Открытие лазерных систем моментально привлекло внимание всех сфер человеческой деятельности. Во многих отраслях науки и техники они нашли своё применение. В медицине первопроходцем стало лечение глаз.

Именно в офтальмологии впервые стали использовать лазеры для диагностики и коррекции. С течением времени и развитием обеих направлений (физики лазеров и медицины) удалось достигнуть высоких результатов и в наши дни это – ключевой инструмент врачей. Но что лазер в медицине представляет из себя?

Обобщённо, лазер – это специфический источник света. Он имеет ряд отличий от прочих источников, в том числе концентрированность и направленность. Пользователь имеет возможность направлять пучок света в необходимую точку и при этом избегать рассеивания и утраты ценных свойств.

Внутри луча происходит индуцирование в атомах и молекулах, которое можно точно регулировать в соответствии с потребностями. Технология устройства и работы лазерной системы проста и включает в себя 4 основных элемента:

1. Источник напряжения (накачки). Иными словами, энергия для работы.
2. Непрозрачное зеркало, которое выполняет роль задней стенки ёмкости, где находится активная среда.
3. Полупрозрачное зеркало, через которое генерируемый луч выходит в свет.
4. Непосредственно активная среда. Её также называют генерирующим материалом. Это вещество, молекулы которого формируют лазерный луч с заданными характеристиками.

Разделение офтальмологических лазеров на виды происходит именно по последнему критерию.

Сейчас на практике выделяют следующие виды лазеров, применяемых для лечения глаз:

• Эксимерные. Этот вид системы создаёт рабочее излучение в ультрафиолетовом диапазоне спектра (от 193 до 351 нанометра). Он используется для работы с локальными участками повреждённой ткани. Отличается высокой точностью. Обязателен при лечении глаукомы и негативных изменений роговицы глазного яблока. После его работы значительно сокращается восстановительный период.
• Аргоновый тип. В качестве активной среды используется газ аргон. Луч формируется в промежутке длин волн между 488 и 514 нанометров, что соответствует синему и зелёному участку спектра. Главное направление применения – устранение патологий в сосудах.
• Криптоновый вид. Работает в жёлтом и красном диапазоне спектра (568 – 647 нм). Особенно полезен при работе по коагуляции центральных долей сетчатки глаза.
• Диодный. Инфракрасный участок спектра волн (810 нм). Отличается глубоким проникновением в оболочку сосудов и полезен при лечении макулярных участков сетчатки глаза.
• Фемтосекундные. Лазеры, работающие в инфракрасном диапазоне. Часто объединяются с эксимерным в единую систему. Отличаются сверхвысокой скоростью, что позволяет применять их для пациентов с тонкой роговицей. Высокая точность работы позволяет создавать лоскут роговицы на заданном месте с установленными параметрами.
• Гелий-неоновый. Рабочая длина волны 630 нм. Важный инструмент в руках офтальмолога. Потому что оказывает мощное стимулирующее воздействие на ткани, снимает воспаление и способствует регенерации тканей.
• Десятиуглекислотные. Инфракрасный диапазон (10,6 мкм). Используются для испарения ткани и удаления злокачественных наростов.

Кроме этой градации, выделяют:

• Мощные, которые оказывают значительное воздействие на поверхность.
• Слабые, воздействие которых практически незаметно.

Мощность также определяется используемым веществом в системе.

Кто изобрел лазер и когда впервые он был применен в хирургии глаза?

Технологию вынужденного усиления света предсказал Эйнштейн в годы Первой мировой войны. В своих работах он описал физические основы работы лазера. После этого на протяжении почти 50 лет множество учёных прорабатывали составные элементы теории лазеров, чем заложили мощный фундамент развития отрасли знания.

В 1960 году Томас Мейман продемонстрировал первый работающий прототип лазера. 16 мая того года считается днём рождения лазерных систем – новой эры в развитии человечества.

Появление прибора стимулировало изучение его практического применения, в частности в медицине. Уже в 1963 году появились первые опубликованные результаты исследований по лазерной коагуляции, проведённые Кэмбеллом и Цвенгом. Вскоре Краснов обосновал возможность применения эффекта фоторазрыва для лечения катаракты. В американских клиниках в конце 70-х их активно применяли в качестве альтернативы скальпелю, что снижало кровопотери и обеспечивала высокую точность разрезов.

Сейчас лазер стал основой современной офтальмологии.

