LASERY ( PODZIAŁ)
lasery wysokoenergetyczne - chirurgiczne ( hard lasers), moc > 500mW.
lasery niskoenergetyczne - biostymulujące ( soft lasers), moc do 5 mW.
lasery o średniej mocy - od 6 do 500mW.
Lasery wysokoenergetyczne ( lancety laserowe) używane są do destrukcji lub usuwania tkanek , oprócz laserów o mocy ciągłej stosuje się również lasery impulsowe, w których moc w impulsie może dochodzić do milionów watów.
Lasery o małej i średniej mocy stosowane są do biostymulacji ( najczęściej o mocy do kilkudziesięciu watów) Biostymulatory laserowe znalazły zastosowanie m.in. w terapii bólu, medycynie sportowej, dermatologii, reumatologii, stomatologii.
Stosowane obecnie lasery mogą generować promieniowanie od zakresu tzw. próżniowego ultrafioletu ( 157 nm), przez zakres widzialny ( 385-760 nm) do dalekiej podczerwieni ( >300μm). Lasery emitujące fale krótsze niż ultrafiolet nazywane są laserami rentgenowskimi, dłuższe niż podczerwień laserami generującymi fale milimetrowe.
Stosowanie różnych materiałów laserujących ( wzbudzone molekuły gazów, ciecze, syntetyczne kryształy, półprzewodniki) pozwala na uzyskanie tak różnych długości fal promieniowania generowanego przez lasery.
WŁAŚCIWOŚCI ŚWIATŁA LASEROWEGO
MONOCHROMATYCZNOŚĆ i DUŻA INTENSYWNOŚĆ W ODNIESIENIU DO JEDNOSTKI BARWY.
Światło lasera jest monochromatyczne, nie ulega rozszczepieniu na pryzmacie, a cała moc lasera jest wypromieniowywana przy jednej długości fali, co daje temu promieniowaniu dużą intensywność w wąskiej linii widmowej.
Np. Zwykła żarówka 250 W wypromieniuje cząstkę swojej mocy przy każdej długości fali w zakresie widma od 200-1200 nm. Tymczasem laser argonowy wypromieniuje światło o mocy 3W przy jednej długości fali = 514,5 nm i przy tej długości fali będzie on 30 razy mocniejszy od 250 W żarówki.
Monochromatyczność jest bardzo cenną cechą światła laserowego, różne składniki tkanek mają różne krzywe absorpcji promieniowania i dlatego można tak dobrać długość fali emitowanego promieniowania, aby było ono absorbowane tylko przez ten obszar, na który chcemy oddziaływać.
Np. Zielone światło lasera argonowego 514,5 nm przenika bez strat przez ciało szkliste oka, jest natomiast absorbowane przez dobrze ukrwioną siatkówkę ( zakres maksymalnej absorpcji dla hemoglobiny mieści się między 400-590 nm) dzięki temu można ją przykleić do dna oka (chirurgia okulistyczna).
Wysokoenergetyczny laser na parach CO2 emituje w podczerwieni światło o λ= 10,6 μm ( 10 600 nm) - woda główny składnik tkanek niemal całkowicie absorbuje tę długość fali, dlatego jest on stosowany jako nóż chirurgiczny, a w stomatologii do opracowywania ubytków ( zamiast wiertła).
RÓWNOLEGŁOŚĆ, ZBIEŻNOŚC WIĄZKI
Średnica wiązki promieniowaniowania laserowego nie ulega większym zmianom w miarę oddalania się od lasera, pozwala to na przesyłanie wiązki laserowej na duże odległości, można je również bez strat przesyłać przez światłowody.
Mała szerokość spektralna ( 10-7nm) i mała rozbieżność kątowa wiązki promieniowaniowania laserowego umożliwia jej dodatkowe silne skupienie przez układ optyczny i osiągnięcie małych rozmiarów plamki (oświetlanego obszaru) nawet do kilku μm - po skupieniu można uzyskać bardzo dużą gęstość mocy w oświetlanym punkcie nawet 108-1012 W/cm2.
Ta właściwość światła laserowego zapewnia realizację skutecznego noża chirurgicznego lub precyzyjnego narzędzia do opracowywania ubytków.
