Характеристики лазерного излучения, применяемого в медицине

1. Длина волны излучения. Длины волн излучения (А) медицинских лазеров лежат в диапазоне 0,2-10 мкм, то есть от ультрафиолетовой до дальней инфракрасной области. Интенсивно ведутся исследования по разработке лазеров, работающих в рентгеновском диапазоне длин волн.

2. Мощность излучения. Мощность излучения (Р) медицинских лазеров варьируется в широких пределах, определяемых целями применения. Для непрерывных медицинских лазеров Р = 0,01-100 Вт. Импульсные лазеры характеризуются мощностью в импульсе Р _и и длительностью импульса t _и. Для хирургических лазеров Р _и = 10³-10⁸ Вт, а длительность импульса t _и = 10^–9-10^–3 с.

3. Энергия в импульсе излучения. Энергия одного импульса лазерного излучения (Е _И ) определяется соотношением Е _И = Р _и· t _и, где t _и – длительность импульса излучения (обычно t _и = 10^–9-10^–3 с). Для хирургических лазеров Е _И = 0,1-10 Дж.

4. Частота следования импульсов. Эта характеристика (f) импульсных лазеров показывает количество импульсов излучения, генерируемых лазером за 1 с. Для терапевтических лазеров f = 10-3000 Гц, для хирургических f = 1-100 Гц.

5. Средняя мощность излучения. Эта характеристика (Р _ср) импульсно-периодических лазеров показывает, какую энергию лазер излучает за 1 с, и определяется следующим соотношением:

Р _СР = E _и f = Р _И t _И f.

Для терапевтических лазеров Р _ср = 10^–3-10^–1 Вт, для хирургических 1-100 Вт.

6. Интенсивность (плотность мощности). Эта характеристика (I) определяется как отношение мощности лазерного излучения к площади поперечного сечения пучка. Для непрерывных лазеров I = P/S. Для импульсных лазеров различают интенсивность в импульсе I _и = Р _и / S и среднюю интенсивность I _ср = Р _ср / S.

Интенсивность хирургических лазеров и давление, создаваемое их излучением, имеют следующие значения:

для непрерывных лазеров I ~ 10³ Вт/см², р = 0,033 Па, для импульсных лазеров I _и ~ 10⁵-10¹¹ Вт/см², р = 3,3·10⁶ Па.

7. Доза облучения. Обычно с помощью этой величины (D, Дж/см²) характеризуют энергию, которая приходится на единицу площади облучаемой поверхности за весь сеанс. Для непрерывных лазеров D = It, где t – время облучения в секундах. Для импульсно-периодических лазеров D = I _cp t.

8. Плотность энергии в импульсе. Эта величина (W) характеризует энергию, которая приходится на единицу площади облучаемой поверхности за один импульс, и определяется соотношением W = Е _И /S, где S (см²) – площадь светового пятна (то есть поперечного сечения лазерного луча) на поверхности биоткани. У лазеров, используемых в хирургии, W» 100 Дж/см².

Параметр W можно рассматривать как дозу облучения D за 1 импульс.

9. Угол расходимости (расходимость лазерного пучка).

Минимальный возможный угол расходимости ip (рад) определяется дифракцией на зеркальной поверхности резонатора и может быть вычислен по формуле: j» 1,2l /d, где d – диаметр активного элемента. Минимальный угол расходимости составляет 10^–4-10^–5 рад.

10. Фокусное расстояние фокусирующего элемента. При использовании лазера в качестве скальпеля необходимо его луч сфокусировать на биоткани в виде малого светового пятна (иначе вместо тонкого разреза получится широкий ожог). Для этого обычно используются линзы. Характеристикой фокусирующего элемента является его фокусное расстояние F.

11. Диаметр фокального пятна. Если лазерный пучок с однородным распределением интенсивности и фазы по сечению фокусируется линзой с фокусным расстоянием F, то минимальный достижимый диаметр пучка (d)в фокусе линзы определяется явлением дифракции и задается формулой: d = 1,22 l F/ D, где D – диаметр лазерного пучка на входе в линзу.

В реальных линзах аберрации не сказываются вплоть до D» F, то есть практически достижимый минимальный диаметр фокального пятна соизмерим с длиной волны лазерного излучения: d_min» l. При D > F аберрации линз препятствуют дальнейшему уменьшению d.

Для приблизительных оценок диаметра фокального пятна можно пользоваться формулой: d = Fj. На практике d»10-100 d_min.

В медицине лазерные установки нашли свое применение в виде лазерного скальпеля. Его использование для проведения хирургических операций определяют следующие свойства:

Он производит относительно бескровный разрез, так как одновременно с рассечением тканей он коагулирует края раны “заваривая” не слишком крупные кровеносные сосуды;

Лазерный скальпель отличается постоянством режущих свойств. Попадание на твердый предмет (например, кость) не выводит скальпель из строя. Для механического скальпеля такая ситуация стала бы фатальной;

Лазерный луч в силу своей прозрачности позволяет хирургу видеть оперируемый участок. Лезвие же обычного скальпеля, равно как и лезвие электроножа, всегда в какой-то степени загораживает от хирурга рабочее поле;

Лазерный луч рассекает ткань на расстоянии, не оказывая никакого механического воздействия на ткань;

Лазерный скальпель обеспечивает абсолютную стерильность, ведь с тканью взаимодействует только излучение;

Луч лазера действует строго локально, испарение ткани происходит только в точке фокуса. Прилегающие участки ткани повреждаются значительно меньше, чем при использовании механического скальпеля;

Как показала клиническая практика, рана от лазерного скальпеля почти не болит и быстрее заживляется.

Практическое применение лазеров в хирургии началось в СССР в 1966 году в институте имени А. В. Вишневского. Лазерный скальпель был применен в операциях на внутренних органах грудной и брюшной полостей. В настоящее время лазерным лучом делают кожно-пластические операции, операции пищевода, желудка, кишечника, почек, печени, селезенки и других органов. Очень заманчиво проведение операций с использованием лазера на органах, содержащих большое количество кровеносных сосудов, например, на сердце, печени.