Принцип работы и характеристики луча

В зависимости от устройства, активной генерирующей среды и настроек системы эти приборы могут выполнять различную работу. Принцип действия луча позволяет доктору составлять программу оптимального лечения. В современной офтальмологии выделяют следующие принципы воздействия лазера на ткани:

Лазерная коагуляция. Под термическим воздействием происходит приваривание отслоившихся частей ткани и восстановление структуры тканей.

Фотодеструкция. Лазер прогревается до максимальной мощности и производит разрезание тканей для последующего восстановления.

Фотоиспарение. При длительной обработке участка с помощью специально настроенного лазера происходит выпаривание ткани.

Фотоабляция. Распространённая операция, которая позволяет удалить повреждённые ткани предельно бережно.

Лазерстимуляция. Принцип действия, лежащий в основе этого метода, обеспечивает протекание фотохимических процессов, оказывающих стимулирующее и восстанавливающее воздействие на ткани глаза.

Устройство офтальмологического лазера

Определяющим элементом в работе лазера является активная среда. Вещество, применяемое в работе, обуславливает применение источника энергии. Каждый газ требует особенного энергоносителя и способа доставки энергии.

Составные элементы конструкции описаны выше. В офтальмологическом лазерном оборудовании особое внимание уделено управлению работой системы. Врач получает возможность настраивать лазер с высокой точностью. Система датчиков и рычагов управления позволяет проводить широкий спектр операций.

Техника безопасности при работе с лазером: что следует знать окулисту

Каждый прибор имеет технический паспорт, где подробно изложены параметры оборудования. Эти характеристики определяют вредность прибора и меры необходимой безопасности. Окулист, при длительной работе с лазерами, должен строго соблюдать предписанные нормы поведения для предотвращения травмирования:

• При работе с оборудованием необходимо использовать защитные очки с установленными характеристиками, которые рассчитаны на защиту от конкретного типа излучения.
• Строго соблюдать график работы – обязательно делать перерывы в работе!
• При наличии противопоказаний (злокачественные опухоли, индивидуальные показания, беременность) работать с лазерами запрещено!

Применения лазерных технологий в офтальмологии обеспечивает высококачественную диагностику, оперативное принятие верного решения и достижение отличного результата в ходе операций любой сложности.

Офтальмологические лазеры, применяемые при коррекции зрения, стали в свое время настоящим прорывом в сфере лечения патологий глаз. Этот способ коррекции остается флагманским направлением современной офтальмологии. С помощью все новых и новых достижений в этой сфере, врачи легко и просто решают проблему, возвращая зрение миллионам людей, имеющих разные формы его нарушения.

Каковы преимущества, есть ли минусы у этих систем?

Читаем!

Эксимерные офтальмологические лазеры для коррекции зрения

Прежде чем мы начнем рассматривать эту тему, надо определиться с некоторыми моментами.

Показаниями для лазерной микрохирургии считают:

1. Глаукому катаракту
2. Атрофические процессы в сетчатке, вызванные возрастом пациента
3. Близорукость дальнозоркость и астигматизм
4. Риск отслоения или разрыва сетчатки
5. Вторичные изменения в сетчатке при сахарном диабете и др.

В офтальмологии, в первой из медицинских областей, начали использовать лазерное излучение для лечения заболеваний, т.е. — хирургическое лечение патологии оптического аппарата глаза.

Видео: Лазерная коррекция зрения

В настоящее время офтальмологи практикуют целый ряд лазеров, в том числе — эксимерных (читайте — двойных), от разных производителей, включая:

• Отечественных.
• Американских.
• Немецких.
• Японских.

Рассмотрим их некоторые виды, особенности и другие моменты.

Операции

Благодаря технологиям, с помощью которых делают операции с участием эксимерных лазеров, от очков и контактных линз избавляются люди, которым их ношение противопоказано (пожарные, военные и пр.).

Показания к лазерной коррекции:

1. Близорукость.
2. Дальнозоркость.
3. и другие патологии.

Итак, детали.

Этот вид лазера относя к газовым лазерным устройствам.

Что такое эксимер? Аббревиатура, дословно переводимая, как возбужденный димер.

Как правило, на практике применяются эксимерные лазеры, излучающие фотоны в области ультрафиолетового спектра.

• Высокая эффективность и надежность.
• Высокая скорость – на операцию уходит не более 20-15 минут.
• Минимум боли и риска появления осложнений.
• Сокращение времени – коррекция проходит без госпитализации в режиме «одного дня».
• Эффект в любом возрасте.
• Безопасность использования.
• Минимум времени на восстановление после коррекции.

