Physiomed Laser Instruments Astar ABR Marp |
CTL-1106MX |
Dwusondowy Laser Terapeutyczny Model CTL-1106MX Urządzenie, które łączy wszystkie zalety w jednym aparacie. Jego powierzchniowa sonda do rozległych schorzeń na tkance, jak również sonda punktowa do głęboko umieszczonych zmian chorobowych są używane z równą łatwością. Szeroki zakres zastosowań lasera dwusondowego Model CTL-1106MX może być rozszerzony nawet jeszcze bardziej poprzez skanujący system optyczny Model CTL-1202, który może współpracować z sondą punktową lasera. To jest uniwersalność, na którą Państwo oczekiwaliście od długiego czasu, również w sensie ekonomicznym.
Główne korzyści ze stosowania lasera:
Przykładowe zastosowania:
Podstawowe właściwości użytkowe: |
|
|
Podstawowe parametry techniczne |
|
|
Typ lasera |
laser diodowy (półprzewodnikowy) |
|
Typ sondy |
A - wielodiodowa sonda powirzechniowa |
|
Długość fali |
Sonda A: 650nm, wiązka czerwona, najlepsza do leczenia chorób powierzchniowych |
|
Tryb pracy |
ciągły (c.w.), promieniowanie może być także modulowanie do 10000Hz w przypadku sondy B |
|
Moc promieniowania na tkance: |
Sonda A: 10 diod, każda dioda o mocy 10mW w wersji podstawowej |
|
Sterowanie lasera: |
wbudowany mikrokomputer |
|
Wyświetlane funkcje: |
moc promieniowania sondy [mW] |
|
Dodatkowe akcesoria: |
okulary i gogle ochronne, trwałe opakowanie transportowe, wymienne i odporne na wysoką temperaturę aplikatory o różnych kształtach i wymiarach |
|
Zasilanie: |
jednofazowe, (220-230)V, 50Hz |
|
Pobór mocy: |
<18W |
|
Wymiary sterownika: |
170 x 275 x 110mm |
|
Waga sterownika: |
2kg |
|
Bezpieczeństwo: |
laser wykonany zgodnie z międzynarodowymi normami IEC 601.1 i IEC 825 oraz polską normą PN 91/T-06700. Aparat wyposażony w: wewnętrzny miernik mocy, zdalną blokadę 'interlock' i wyłącznik kluczykowy. |
|
Physiomed Laser Instruments Astar ABR Marp |
CTL-1202S |
AUTOMATYCZNY SKANER LASEROWY Model CTL-1202 Skaner laserowy Model CTL-1202 to niezwykle nowatorski układ optyczny przeznaczony do automatycznego, równomiernego naświetlania tkanki w płaszczyźnie poziomej i pionowej promieniowaniem laserowym emitowanym z lasera terapeutycznego. Układ sterowania zbudowany jest w oparciu o wewnętzny mikrokomputer pozwalający na wybór kształtu i rozmiaru oświetlanej powierzchni oraz prędkości przemieszczenia promieniowania. Zestaw lasera ze skanerem mocowany jest na specjalnym statywie zapewniającym dogodne przemieszczanie urządzenia i bardzo precyzyjnie naświetlenie schorzenia. Choć nowoczesna, pomysłowa konstrukcja skanera pozwala na współpracę z dowolnym laserem CTL, szczególnie efektywny jest on w zestawie z laserem terapeutycznym Model CTL-1106MX. Główne korzyści ze stosowania zestawu:
- znaczne zwiększenie precyzji i efektywności laseroterapii, zwłaszcza w dermatologii i rehabilitacji Przykładowe zastosowania:
Dermatolgia - ropne choroby skóry (trudno gojące sie rany, owrzodzenia o różnej etiologii, odleżyny itp.), dermatozy naczyniowe (owrzodzenia podudzi itp.), choroby i odczyny skóry wywołane czynnikami fizycznymi (oparzenia, odmrozenia itp.). Podstawowe właściwości użytkowe:
- Niewiarygodnie szeroki zakres zastosowań lasera CTL-1106MX został jeszcze bardziej zwiększony dzięki sprzężeniu go z automatycznym skanerem CTl-1202. Ruchome zwierciadła skanujące pozwalają na bardzo równomierne naświetlenie nawet bardzo rozległych schorzeń, dotychczas wymagających od lekarza czasochłonnych i pracochłonnych metod terapii. |
|
|
Podstawowe parametry techniczne skanera |
|
|
Kąt odchylenia promieniowania |
+/- 12o |
|
Kształt oświetlonej powierzchni |
koło, elipsa, kwadrat lub prostokąt |
|
Częstotliwość odchylenia |
(0.1-1)Hz |
|
Sterowanie skanera |
z klawiatury, wewnętrznym mikrokomputerem |
|
Układ optyczny |
dwa ruchome zwierciadła skanujące oraz zestaw zwierciadeł naprowdzających na siebie wiązki laserowe |
|
Wbudowany laser |
moduł pilotujący 5mW/650nm lub dodatkowy laser terapeutyczny 50mW/660nm |
|
Zasilanie |
jednofazowe (220-230)V, 50Hz |
|
Pobór mocy |
12 W |
|
Wymiary |
220 x 156 x 100mm |
|
Waga |
2.1 kg |
|
bezpieczeństwo |
skaner wykonany zgodnie z międzynarodowymi normami IEC 601 i IEC 825 oraz polską normą PN91/T-06700 |
|
Podstawowe parametry techniczne lasera |
|
|
Typ lasera |
laser diodowy (półprzewodnikowy) |
|
Długość fali |
(820+/-10)nm, bliska podczerwień |
|
Tryb pracy |
ciągły |
|
Moc promieniowania na tkance |
regulowna w zakresie 0-200mW lub 0-400mW. |
|
Sterowanie lasera |
z klawiatury, wewnętrznym mikrokomputerem |
|
Wyświetlane funkcje |
