Лазерите стават все по-важни изследователски инструменти в медицината, физиката, химията, геологията, биологията и инженерството. Ако се използват неправилно, те могат да причинят ослепяване и нараняване (включително изгаряния и токов удар) на операторите и друг персонал, включително странични лица в лабораторията, както и значителни материални щети. Потребителите на тези устройства трябва напълно да разбират и прилагат необходимите предпазни мерки при работа с тях.

Какво е лазер?

Думата „лазер“ (LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) е съкращение, което означава „усилване на светлината чрез стимулирано излъчване на радиация“. Честотата на излъчването, генерирано от лазер, е във или близо до видимата част на електромагнитния спектър. Енергията се усилва до изключително висок интензитет чрез процес, наречен лазерно индуцирано излъчване.

Терминът радиация често се разбира погрешно, тъй като се използва и за описание В този контекст означава пренос на енергия. Енергията се пренася от едно място на друго чрез проводимост, конвекция и радиация.

Има много различни видовелазери, работещи в различни среди. Използваната работна среда са газове (например аргон или смес от хелий и неон), твърди кристали (например рубин) или течни багрила. Когато към работната среда се подаде енергия, тя се възбужда и освобождава енергия под формата на частици светлина (фотони).

Чифт огледала в двата края на запечатана тръба или отразява, или предава светлина в концентриран поток, наречен лазерен лъч. всеки работна средапроизвежда лъч с уникална дължина на вълната и цвят.

Цветът на лазерната светлина обикновено се изразява чрез дължина на вълната. Той е нейонизиращ и включва ултравиолетови (100-400 nm), видими (400-700 nm) и инфрачервени (700 nm - 1 mm) части от спектъра.

Електромагнитен спектър

Всяка електромагнитна вълна има уникална честота и дължина, свързани с този параметър. Точно както червената светлина има своя собствена честота и дължина на вълната, всички останали цветове - оранжево, жълто, зелено и синьо - имат уникални честоти и дължини на вълната. Хората са в състояние да възприемат тези електромагнитни вълни, но не могат да видят останалата част от спектъра.

Ултравиолетовото лъчение има и най-висока честота. Инфрачервеното, микровълновото лъчение и радиовълните заемат по-ниските честоти на спектъра. Видимата светлина се намира в много тесен диапазон между двете.

въздействие върху хората

Лазерът произвежда интензивен, насочен лъч светлина. Ако бъде насочен, отразен или фокусиран върху обект, лъчът ще бъде частично абсорбиран, повишавайки температурата на повърхността и вътрешността на обекта, което може да доведе до промяна или деформация на материала. Тези качества, които се използват в лазерната хирургия и обработката на материали, могат да бъдат опасни за човешката тъкан.

В допълнение към радиацията, която има термичен ефект върху тъканта, лазерното лъчение, което произвежда фотохимичен ефект, е опасно. Състоянието му е достатъчно къса, т.е. ултравиолетова или синя част от спектъра. Съвременните устройства произвеждат лазерно лъчение, чието въздействие върху хората е сведено до минимум. Лазерите с ниска мощност нямат достатъчно енергия, за да причинят вреда и не представляват опасност.

Човешката тъкан е чувствителна към енергия и при определени обстоятелства електромагнитното лъчение, включително лазерното лъчение, може да причини увреждане на очите и кожата. Проведени са изследвания върху праговите нива на травматично лъчение.

Опасност за очите

Човешкото око е по-податливо на нараняване от кожата. Роговицата (чистата външна предна повърхност на окото), за разлика от дермата, няма външен слой от мъртви клетки, който да я предпазва от увреждане. заобикаляща среда. Лазерът се абсорбира от роговицата на окото, което може да го увреди. Нараняването е придружено от подуване на епитела и ерозия, а при тежки наранявания - помътняване на предната камера.

Лещата на окото също може да бъде податлива на нараняване, когато е изложена на различни лазерни лъчения - инфрачервени и ултравиолетови.

Най-голямата опасност обаче е въздействието на лазера върху ретината във видимата част на оптичния спектър – от 400 nm (виолетов) до 1400 nm (близък инфрачервен). В тази област на спектъра колимираните лъчи се фокусират върху много малки области на ретината. Най-неблагоприятно е въздействието, когато окото гледа в далечината и е ударено от пряк или отразен лъч. В този случай концентрацията му върху ретината достига 100 000 пъти.

Така видимият лъч с мощност 10 mW/cm 2 въздейства на ретината с мощност 1000 W/cm 2. Това е повече от достатъчно, за да причини щети. Ако окото не гледа в далечината или ако лъчът се отразява от дифузна, неогледална повърхност, значително по-мощното излъчване води до нараняване. Лазерното излагане на кожата няма фокусиращ ефект, така че тя е много по-малко податлива на нараняване при тези дължини на вълната.

рентгенови лъчи

Някои системи с високо напрежение с напрежение над 15 kV могат да генерират рентгенови лъчи със значителна мощност: лазерно лъчение, чиито източници са мощни електронно изпомпвани, както и плазмени системи и йонни източници. Тези устройства трябва да бъдат тествани, за да се осигури правилно екраниране, наред с други неща.

Класификация

В зависимост от мощността или енергията на лъча и дължината на вълната на излъчване лазерите се разделят на няколко класа. Класификацията се основава на потенциала на устройството да причини незабавно нараняване на очите, кожата или пожар, когато е изложено директно на лъча или когато е отразено от дифузно отразяващи повърхности. Всички търговски лазери трябва да бъдат идентифицирани чрез маркировки, поставени върху тях. Ако устройството е домашно произведено или не е маркирано по друг начин, трябва да се получи съвет относно подходящата му класификация и етикетиране. Лазерите се различават по мощност, дължина на вълната и продължителност на експозиция.

Защитени устройства

Първокласните устройства генерират лазерно лъчение с нисък интензитет. Не може да достигне опасни нива, така че източниците са освободени от повечето контроли или други форми на наблюдение. Пример: лазерни принтери и CD плейъри.

Условно безопасни устройства

Лазерите от втори клас излъчват във видимата част на спектъра. Това е лазерно лъчение, чиито източници предизвикват у човека нормална реакция на отвращение към прекалено ярка светлина (рефлекс на мигане). Когато е изложено на лъча, човешкото око мига в рамките на 0,25 s, което осигурява достатъчна защита. Въпреки това, лазерното лъчение във видимия диапазон може да увреди окото при постоянна експозиция. Примери: лазерни показалки, геодезически лазери.