КСТАТИ : В ряде случаев, импульсный световой поток высокой мощности заменяет скальпель, не повышая температуру и теплового разрушения клеток, которое могло бы разрушить ткани, расположенные глубже.

Работа всех, используемых в современной клинической практике, эксимерных лазеров осуществляется в импульсном режиме с одинаковым диапазоном длин волн. Различие устройств состоит в форме лазерного пучка (летающее пятно, сканирующая щель) и в составе инертного газа.

Каждый импульс обеспечивает испарение слоя роговицы, чья толщина — 0,25 мкм.

За счет такой точности офтальмологи получают лучшие результаты при использовании эксимерного лазера.

Модели эксимерных лазеров:

1. VISX STAR S4IR – продукция мирового лидера по изготовлению медоборудования Abbott расширяет возможности офтальмохирургам.
2. ZEISS MEL-80 – один из представителей последнего поколения, которые используют для рефракционных операций.
   
3. Technolas 217z100 – немецкий продукт помогает докторам бороться с миопией, дальнозоркостью и астигматизмом разной степени.
   
4. FS200 WaveLight – устройство из лазеров последнего поколения с очень высокой скоростью, позволяющей за шесть секунд сформировать лоскут из роговицы.
   
5. – широко используется в рефрактивной офтальмологической хирургии.
   
6. IntraLase FS60 — высокая частота и малая длительность импульсов позволяет делать разделение слоев роговицы без выделения тепла и механических воздействий на окружающие ткани глаза.
   В комплексе с VISX Star S4 IR и аберрометром WaveScan, лазерная коррекция зрения проходит с учетом малейших нюансов и особенностей зрительной системы больного.

Фемтосекундные лазеры в офтальмологии – преимущества и недостатки, показания к применению

Фемтосекундный лазер – это суперкороткие импульсы с 1 импульсом в фемтосекунду. Это дает возможность офтальмологам осуществлять проникновение в ткани глаз без крови, без серьезных травм.

Операции, выполняемые с такой техникой, самые безопасные. Правда — несколько устаревшие.

Фемтосекундный лазер применяется для удаления патологических участков роговой оболочки и формирования новой ее формы при:

• Миопическом астигматизме.
• Гиперметропическом астигматизме.
• Имплантации интрастромальных колец при кератоконусе.
• Астигматизме с нарушениями рефракции средней и легкой тяжести.
• Близорукости, дальнозоркости.
• Частичной кератопластике (например, при ).
• Послойной или сквозной «пересадке» роговицы и пр.

Проверенный, высокоточный и максимально безопасный способ коррекции зрения, практически не имеющий противопоказаний:

1. Обеспечивает скорость (пациент через 1 час после операции уходит домой) и отсутствие офтальмологических инструментов непосредственного контакта.
2. Позволяет избегать дискомофрта для пациента, травматичности, побочных осложнений и неудачных операций.
3. Гарантирует проникновение в ткани роговой оболочки точно на заданную специалистом глубину.
4. С возможностью формирования из отделенных тканей роговичные лоскуты разной конфигурации и устранения дефектов рефракции.
5. Со скорейшим заживлением и сокращением до минимума реабилитации и пр.

Минусов метода не так уж и много, но главные недостатки заключаются в высокой стоимости лечения и возможном развитии временного астигматизма после операции.

ПОМНИТЕ : Так называемый эффект «куполообразного реза», который случается при таком методе лечения, ухудшает зрение больных ночью и вечером при управлении автомобилем.

Микрокератомы в офтальмологии для лазерных операций на глазах

Каким окажется результат лазерной коррекции зрения?

Здесь свою роль играют многие факторы, в том числе — в виде:

• Опытности специалиста, который проводит эти манипуляции.
• Используемой методики лечения.
• Лазера, который будет применен во время данной процедуры, и так далее.

Однако микрокератом, прибор для лазерных операций на глазах, занимает тоже значимое место.

Этот прибор, функционирующий в автономном режиме — т.е., без участия электричества — используется при проведении (без участия микроножа).

Задача специалиста – отделить с помощью прибора верхние слои роговицы. В итоге, можно одновременно делать операции на обоих глазах.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

"Гомельский государственный университет

имени Франциска Скорины"

Физический факультет

Кафедра радиофизики и электроники

Курсовая работа

Применение лазеров в офтальмологии

Исполнитель:

студентка группы Ф-41

Третьяков Ю.В.

Ключевые слова: лазеры, лазерное излучение, лазеры в медицине, коррекция зрения.

