Лазеры и лампы-вспышки - краткий обзор:

- Лазеры — самые точные и наиболее избирательные хирургические инструменты из всех существующих.

- Не оставляющая рубцов терапия сосудистых и пигментных очагов, татуировок и волосяных фолликулов основана на процессе так называемого селективного фототермолиза. В пределах каждого из вышеупомянутых показаний существуют варианты очагов, хорошо реагирующих на лазерную терапию, очагов, иногда отвечающих на эту терапию, и очагов, для которых лазерная терапия противопоказана.

- Длительность импульса существенно влияет на безопасность и эффективность терапии и должна быть примерно равна времени термической релаксации (охлаждения) специфической мишени у данного пациента.

- Винные пятна представляют собой врожденные нейрососудистые очаги, которые лучше всего поддаются лечению в детстве и хорошо, но редко полностью, реагируют на лазерную терапию.

- Лазерная терапия помогает при лечении изъязвленных младенческих гемангиом.

- Методика фракционной лазерной шлифовки предполагает использование тысяч лазерных микролучей на 1 см² поверхности кожи для стимуляции процессов коррекции эпидермиса и дермы. Этот вид терапии менее инвазивный способ лечения фотостарения кожи, чем аблативная лазерная шлифовка.

- Применение любого лазера или лампы вспышки (интенсивного импульсного света) для удаления волос вблизи глаз чревато значительным риском повреждения органа зрения. К другим рискам относятся возгорания, вдыхание дымка от испарившейся ткани, удар электротоком и ряд побочных эффектов, таких как стимуляция роста волос на лице, изменения пигментации и рубцевание.

Лазер генерирует излучение, свойства которого фундаментально отличаются от излучения других источников. Монохроматическое лазерное излучение в диапазоне от 100 нм до 3 мм в виде строго параллельного луча может быть либо непрерывным, либо пульсирующим с периодом от секунд до фемтосекунд (10^-15 сек) и интенсивностью более 10¹⁰ Вт/см².

Через несколько лет после создания лазеров в 1960 году, врачи, такие как Леон Голдман, начали применять это новое впечатляющее излучение в дерматологи. Начиная с 1963 года, многие врачи исследуют применение разных типов лазеров для терапии различных кожных болезней. Когда лазерное излучение поглощается тканью, энергия излучения преобразуется преимущественно в тепло. Благодаря уникальной природе этого явления, лазерное излучение может применяться для разрезов, вапоризации, коагуляции или абляции кожи. Оно способно осуществлять селективную деструкцию мишеней в коже.

Лазерные импульсы прицельно разрушают даже очень маленькие кожные мишени, такие как мелкие сосуды или меланосомы. Манипулируя соответствующими параметрами лазера, такими как длина волны, длительность импульса и энергетическая экспозиция, можно добиться разрушения мишени без повреждения соседней ткани, что значительно снижает риск побочных эффектов, таких как рубцевание. Выбор соответствующих параметров лазера для эффективной и точной деструкции мишеней в коже обобщен в форме правил селективного фототермолиза.

Несколько лет тому назад в дерматологической практике появился новый источник света: источник интенсивного пульсирующего (импульсного) света (ИПС). Он состоит в основном из лампы-вспышки, которая генерирует свет в диапазоне примерно 250-1400 нм. Этот спектр сужается (500-1000 нм) посредством оптических щелевых фильтров (отсекающих фильтров) и водяной пленки перед лампой-вспышкой. В отличие от лазеров, у ИПС широкий спектральный диапазон эмиссии до 500 нм, а длительность импульсов ограничена миллисекундами. Облучение посредством ИПС может успешно применяться для некоторых дерматологических показаний благодаря достижению частично селективного фототермолиза.

а) Принципы работы лазера. Электромагнитное излучение можно описать как плоскую волну, которая перемещается в пространстве с постоянной скоростью 299,790 км/сек. Основными характеристиками излучения являются длина волны λ и частота ν, которые коррелируют следующим образом:

с =λ * ν

Излучение можно также рассматривать как поток частиц, называемых фотонами, со специфической энергией

E = h *ν = h*c/ λ

где h — постоянная Планка (6,6*10^-34 Js). Энергия излучения возрастает с уменьшением длины волны. Спектр электромагнитного излучения имеет широкий диапазон с длиной волны от нескольких нанометров до тысяч метров. Лишь небольшая часть спектрального диапазона является видимой для глаза человека (400-700 нм); эта и только эта часть является светом.

Генерирование лазерного излучения—сложный процесс. Слово лазер представляет собой акроним наименования этого явления на английском языке «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», m. e. «усиление света посредством вынужденного излучения».