moc promieniowania [mW] dawka energii [J] czas trwania zabiegu [min., sec.] |
|
Rękojeść |
stndardowo zakończona aplikatorem soczewkowym z możliwością łatwego zastosowania aplikatora współpracującego ze skanerem |
|
Dodatkowe akcesoria |
Okulary i gogle ochronne, walizka transportowa, zestaw aplikatorów światłowodowych o różnych kształtach i wymiarach |
|
Zasilanie |
jednofazowe (220-230)V, 50Hz |
|
Pobór mocy |
<18W |
|
Wymiary |
170 x 275 x 110mm |
|
Waga |
2kg |
|
Bezpieczeństwo |
laser wykonany zgodnie z międzynarodowymi normami IEC 601.1 i IEC 825 oraz polską normą PN 91/T-06700. Aparat wyposażony w wewnętrzny miernik mocy, zdalną blokadę "interlock" i wyłącznik kluczykowy. |
|
Materiały do kursu "Lasery w medycynie"
A. Cenian, E. Zaremba, M. Frankowski
IV. Bezpieczeństwo pracy z laserami
Istotnym zagadnieniem dotyczącym pracy ze sprzętem laserowym jest zachowanie wszelkich możliwych środków ostrożności zarówno w odniesieniu do pacjenta, jak i lekarza. W Polsce i poza jej granicami zasady bezpieczeństwa od strony użytkowania oraz konstrukcji aparatury laserowej określone są przez specjalne normy prawne. Od 1992 roku obowiązuje w naszym kraju norma PN-91/T-06700 "Bezpieczeństwo przy promieniowaniu emitowanym przez urządzenia laserowe. Klasyfikacja sprzętu. Wymagania i wytyczne dla użytkownika". Przedmiotem normy są m. in. zagrożenia powodowane przez promieniowanie laserowe, podział laserów i urządzeń laserowych na klasy pod względem zagrożeń oraz działania i środki zapewniające bezpieczną pracę z laserami [2].
Zagrożenia powodowane promieniowaniem laserowym dotyczą przede wszystkim oczu i skóry. Obejmują one ekspozycje przypadkowe i krótkotrwałe. Z tego punktu widzenia skutki oddziaływania na tkankę biologiczną sprowadzają się do:
przejść akustycznych przy ekspozycji rzędu ns,
efektów cieplnych przy ekspozycji do kilku s,
efektów fotochemicznych dla ekspozycji powyżej 100 s.
Należy jednak pamiętać, że ich nasilenie zależy również od natężenia promieniowania i długości fali. Zestawienie patologicznych efektów, mogących towarzyszyć nadmiernej ekspozycji organizmu przedstawiono w poniższej tabeli [5].
Tabela 1. Zestawienie patologicznych efektów nadmiernej ekspozycji oka i skóry na promieniowanie laserowe [2,5]
Zakres długości fal |
Oko |
Skóra |
Ultrafiolet C 100 - 280 nm |
- zapalne uszkodzenie rogówki |
- rumień (oparzenie słoneczne) |
Ultrafiolet A 315 - 400 nm |
- katarakta fotochemiczna |
- ciemnienie pigmentu |
Podczerwień A |
- katarakta |
- oparzenia skóry |
Podczerwień B |
- katarakta |
- oparzenia skóry |
Podczerwień C |
- wyłącznie oparzenie rogówki |
- oparzenia skóry |
Narządem najbardziej podatnym na szkodliwe skutki promieniowania laserowego jest oko. Jego tkanki, ze względu na pełnione funkcje fizjologiczne, zawierają duże ilości barwników silnie pochłaniających promieniowanie z zakresu widzialnego i bliskiej podczerwieni. W zakresie długości fal od 400 do 1400 nm największym zagrożeniem dla oka jest uszkodzenie siatkówki, ponieważ promieniowanie to wnika do wnętrza oka i jest ogniskowane na siatkówce. Promieniowanie z zakresu długości fal powyżej 1400 nm i poniżej 400 nm nie wnika do wnętrza oka lecz powoduje uszkodzenie jego rogówki. W przypadku skóry, biologiczne skutki napromieniowania występują dla większej energii wiązki laserowej. Dla laserów pracujących w obszarze widzialnym (400 - 700 nm) i podczerwonym powyżej 700 nm mogą one zmieniać swą postać od łagodnych rumieni, poprzez oparzenia, aż do zwęglenia tkanki, natomiast na skutek absorpcji promieniowania ultrafioletowego przez DNA mogą mieć działanie mutagenne i kancerogenne [2,5].
Przepisy definiują wiele parametrów dotyczących bezpieczeństwa pracy z urzą-dzeniami laserowymi, które odnoszą się do samego sprzętu, jak również do emitowanego promieniowania. Jednym z nich jest Maksymalna Dopuszczalna Ekspozycja (MDE) dla poszczególnych tkanek, tj. poziom promieniowania laserowego, na który w normalnych warunkach mogą być eksponowane osoby bez doznawania skutków szkodliwych dla zdrowia. Określenie MDE uwarunkowane jest wieloma czynnikami [2]:
długość fali emitowanego promieniowania laserowego
czas trwania impulsu laserowego lub czasu trwania ekspozycji
rodzaj tkanki narażonej na obrażenie
charakter ekspozycji (promieniowanie bezpośrednie lub rozproszone)
rozmiar obrazu na siatkówce oka (dla zakresu 400 - 1400 nm)
Wartości MDE w przypadku bezpośredniej ekspozycji oka, dłuższej niż 1 s i dla wybranych długości fal z zakresu od 400 do 1400 nm pokazuje rys.11.