Объект исследования: применение лазеров в офтальмологии.

Введение

1. Принцип действия лазеров

2. Основные свойства лазерного луча

3. Характеристики некоторых типов лазеров

4.

5. Лазер в офтальмологии

Заключение

Список литературы

Введение

Изобретение лазеров стоит в одном ряду с наиболее выдающимися достижениями науки и техники XX века. Первый лазер появился в 1960 году, и с тех пор происходит бурное развитие лазерной техники.

В короткое время были созданы разнообразные типы лазеров и лазерных устройств, предназначенных для решения конкретных научных и технических задач.

Лазерной технике всего 30 с небольшим лет, однако лазеры уже успели завоевать прочные позиции во многих отраслях народного хозяйства, непрерывно расширяется область использования лазеров в научных исследованиях - физических, химических, биологических. Лазерный луч становится надежным помощником строителей, картографов, археологов, криминалистов.

1. Принцип действия лазеров

Лазерное излучение - есть свечение объектов при нормальных температурах. Но обычных условиях большинство атомов находятся в низшем энергетическом состоянии. Поэтому при низких температурах вещества не светятся.

При прохождении электромагнитной волны сквозь вещество её энергия поглощается. За счёт поглощенной энергии волны часть атомов возбуждается, то есть переходит в высшее энергетическое состояние. При этом от светового пучка отнимается некоторая энергия:

где hv - величина, соответствующая количеству потраченной энергии,

E2 - энергия высшего энергетического уровня,

E1 - энергия низшего энергетического уровня.

На рисунке 1(а) представлены невозбужденный атом и электромагнитная волна в виде красной стрелки. Атом находится в нижнем энергетическом состоянии. На рисунке 1(б) изображён возбужденный атом, поглотивший энергию. Возбужденный атом может отдать свою энергию.

Рис. 1. Принцип действия лазеров

а - поглощение энергии и возбуждение атома; б - атом поглотивший энергию; в - испускание атомом фотона

Теперь представим, что каким-либо способом мы возбудили большую часть атомов среды. Тогда при прохождении через вещество электромагнитной волны с частотой

где v - частота волны,

Е2 - Е1 - разница энергий высшего и низшего уровней,

h - длина волны.

эта волна будет не ослабляться, а напротив, усиливаться за счёт индуцированного излучения. Под её воздействием атомы согласованно переходят в низшие энергетические состояния, излучая волны, совпадающие по частоте и фазе с падающей волной. Это показано на рисунке 2(в).

2 . Основные свойства лазерного луча

Лазеры являются уникальными источниками света. Их уникальность определяют свойства, которыми не обладают обычные источники света. В противоположность, например, обычной электрической лампочке, электромагнитные волны, зарождающиеся в различных частях оптического квантового генератора, удаленных друг от друга на макроскопические расстояния, оказываются когерентны между собой. Это значит, что все колебания в различных частях лазера происходят согласованно.

Чтобы разобрать понятие когерентности в деталях, нужно вспомнить понятие интерференции. Интерференция - это взаимодействие волн, при котором происходит сложение амплитуд этих волн. Если удается запечатлеть процесс этого взаимодействия, то можно увидеть так называемую интерференционную картину (она выглядит как чередование темных и светлых участков).

Интерференционную картину осуществить довольно трудно, так как обычно источники исследуемых волн порождают волны несогласованно, и сами волны при этом будут гасить друг друга. В этом случае интерференционная картина будет чрезвычайно размыта или же не будет видна вовсе. Процесс взаимного гашения схематично представлен на рис. 2(а) Следовательно, решение проблемы получения интерференционной картины лежит в использовании двух зависимых и согласованных источников волн. Волны от согласованных источников излучают таким образом, что разность хода волн будет равна целому числу длин волн. Если это условие выполняется, то амплитуды волн накладываются друг на друга и происходит интерференция волн (рис. 2(б)). Тогда источники волн можно назвать когерентными.

Рис. 2. Взаимодействие волн

а - некогерентные волны (взаимное гашение); б - когерентные волны (сложение амплитуд волн).

Когерентность волн, и источников этих волн можно определить математически. Пусть Е1 - напряженность электрического поля, создаваемая первым пучком света, Е2 - вторым. Допустим, что пучки пересекаются в некоторой точке пространства А. Тогда согласно принципу суперпозиции напряженность поля в точке А равна

Е = Е1 + Е2

Так как в явлениях интерференции и дифракции оперируют относительными значениям величин, то дальнейшие операции будем производить с величиной - интенсивность света, которая обозначена за I и равна

I = E2.