Лазерите от клас 2а са устройства със специално предназначение с изходна мощност под 1 mW. Тези устройства причиняват щети само когато са пряко изложени за повече от 1000 секунди в рамките на 8-часов работен ден. Пример: четци на баркод.

Опасни лазери

Клас 3а включва устройства, които не причиняват нараняване при краткотрайно излагане на незащитено око. Може да представлява опасност при използване на фокусираща оптика като телескопи, микроскопи или бинокли. Примери: 1-5 mW хелиево-неонов лазер, някои лазерни показалки и нива на сгради.

Лазерен лъч от клас 3b може да причини нараняване чрез директно излагане или огледално отражение. Пример: Хелиево-неонов лазер 5-500 mW, много изследователски и терапевтични лазери.

Клас 4 включва устройства с нива на мощност над 500 mW. Те са опасни за очите, кожата, а също така са опасни за пожар. Излагането на лъча, неговите огледални или дифузни отражения могат да причинят наранявания на очите и кожата. Трябва да се вземат всички мерки за безопасност. Пример: Nd:YAG лазери, дисплеи, хирургия, рязане на метал.

Лазерно лъчение: защита

Всяка лаборатория трябва да осигури подходяща защита за лицата, работещи с лазери. Прозорците на помещенията, през които радиацията от устройство от клас 2, 3 или 4 може да премине, причинявайки вреда в неконтролирани зони, трябва да бъдат покрити или защитени по друг начин, докато такова устройство работи. За да осигурите максимална защита на очите, се препоръчва следното.

• Пакетът трябва да бъде затворен в неотразяваща, незапалима защитна кутия, за да се сведе до минимум рискът от случайно излагане или пожар. За да подравните лъча, използвайте флуоресцентни екрани или вторични мерници; Избягвайте директен контакт с очите.
• Използвайте най-ниската мощност за процедурата за подравняване на лъча. Ако е възможно, използвайте устройства от нисък клас за предварителни процедури за подравняване. Избягвайте наличието на ненужни отразяващи предмети в работната зона на лазера.
• Ограничете преминаването на лъча в опасната зона в извънработно време с помощта на щори и други бариери. Не използвайте стените на помещението, за да насочите лъча на лазери от клас 3b и 4.
• Използвайте неотразяващи инструменти. Някои устройства, които не отразяват видимата светлина, се отразяват в невидимата област на спектъра.
• Не носете отразяващи бижута. Металните бижута също повишават риска от токов удар.

Предпазни очила

Когато работите с лазери от клас 4 с открита опасна зона или където има риск от отражение, трябва да се носят предпазни очила. Видът им зависи от вида на радиацията. Очилата трябва да бъдат избрани така, че да предпазват от отражения, особено дифузни отражения, и да осигуряват защита до ниво, при което естественият защитен рефлекс може да предотврати нараняване на очите. Такива оптични устройства ще поддържат известна видимост на лъча, ще предотвратят изгаряния на кожата и ще намалят възможността от други инциденти.

Фактори, които трябва да имате предвид при избора на предпазни очила:

• дължина на вълната или област от радиационния спектър;
• оптична плътност при определена дължина на вълната;
• максимална осветеност (W/cm2) или мощност на лъча (W);
• тип лазерна система;
• режим на мощност - импулсно лазерно лъчение или непрекъснат режим;
• възможности за отражение - огледално и дифузно;
• линия на видимост;
• наличието на коригиращи лещи или достатъчен размер, позволяващ носенето на очила за корекция на зрението;
• комфорт;
• наличието на вентилационни отвори за предотвратяване на замъгляване;
• влияние върху цветното зрение;
• устойчивост на удар;
• способност за изпълнение на необходимите задачи.

Тъй като предпазните очила са податливи на повреда и износване, лабораторната програма за безопасност трябва да включва периодична проверка на тези елементи за безопасност.

лазерна безопасност радиационна защита

Въздействието на лазерите върху тялото зависи от параметрите на излъчване (мощност и енергия на излъчване на единица облъчвана повърхност, дължина на вълната, продължителност на импулса, честота на повторение на импулса, време на облъчване, облъчвана повърхност), локализация на ефекта и анатомо-физиологични характеристики на облъчените обекти.

Лазерното лъчение е вид електромагнитно излъчване, генерирани в оптичния диапазон на дължина на вълната 0,1...1000 µm. Разликата му от другите видове излъчване се състои в неговата монохромност, кохерентност и висока степен на насоченост. Поради ниската дивергенция на лазерния лъч, плътността на потока на мощността може да достигне 10 16 ... 10 17 W/m 2.

Ефектите от експозицията (термични, фотохимични, ударно-акустични и др.) се определят от механизма на взаимодействие на лазерното лъчение с тъканите и зависят от енергийните и времеви параметри на лъчението, както и от биологичните и физичните - химически характеристикиоблъчени тъкани и органи.

Лазерното лъчение представлява особена опасност за тъканите, които абсорбират максимално радиацията. Сравнително леката уязвимост на роговицата и лещата на окото, както и способността на оптичната система на окото многократно да увеличава енергийната плътност (мощност) на радиацията във видимия и близкия инфрачервен диапазон (780<л<1400 нм) на глазном дне по отношению к роговице делают глаз наиболее уязвимым органом.

При увреждане се появява болка в очите, спазъм на клепачите, сълзене, подуване на клепачите и очната ябълка, помътняване на ретината и кръвоизлив. Клетките на ретината не се възстановяват след увреждане.

Ултравиолетовото лъчение причинява фотокератит, инфрачервеното лъчение със средна вълна (1400<л<3000 нм) может вызвать отек, катаракту и ожог роговой оболочки глаза; дальнее ИК - излучение (3000<л<10 6 нм) - ожог роговицы.

Увреждането на кожата може да бъде причинено от лазерно лъчение с всякаква дължина на вълната в спектралния диапазон 180...100 000 nm. Характерът на увреждането на кожата е подобен на термичните изгаряния. Тежестта на увреждането на кожата, а в някои случаи и на цялото тяло, зависи от радиационната енергия, продължителността на експозицията, зоната на увреждане, нейното местоположение и добавянето на вторични източници на експозиция (изгаряне, тлеене). Минимално увреждане на кожата се развива при енергийна плътност 1000...10000 J/m2.