Rys. 11. Maksymalna Dopuszczalna Ekspozycja (MDE) oka dla czasu powyżej 1s, dla wybranych długości fal [5]
Według ustaleń normy PN-91/T-06700 lasery zostały podzielone na pięć klas, dla których określono maksymalny poziom emitowanego promieniowania:
Klasa 1 |
lasery całkowicie bezpieczne tzn. maksymalny poziom ekspozycji nie jest przekroczony w żadnych warunkach, |
Klasa 2 |
lasery niecałkowicie bezpieczne, emitujące promieniowanie w zakresie 400 - 700 nm, przy których ochronę oczu zapewniają instynktowne reakcje obronne (np. odruch mrugania), |
Klasa 3A |
lasery niebezpieczne w przypadku pat rzenia w wiązkę laserową przez przyrządy optyczne, |
Klasa 3B |
lasery niebezpieczne w każdym przypadku padania wiązki laserowej bezpośrednio na oko lub po odbiciu zwierciadlanym (z wyjątkiem niezogniskowanego promieniowania po odbiciu rozproszonym) |
Klasa 4 |
lasery bardzo niebezpieczne, wymagające podczas pracy z nimi ochrony oczu i skóry zarówno przed promieniowaniem bezpośrednim, jak i rozproszonym. |
Dla zapewnienia dostatecznie bezpiecznych warunków pracy z laserami biostymulacyjnymi (klasa 3B) wymagane jest, aby pacjent i personel zostali wyposażeni w okulary ochronne, których szkła posiadają selektywne filtry tłumiące dla długości fali promieniowania emitowanego przez laser. Mają one za zadanie tłumić promieniowanie lasera i jednocześnie dobrze przepuszczać promieniowanie z poza widmowego obszaru jego pracy tak, aby nie ograniczać dobrego widzenia.
Pomieszczenie, w którym wykonywane są zabiegi powinno być pozbawione połyskliwych, łatwo odbijających promieniowanie powierzchni. Należy je również odpowiednio oznakować, tak żeby nie narażać przypadkowych osób na niezamierzoną ekspozycję promieniowaniem lasera. Wykorzystuje się w tym celu określone przez normę etykiety.
Istnieją także inne zagrożenia wynikające ze sposobu pracy i konstrukcji laserowych urządzeń medycznych, które muszą być uwzględnione podczas pracy.
Zagrożenia elektryczne
Zminimalizowane przy poprawnej konstrukcji urządzeń.
Zagrożenia pochodzące od par i gazów
Pochodzące od gazów toksycznych stosowanych w niektórych laserach, np.: fluor i chlor (lasery ekscymerowe); powstające podczas usuwania z lasera w sposób stanowiący zagrożenie dla ludzi. Zalicza się tu również wszelkiego rodzaju toksyczne opary powstające przy termicznym usuwaniu tkanki (chirurgia laserowa).
Zagrożenia pożarowe
Powstają podczas pracy z laserami dużej mocy w obecności materiałów łatwopalnych. Dotyczy to środków anestetycznych oraz ich połączenia z tlenem lub tlenkiem azotu; palnych środków opatrunkowych oraz innych materiałów znajdujących się w otoczeniu Szczególną ostrożność należy zachować podczas pracy z chirurgicznym laserem CO2.
Zagrożenia innym promieniowaniem (nielaserowym)
Związane z promieniowaniem optycznym towarzyszącym, promieniowaniem wysokiej częstotliwości lub rentgenowskim pochodzącym z laserów. Poprawna i zgodna z normami konstrukcja pozwala jednak na wyeliminowanie tych zagrożeń [2].
http://www.imp.gda.pl/implaser/mat_szkol.htmPowrót do "Materiałow szkoleniowych"
Materiały do kursu "Lasery w medycynie"
A. Cenian, E. Zaremba, M. Frankowski
I. Lasery, fizyczne podstawy
Wstęp - zastosowania laserów medycznych i kosmetycznych
1. Światło
2. Wzmocnienie
3. Emisja Wymuszona
4. Promieniowanie
5. Pompowanie, inwersja obsadzeń
6. Klasyfikacje laserów
7. Najważniejsze typy laserów stosowanych w medycynie
8. Zastosowania laserów - kryteria wyboru urządzenia
Wstęp - zastosowania laserów medycznych i kosmetycznych [1]
Lasery są dziś obecne w niemal wszystkich dziedzinach działalności człowieka zaś zastosowania medyczne i kosmetyczne stanowią jeden z wyróżniających się segmentów rynku technologii laserowych. Do najbardziej znanych i najczęściej stosowanych należą lasery: CO2 (głównie do cięcia tkanek), Nd:YAG (koagulacja i cięcie), półprzewodnikowe (biostymulacja, koagulacja, prowadzenie wiązek niewidzialnych) oraz ekscymerowe (mikro-chirurgia). Ostatnio, począwszy od 1996 roku najbardziej dynamicznie rozwijały się kosmetyczne zastosowania laserów np. laserowe wygładzanie skóry czy depilacja wyprzedzając wzrost w innych tradycyjnych dziedzinach zastosowań: w szeroko pojętej okulistyce oraz chirurgii (z angioplastyką).