Меняя величину I на определенную ранее величину Е, получаем

I = I1 + I2 + I12,

где I1 - интенсивность света первого пучка,

I2 - интенсивность света второго пучка.

Последнее слагаемое I12 учитывает взаимодействие пучков света и называется интерференционным членом.

Это слагаемое равно

I12 = 2 (E1 * E2).

Если взять независимые источники света, например, две электрические лампочки, то повседневный опыт показывает, что I = I1 + I2, то есть результирующая интенсивность равна сумме интенсивностей налагающихся пучков, а потому интерференционный член обращается в ноль. Тогда говорят, что пучки некогерентны между собой, следовательно некогерентны и источники света. Однако, если накладывающиеся пучки зависимы, то интерференционный член не обращается в ноль, а потому I I1 + I2. В этом случае в одних точках пространства результирующая интенсивность I больше, в других - меньше интенсивностей I1 и I2. Тогда и происходит интерференция волн, а значит, источники света оказываются когерентными между собой.

С понятием когерентности также связано понятие пространственной когерентности. Два источника электромагнитных волн, размеры и взаимное расположение которых позволяет получить интерференционную картину, называются пространственно когерентным

Другой замечательной чертой лазеров, тесно связанной с когерентностью их излучения, является способность к концентрации энергии - концентрации во времени, в спектре, в пространстве, по направлению распространения. Первое означает то, что излучение оптического генератора может длиться всего около сотни микросекунд. Концентрация в спектре предполагает, что ширина спектральной линии лазера очень узка. Это монохроматичность.

Лазеры также способны создавать пучки света с очень малым углом расхождения. Как правило, это значение достигает 10-5 рад. Это значит, что на Луне такой пучок, посланный с Земли, даст пятно диаметром около 3 км. Это является проявлением концентрации энергии лазерного луча в пространстве и по направлению распространения.

Мощность лазера. Лазеры являются самыми мощными источниками светового излучения. В узком интервале спектра кратковременно (в течение промежутка времени, продолжительностью порядка 10-13 с.) у некоторых типов лазеров достигается мощность излучения порядка 1017 Вт/см 2 , в то время как мощность излучения Солнца равна только 7*103 Вт/см 2 , причём суммарно по всему спектру. На узкий же интервал =10-6 см (это ширина спектральной линии лазера) приходится у Солнца всего лишь 0,2 Вт/см 2 . Если задача заключается в преодолении порога в 1017 Вт/см 2 , то прибегают к различным методам повышения мощности.

Повышение мощности излучения. Для повышения мощности излучения необходимо увеличить число атомов, участвующих в усилении светового потока за счет индуцированного излучения, и уменьшить длительность импульса.

Метод модулированной добротности. Чтобы увеличить число атомов, участвующих почти одновременно в усилении светового потока, необходимо задержать начало генерации (собственно излучения), чтобы накопить как можно больше возбужденных атомов, создающих инверсную заселенность, для чего надо поднять порог генерации лазера и уменьшить добротность. Порогом генерации называют предельное число атомов, способных находиться в возбужденном состоянии. Это можно сделать посредством увеличения потерь светового потока. Например, можно нарушить параллельность зеркал, что резко уменьшит добротность системы. Если при такой ситуации начать накачку, то даже при значительной инверсии заселенности уровней генерация не начинается, поскольку порог генерации высок. Поворот зеркала до параллельного другому зеркалу положения повышает добротность системы и тем самым понижает порог генерации. Когда добротность системы обеспечит начало генерации, инверсная заселенность уровней будет весьма значительной. Поэтому мощность излучения лазера сильно увеличивается. Такой способ управления генерацией лазера называется методом модулированной добротности.

Продолжительность импульса излучения зависит от того, в течение какого времени вследствие излучения инверсная заселенность изменится настолько, что система выйдет из условия генерации. Продолжительность зависит от многих факторов, но обычно составляет 10-7-10-8 с. Очень распространено модулирование добротности с помощью вращающейся призмы. При определенном положении она обеспечивает полное отражение падающего вдоль оси резонатора луча в обратном направлении. Частота вращения призмы составляет десятки или сотни герц. Импульсы лазерного излучения имеют такую же частоту.