SPÓJNOŚĆ ( KOHERENTNOŚĆ)
Dla lasera długość spójności ( odległość dla której zachodzi jeszcze interferencja) wynosi ok. 10km, dla izotopowej lampy wyładowczej jedynie 80cm. Ta właściwość pozwala na pomiary odległości czy długości obrabianych przedmiotów.
ODDZIAŁYWANIE PROM. LASEROWEGO Z TKANKAMI
W zetknięciu się światła laserowego z tkankami łącznie zachodzą takie procesy jak:
Transmisja( przechodzenie)
Odbicie
Rozpraszanie
Absorpcja
Procesy te zachodzą łącznie zachodzą, ale do oddziaływań biostymulacyjnych należy wybrać promieniowanie dla którego dominują procesy efektywnej transmisji, a do cięcia, opracowywania ubytków itp. powinien dominować proces skutecznej absorpcji.
Stopień absorpcji fal świetlnych w tkance zależy od:
Budowy tkanki (zaw. wody, hemoglobiny)
Długości promieniowania laserowego
Użytej mocy i czasu naświetlania ( dawki dostarczonej energii).
Przykładowe zakresy maksymalnej absorpcji :
woda, tkanki bogate w wodę - najsilniej absorbują fale świetlne krótsze niż < 400nm i dłuższe od > 1000.
max. absorpcji -2900nm ( prom. lasera YAG-Er, syntetyczny krysztal itrowo-aluminiowy z domieszką erbu), oraz 10 600 nm ( laser CO2).
hemoglobina - max. absorpcji - obszar między 400-590 nm, dobrym laserem do leczenia np. płytkich uszkodzeń naczyń krwionośnych jest laser argonowy ( 488 nm), barwnikowy ( 589 nm)
skóra - tkanka niejednorodna, w analizie spektralnej wykazuje swoiste okienko optyczne - przedział od 550nm- 950nm, gdzie przenikanie wgłęb tkanek jest maksymalne. Poza tym obszarem promieniowanie jest absorbowane przez wierzchnie w-wy skóry i nie ma efektu stymulującego na tkanki leżące głębiej.
Penetracja ( głębokość wnikania ) promieniowania do tkanek.
Np.
STOMATOLOGIA - istotna jest znajomość penetracji fal świetlnych tkance kostnej( kość, szkliwo , zębina):
obszar widzialny, bliska podczerwień - fale wnikają na kilka mm
promieniowanie podczerwone ( laser YAG, CO2) - penetrują słabo na ok. 0,2 mm , są skutecznie absorbowane, wykorzystywane zamiast wiertarek.
OKULISTYKA - impulsowy laser ekscimerowy ( na parach chloru i ksenonu), 308 nm wnika w tkankę jedynie na kilka μm; impulsy lasera odparowują jedynie cienkie w-wy rogówki, pod wpływem ciśnienia wewnątrz gałki ocznej i nacięć lasera zmienia się kształt rogówki i korygowane są wady wzroku.
LASERY WYSOKOENERGETYCZNE
Są to lasery o dużej mocy, stosuje się krótki czas naświetlania. Promieniowanie laserowe zaadsorbowane przez tkankę jest zamieniane na ciepło, występują efekty fototermiczne i fotojonizujące i usunięcie tkanki.
EFEKTY FOTOTERMICZNE :
nagrzanie tkanki do temp. 40ºC - zmiany odwracalne
temp. 42-45 ºC - denaturacja białka, rozkład makromolekuł DNA, zmiany w strukturze chemicznej enzymów.
temp. 60-65 ºC - koagulacja tkanki ( agregacja molekuł, żelowanie)
temp. 90 ºC - gwałtowne parowanie wody znajdującej się w tkance.
temp. >100 ºC - wrzenie płynów wewnątrz i zewnątrzkomórkowych, powstająca para rozrywa tkankę, dalszy wzrost temperatury - jej zwęglenie i usunięcie.
laser CO2 ( dobra absorpcja, małe rozpraszanie promieniowania poza obszar zabiegu) - precyzyjne cięcie , usuwanie.
laser jagowo-neodymowy - mała absorpcja, duży potencjał rozpraszania energii, oddziaływanie na sąsiednie tkanki -głęboki efekt koagulacji ( do 5mm), dobry do pracy w kanałach zęba, zębinie , miazdze.