Inne ważnych trendy to wypieranie laserów argonowych przez lasery Nd:YAG i pół-przewodnikowe w okulistyce, dalsze wypieranie laserów He-Ne przez lasery półprzewodnikowe oraz szybki wzrost zastosowań laserów Er:YAG w dermatologii, stomatologii oraz okulistyce.
Słowo laser to angielski akronim:
L ight |
Światła |
A mplification by |
Wzmocnienie poprzez |
S timulated |
Wymuszoną |
E mission of |
Emisję |
R adiation |
Promieniowania |
Przejdźmy do omówienia występujących w akronimie pojęć.
1. Światło
Tradycyjnie laser to źródło światła - widzialnego promieniowania z dziedziny fal elektromagnetycznych (EM) zaś maser to źródło spójnego promieniowania mikro-falowego. Obecnie pojęcie lasera rozszerza się na sąsiednie zakresy fal EM: podczerwień - rejestrowana przez nasze zmysły jako fale cieplne oraz ultrafiolet - kojarzący się nam z efektami zaniku warstwy ozonowej nad biegunami. Inne znane zakresy to: fale radiowe - wykorzystywane przez nadawców programów radiowych i telewizyjnych czy rentgenowskie promieniowanie X - patrz rys.1.
Rys. 1. Zakresy widmowe fal elektromagnetycznych
Promieniowanie widzialne lasera w swej naturze nie różni się od światła wysyłanego poprzez sławione przez poetów słońce oraz inne gwiazdy. Zbliżając się do kaloryfera czy ogniska odczuwamy "ciepło" promieniowania podczerwonego w swej naturze bliskiego promieniowaniu laserów CO2 i półprzewodnikowych.
2. Wzmocnienie
Laser jest źródłem (generatorem) promieniowania. Jak każdy generator przekształca on dostarczaną energię - w przypadku laserów medycznych jest to energia elektryczna - w energię fal elektromagnetycznych wykorzystując efekt wzmocnienia promieniowania w ośrodku czynnym lasera oraz sprzężenie zwrotne w postaci rezonatora - rys.2.
Rys. 2. Schemat ideowy lasera
Efekt wzmocnienia promieniowania oraz warunkujące je zjawisko emisji wymuszonej zostały opisane przez A. Einsteina w 1917 r. a po raz pierwszy zaobserwowane w laboratorium J.P. Gordona (MASER) ponad 35 lat później.
3. Emisja wymuszona
Ciała fizyczne charakteryzują się określoną zdolnością do emisji i absorpcji promieniowania fal EM. Procesy absorpcji i emisji (najbardziej elementarne procesy oddziaływania promieniowania i materii) towarzyszą wszelkim obiektom fizycznym przy czym ich zakres (kształt widma spektralnego) zmienia się wraz z takimi parametrami jak temperatura czy ciśnienie np. im wyższa temperatura ciała tym wyższe częstości fal (mniejsze ich długości) przeważają w emitowanym widmie. Zaobserwować to można ogrzewając igłę stalową nad palnikiem; kolor igły zmieni się od szarego (maksimum w niewidzialnej podczerwieni) poprzez różne odcienie koloru czerwonego do żółtego. Również ciało człowieka wystawione nieustannie na oddziaływanie promieniowania pochodzącego od innych obiektów absorbuje je oraz emituje własne promieniowanie. Zakres spektralny (widmo) tego promieniowania jest dość szeroki a jego maksimum, ze względu na stosunkowo niską temperaturę ciała, leży w podczerwieni. Stąd dla obserwacji ludzi pozostających w ciemności stosuje się noktowizory - urządzenia odbierające sygnały w podczerwieni, zakresie niewidzianym dla ludzkiego oka.
Bardziej szczegółowe badanie widma promieniowania wykazałoby jego nieciągłość: widmo każdej substancji składa się z szeregu mniej lub bardziej odseparowanych linii widmowych, które wraz ze wzrostem temperatury poszerzają się i łączą w większe struktury. Omawiane linie widmowe wskazują na kwantową (nieciągłą) naturę materii. Każda z substancji chemicznych może pochłaniać (absorbować) i emitować promieniowanie o ściśle określonych częstościach - długościach fali. Odpowiadają one różnicom energii charakterystycznych dla stanów kwantowych danej substancji. W trakcie procesu absorpcji cząsteczka pochłania kwant energii promienistej oraz przechodzi z niższego (stan E1 na rys. 3) na wyższy energetycznie poziom kwantowy (stan E2). W trakcie procesu emisji uprzednio wzbudzona cząsteczka wysyła spontanicznie (średnio po okresie tzw. czasu życia t2) kwant energii promienistej oraz przechodzi z wyższego (stan E2) na niższy poziom kwantowy - stan E1.
Rys. 3. Proces absorpcji i emisji spontanicznej
Co się stanie z cząsteczką wzbudzoną uprzednio do stanu E2 gdy (przed upływem czasu t2) padnie na nią promieniowanie rezonansowe o energii kwantu E = E2 - E1 ? Otóż A. Einstein w 1917 r. wykazał, że cząsteczka wyemituje drugi "bliźniaczy" kwant promieniowania, a sama opuści stan wzbudzony i przeniesie się na stan E1. Proces ten nazwano emisją wymuszoną w odróżnieniu od opisanej wyżej emisji spontanicznej - rys. 4.