Более частое повторение импульсов может быть достигнуто модуляцией добротности с помощью ячейки Керра (быстродействующий модулятор света). Ячейку Керра и поляризатор помещают в резонатор. Поляризатор обеспечивает генерацию лишь излучения определенной поляризации, а ячейка Керра ориентирована так, чтобы при наложении на нее напряжения не проходил свет с этой поляризацией. При накачке лазера напряжение с ячейки Керра снимается в такой момент времени, чтобы начавшаяся при этом генерация была наиболее сильной. Для лучшего понимания этого метода можно провести аналогию с известным из школьного курса физики опытом с турмалином.

Имеются также и другие способы введения потерь, приводящие к соответствующим методам модуляции добротности.

3. Характеристики некоторых типов лазеров

Разнообразие лазеров. В настоящее время имеется громадное разнообразие лазеров, отличающихся между собой активными средами, мощностями, режимами работы и другими характеристиками. Нет необходимости все их описывать. Поэтому здесь даётся краткое описание лазеров, которые достаточно полно представляют характеристики основных типов лазеров (режим работы, способы накачки и т.д.)

Рубиновый лазер. Первым квантовым генератором света был рубиновый лазер, созданный в 1960 году.

Рабочим веществом является рубин, представляющий собой кристалл оксида алюминия Аl2O3 (корунд), в который при выращивании введен в виде примеси оксид хрома Сr2Оз. Красный цвет рубина обусловлен положительным ионом Сr+3. В решетке кристалла А2О3 ион Сг+3 замещает ион Аl+3. Вследствие этого в кристалле возникают две полосы поглощения: одна - в зеленой, другая - в голубой части спектра. Густота красного цвета рубина зависит от концентрации ионов Сг+3: чем больше концентрация, тем гуще красный цвет. В темно-красном рубине концентрация ионов Сг+3 достигает 1%.

Наряду с голубой и зеленой полосами поглощения имеется два узких энергетических уровня Е1 и Е1", при переходе с которых на основной уровень излучается свет с длинами волн 694,3 и 692,8 нм. Ширина линий составляет при комнатных температурах примерно 0,4 нм. Вероятность вынужденных переходов для линии 694,3 нм больше, чем для 692,8 нм. Поэтому проще работать с линией 694,3 нм. Однако можно осуществить генерацию и линии 692,8 нм, если использовать специальные зеркала, имеющие большой коэффициент отражения для излучения l = 692,8 нм и малый - для l?= 694,3 нм.

При облучении рубина белым светом голубая и зеленая части спектра поглощаются, а красная отражается. В рубиновом лазере используется оптическая накачка ксеноновой лампой, которая дает вспышки света большой интенсивности при прохождении через нее импульса тока, нагревающего газ до нескольких тысяч кельвин. Непрерывная накачка невозможна, потому что лампа при столь высокой температуре не выдерживает непрерывного режима работы. Возникающее излучение близко по своим характеристикам к излучению абсолютно черного тела. Излучение поглощается ионами Cr+, переходящими в результате этого на энергетические уровни в области полос поглощения. Однако с этих уровней ионы Сr+3 очень быстро в результате безызлучательного перехода переходят на уровни Е1, Е1". При этом излишек энергии передается решетке, т.е. превращается в энергию колебаний решетки или, другими словами, в энергию фотонов. Уровни Е1, Е1" метастабильны. Время жизни на уровне Е1 равно 4,3 мс. В процессе импульса накачки на уровнях Е1, Е1" накапливаются возбужденные атомы, создающие значительную инверсную заселенность относительно уровня Е0 (это уровень невозбужденных атомов).

Кристалл рубина выращивается в виде круглого цилиндра. Для лазера обычно используют кристаллы размером: длина L = 5 см, диаметр d = 1 см. Ксеноновая лампа и кристалл рубина помещаются в эллиптическую полость с хорошо отражающей внутренней поверхностью (рис. 4). Чтобы обеспечить попадание на рубин всего излучения ксеноновой лампы, кристалл рубина и лампа, имеющая также форму круглого цилиндра, помещаются в фокусы эллиптического сечения полости параллельно ее образующим. Благодаря этому на рубин направляется излучение с плотностью, практически равной плотности излучения на источнике накачки.

Один из концов рубинового кристалла срезан так, что от граней среза обеспечивается полное отражение и возвращение луча обратно. Такой срез заменяет одно из зеркал лазера. Второй конец рубинового кристалла срезан под углом Брюстера. Он обеспечивает выход из кристалла рубина без отражения луча с соответствующей линейной поляризацией. Второе зеркало резонатора ставится на пути этого луча. Таким образом, излучение рубинового лазера линейно поляризовано.