Далечното инфрачервено лазерно лъчение (>1400 nm) е в състояние да проникне в телесната тъкан на значителна дълбочина, засягайки вътрешните органи (директно лазерно лъчение).

Дългосрочното хронично действие на дифузно отразено лазерно лъчение с нетермична интензивност може да причини неспецифични, главно вегетативно-съдови нарушения; могат да се наблюдават функционални промени в нервната, сърдечно-съдовата система и ендокринните жлези. Работниците се оплакват от главоболие, повишена умора, раздразнителност и изпотяване.

Биологичните ефекти, възникващи при излагане на лазерно лъчение върху човешкото тяло, се разделят на две групи:

Първичните ефекти са органични промени, които настъпват директно в облъчените тъкани;

Вторичните ефекти са неспецифични промени, които се появяват в тялото в отговор на радиация.

Човешкото око е най-податливо на увреждане от лазерно лъчение. Лазерен лъч, фокусиран върху ретината от лещата на окото, ще изглежда като малко петно ​​с дори по-плътна концентрация на енергия от радиацията, падаща върху окото. Следователно лазерното лъчение, навлизащо в окото, е опасно и може да причини увреждане на ретината и хориоидеята със зрителни увреждания. При ниски енергийни плътности се получава кръвоизлив, а при високи - изгаряне, разкъсване на ретината и поява на очни мехурчета в стъкловидното тяло.

Лазерното лъчение може също да причини увреждане на кожата и вътрешните органи на човека. Увреждането на кожата от лазерно лъчение е подобно на термично изгаряне. Степента на увреждане се влияе както от входните характеристики на лазерите, така и от цвета и степента на пигментация на кожата. Интензивността на радиацията, която причинява увреждане на кожата, е много по-висока от интензивността, която причинява увреждане на очите.

Самата дума „лазер“ е съкращение от английското „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“, което означава „усилване на светлината с помощта на стимулирано лъчение“.

Ерата на лазерната медицина започва преди повече от половин век, когато през 1960 г. Теодор Мейман за първи път използва рубинен лазер в клиниката.

Рубинният лазер е последван от други лазери: 1961 г. - лазер с неодимов итриев алуминиев гранат (Nd:YAG); 1962 – аргон; 1964 г. – лазер с въглероден диоксид (CO 2 ).

През 1965 г. Леон Голдман съобщава за използването на рубинен лазер за премахване на татуировки. Впоследствие до 1983 г. се правят различни опити за използване на неодимови и аргонови лазери за лечение на съдови патологии на кожата. Но тяхното използване е ограничено от високия риск от белези.

През 1983 г. Рокс Андерсън и Джон Париш публикуват своята концепция за селективна фототермолиза (SPT) в списание Science, което води до революционни промени в лазерната медицина и дерматология. Тази концепция ни позволи да разберем по-добре процесите на взаимодействие на лазерното лъчение с тъканта. Това от своя страна улесни разработването и производството на лазери за медицински приложения.

Характеристики на лазерното лъчение

Три свойства, присъщи на лазерното лъчение, го правят уникално:

1. Съгласуваност.Върховете и спадовете на вълните са успоредни и във фаза във времето и пространството.
2. Едноцветен.Светлинните вълни, излъчвани от лазера, имат същата дължина, точно тази, която осигурява средата, използвана в лазера.
3. Колимация.Вълните в светлинния лъч остават успоредни, не се разминават и лъчът пренася енергия практически без загуба.

Методи за взаимодействие на лазерното лъчение с кожата

Методите на лазерната хирургия се използват за манипулиране на кожата много по-често от всяка друга тъкан. Това се обяснява, първо, с изключителното разнообразие и разпространение на кожни патологии и различни козметични дефекти, и второ, с относителната лекота на извършване на лазерни процедури, което е свързано с повърхностното разположение на обектите, изискващи лечение. Взаимодействието на лазерната светлина с тъканта се основава на оптичните свойства на тъканта и физичните свойства на лазерното лъчение. Разпределението на светлината, навлизаща в кожата, може да бъде разделено на четири взаимосвързани процеса.

Отражение.Около 5-7% от светлината се отразява на нивото на роговия слой.

Абсорбция (абсорбция).Описва се от закона на Бугер-Ламберт-Беер. Абсорбцията на светлината, преминаваща през тъканта, зависи от нейния първоначален интензитет, дебелината на слоя материал, през който преминава светлината, дължината на вълната на абсорбираната светлина и коефициента на абсорбция. Ако светлината не се абсорбира, няма ефект върху тъканта. Когато фотон се абсорбира от целева молекула (хромофор), цялата му енергия се прехвърля към тази молекула. Най-важните ендогенни хромофори са меланин, хемоглобин, вода и колаген. Екзогенните хромофори включват бои за татуировки, както и частици мръсотия, импрегнирани по време на нараняване.

дифузия.Този процес се дължи главно на колагена на дермата. Значението на феномена на разсейване е, че той бързо намалява плътността на енергийния поток, наличен за абсорбиране от целевия хромофор и, следователно, клиничния ефект върху тъканта. Разсейването намалява с увеличаване на дължината на вълната, което прави по-дългите вълни идеални за доставяне на енергия до дълбоки дермални структури.

Проникване.Дълбочината на проникване на светлината в подкожните структури, както и интензивността на разсейване зависи от дължината на вълната. Късите вълни (300-400 nm) са интензивно разпръснати и не проникват по-дълбоко от 100 микрона . По-дългите вълни проникват по-дълбоко, защото се разпръскват по-малко .

Основните физични параметри на лазера, които определят ефекта на квантовата енергия върху определена биологична цел, са дължината на генерираната вълна и плътността на енергийния поток и времето на експозиция.