Rys. 4. Proces emisji wymuszonej
Ważną cechą procesu emisji wymuszonej jest przyrost w układzie energii promienistej. Co więcej choć w warunkach równowagi termodynamicznej procesy absorpcji i emisji spontanicznej wzajemnie się równoważą (bilans przepływu energii jest równy zero) to w układzie, w którym liczba cząstek wzbudzonych w stanie E2 będzie większa od liczby cząstek w stanie E1 emisja wymuszona może doprowadzić do wzmocnienia rezonansowego sygnału o energii E= E2 - E1. Fakt ten stanowi podstawę działania laserów.
4. Promieniowanie
Promieniowanie generowane w wyniku emisji wymuszonej, choć w naturze tożsame z innymi rodzajami promieniowania EM, posiada jednak specyficzne cechy wyróżniające w porównaniu z promieniowaniem powstającym w wyniku procesów spontanicznych. Ogólnie można je określić jako cechy "bliźniacze" w stosunku do sygnału wymuszającego, w tym z punktu widzenia zastosowań medycznych ważne są:
- mała rozbieżność wiązki - promieniowanie lasera rozchodzi się w jednym wyznaczonym przez oś rezonatora kierunku, a średnica wiązki rośnie niezwykle powoli z odległością od okna rezonatora. Kąt rozbieżności wiązki przyjmuje wartości od ułamka miliradiana dla laserów gazowych i na ciele stałym do ułamka radiana w przypadku laserów półprzewodnikowych. Mała rozbieżność wiązki umożliwia przesyłanie jej na duże odległości a także silne skupianie za pomocą układów optycznych. Osiągane gęstości mocy 102 do 106 MW/cm2 umożliwiają jonizację materiałów oraz ich odparowanie w wyniku oddziaływania z plazmą (ablacja stymulowana plazmą);
- monochromatyczność - promieniowanie laserowym charakteryzuje się bardzo wąskim zakresem widmowym (nawet 10-7 nm) w porównaniu do naturalnych źródeł promieniowania: gwiazd, lamp, itp.;
- spójność - generowane w laserze fale elektromagnetyczne rozchodzą się zachowując tą samą fazę co odróżnia je od całkowicie niespójnego promieniowania spontanicznego.
Rys. 5. Porównanie widma emisji żarówki 250 W oraz lasera argonowego o mocy 3 W
Wszystkie wymienione cechy promieniowania laserów wnoszą swój wkład do istotnej własności jaką jest skupianie - ogniskowanie wiązki laserowej szczególnie w związku z zastosowaniami chirurgicznymi i mikrochirurgicznymi laserów. Monochromatyczność umożliwia dodatkowo selektywne wzbudzanie poszczególnych substancji chemicznych w tkance w celu stymulacji określonych procesów chemicznych. Ta druga własność warunkuje postęp prac związanych z rozwojem PDT - fotodynamicznej terapii nowotworów.
5. Pompowanie, inwersja obsadzeń
W zakończeniu rozdziału 3 stwierdziliśmy, że efekt wzmocnienia promieniowania konieczny dla działania laserów występuje w układach, w których liczba cząstek wzbudzonych w stanie E2 będzie większa od liczby cząstek w stanie E1. Taki stan układu cząsteczkowego jest stanem nierównowagowym i warunkuje istnienie w układzie tzw. inwersji obsadzeń. W warunkach normalnych, w stanie równowagi termodynamicznej ilość cząsteczek w stanie energetycznie niższym E1 jest znacznie większa od ilości cząsteczek w stanie wzbudzonym E2. Taka jest wymowa prawa Boltzmanna opisującego obsadzenie poziomów kwantowych w stanie równowagi termodynamicznej.
Jak osiągnąć więc stan, w którym sytuacja się odwróci, tzn. nastąpi inwersja obsa-dzeń? Jedno już wiemy: należy wyprowadzić układ ze stanu równowagi termodynamicz-nej? Ale generalnie osiąganie stanu inwersji obsadzeń nie jest łatwe. Więcej niż 35 lat upłynęło od czasu powstania idei (Einstein 1917) do chwili pojawienia się pierwszego urządzenia wykorzystującego emisję wymuszoną (MASER, Gordon 1954). Trzeba było następnych 6 badań naukowych zanim pojawił się pierwszy laser (Maiman 1960 - laser rubinowy).
Wystarczy powiedzieć, że proces wyprowadzania układu ze stanu równowagi, nazywa-ny popularnie pompowaniem, polega najczęściej na wzbudzaniu ośrodka czynnego (np. w wyładowaniu elektrycznym w przypadku laserów gazowych lub poprzez wzbudzanie optyczne w laserach stałych) oraz odpowiednim sterowaniu, doborze procesów relaksacji czyli procesów powrotu do stanu równowagi. W trakcie relaksacji cząsteczki przechodzą po kolei przez różne wzbudzone stany kwantowe zdążając do stanu o najniższej energii - stanu podstawowego. Jeżeli w tym czasie natrafią na stan którego czas życia (czas trwania w danym stanie - t2 na rys. 3) jest długi w stosunku do pozostałych, następuje nagromadzenie się cząsteczek w tym stanie (znaczące obsadzenie tego stanu) a nawet pojawia się inwersja obsadzeń gdy czasy przebywania na niższych poziomach energetycznych będą znacznie krótsze. Jeżeli inwersja jest wystarczająco duża by pokryć straty optyczne układu, urządzenie zaczyna wzmacniać szumy własne, powstaje generator optyczny - laser.