EFEKTY FOTOJONIZUJĄCE:
Zachodzą , gdy gęstość mocy prom. jest większa niż 107 w/cm2.
Tak wysoka gęstość mocy generuje silne pole elektryczne, energia świetlna bezpośrednio zostaje zamieniona na energię kinetyczną rozrywającą wiązania między atomami ( dysocjacja, jonizacja). Następuje rozerwanie dużych łańcuchów organicznych tkanki na drobne , lotne składniki ( fotoablacja, mikrowybuch).
Proces bardzo szybki, mimo lokalnie wysokich temperatur nie dochodzi do przewodzenia na sąsiednie tkanki.
Efekt fotojonizacyjny osiągany jest łatwo za pomocą laserów ekscimerowych np. ArF ( 193nm) dzięki tym laserom udaje się usunąć chorą tkankę bez żadnego termicznego wpływu na tkanki sąsiednie.
Zjawisko jest wykorzystywane do mikrochirurgii przedniego odcinka oka, rozbijania złogów nerkowych, żółciowych, rozbijania zatorów w naczyniach krwionośnych.
LASERY BIOSTYMULACYJNE
Są to lasery o małej mocy i stosunkowo długim czasie naświetlania nie powodujące destrukcji tkanek, ale wyzwalające ich biologiczną aktywność. Przypuszcza się że podczas przechodzenia przez tkanki pojedyncze kwanty promieniowania laserowego są absorbowane przez komórki, co powoduje różne efekty biomagnetyczne, bioelektryczne, bioenergetyczne i biochemiczne w tkankach.
Stymulacja transportu elektronów w łańcuchu oddechowym przez zaadsorbowany kwant energii powoduje zwiększenie syntezy cząsteczek ATP i związaną z tym kumulację energii.
Większy potencjał energetyczny wpływa korzystnie na różne procesy zachodzące w komórkach: przyspieszenie procesów mitozy, wzrost, odżywianie czy normalizacja potencjału membranowego komórki (gdy w przypadkach patologicznych do wnętrza komórki przenikają jony Na+, aby odwrócić ten proces komórki potrzebują energii).
Pole elektromagnetyczne fali laserowej oddziaływując na dipole elektryczne domen w strukturze przestrzennej składników komórek powoduje jej odwracalną modyfikację, np. w przypadku białek enzymatycznych będzie to wpływało na ich aktywność.
Powyższe efekty przenoszą się na sąsiednie komórki powodując tzw. efekty wtórne.
Efekt przeciwbólowy - związany z oddziaływaniem promieniowania laserowego na komórki nerwowe, następuje stymulacja regeneracji obwodowych aksonów po uszkodzeniu nerwów, wzrost wydzielania endorfin zmiana stężenia transmiterów w synapsach.
Efekt przecizapalny - związany z rozszerzaniem naczyń krwionośnych i poprawą mikrokrążenia, przyspieszeniem resorpcji obrzęków i wysięków, stymulowaniem migracji makrofagów.
Efekt stymulacyjny - poprawa krążenia, lepsze odżywianie i regeneracja komórek, stymulacja biosyntezy białka. Po terapii laserem obserwuje się wzrost komórek nerwowych, fibroblastów, włókien kolagenowych, regeneracje naczyń krwionośnych.
LASERY BARWNIKOWE
Materiałem czynnym jest roztwór barwnika , szczególną cechą tych laserów jest możliwość przestrajania emitowanej fali w zakresie spektralnym prom. barwnika ( duży zakres), np. dla rodaminy w etanolu zakres wynosi 570-650 nm.
Praca ciągła lub impulsowa, moc - kilka-kilkadziesiąt mW
W przypadku stosowania kilku wymiennych barwników zakres przestrajania mieści się między 300-1000 nm.
Lasery barwnikowe stosowane są w fotodynamicznej diagnostyce ( 405 nm) i terapii nowotworów (630 nm).
Podstawą tej metody jest selektywna akumulacja substancji fotoczułej ( np. porfiryn) przez komórki nowotworowe.