Процесс спонтанной эмиссии фотонов представляет собой эмиссию излучения от обычного источника света, такого как лампа. После возбуждения атомы или молекулы могут испускать фотоны в различное время, в любом направлении и обычно с разной длиной волны. Поэтому такое излучения является некогерентным, дивергентным и спектрально широким.

В отличие от этого, рабочая среда лазера состоит из идентичных атомов или молекул (эмиттер фотонов), которые возбуждаются различными способами, такими как электрический разряд (газовые лазеры) или оптическое излучение (лазеры с накачкой лампой-вспышкой). Эти эмиттеры фотонов помещаются в субстрат, которым могут быть газ, жидкость или твердое тело. Эмиттеры фотонов при некоторой концентрации совместно с субстратом составляют рабочую среду лазера.

После возбуждения, которое называется «накачкой», атомы или молекулы возвращаются из возбужденного состояния в основное и при этом испускают фотоны со специфической длиной волны λ_L, которая определяется разностью энергий возбужденного и основного состояния по формуле: ΔE = h*c/λ_L.

Если этот переход во всех атомах и молекулах в специфической среде лазера одинаковый, испускаемые фотоны будут иметь одинаковую длину волны lambda;_L, чем и определяется монохроматическая природа лазерного излучения. Если основное состояние и возбужденное состояние спектрально расширяются, становится возможным рабочий переход лазера в определенном волновом диапазоне, и лазер можно настраивать на различную длину волны lambda;_L в пределах этого спектрального диапазона.

Сочетание таких идентичных переходов и фотонов с одинаковой длиной волны lambda;_L в ограниченном объеме (рабочей среде лазера) позволяет осуществиться еще одному процессу: вынужденной эмиссии фотонов, описанной Альбертом Эйнштейном в его публикации 1917 года.

На рисунке ниже показан основной процесс вынужденной эмиссии излучения. Один фотон стимулирует следующий атом или молекулу к испусканию еще одного фотона. Два этих фотона стимулируют два следующих атома или молекулы, что приводит к эмиссии четырех фотонов, и так далее. Рабочая среда лазера содержит до 10²⁰ испускающих фотоны атомов, что создает огромное количество возбужденных фотонов. Например, лазерный импульс с энергией 1 джоуль и длиной волны видимого спектра содержит около 10¹⁹ фотонов.

Следовательно, усиление света осуществляется путем вынужденного излучения, что и отражено в акрониме «ЛАЗЕР». Процесс усиления света не изменяет энергию фотонов, но экспонентно увеличивает их количество.

Чтобы способствовать вынужденной эмиссии излучения, и, следовательно, оптимизировать процесс усиления света, рабочую среду лазера помещают в оптический резонатор, который состоит из двух и более зеркал. В результате отражения лазерных фотонов внутри резонатора лазер начинает осциллировать, и количество фотонов продолжает экспонентно возрастать. Лазер действует, когда количество фотонов в рабочей среде лазера выше, чем их утрата, вызванная спонтанной эмиссией или поглощением фотонов. Временное поведение эмиссии лазера зависит от временного поведения возбужденных атомов или молекул.

Это означает, что если энергия поступает в лазерную среду непрерывно, эмиссией лазера является непрерывная волна (нв). Если поступление энергии ограничено определенным временным интервалом, обусловленным газовым разрядом или лампой вспышкой, имеет место импульсное возбуждение, и лазер, соответственно, излучает импульсы. Продолжительность лазерного импульса может варьировать от микро- до миллисекунд.

Чтобы получить импульсы очень короткой длительности, в диапазоне наносекунд, резонатор дополнительно оборудуется оптическим поляризатором и нелинейным кристаллом. Поляризатор задает линейную поляризацию лазерному лучу, проходящему через кристалл. Однако если на кристалл подается соответствующее напряжение, поляризация фотонов внутри кристалла изменяется и затем блокируется оптическим поляризатором. Это препятствует перемещению фотонов внутри резонатора туда и обратно (осцилляции), что мешает усилению света и эквивалентно низкому качеству цепи резонатора. В этом случае вынужденная эмиссия минимизируется, и накачкой рабочей среды лазера в ней генерируется максимальное количество возбужденных атомов или молекул.

При достижении этого максимума электрическое напряжение кристалла отключается в пределах наносекунд, и фотоны могут легко проходить через кристалл, что эквивалентно высокому качеству цепи резонатора. Теперь незамедлительно начинается осцилляция лазера, и в процессе усиления света генерируется очень большое количество фотонов в единицу времени, благодаря большому числу возбужденных атомов или молекул в рабочей среде лазера. Результатом этого «улучшения» качества резонатора (модуляции добротности) является очень интенсивный лазерный импульс длительностью в диапазоне наносекунд.