6. Klasyfikacje laserów
Choć pierwszy działający laser (laser rubinowy) wykorzystywał ośrodek czynny w stanie stałym obecnie znane lasery wykorzystują ośrodki czynne znajdujące się we wszystkich stanach skupienia, np.:
lasery gazowe: He-Ne, CO2, N2, argon, krypton, na parach metali itp.,
lasery cieczowe: barwnikowe,
lasery na ciele stałym: Nd:YAG, Er:YAG, rubinowy, półprzewodnikowe (często klasyfikowane oddzielnie).
Nazwy laserów pochodzą więc najczęściej od nazwy ośrodka czynnego choć najistot-niejszym dla zastosowań jest nie tyle rodzaj ośrodka czynnego, ile długość fali promienio-wania laserowego; np. nie wykryto różnic terapeutycznych dla zastosowań promie-niowania EM lasera He-Ne oraz półprzewodnikowego o tej samej długości fali.
Dla wielu zastosowań laserów występują znaczne różnice w zależności od rodzaju pracy: ciągłej i impulsowej oraz w przypadku laserów impulsowych od częstotliwości powtarzania impulsu.
Innym ważnym parametrem klasyfikacyjnym (szczególnie dla wymagań BHP) jest moc lasera, z tego punktu widzenia lasery dzielą się na:
lasery małej mocy (1 do 6 mW),
lasery średniej mocy (6 do 500 mW),
lasery dużej mocy (500 mW).
7. Najważniejsze typy laserów stosowanych w medycynie
Laserami dla "twardej" obróbki tkanek:
- cięcia,
- koagulacji,
- odparowania (fotoablacji oraz ablacji stymulowanej plazmą) oraz
- obróbki mechanicznej (rozrywania, fragmentacji czy kawitacji)
są lasery: CO2, neodymowy (Nd:YAG), argonowy, erbowy (Er:YAG), holmowy (Ho:YAG) i półprzewodnikowe dużej mocy.
W zastosowaniach dla biostymulacji najpopularniejsze są lasery: półprzewodnikowe, He-Ne, argonowe i kryptonowe.
Lasery CO2 generujące promieniowanie o długości fali 10.600 nm pracują w reżimie pracy ciągłej z mocą od 30-100 W lub impulsowej o czasie i energii impulsów odpowiednio ok. 10-600 mikrosekund i 0.25 J oraz częstotliwości do 1 kHz. Stosowane są najczęściej w chirurgii ogólnej ze względu na bardzo dobre pochłanianie przez wodę i bardzo płytkie wnikanie w tkankę promieniowania o tej długości fali. Woda stanowi główny składnik tkanek dlatego wiązka promieniowania przecina z równą łatwością tkankę miękką jak i kości. Wszystko to powoduje, że laser ten stosowany jest z powodzeniem nie tylko w chirurgii ogólnej ale też w ginekologii, dermatologii, laryngologii i innych dziedzinach medycyny gdzie dokonuje się operacji cięcia [2].
Lasery CO2 są stosunkowo tanimi urządzeniami i stąd popularność ich stosowania nie-mniej niedogodnością jest brak ogólnodostępnych i tanich światłowodów dla tych długości fal, co skutkuje znacznym utrudnieniem w doprowadzeniu promieniowania do miejsca oddziaływania.
Lasery stałe na kryształach Nd:YAG emitują fale EM o długościach 1064 i 1320 nm i charakteryzują się znacznie gorszym pochłanianiem (absorpcją) w materii biologicznej. Stąd znacznie głębsze wnikanie promieniowania w tkankę, a laser ten z powodzeniem stosowany jest jako koagulator pozwalając zamykać naczynia krwionośne do głębokości paru milimetrów. Ze względu na doskonałe własności giętkich światłowodów kwarcowych promieniowanie to można łatwo doprowadzić nawet do wewnętrznych organów (poprzez endoskopy). Ta własność w połączeniu z dużą gęstością mocy na końcu światłowodu umożliwia stosowanie tego lasera w zabiegach mikrochirurgicznych. W tym wypadku w celu ograniczenia promienia destrukcji tkanki związanej z dużą przenikalnością promieniowania w tkance stosuje się czasem metody chirurgii kontaktowej z zastosowa-niem rozgrzewanej końcówki światłowodu - histeroskopia laserowa [2].
Lasery Nd:YAG impulsowe (o długości impulsu rzędu ns) stosowane są w okulistyce w mikrochirurgii przedniego odcinka oka. Charakter oddziaływania tego typu laserów jest mechaniczny (rozrywający) w odróżnieniu do termicznego w przypadku laserów pracują-cych w reżimie pracy ciągłej. W przypadku tym w oku wytwarzana jest mikro-plazma w obszarze kilkudziesięciu mikrometrów, która następnie ekspanduje tworząc rozrywającą tkankę falę uderzeniową. Lasery o dłuższym impulsie (rzędu mikrosekund) stosowane są do rozbijania kamieni nerkowych.
Lasery KTP to lasery Nd:YAG z podwojoną częstością (drugą harmoniczną) fali o dłu-gości 1064 nm; tzn. 532 nm uzyskanej przy wykorzystaniu nieliniowych własności kryształów KTP. Promieniowanie o barwie zielonej dobrze absorbowane przez hemoglo-binę stosowane jest przy zabiegach mocno unaczynionych tkanek [2] np. do koagulacji siatkówki oka, terapii znamion naczyniowych oraz cholecystomii laparoskopowej.
Lasery Ho:YAG i Er:YAG o długościach fal 2100 i 2940 nm należą do grupy laserów zbudowanych na kryształach YAG domieszkowanych odpowiednio holmem Ho3+ i erbem Er3+. Promieniowanie to jest silnie pochłaniane przez wodę stąd mniejsza głębokość wnikania w tkankę i płytszy obszar martwicy niż w przypadku laserów Nd:YAG. Umożliwia to szersze zastosowania tych laserów w dziedzinie operacji chirurgicznych, stomatologicznych, okulistycznych, laryngologicznych i ginekologicznych [1-3].