Tkanki nowotworowe ( gromadzące barwnik) uwidacznia się światłem fioletowym( 405 nm) - występuje czewona fluorescencja ( diagnostyka)
Tkanki uczulone substancjami fototoksycznymi naświetla się promieniowaniem 630 nm, umożliwia to zniszczenie tkanek, (właściwy zabieg terapeutyczny).
Lasery barwnikowe znalazły również zastosowanie w dematologii urologii, okulistyce.
BEZPIECZEŃSTWO PRACY Z LASERAMI
Promieniowanie laserowe może być groźne jedynie dla oczu i skóry.
Ze względu na bezpieczeństwo użytkowania wszystkie urządzenia laserowe podzielono na klasy:
Kl. I - lasery całkowicie bezpieczne
Kl. II - urządzenia małej mocy ( do 1 μW), emitujące promieniowanie widzialne w zakresie 400-700nm. Ochrona oka jest zapewniona przez zamknięcie na skutek odruchu mrugania.
Kl. IIIa - lasery niebezpieczne w przypadku patrzenia bezpośrednio na wiązkę laserową. Moc promieniowania dla pracy ciągłej do 5mW, natężenie promieniowania - nie przekraczające 25W/m2
Kl. IIIb - lasery niebezpieczne w przypadku patrzenia na wiązkę padającą bezpośrednio lub po jej odbiciu zwierciadlanym . Moc pracy ciągłej do 500mW.
Kl. IV - lasery dużej mocy ( 500mW) należy chronić oczy i skórę zarówno przed promieniowaniem bezpośrednim jak i rozproszonym.
W zakresie 400-14000 nm największym zagrożeniem dla oka jest uszkodzenie siatkówki - promieniowanie to wnika do oka i jest ogniskowane na siatkówce. Poza tym pasmem promieniowanie nie wnika do gałki, ale może oddziaływać termicznie na rogówkę i tęczówkę.
Najbardziej niebezpieczne dla narządu wzroku jest promieniowanie laserowe o długości fal na granicy pasma widzialnego, które dociera niemal bez tłumienia do siatkówki, ale jest niewidoczne i nie wyzwala bezwarunkowego odruchu mrugania.
Podstawowym środkiem ochrony narządu wzroku są specjalne okulary z filtrami i osłonkami bocznymi. Filtry w okularach nie powinny przepuszczać promieniowania stosowanego lasera, ale jednocześnie być przepuszczalne dla wszystkich innych fal, zwłaszcza z zakresu widzialnego.
SKÓRA
Za niebezpieczne dla skóry uznaje się lasery o mocy większej niż 500mW, gdy laser nawet o stosunkowo małej mocy jest wyposażony w układy ogniskujące do małej plamki może stać się niebezpiecznym narzędziem parząco-tnącym. Gęstość mocy wzrasta i może przekraczać 500mW/ cm2.
Np. gęstość mocy wynosi 500mW/ cm2 dla laserów:
30 mW i rozmiarach plamki 2,72mm
8 mW i rozmiarach plamki 1,43mm
2 mW i rozmiarach plamki 2,72mm
1 mW i rozmiarach plamki 0,5mm
Podczas pracy należy wystrzegać się przypadkowego skierowania wiązki na skórę i włosy pacjenta czy innych osób.
Podczas pracy z laserami dużej mocy w obecności materiałów łatwopalnych ( wykładziny dywanowe, stylonowe firanki itp.) może wystąpić zagrożenie pożarowe, dlatego należy unikać odbić zwierciadlanych.
Przy długości fali 10,6 μm ( laser CO2) nawet matowe , metalowe powierzchnie mogą być silnie odbijające.
Gdy w gabinecie używa się laserów ( szczególnie III i IV klasy) pomieszczenie musi być oznakowane ( etykieta ostrzegawcza - tło żółte, czarne litery) np. Promieniowanie laserowe, chronić oczy i skórę, UWAGA LASER KLASY IV ! itp.
LASERY BIOSTYMULACYJNE ( przeciwwskazania)
Zaleca ostrożność stosowania laseroterapii w przypadkach:
Epilepsji
Stanów gorączkowych,
Nowotworów złośliwych
Ciąży, menstruacji
Nadczynności gruczołów endokrynologicznych
Pacjentów rozrusznikami serca
Uczulenia na światło i światłoterapię