Дължина на генерираната вълна.Дължината на вълната на лазерното лъчение е сравнима със спектъра на поглъщане на най-важните тъканни хромофори (фиг. 2). При избора на този параметър е задължително да се вземе предвид дълбочината на целевата структура (хромофор), тъй като разсейването на светлината в дермата значително зависи от дължината на вълната (фиг. 3). Това означава, че дългите вълни се абсорбират по-малко от късите; Съответно проникването им в тъканта е по-дълбоко. Необходимо е също така да се вземе предвид хетерогенността на спектралната абсорбция на тъканните хромофори:

• МеланинОбикновено се намира в епидермиса и космените фоликули. Неговият спектър на поглъщане е в ултравиолетовия (до 400 nm) и видимия (400 - 760 nm) спектрален диапазон. Абсорбцията на лазерното лъчение от меланина постепенно намалява с увеличаване на дължината на вълната на светлината. Абсорбцията отслабва в близката инфрачервена област на спектъра от 900 nm.
• Хемоглобиннамерени в червените кръвни клетки. Има много различни пикове на абсорбция. Максимумите на абсорбционния спектър на хемоглобина са в UV-A областта (320-400 nm), виолетов (400 nm), зелен (541 nm) и жълт (577 nm) диапазони.
• Колагенобразува основата на дермата. Абсорбционният спектър на колагена е във видимия диапазон от 400 nm до 760 nm и близката инфрачервена област на спектъра от 760 до 2500 nm.
• водасъставлява до 70% от дермата. Абсорбционният спектър на водата се намира в средната (2500 - 5000 nm) и далечната (5000 - 10064 nm) инфрачервена област на спектъра.

Плътност на енергийния поток.Ако дължината на вълната на светлината влияе на дълбочината, на която се абсорбира от един или друг хромофор, тогава за директно увреждане на целевата структура е важно количеството енергия на лазерното лъчение и мощността, която определя скоростта на пристигане на тази енергия. Енергията се измерва в джаули (J), мощността - във ватове (W, или J/s). На практика тези параметри на излъчване обикновено се използват като единица площ - плътност на енергийния поток (J/cm2) и скорост на енергийния поток (W/cm2), или плътност на мощността.

Видове лазерни интервенции в дерматологията

Всички видове лазерни интервенции в дерматологията могат да бъдат разделени на два вида:

• Тип I Хирургии, които включват аблация на участък от засегнатата кожа, включително епидермиса.
• II вид. Операции, насочени към селективно отстраняване на патологични структури, без да се нарушава целостта на епидермиса.

Тип I. Аблация.
Това явление е един от фундаменталните, интензивно изучавани, макар и все още не напълно решени проблеми на съвременната физика.
Терминът "аблация" се превежда на руски като отстраняване или ампутация. В немедицински речник тази дума означава ерозия или топене. В лазерната хирургия аблация означава елиминиране на участък от жива тъкан директно под въздействието на лазерни фотони. Това се отнася до ефект, който се проявява точно по време на самата процедура на облъчване, за разлика от ситуацията (например при фотодинамична терапия), когато облъчената тъканна област остава на мястото си след прекратяване на лазерното излагане и нейното постепенно елиминиране настъпва по-късно в резултат на поредица от локални биологични реакции, развиващи се в зоната на облъчване.

Енергийните характеристики и ефективността на аблация се определят от свойствата на облъчвания обект, характеристиките и параметрите на излъчване, които неразривно свързват свойствата на обекта и лазерния лъч - коефициентите на отражение, поглъщане и разсейване на даден вид лъчение в дадена зона. тип тъкан или нейни отделни компоненти. Свойствата на облъчения обект включват: съотношението на течните и плътните компоненти, техните химични и физични свойства, естеството на вътрешно- и междумолекулните връзки, термичната чувствителност на клетките и макромолекулите, кръвоснабдяването на тъканите и др. Характеристики на радиацията са дължина на вълната, режим на облъчване (продължително или импулсно), мощност, енергия на импулс, обща погълната енергия и др.

Механизмът на аблация е изследван най-подробно с помощта на CO2 лазер (l = 10,6 µm). Излъчването му с плътност на мощността ³ 50 kW/cm 2 се абсорбира интензивно от тъканните водни молекули. При такива условия се получава бързо нагряване на водата, а от нея и неводните компоненти на тъканта. Последствието от това е бързото (експлозивно) изпаряване на тъканната вода (вапоризационен ефект) и изригването на водна пара заедно с фрагменти от клетъчни и тъканни структури извън тъканта с образуването на аблационен кратер. Заедно с прегрятия материал, по-голямата част от топлинната енергия се отстранява от тъканта. По стените на кратера остава тясна ивица нагрята стопилка, от която топлината се пренася към околната непокътната тъкан (фиг. 4). При ниска енергийна плътност (фиг. 5, А) освобождаването на продукти от аблация е относително малко, така че значителна част от топлината от масивния слой стопилка се прехвърля към тъканта. При по-високи плътности (фиг. 5, Б) се наблюдава обратната картина. В този случай леко термично увреждане е придружено от механична травма на тъканта поради ударната вълна. Част от нагрятия материал под формата на стопилка остава по стените на аблационния кратер и този слой е резервоарът за топлина, пренесена към тъканта извън кратера. Дебелината на този слой е еднаква по целия контур на кратера. С увеличаване на плътността на мощността тя намалява и с намаляването си се увеличава, което е придружено от съответно намаляване или увеличаване на зоната на термично увреждане. По този начин, чрез увеличаване на мощността на излъчване, ние постигаме увеличаване на скоростта на отстраняване на тъканите, като същевременно намаляваме дълбочината на термичното увреждане.

Обхватът на приложение на CO 2 лазера е много широк. Във фокусиран режим се използва за изрязване на тъкан, като същевременно се коагулират кръвоносните съдове. В режим на дефокусиране чрез намаляване на плътността на мощността се извършва послойно отстраняване (вапоризация) на патологична тъкан. По този начин възникват повърхностни злокачествени и потенциално злокачествени тумори (базалноклетъчен карцином, актиничен хейлит, еритроплазия на Queyr), редица доброкачествени неоплазми на кожата (ангиофиброма, трихлемома, сирингома, трихоепителиома и др.), големи следизгарящи струпеи. , възпалителни кожни заболявания (грануломи, нодуларен хондродерматит на ушната мида), кисти, инфекциозни кожни лезии (брадавици, рецидивиращи кондиломи, дълбоки микози), съдови лезии (пиогенен гранулом, ангиокератом, пръстеновиден лимфангиом), образувания, причиняващи козметични дефекти (ринофима, дълбок пост -белези от акне, епидермални петна по рождение, лентиго, ксантелазма) и др.