W przypadku laserów erbowych występuje jednak ta sama niedogodność co w przypadku laserów CO2 tzn. promieniowanie to nie może być transmitowane za pomocą popularnych światłowodów kwarcowych. Pomimo to stosowanie tych laserów uzasadnione jest ze względu na jeszcze wyższą absorpcją promieniowania o długości fali 2940 niż 10600 nm (lasery CO2).
Laser argonowy generuje promieniowanie o wielu długościach fal przy czym najsilniejsze linie emisji to 488 i 514 nm. Zielone promieniowanie o długości 514 nm jest dobrze pochłanianie w hemoglobinie stąd zastosowanie tych laserów jako koagulatora w oku-listyce oraz w terapii znamion naczyniowych [2]. Promieniowanie tych laserów doskonale nadaje się do transmisji w światłowodach kwarcowych.
Laser He-Ne - o długości fali 632.8 nm jest laserem głównie stosowanym do biostymulacji oraz jako źródło światła w zastosowaniach laparoskopii z laserami pracującymi w niewidzialnym zakresie widma (w podczerwieni lub ultrafiolecie). Pomocnicza wiązka światła o małej rozbieżności umożliwia oświetlenie pola operacji oraz ocenę postępu zabiegu [1,2,4].
Lasery półprzewodnikowe tworzą najszybciej rozwijającą się dziedzina technologii laserowych; generują promieniowanie w zakresie od 400 - 10 000 nm w zależności od zastosowanych materiałów półprzewodnikowych: ZnSSe, AlGaAs, GaInAsP, InAsSbP, PbSnSeTe itp. Najczęściej jednak stosowane są lasery o długościach fali od 630 - 1000 nm i mocy 100-400 mW pracujące w reżimie ciągłym jak i impulsowym dla celów biostymu-lacji oraz lasery do 50 W mocy ciągłej stosowane w okulistyce i chirurgii [5].
Niedogodnością tych laserów jest na ogół niesymetryczny rozkład wiązki promieniowania i znacznie większa (niż w innych laserach) rozbieżność wiązki. Lasery półprzewodnikowe stosowane są do pompowania innych laserów np. Nd:YAG oraz jako źródło światła pilotującego (zamiennie z laserami He-Ne).
Lasery barwnikowe wykorzystujące jako ośrodek czynny roztwory różnych barwników cechuje możliwość strojenia długości fali. I tak, dla Rodaminy 6 G w alkoholu etylowym zakres strojenia wynosi 570-650 nm. Maksymalny zakres strojenia w oparciu o różne dostępne barwniki wynosi 300-1040 nm. Lasery barwnikowe pracujące w reżimie ciągłym i impulsowym stosowane są do usuwania znamion naczyniowych (590 nm) w urologii do litotrypsji (590 nm) oraz w okulistyce. Możliwość strojenia tych laserów jest szczególnie istotna w przypadku zastosowań do fotodynamicznej terapii nowotworów PDT (np. 405 nm) [2].
Lasery ekscymerowe - ośrodkiem czynnym tych laserów są gazy, w których pod wpływem wzbudzenia łączą się w nietrwałe związki chemiczne - ekscymery np. XeCl* , KrF* itp., o krótkim czasie życia. W trakcie zaniku emitują promieniowanie np. XeCl* (308 nm), KrF* (248) ArF* (193 nm). Promieniowanie tych laserów ma charakter impulsowy o długościach impulsów 10 - 300 ns i energii do 1 J z częstotliwością do 1 kHz. Ultrafioletowe promieniowanie tych laserów znajduje zastosowania w okulistyce, angioplastyce i mikrochirurgii.
8. Zastosowania laserów - kryteria wyboru urządzenia
Pozytywny wpływ radioterapii znany jest od wielu tysiącleci, pierwsze wzmianki o radioterapii słonecznej znajdujemy w pracach egipskich kapłanów 4 tys. lat p.n.e. Koniec XIX wieku i początek XX to okres ponownego rozbudzenia zainteresowań terapeutów radioterapią a Niels Rydberg Finsen otrzymuje nagrodę Nobla za opracowanie terapii bielactwa nabytego oraz łuszczycy promieniowaniem UV wyselekcjonowanym za pomocą filtrów kwarcowych z wiązek słonecznych i lamp łukowych.
Promieniowanie laserów posiada specyficzne własności nieobecne w promieniowaniu innych źródeł jak: spójność, polaryzacja czy mała rozbieżność wiązki. Warunkują one dobre własności skupiania wiązki przez co umożliwiają uzyskiwanie dużych gęstości mocy i energii. Jednak ich specyficzna rola i znaczenie w radioterapii w odróżnieniu od promieniowania niespójnego nie do końca zostały zbadane [5].
Zgodnie z obecną wiedzą spośród wielu parametrów laserów najważniejszymi z punktu widzenia jego zastosowania dla potrzeb medycznych są:
- długość impulsu laserowego - określającego typ oddziaływania z tkanką - przewaga efektów fototermicznych czy fotojonizacyjnych - patrz rys. 6;
- długość fali promieniowania - określająca współczynniki absorpcji i powiązaną z nim głębokość wnikania promieniowania w substancje organiczne;
- gęstość energii - określająca poziomy progowe różnych typów oddziaływania oraz jego zasięg.