б) Принципы работы ИПС. Основным компонентом ИПС является лампа-вспышка, которая испускает излучение в диапазоне от ультрафиолетового до дальнего инфракрасного спектра электромагнитных волн. Широкий спектр эмиссии сужается в целях подстройки к спектрам поглощения различных хромофоров в коже. Инфракрасная часть спектра обычно блокируется для волн длиной более 950 нм посредством применения водной пленки перед стеклянным аппликатором. Волны короткой длины блокируются оптическим щелевым фильтром (отсекающим фильтром), который прозрачен только для излучения с длиной волны больше той, которая ограничена фильтром (напр., 500 нм, 650 нм).

Выбор щелевого фильтра зависит от хромофора и мишени в коже. Длина волны отсечки 500 нм обычно применяется для сосудистых очагов, а длина волны 650 нм предпочтительна для меланиновых хромофоров при удалении волос.

Такая отсечка уменьшает также нежелательное взаимодействие с оксигемоглобином в сосудах.

в) Базовые параметры оптического излучения. Основными параметрами оптического излучения являются длина волны, интенсивность, время экспозиции и энергетическая экспозиция. В медицинской литературе вместо термина энергетическая экспозиция часто используется выражение энергетический поток. Корреляция этих параметров показана в таблице ниже, где приняты следующие единицы измерения: энергии — джоуль (Дж); оптической мощности — ватт (вт.); интенсивности — вт/см²; энергетической экспозиции — дж/см²; времени экспозиции — секунда (с) и площади облучения кожной поверхности — см². После транспортировки по световоду или шарнирному манипулятору лазерное излучение попадает на кожу в форме округлого пятна, сфокусированного линзой, расположенной в держателе.

Размером пятна и энергией лазерного излучения определяется величина энергетической экспозиции (Дж/см²). Для интерстициального применения лазера дистальный открытый конец световода можно направить в ткань через полую иглу. Аппликатор ИПС непосредственно контактирует с кожей через гель для УЗИ. Следовательно, энергетическая экспозиция эмиссии ИПС определяется размером аппликатора и энергией облучения (Дж/см²).

1. Энергия и интенсивность. Фотон является наименьшей единицей излучения. Энергия одного фотона при длине волны 532 нм (лазер типа Nd: YAG с удвоенной частотой, КТР) составляет около 4х10^-19 Дж, что требует большого количества таких фотонов, порядка 10¹⁹, чтобы генерировать один импульс лазера или ИПС. В таблице ниже приведены примеры типичной интенсивности излучения для ИПС или лазеров медицинского назначения. Эти параметры интенсивности существенно выше, чем у любых источников излучения в нашей повседневной жизни, таких как лампочки или солнечный свет.

2. Время экспозиции. Для достижения различных терапевтических целей врачи используют различное время экспозиции излучения в диапазоне от нескольких наносекунд до секунд. Для лазеров непрерывного излучения время экспозиции находится в диапазоне секунд, что фактически коррелирует с промежутком времени для нажатия ножного включателя лазера. В большинстве случаев медицинского применения время экспозиции предварительно задается длительностью одного импульса лазера или ИПС. В случае импульсного излучения время экспозиции равно либо одному импульсу, либо серии одиночных импульсов. Широкий диапазон длительности импульсов предполагает широкий диапазон параметров интенсивности, что важно с точки зрения вопросов безопасности.

Поэтому в положении о правилах безопасности лазеры классифицируются на аппараты непрерывного излучения (>0,2 сек), импульсные (0,2 сек => 1 мкс) или с гигантскими импульсами (лазеры с модуляцией добротности) (1 мкс-1 нс).

3. Энергетическая экспозиция. Энергетическая экспозиция или энергетический поток — наиболее часто модифицируемый параметр при лазерной терапии. Этот параметр является произведением параметров интенсивности света и времени экспозиции. С учетом всего спектра медицинских показаний величина энергетической экспозиции при импульсном излучении варьирует в диапазоне 1-400 Дж/см². В случае показаний для непрерывного излучения этот диапазон может превышаться.

В таблице ниже представлено несколько примеров разных параметров интенсивности и времени экспозиции, которые применяются в терапии различных кожных заболеваний. Интересно отметить, что величины энергетической экспозиции находятся в пределах довольно узкого диапазона, в то время как соответствующие им параметры интенсивности и длительности импульса варьируют в обратной пропорции в пределах нескольких порядков величин.

- Рекомендуем далее ознакомиться со статьей "Механизмы воздействия лазера на кожу"

Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 26.9.2019