Рис 3. Рубиновый лазер (в плоскости сечения)

Ксеноновая лампа (белый круг) и кристалл рубина (красный круг) находятся внутри зеркала-отражателя

Гелий-неоновый лазер. Активной средой является газообразная смесь гелия и неона. Генерация осуществляется за счет переходов между энергетическими уровнями неона, а гелий играет роль посредника, через который энергия передается атомам неона для создания инверсной заселенности.

Неон, в принципе, может генерировать лазерное изучение в результате более 130 различных переходов. Однако наиболее интенсивными являются линии с длиной волны 632,8 нм, 1,15 и 3,39 мкм. Волна 632,8 нм находится в видимой части спектра, а волны 1,15 и 3,39 мкм - в инфракрасной.

При пропускании тока через гелий-неоновую смесь газов электронным ударом атомы гелия возбуждаются до состояний 23S и 22S, которые являются метастабильными, поскольку переход в основное состояние из них запрещен квантово-механическими правилами отбора. При прохождении тока атомы накапливаются на этих уровнях. Когда возбужденный атом гелия сталкивается с невозбужденным атомом неона, энергия возбуждения переходит к последнему. Этот переход осуществляется очень эффективно вследствие хорошего совпадения энергии соответствующих уровней. Вследствие этого на уровнях 3S и 2S неона образуется инверсная заселенность относительно уровней 2P и 3P, приводящая к возможности генерации лазерного излучения. Лазер может оперировать в непрерывном режиме. Излучение гелий-неонового лазера линейно поляризовано. Обычно давление гелия в камере составляет 332 Па, а неона - 66 Па. Постоянное напряжение на трубке около 4 кВ. Одно из зеркал имеет коэффициент отражения порядка 0,999, а второе, через которое выходит лазерное излучение, - около 0,990. В качестве зеркал используют многослойные диэлектрики, поскольку более низкие коэффициенты отражения не обеспечивают достижения порога генерации.

С02-лазер с замкнутым объемом. Молекулы углекислого газа, как и другие молекулы, имеют полосатый спектр, обусловленный наличием колебательных и вращательных уровней энергии. Используемый в CO2 - лазере переход дает излучение с длиной волны 10,6 мкм, т.е. лежит в инфракрасной области спектра. Пользуясь колебательными уровнями, можно несколько варьировать частоту излучения в пределах примерно от 9,2 до 10,8 мкм. Энергия молекулам CO2 передается от молекул азота N2, которые сами возбуждаются электронным ударом при прохождении тока через смесь.

Возбужденное состояние молекулы азота N2 является метастабильным и отстоит от основного уровня на расстоянии 2318 см -1, что весьма близко к энергетическому уровню (001) молекулы CO2 (рис. 4). Ввиду метастабильности возбужденного состояния N2 при прохождении тока число возбужденных атомов накапливается. При столкновении N2 с CO2 происходит резонансная передача энергии возбуждения от N2 к CO2. Вследствие этого возникает инверсия заселенностей между уровнями (001), (100), (020) молекул CO2. Обычно для уменьшения заселенности уровня (100), который имеет большое время жизни, что ухудшает генерацию при переходе на этот уровень, добавляют гелий. В типичных условиях смесь газов в лазере состоит из гелия (1330 Па), азота (133 Па) и углекислого газа (133 Па).

Рис. 4. Схема энергетических уровней в CO2-лазере

При работе CO2 - лазера происходит распад молекул CO2 на СО и О, благодаря чему активная среда ослабляется. Далее СО распадается на С и О, а углерод осаждается на электродах и стенках трубки. Всё это ухудшает работу СO2-лазера. Чтобы преодолеть вредное действие этих факторов в закрытую систему добавляют пары воды, которые стимулируют реакцию

СО + О--® CO2.

Используются платиновые электроды, материал которых является катализатором для этой реакции. Для увеличения запаса активной среды резонатор соединяется с дополнительными емкостями, содержащими CO2, N2, Не, которые в необходимом количестве добавляются в объём резонатора для поддержания оптимальных условий работы лазера. Такой закрытый CO2-лазер, в состоянии работать в течение многих тысяч часов.

Проточный СО2-лазер. Важной модификацией является проточный СО2-лазер, в котором смесь газов CO2, N2, Не непрерывно прокачивается через резонатор. Такой лазер может генерировать непрерывное когерентное излучение мощностью свыше 50 Вт на метр длины своей активной среды.