Разфокусираният лъч на CO 2 лазер се използва и в чисто козметична процедура - т. нар. лазерно дермабразио, тоест послойно отстраняване на повърхностните слоеве на кожата с цел подмладяване на външния вид на пациента. В импулсен режим с продължителност на импулса по-малко от 1 ms, 25-50 микрона тъкан се изпаряват селективно в едно преминаване; в този случай се образува тънка зона на остатъчна термична некроза в диапазона 40-120 микрона. Размерът на тази зона е достатъчен за временно изолиране на дермалните кръвоносни и лимфни съдове, което от своя страна намалява риска от образуване на белег.

Обновяването на кожата след лазерно дермабразио се дължи на няколко причини. Аблацията намалява появата на бръчки и текстурни аномалии чрез повърхностно изпаряване на тъканите, термична коагулация на клетките в дермата и денатуриране на извънклетъчните матрични протеини. По време на процедурата се получава незабавно видимо свиване на кожата в рамките на 20-25% в резултат на свиване (компресия) на тъканта поради дехидратация и компресия на колагенови влакна. Началото на забавен, но по-дълготраен резултат от обновяването на кожата се постига чрез процеси, свързани с реакцията на тъканта към нараняване. След излагане на лазер се развива асептично възпаление в областта на образуваната рана. Това стимулира посттравматично освобождаване на растежни фактори и фибробластна инфилтрация. Началото на реакцията автоматично се придружава от прилив на активност, което неизбежно води до това, че фибробластите започват да произвеждат повече колаген и еластин. В резултат на вапоризацията се активират процесите на обновяване и кинетиката на пролиферация на епидермалните клетки. В дермата се стартират процесите на регенерация на колаген и еластин, последвани от подреждането им в паралелна конфигурация.

Подобни събития възникват при използване на импулсни лазери, излъчващи в близката и средната инфрачервена област на спектъра (1,54-2,94 µm): ербий с диодна помпа (l = 1,54 µm), тулий (l = 1,927 µm), Ho: YSSG (l = 2,09 µm), Er:YSSG (l = 2,79 µm), Er:YAG (l = 2,94 µm). Изброените лазери се характеризират с много високи коефициенти на поглъщане от водата. Например Er:YAG лазерното лъчение се абсорбира от тъканите, съдържащи вода, 12-18 пъти по-активно от CO 2 лазерното лъчение. Както в случая на CO 2 лазер, по стените на аблационния кратер се образува слой стопилка в тъкан, облъчена с Er:YAG лазер. Трябва да се има предвид, че при работа върху биологична тъкан с този лазер енергийните характеристики на импулса, преди всичко пиковата му мощност, са от съществено значение за характера на тъканните промени. Това означава, че дори при минимална мощност на излъчване, но по-дълъг импулс, дълбочината на термичната некроза рязко нараства. При такива условия масата на отстранените продукти на прегрята аблация е относително по-малка от масата на останалите. Това причинява дълбоки термични щети около аблационния кратер. В същото време при мощен импулс ситуацията е различна - минимално термично увреждане около кратера с високоефективна аблация. Вярно е, че в този случай положителният ефект се постига с цената на обширно механично увреждане на тъканта от ударната вълна. С едно преминаване ербиевият лазер аблатира тъкан на дълбочина от 25-50 микрона с минимално остатъчно термично увреждане. В резултат на това процесът на реепителизация на кожата е много по-кратък, отколкото след излагане на CO 2 лазер.

II вид. Селективно влияние.
Операциите от този тип включват процедури, при които се постига лазерно увреждане на определени интрадермални и подкожни образувания, без да се нарушава целостта на кожата. Тази цел се постига чрез избор на лазерни характеристики: дължина на вълната и режим на облъчване. Те трябва да осигурят поглъщането на лазерната светлина от хромофора (цветна целева структура), което ще доведе до неговото разрушаване или обезцветяване поради преобразуване на радиационната енергия в топлинна (фототермолиза), а в някои случаи и в механична енергия. Целите на лазерното облъчване могат да бъдат: хемоглобинът на еритроцитите, разположен в множество разширени дермални съдове в петна от портвайн (PWS); меланинов пигмент на различни кожни образувания; въглища, както и други различно оцветени чужди частици, внесени под епидермиса по време на татуировка или попаднали там в резултат на други въздействия.

Идеален селективен ефект може да се счита за такъв ефект, при който лазерните лъчи се абсорбират само от целевите структури и няма абсорбция извън неговите граници. За постигане на такъв резултат, специалист, избрал лазер с подходяща дължина на вълната, трябва само да установи енергийната плътност на лъчението и продължителността на експозициите (или импулсите), както и интервалите между тях. Тези параметри се определят като се вземе предвид (TTR) за дадена цел - периодът от време, през който целевата температура, която се е повишила в момента на прилагане на импулса, спада наполовина от увеличението си спрямо първоначалната. Превишаването на продължителността на импулса над стойността на BTP ще причини нежелано прегряване на тъканта около целта. Намаляването на интервала между импулсите ще има същия ефект. По принцип всички тези състояния могат да бъдат моделирани математически преди операцията, но съставът на самата кожа не позволява пълно използване на изчислените данни. Факт е, че в базалния слой на епидермиса има меланоцити и отделни кратиноцити, които съдържат меланин. Тъй като този пигмент интензивно абсорбира светлина във видимата, както и в близката ултравиолетова и инфрачервена област на спектъра („оптичният прозорец“ на меланина е в диапазона от 500 до 1100 nm), всяко лазерно лъчение в този диапазон ще бъде абсорбирано от меланин. Това може да доведе до термично увреждане и смърт на засегнатите клетки. Освен това радиацията във видимата част на спектъра се абсорбира и от цитохроми и флавинови ензими (флавопротеини) както на клетките, съдържащи меланин, така и на всички други видове клетки на епидермиса и дермата. От това следва, че при лазерно облъчване на цел, разположена под повърхността на кожата, известно увреждане на епидермалните клетки става неизбежно. Следователно, истинският клиничен проблем се свежда до компромисно търсене на режими на лазерно облъчване, при които би било възможно да се постигне максимално целево увреждане с минимално увреждане на епидермиса (с очакване на последващата му регенерация, главно поради съседни необлъчени области на кожата).

Спазването на всички тези условия по отношение на конкретна цел ще доведе до нейното максимално увреждане (нагряване или разпадане) с минимално прегряване или механично нараняване на съседни структури.

