

Для специалиста важно знать, прежде всего, длину волны – именно эта характеристика лазера в первую очередь определяет медицинский эффект, и неважно, каким способом получено излучение с этой длиной волны.

2. Энергия

Следующий фактор — энергия, и здесь лазеры делят на низкоэнергетические лазерные аппараты, излучающие низкоинтенсивное лазерное излучение (НИЛИ) и высокоэнергетические лазерные аппараты/ устройства/ оборудование.

Влияния лазерного света малой мощности (синонимы: низкоэнергетическое или низкоинтенсивное лазерное излучение, НИЛИ, low-level laser light, LLLL, low-level laser radiation, LLLR) изучается в разделе лазерной терапии (синонимы: лазеротерапия, ЛТ, низкоинтенсивная лазерная терапия, low-level laser therapy, LLLT).

Лазеротерапия – это один из видов физиотерапии, основанный на применении лазерного излучения с низкой средней мощностью в пределах 1-100 мВт для непрерывно работающих лазеров “CW”, и от 5 до 100 Вт для импульсных лазеров “PW” с длительностью импульса 100—130 нс. Суть НИЛИ в том что при взаимодействии фотона с хромофором возможно преобразование энергии в новые химические связи, фотон фактически выступает катализатором, обеспечивая нетепловой фотохимический и фотобиостимулирующий эффекты, которые наблюдаются даже при воздействии очень малой мощности лазерного излучения.

Высокоэнергетические медицинские лазерные аппараты обладают высокой пиковой мощностью от десятков до триллиона ватт. Такие аппараты используются в медицинских целях зачастую только в импульсном режиме, поэтому используется термин пиковая мощность. В чём отличие?!

Пиковая мощность — это количество излучённой энергии за 1 импульс, а средняя мощность — за 1 секунду. 1000 ватт = 1 КВт, 1000 000 ватт = 1 МВт, 1000 000 000 ватт = 1 ГВт.

При высокой пиковой мощности лазерного излучения (количества фотонов за 1 импульс) биологическая ткань начинает нагреваться в результате преобразования энергии света в энергию тепла – фототермический эффект. При наносекундных импульсах и высокой пиковой мощности свыше 100 МВт молниеносный нагрев вещества до температур, вызывающих его взрывоподобное разрушение с формированием ударной волны – фотомеханический и фотоакустический эффекты (рис. 4).

Для высокоэнергетических лазеров количество энергии и скорость ее подачи прямо пропорциональны интенсивности нагревания ткани от Т — 36С до нескольких сотен градусов.

3. Временной режим работы

Следующий критерий — это время воздействия на ткань которое зависит от режима работы лазера. По этому показателю лазеры делят на:

1. Непрерывные, CW (Continuous Wave) — генерируют постоянный поток света;

2. Квазинепрерывные, QCW (Quasi-Continuous Wave) – импульсные лазеры, работающие с высокой частотой импульсов;

3. Импульсные, PW (Pulse Wave).

Последние, в свою очередь, могут отличаться по длительности импульса. В секундном диапазоне времени могут работать CW-лазеры и импульсные лазеры в режиме QCW (большая частота импульсов). Лазеры, работающие в миллисекундном диапазоне (рис. 5), называют длинноимпульсными (от англ. Long Pulse – LP), в микросекундном — короткоимпульсными (от англ. Short Pulse – SP), в наносекундном и пикосекундном – ультра—короткоимпульсными (от англ. Ultra Short Pulse – USP). Для формирования короткого импульса длительностью в нано- и пикосекунды в лазерный генератор добавляют «оптический затвор» — устройство с модулируемой добротностью (от англ. Q-switching). Поэтому их часто называют Q-switched-лазерами, или Q-sw- лазерами.

Длительность импульса, которая равна времени работы лазерного генератора, отвечает за объем нагреваемого вещества. Чем короче импульс, тем короче диффузия тепла от нагреваемого хромофора. С помощью Q-sw-импульсов можно дробить пигмент татуировки, за счет длинных импульсов — селективно нагревать волосяные фолликулы, сосуды, слои кожи. При непрерывном воздействии ткань нагревается на большую глубину за счет термодиффузии (рис. 6).

Так, неодимовый лазер (Nd:YAG 1064 нм) может быть квазинепрерывным (QCW Nd:YAG) длинноимпульсным (LP Nd:YAG), короткоимпульсным (SP Nd:YAG) и ультра-короткоимпульсным (Q-sw Nd:YAG). Есть лазерные аппараты, которые работают только в одном временном диапазоне, но есть и те, которые охватывают 3 — 4 временных диапазона.

Использование разных импульсных режимов в одном устройстве даёт возможность оказывать широкий перечень процедур, но чем шире временной диапазон, тем дороже такое оборудование.

4. Взаимодействие лазера с биологической тканью

Возможно, тебе доводилось слышать о сосудистых лазерах, лазерах для эпиляции, абляционных лазерах для шлифовки кожи, неабляционных лазерах для омоложения, хирургических лазерах и пр. В такой формулировке подразумевают на что? и как? воздействует лазер.