Trzeci parametr zmienia się jedynie w zakresie trzech rzędów wielkości (1 mJ/cm2 - 1 MJ/cm2) dla wszystkich znanych typów oddziaływań. Jest to dość wąski zakres w po-równaniu do 15 rzędów zmienności długości impulsu - rys.6.
Rys. 6. Rodzaje oddziaływań promieniowania laserowego
Rysunek 7 ukazuje współczynnik absorpcji promieniowania o różnej długości fali dla wybranych istotnych składników ludzkiej tkanki: wody, protein, hemoglobiny i melaniny oraz średnią głębokość wnikania w wodzie. Generalnie obydwie wielkości są od siebie zależne: im większa absorpcja tym mniejsza głębokość wnikania. Wybrane substancje reprezentują główne ośrodki absorpcji w tkankach zwierzęcych i ludzkich, przy czym sumaryczna absorpcja w wodzie, proteinach i melaninie reprezentuje proces naświetlania tkanek miękkich poprzez skórę zaś absorpcja hemoglobiny reprezentuje ten proces w tkankach mocno unaczynionych.
Na rysunku 7b. przedstawiono aspekt głębokości wnikania promieniowania elektro-magnetycznego w zakresie dostępnym przy zastosowaniu różnych laserów. Obydwa wykresy są niezwykle istotne dla osób podejmujących decyzję o wyborze urządzenia laserowego, np. szukając urządzenia dla operacji cięcia istotna jest duża absorpcja promieniowania i małą inwazyjność (głębokość wnikania). W przypadku chirurgii ogólnej najlepiej do tego celu nadają się lasery CO2 (również ze względu na niską cenę urządzenia) lub lasery Er:YAG o mocach ok. 40 - 100 W.
Rys. 7. Współczynnik absorpcji promieniowania głównych składników tkanki oraz głębokość wnikania w wodzie w zależności od długości fali (na rys. 7b. oznaczono rodzaj laserów generujących promieniowanie o danej długości)
W przypadku tkanek mocno unaczynionych będą to lasery o świetle zielonym (dobrze absorbowanym przez hemoglobinę) np. Nd:YAG druga harmoniczna. Z drugiej strony lasery Nd:YAG o częstości podstawowej (długość fali 1064 nm) - o promieniowaniu najgłębiej wnikającym (względnie małej absorpcji w tkance) znajdują zastosowanie jako koagulatory.
Głębokość wnikania oraz efekty termiczne można również ograniczać poprzez stosowanie krótko-impulsowych laserów o dużej intensywności promieniowania generujących lokalnie w tkance mikroplazmę. Plazma ta nieprzepuszczalna dla promieniowania lasera ogranicza głębokość wnikania wiązki fal EM, a w rezultacie głębokość martwicy. Plazma oddziałując z materiałem organicznym przy powierzchni powoduje jego ablację - odparowanie. Przy dalszym wzroście gęstości mocy (energii) impulsy te wywołują efekty mechaniczne, rozrywanie materiału - rys.6, wskutek fal uderzeniowych i efektów kawitacyjnych.
Najbardziej precyzyjną obróbkę tkanki (ważnej w mikrochirurgii kardiologicznej czy okulistyce) w procesie uzyskuje się w procesie fotoablacji (ablacji wywołanej rozerwaniem wiązań chemicznych). Ze względu na konieczność dostarczenia energii rzędu 3-7 eV w trakcie każdego aktu absorpcji fotoablację umożliwiają lasery generujące promienio-wanie o długości fali mniejszej niż 400 nm a więc z zakresu ultrafioletu. Z rys. 7.b. wynika, że w tym zakresie promieniują lasery ekscymerowe i wyższe harmoniczne laserów Nd:YAG stosowane w mikrochirurgii kardiologicznej czy okulistyce.
W biostymulacji stosowane są lasery generujące promieniowanie o długości fal 650 - 1000 nm tzn. leżących w okolicach tzw. okna optycznego tkanki tj. w zakresie minimalnej absorpcji wody, melaniny i hemoglobiny (rys. 7.a.). Gwarantuje to maksymalne głębokości wnikania promieniowania do tkanek (ok. 4 cm). W zakresie tym leży czerwone promie-niowanie lasera He-Ne - 630 nm, oraz wiele możliwych długości promieniowania laserów półprzewodnikowych - w zakresie 630 - 980 nm. Moce wiązek, i ich gęstości są znacznie mniejsze w tym niż w przypadku oddziaływań "twardych". Co więcej siła bodźca, mierzona w J/cm2 posiada swoje optimum jeśli chodzi o reakcję organizmu. Zależność siły reakcji od bodźca opisana jest prawem Arndta-Schultza (patrz rys. 8). Z wykresu wynika, że dla celów biostymulacyjnych stosowanie bodźców (dawek) większych od 8 J/cm2 mija się z celem a nawet powyżej 16 J/cm2 może być z punktu widzenia zamierzonych efektów (reakcji) szkodliwe. Z tego względu nie stosuje się w tej dziedzinie laserów o dużych mocach średnich - powyżej 500 mW. Najczęściej stosowane są lasery o mocy do 100 mW pracy ciągłej jak i impulsowej, przy czym niższe moce są uwarunkowane również względami natury bezpieczeństwa pracy. Nie znaleziono natomiast jednoznacznych różnic w pracy impulsowej i ciągłej w zastosowaniach biostymulacyjnych.
Rys. 8. Prawo Arndta-Schultza dla stymulacji laserowej
mat_szkol.htmPowrót do "Materiałow szkoleniowych"