По този начин, за облъчване на патологични съдове на петна от портвайн (PWS), най-рационално е да се използва лазер с най-дългата дължина на вълната, съответстваща на пиковете на светлинна абсорбция на хемоглобина (l = 540, 577, 585 и 595 nm) , с продължителност на импулса от порядъка на милисекунди, тъй като в този случай абсорбцията на радиационния меланин ще бъде незначителна (предложение 1 от теорията на селективната фототермолиза). Относително дълга дължина на вълната ефективно ще осигури дълбоко нагряване на тъканта (позиция 2), а относително дълъг импулс ще съответства на много големи целеви размери (съдове с червени кръвни клетки; позиция 3).

Ако целта на процедурата е да се премахнат частиците от татуировката, тогава освен избора на дължина на вълната на излъчване, съответстваща на цвета на тези частици, ще е необходимо да се зададе продължителност на импулса, която е значително по-кратка, отколкото в случая на портвайн петна, за да се постигне механично разрушаване на частиците с минимално термично увреждане на останалите структури (позиция 4 ).

Разбира се, спазването на всички тези условия не осигурява абсолютна защита на епидермиса, но предотвратява прекалено тежкото му увреждане, което впоследствие би довело до траен козметичен дефект поради прекомерно образуване на белези.

Тъканни реакции към лазерно облъчване

Когато лазерната светлина взаимодейства с тъканта, възникват следните реакции.

Фотостимулация.За фотостимулация се използват нискоинтензивни терапевтични лазери. По отношение на енергийните параметри терапевтичният лазер има ефект, който не уврежда биосистемата, но в същото време тази енергия е достатъчна за активиране на жизнените процеси на тялото, например ускоряване на заздравяването на рани.

Фотодинамичен отговор.Принципът се основава на въздействието на светлина с определена дължина на вълната върху фотосенсибилизатор (естествен или изкуствено въведен), осигуряващ цитотоксичен ефект върху патологичната тъкан. В дерматологията фотодинамичното облъчване се използва за лечение на акне вулгарис, псориазис, лихен планус, витилиго, пигментна уртикария и др.

Фототермолиза и фотомеханични реакции -Когато радиацията се абсорбира, енергията на лазерния лъч се преобразува в топлина в областта на кожата, която съдържа хромофора. При достатъчна мощност на лазерния лъч това води до термично разрушаване на целта . Селективната фототермолиза може да се използва за отстраняване на малформации на повърхностни съдове, някои пигментни образувания на кожата, косата и татуировки.

Литература

1. Лазерна и светлинна терапия. Dover J.S.Moscow. Рийд Елсивър 2010.P.5-7
2. Неворотин А.И. Въведение в лазерната хирургия. Урок. - Санкт Петербург: Спецлит, 2000.
3. Неворотин A.I. Лазерна рана в теоретични и приложни аспекти. // Лазерна биология и лазерна медицина: практика. Мат. отчет представител семинарно училище. Част 2. - Tartu-Pyhäjärve: Издателство на Tartu University of the ESSR, 1991, p. 3-12.
4. Anderson R. R., Parish J. A. Оптиката на човешката кожа. J Invest Dermatol 1981; 77:13-19.
5. Anderson R. R., Parrish J. A. Селективна фототермолиза: прецизна микрохирургия чрез селективна абсорбция на импулсна радиация. Наука 1983; 220:524-527.
6. Goldman L., Blaney D.J., Kindel D.J. et al. Ефект на лазерния лъч върху кожата: предварителен доклад. J Invest Dermatol 1963; 40:121-122.
7. Kaminer M.S., Arndt K.A., Dover J.S. et al. Атлас по естетична хирургия. 2-ро изд. - Saunders-Elsevier 2009.
8. Margolis R.J., Dover J.S., Polla L.L. et al. Видим спектър на действие за меланин-специфична селективна фототермолиза. Lasers Surg Med 1989; 9:389-397.

Оптичните квантови генератори (ОКГ, лазери) са устройства, които представляват източник на светлинно лъчение от съвсем нов тип. За разлика от лъча на всеки известен светлинен източник, който носи електромагнитни вълни с различна дължина, лазерният лъч е монохроматичен (електромагнитни вълни с абсолютно еднаква дължина), отличава се с висока времева и пространствена кохерентност (всички вълни се генерират едновременно в една и съща фаза ), тясна насоченост, която определя прецизно фокусиране в малък обем. Следователно, плътността на мощността на лазерното лъчение на импулс може да бъде огромна.

Има различни видове лазери: твърдотелни, където излъчвателят е твърдо тяло - рубин, неодимов и др., газови лазери (хелий-неонови, аргонови и др.), течни и полупроводникови. Лазерите могат да работят в непрекъснат и импулсен режим.

Лазерното лъчение се характеризира със следните основни параметри: дължина на вълната (μm), мощност (W), плътност на потока на мощността (W/cm2), енергия на излъчване (J) и ъглова дивергенция на лъча (arcmin).

Обхватът на приложение на лазерите е много широк: в различни области на националната икономика, в комуникационните технологии (позволява пренос на голямо количество информация), в микроелектрониката, часовникарската индустрия, в заваряването, спояването и др. научни изследвания, в изследването на космоса.

Уникалността на лазерния лъч - получаване на висока мощност на излъчване в много малка област, пълна стерилност - позволява да се използва в хирургията за тъканна коагулация по време на операции на ретината, като нов изследователски инструмент в експерименталната биология, в цитологията (лъчът може да достигне отделни органели, без да се уврежда цялата клетка) и др.

Все по-голям брой хора се включват в областта на лазерите; Така този вид облъчване придобива значението на много сериозен професионален хигиенен фактор.

В производствените условия най-голямата опасност не е директният светлинен лъч, чийто ефект е възможен само в случай на грубо нарушаване на правилата за безопасност, а дифузното отражение и разсейване на лъча (по време на визуално наблюдение на лъча, който удря целта, при наблюдение на инструменти в близост до пътя на лъча, при отражение от стени и други повърхности). Огледално отразяващите повърхности са особено опасни. Въпреки че интензитетът на отразения лъч е нисък, е възможно да се надвишат безопасните за очите нива на енергия. В лабораториите, където работят с импулсни лазери, има допълнителни неблагоприятни фактори: постоянен (80-00 dB) и импулсен (до 120 dB или повече) шум, ослепителна светлина от помпени лампи, умора на зрителния анализатор, нервно-емоционален стрес , газови примеси във въздушната среда - озон, азотни оксиди; ултравиолетова радиация и др.