Возможно, тебе доводилось слышать о сосудистых лазерах, лазерах для эпиляции, абляционных лазерах для шлифовки кожи, неабляционных лазерах для омоложения, хирургических лазерах и пр. В такой формулировке подразумевают на что? и как? воздействует лазер.

Лазерный свет отражается, проникает, рассеивается и поглощается тканью, относительные пропорции этих явлений зависят от оптических характеристик ткани.

Только поглощенный лазерный свет оказывает значительный медицинский эффект, это делают хромофоры — вещества эндогенного или экзогенного (татуировки) происхождения. Причем каждый хромофор поглощает электромагнитные волны лишь определенного диапазона, который называют спектром поглощения. Разные хромофоры имеют отличительные коэффициенты поглощения (абсорбции) различных электромагнитных волн, и это даёт возможность выборочно / селективно воздействовать с помощью лазера на определённые хромофоры.

Чем выше коэффициент поглощения, тем с большей долей вероятности фотоны будут поглощаться хромофором и соответственно сильнее его разогревать. При большом скоплении хромофора и сильном его коэффициенте абсорбции фотонам будет сложно приникать через него на большую глубину, отсюда это будет влиять на глубину оптического проникновения лазерного луча.

Глубина оптического проникновения завит от плотности энергии, от длительности импульса, от площади лазерного луча, от коэффициента преломления и рассевания, и от коэффициента абсорбции.

Поэтому это сильно изменяемая величина (рис.7). Но есть усреднённые показатели, например, для длины волны 532 нм глубина оптического проникновения в кожу составляет в среднем до 1,5 мм, для 595 нм – до 2 мм, 755 нм — до 4 мм, 810 нм — до 5 мм, 1064 нм — до 8 мм, 2940 нм — 0,005 мм, 10600 нм – 0,01 мм.

Пример. Возьмем лазер с длиной волны 532 нм и длительностью импульса, измеряемой в миллисекундах. Из графика (рис. 8) видно, что электромагнитная волна такой длины хорошо поглощается меланином и оксигемоглобином и чуть хуже — дезоксигемоглобином. Отсюда несложно спрогнозировать медицинское применение такого лазера: он может воздействовать на красные (артериальные) сосуды небольшого диаметра, расположенные близко к поверхности кожи, поскольку излучение проникает максимум на 1 мм. Синие (венозные) сосуды, как правило, имеют больший диаметр и залегают глубже, поэтому этим лазером их не достать. При этом сосуды можно будет удалять безопасно только на светлой коже из-за сильного поглощения меланином. Но в то же время сильное поглощение меланином позволит использовать этот лазер для лечения гиперпигментации (рис. 9).

Самыми важными хромофорами для эстетической лазерной медицины являются вода (она сильнее всего поглощает свет в среднем и дальнем инфракрасном диапазоне), меланин, гемоглобин и триглицериды подкожно жировой клетчатки. Кроме того, свет поглощается нуклеотидами (ДНК, РНК) и другими белками.

В своей работе мы редко используем понятие «хромофор», как правило мы говорим о тканях мишенях, содержащих большое количество нужного нам хромофора. Например, тканью мишенью могут выступать волосы, содержащие большое количество меланина, или пигментные пятна тоже с большим содержанием меланина.

Базовые лазерные параметры

Длина волны — λ (нм — nm)

Длина волны означает физическое расстояние между двумя ближайшими друг к другу точками в пространстве, в которых колебания происходят в одинаковой фазе. Для ультрафиолетового, видимого и инфракрасного электромагнитного излучения длина волны измеряется в нанометрах. От длины волны будет завесить на какой хромофор в большей степени будет оказываться воздействие, отсюда и будем получать направленный медицинский эффект. Например, длина 755 нм, селективно воздействует на меланин волоса вызывая коагуляцию волосяного фолликула вследствие чего будем получать его стойкую атрофию – лазерная эпиляция.

Длина волны отвечает за перечень проводимых процедур

Энергия импульса – E (Дж — J)

E — Энергия импульса обозначает общую лучистую энергию лазерного луча, доставляемого в ткани, измеряется в Джоулях (Дж). Свет излучается в крошечных энергетических «пакетах», называемых фотонами. Больше фотонов означает больше энергии.

Размер пятна — spot / луча — beam / точки — dot (мкм — µm, мм — mm)

Поперечный размер лазерного луча определяет площадь пятна на поверхности кожи. Луч может быть круглым, тогда горят о диаметре (d, Ø) луча или прямоугольным. Измеряться диаметр луча может в мм (анг. mm) или в мкм (анг. µm).

Глубина оптического проникновения сильно зависит от площади луча. Чем площадь больше, тем глубже проникает свет при одинаковой длине волны, следовательно, можно обеспечить более высокую температуру в глубоко залегающих тканях. Также большой размер пятна повышает скорость обработки.