Биологичен ефект на лазерите

Биологичният ефект на лазерите се определя от два основни критерия: 1) физичните характеристики на лазера (дължина на вълната на лазерното лъчение, непрекъснат или импулсен режим на облъчване, продължителност на импулса, честота на повторение на импулса, специфична мощност), 2) абсорбционни характеристики на тъканите. Свойствата на самата биологична структура (абсорбираща, отразяваща способност) влияят върху ефектите от биологичното действие на лазера.

Действието на лазера е многостранно - електрическо, фотохимично; основният ефект е топлинен. Най-опасни са лазерите с висока импулсна енергия.

Директен монохроматичен светлинен импулс причинява локално изгаряне в здрава тъкан - коагулация на протеини, локална некроза, рязко ограничена от съседната област, асептично възпаление с последващо развитие на белег на съединителната тъкан. При интензивно облъчване - нарушения на васкуларизацията, кръвоизливи в паренхимните органи. При повторно облъчване патологичният ефект се увеличава. Най-чувствителни са очите (роговицата и лещата фокусират радиацията върху ретината) и кожата, особено пигментираната кожа.

Клиника

Когато лазерен лъч попадне директно в окото, ретината изгаря и се разкъсва. Могат да бъдат засегнати роговицата, ирисът, лещата и кожата на клепачите. Увреждането обикновено е необратимо.

Не само пряката, но и разсеяната отразена радиация от всякаква повърхност е опасна за очите. При продължителна експозиция на последното най-често се установяват игловидни, стреловидни и по-рядко точковидни помътнявания на лещата. На ретината има светли, жълтеникаво-бели, депигментирани лезии. При изследване на функционалното състояние на зрителния анализатор се определя намаляване на чувствителността към светлина и контраст, увеличаване на времето за възстановяване на адаптацията и промени в чувствителността към светлина. Характерни оплаквания са болка и натиск в очните ябълки, болки в очите, уморени очи в края на работния ден, главоболие.

В допълнение към увреждането на органа на зрението, при работа с OCG се развива комплекс от неспецифични реакции от различни органи и системи.

Клиничната картина на общите нарушения се състои от автономна дисфункция с добавяне на невротични реакции на астеничен фон. С увеличаването на професионалния опит честотата на невроциркулаторната дистония в хипотоничен или хипертоничен вариант се увеличава в зависимост от естеството на лазерното лъчение (непрекъснато, импулсно), както и от степента на невротизация.

Наблюдават се и дисфункции на вестибуларния апарат, както в посока на повишаване, така и на намаляване на неговата възбудимост. Честотата на тези нарушения също нараства с увеличаване на професионалния опит.

Биохимичните показатели се характеризират с: повишаване на нивото на амоняк в кръвта, повишаване на активността на алкалната фосфатаза и трансферазите, промяна в екскрецията на катехоламини.

При експерименти с животни под въздействието на ниска енергийна интензивност се наблюдават промени в мозъчния кръвоток, свързани с промени в системната хемодинамика. Установено е влиянието на лазерната енергия върху хипоталамо-хипофизната система.

Проверка на работоспособността

Ако се развият функционални нарушения на централната нервна система или сърдечно-съдовата система, се препоръчва лечение и временно преместване на друга работа; връщане на работа при подобряване на състоянието (под лекарско наблюдение) и при подобряване на условията на труд. Увреждането на очите е противопоказание за по-нататъшна работа с лазера.

Предотвратяване

Рационална организация на условията на работа в лабораторията. Поставяне на лазера в изолирано помещение. Алармена система за осигуряване на безопасност по време на работа на лазера. Избягвайте използването на отразяващи повърхности. Лазерният лъч трябва да бъде насочен към неотразяващ и незапалим фон. Стените са боядисани матово - в светли цветове. Екраниране на лъча (особено мощен лазер) от излъчвателя към лещата. Строго е забранено престоят на хора в опасната зона на лазерно лъчение, докато лазерът работи. На лица, които не са ангажирани с обслужването на лазера, е забранено да бъдат в лабораторията. Ефективна вентилация. Общо и локално осветление. Стриктно спазване на изискванията за електрическа безопасност и мерките за лична защита. Използване на специално проектирани защитни очила (всяка дължина на вълната има собствен филтър). Работа при общи условия на ярко осветление за стесняване на зеницата. Когато работите с високи енергии, избягвайте контакт на която и да е част от тялото с директния лъч; препоръчва се носенето на черни филцови или кожени ръкавици. Стриктен офталмологичен контрол. Предварителни и периодични медицински прегледи.

Лекция 8

„Лазер“ е съкращение, образувано от началните букви на английската фраза Light amplification by stimulated emission of radiation - усилване на светлината чрез създаване на стимулирано лъчение.

Лазерът (оптичен квантов генератор) е генератор на електромагнитно лъчение в оптичния диапазон, базиран на използването на стимулирано лъчение.

Лазерно лъчениее електромагнитно излъчване, което се образува в ( лазери ) с дължина на вълната 0,2-1000 µm: 0,2...0,4 µm - ултравиолетова, 0,4...0,75 µm - видима светлина, близка инфрачервена 0,75...1,4 µm, инфрачервена 1,4...10 2 микрона.

Отличителен особеностлазерното лъчение е: монохромно излъчване (строго една дължина на вълната); радиационна кохерентност (всички източници на радиация излъчват електромагнитни вълни в една и съща фаза); остър фокус на лъча (малко несъответствие).

Лазерното лъчение се отличава с тип радиация На

- директен(оградено в ограничен плътен ъгъл)

- разпръснати(разпръснати от вещество, което е част от средата, през която преминава лазерният лъч)

- огледално отразен (отразена от повърхността под ъгъл, равен на ъгъла на падане на радиацията)

- дифузно-отразен(отразени от повърхността във всички възможни посоки)

Като техническо устройство лазерът се състои от три основни елемента:

- активна среда

- резонатор

- помпени системи.

В зависимост от характера активна среда лазерите се разделят на следните видове: твърдотелни (върху кристали или стъкло); газ (He-Ne, Ar, Kr, Xe, Ne, He-Cd, CO 2 и др.); течност; полупроводник и др.

Като резонатор Обикновено се използват паралелни огледала с висока отражателна способност, между които се поставя активната среда.

Изпомпване, т.е. прехвърлянето на атоми на активната среда към горното ниво се осигурява или от мощен източник на светлина, или от електрически разряд.

Има непрекъснати и импулсни лазери.

Класификацията на лазерите може да бъде представена по следния начин (фиг.):

Според степента на опасност от генерираното лъчение лазерите се класифицират съгласно GOST 12.1.041-83 (1996):

клас 1 ( безопасно)- изходното лъчение не представлява опасност за очите и кожата;

клас II ( ниско опасни) - изходното лъчение е опасно при облъчване на очите с директно или огледално отразено лъчение;

клас III ( умерено опасен) – прякото, огледалното и дифузно отразеното лъчение е опасно за очите;

клас IV ( силно опасен) – дифузно отразената радиация на разстояние 10 см от отразената повърхност е опасна за кожата.

Лазерите се класифицират според степента на опасност въз основа на времевите, енергийните и геометричните (точков или разширен източник) характеристики на източника на лъчение и максимално допустимите нива на лазерно лъчение.

Лазерни спецификации : дължина на вълната, µm; ширина на емисионната линия; интензитет на излъчване (определен от енергията или мощността на изходния лъч и изразен в J или W); продължителност на импулса, s; честота на повторение на импулса, Hz.

Лазерите се използват широко за научни цели, в практическата медицина, както и в различни области на техниката. Областите на приложение на лазера се определят от енергията на използваното лазерно лъчение:

Биологичен ефект на лазера радиацията зависи от енергията на радиацията д, импулсна енергия ди плътност на мощността (енергия). У p( Уд), време на облъчване T, дължина на вълната l, продължителност на импулса t, честота на повторение на импулса f, радиационен поток Е, повърхностна радиационна плътност д e, интензитет на радиация аз.

Под въздействието на лазерното лъчение се нарушават жизнените функции както на отделните органи, така и на организма като цяло. Понастоящем е установен специфичният ефект на лазерното лъчение върху биологични обекти, който се различава от ефекта на други опасни промишлени физични и химични фактори. При излагане на лазерно лъчение върху непрекъсната биологична структура (например човешкото тяло) се разграничават три етапа: физичен, физикохимичен и химичен.

На първия етап ( физически) възникват взаимодействия на лъчението с материята, чийто характер зависи от анатомичните, оптико-физичните и функционалните характеристики на тъканите, както и от енергийните и пространствени характеристики на лъчението и преди всичко от дължината на вълната и интензитета на лъчението. радиация. На този етап веществото се нагрява, енергията на електромагнитното излъчване се прехвърля в механични вибрации, йонизация на атоми и молекули, възбуждане и преход на електрони от валентни нива към зона на проводимост, рекомбинация на възбудени атоми и др. Когато подложени на непрекъснато лазерно лъчение, преобладава главно термичният механизъм на действие, в резултат на което се получава коагулация на протеини, а при високи мощности - изпаряване на биологична тъкан. В импулсен режим (с продължителност на импулса<10 -2 с) механизм взаимодействия становится более сплошным и приводит к переходу энергии излучения в энергию механических колебаний среды, в частности ударной волны. При мощности излучения свыше 10 7 Вт и высокой степени фокусировки лазерного луча возможно возникновение ионизирующих излучений.

На втория етап ( физико-хим ) свободните радикали се образуват от йони и възбудени молекули, които имат висока способност за химични реакции.

На третия етап ( химически ) свободните радикали реагират с молекулите на веществата, изграждащи живата тъкан, и в този случай настъпват молекулярни увреждания, които допълнително определят цялостната картина на ефекта на лазерното лъчение върху облъчената тъкан и организма като цяло. Схематично основните фактори, определящи биологичния ефект на лазерното лъчение, могат да бъдат представени по следния начин:

Лазерното лъчение представлява опасност главно за тъканите, които директно абсорбират лъчението, следователно, от гледна точка на потенциалната опасност от облъчване и възможността за защита от лазерно лъчение, ние разглеждаме главно очите и кожата.

Роговицата и лещата на окото са силно чувствителни към електромагнитно излъчване и оптичната система на окото е в състояние да увеличи енергийната плътност на видимия и близкия инфрачервен диапазон в очното дъно спрямо роговицата с няколко порядъка.

Дългосрочното излагане на лазерно лъчение във видимия диапазон (не много по-малко от прага на изгаряне) върху ретината на окото може да причини необратими промени в него, а в близкия инфрачервен диапазон може да доведе до помътняване на лещата. Клетките на ретината не се възстановяват след увреждане.

Въздействието на лазерното лъчение върху кожата, в зависимост от първоначалната погълната енергия, води до различни лезии: от лек еритем (зачервяване) до повърхностно овъгляване и в крайна сметка до образуване на дълбоки кожни дефекти.

Разграничете 6 вида излагане на радиация на жив организъм :

1) термичен (топлинен) ефект. При фокусиране на лазерното лъчение се отделя значително количество топлина в малък обем за кратък период от време;

2) енергиен ефект. Определя се от голям градиент на електрическото поле поради високата плътност на мощността. Това действие може да причини поляризация на молекули, резонанс и други ефекти.;

3) фотохимично действие. Проявява се в избледняване на редица багрила;

4) механично действие. Проявява се във възникването на вибрации от ултразвуков тип в облъчваното тяло.

5) електрострикция – деформация на молекулите в електрическото поле на лазерното лъчение;

6) образуване на микровълново електромагнитно поле в клетката.

Енергийните експозиции се приемат като максимално допустими нива (MAL) на радиационна експозиция. За дистанционно управление на непрекъснато лазерно лъчение се избира енергийно излагане на най-малката стойност, която не предизвиква първични и вторични биологични ефекти (като се вземат предвид дължината на вълната и продължителността на излагане). За импулсно-периодично излъчване степента на експозиция се изчислява, като се вземат предвид честотата на повторение и експозицията на поредица от импулси.

При работа с лазери има и други видове опасности в допълнение към лазерното лъчение. Това са отделянето на вредни химикали, шум, вибрации, електромагнитни полета, йонизиращи лъчения и др.