Плотность потока энергии – Fluence (Дж/см2 – J/cm2)

Плотность потока означает количество лазерной энергии, доставляемой к обрабатываемой поверхности (в квадратных сантиметрах). Другое название – доза энергии или плотность энергии.

Плотность энергии – Fluence = энергия — Е (Дж) /площадь — S (см2)

Плотность увеличивается при уменьшении размера пятна, если все другие параметры остаются неизменными. Плотность энергии не зависит от размера пятна, частоты и даже от длительности импульса. Это делает ее полезной для указания общих характеристик процедуры. Другие параметры также должны быть установлены правильно для эффективного и безопасного лазерного лечения.

Величина флюенса прямо пропорционально коррелирует с температурой в ткани-мишени. Эффективность проведения процедуры завит от достижения требуемой температуры в ткани мишени, например температуры коагуляции или абляции.

Длительность импульса – t (пс-ps, нс-ns, мкс-µs, мс-ms, с-s)

Длительность импульса – t (син. длина импульса, ширина импульса, время импульса, продолжительность импульса, импульс, время) означают протяженность лазерного импульса во времени, то есть время, в течение которого лазер фактически испускает энергию. Может измеряться в фемто-, пико-, нано-, микро-, миллисекундах и секундах.

Длительность импульса отвечает за объем нагреваемой ткани мишени. Чем короче импульс, тем короче диффузия тепла от нагреваемого хромофора.

Пиковая мощность – Power — Р (пиковая) (Вт — W)

Пиковая мощность означает количество энергии в течение одного импульса.

Пиковая мощность = энергия E (Дж)/ длительность импульса в секундах — t (с)

Для лазера, работающего в импульсном режиме с энергией импульса 1 Дж и длительностью импульса 100 мкс (0,0001 с), пиковая мощность равна 10 000 Вт или 10 КВт.

Пиковая мощность показывает скорость подачи энергии во времени, следовательно, чем выше пиковая мощность, тем быстрее и сильнее происходит нагревание ткани-мишени.

Скорость повторения импульсов – частота импульсов (Гц — Hz)

Медицинские лазеры обычно работают в режиме испускания периодических импульсов. Лазерные импульсы испускаются через определенные промежутки времени с частотой, например, 10 импульсов в секунду. Для обозначения частоты импульсов в одну секунду времени употребляется термин Герц (Гц). 1 Гц – это 1 импульс в секунду, 10 Гц – 10 импульсов в секунду ну и т.д.

Часто влияет на скорость обрабатываемого участка кожи, а также на скорость нагревания, если задерживать луч на одном месте.

Средняя мощность – Power — Р (средняя) (Вт — W)

Средняя мощность – Power — Р (средняя) (Вт — W)

Средняя мощность лазера – это скорость, с которой лазер генерирует энергию за одну секунду. Мощность 1 Ватт означает, что 1 Джоуль энергии излучается за 1 секунду.

Средняя мощность = энергия 1 импульса Е (Дж) x Частота импульсов (Гц)

Из примера про пиковую мощность – лазер с энергий импульса 1 Дж и длительностью импульса 100 мкс обладает пиковой мощностью 10 000 Вт. Но если этот же лазер способен выдавать только 1 такой импульс в секунду, то его средняя мощность будет составлять 1 Вт.

В лазерных аппаратах при использовании параметра мощности “P” (W) используется всегда только средняя выходная мощность! Но в рекламных буклетах часто пишут пиковую мощность, которая для импульсных лазеров значительно выше средней мощности.

Заключение

Лазерные процедуры определяются параметрами лазерного луча, целевой поверхностью, конфигурацией контакта света с тканью и скоростью, с которой лазерный луч передвигается по ткани. Поглощение может привести к фотохимическому, фототермическому и фотомеханическому взаимодействию луча с тканью. В общем действует следующее правило: чем больше энергии, тем сильнее эффект нагревания. Энергия и длительность лазерного импульса можно контролировать через настройки самого аппарата. Скорость, с которой лазерный луч передвигается по ткани, также влияет на то, сколько энергии поглощается тканью. Более медленное передвижение луча по обрабатываемой области приведет к тому, что больше энергии будет доставлено. Шаблон передвижения луча по коже можно контролировать вручную или при помощи автоматического сканера.

Что нужно для получения медицинского эффекта?

Чтобы провести процедуру, необходимо выбрать лазер с длиной волны, которая будет поглощаться нужным хромофором. Подобрать энергию и длительность импульса таким образом, чтобы нагреть ткань-мишень до необходимой температуры с определенной экспозицией. Определить размер лазерного луча, который будет обеспечивать скорость и удобство работы, а также влиять на глубину прогревания. Высокая частота следования импульсов позволит завершить процедуру быстрее либо может быть использована для накопления тепла и значительной тепловой диффузии, если держать луч на одном месте.

Автор: Скивка Евгений.