Неодимовый лазер. На рис. 5 показана схема так называемого неодимового лазера. Название может ввести в заблуждение. Телом лазера является не металл неодим, а обычное стекло с примесью неодима. Ионы атомов неодима беспорядочно распределены среди атомов кремния и кислорода. Накачка производятся лампами-молниями. Лампы дают излучение в пределах длин волн от 0,5 до 0,9 мкм. Возникает широкая полоса возбужденных состояний. Совершенно условно она изображена пятью черточками. Атомы совершают безызлучательные переходы на верхний лазерный уровень. Каждый переход дает разную энергию, которая превращается в колебательную энергию всей "решетки" атомов.

Рис. 5. Неодимовый лазер

Лазерное излучение, т.е. переход на пустой нижний уровень, помеченный цифрой 1, имеет длину волны 1,06 мкм.

Показанный пунктиром переход с уровня 1 на основной уровень "не работает". Энергия выделяется в виде некогерентного излучения.

Т-лазер. Во многих практических приложениях важную роль играет СO2-лазер, в котором рабочая смесь находится под атмосферным давлением и возбуждается поперечным электрическим полем (Т-лазер). Поскольку электроды расположены параллельно оси резонатора, для получения больших значений напряженности электрического поля в резонаторе требуются сравнительно небольшие разности потенциалов между электродами, что дает возможность работать в импульсном режиме при атмосферном давлении, когда концентрация CO2 в резонаторе велика. Следовательно, удается получить большую мощность, достигающую обычно 10 МВт и больше в одном импульсе излучения продолжительностью менее 1 мкс. Частота повторения импульсов в таких лазерах составляет обычно несколько импульсов в минуту.

Газодинамические лазеры. Нагретая до высокой температуры (1000-2000 К) смесь CO2 и N2 при истечении с большой скоростью через расширяющееся сопло сильно охлаждается. Верхний и нижний энергетический уровни при этом термоизолируются с различной скоростью, в результате чего образуется инверсная заселенность. Следовательно, образовав на выходе из сопла оптический резонатор, можно за счет этой инверсной заселенности генерировать лазерное излучение. Действующие на этом принципе лазеры называются газодинамическими. Они позволяют получать очень большие мощности излучения в непрерывном режиме.

Лазеры на красителях. Красители являются очень сложными молекулами, у которых сильно выражены колебательные уровни энергии. Энергетические уровни в полосе спектра располагаются почти непрерывно. Вследствие внутримолекулярного взаимодействия молекула очень быстро (за времена порядка 10-11-10-12 с) переходит безызлучательно на нижний энергетический уровень каждой полосы. Поэтому после возбуждения молекул через очень короткий промежуток времени на нижнем уровне полосы Е1 сосредоточатся все возбужденные молекулы. Они далее имеют возможность совершить излучательный переход на любой из энергетических уровней нижней полосы. Таким образом, возможно излучение практически любой частоты в интервале, соответствующем ширине нулевой полосы. А это означает, что если молекулы красителя взять в качестве активного вещества для генерации лазерного излучения, то в зависимости от настройки резонатора можно получить практически непрерывную перестройку частоты генерируемого лазерного излучения. Поэтому на красителях создаются лазеры с перестраиваемой частотой генерации. Накачка лазеров на красителях производится газоразрядными лампами или излучением других лазеров,

Выделение частот генерации достигается тем, что порог генерации создается только для узкой области частот. Например, положения призмы и зеркала подбираются так, что в среду после отражения от зеркала благодаря дисперсии и разным углам преломления возвращаются лишь лучи с определенной длиной волны.

Только для таких длин волн обеспечивается лазерная генерация. Вращая призму, можно обеспечить непрерывную перестройку частоты излучения лазера на красителях.

Генерация осуществлена со многими красителями, что позволило получить лазерное излучение не только во всем оптическом диапазоне, но и на значительной части инфракрасной и ультрафиолетовой областей спектра.

4. Применение лазеров в медицине

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.

5. Лазер в офтальмологии

лазер луч офтальмология зрение

Лазер используется для сохранения, улучшения и коррекции зрения. Производимый лазером луч поглощается сетчатки. Несмотря на то что остается шрам, а в местах образования шрамов глаз ничего не видит, шрамы настолько пигментными тканями глаза и преобразуется в тепло, это тепло выжигает, или каутеризует, ткань, что часто используется для присоединения отслоившейся малы, что не влияют на остроту зрения.

Лазеры также используются в случаях диабетической ретинопатии (ретинита) для выжигания кровеносных сосудов и снижения последствий дегенерации желтого пятна. Их применяют в случаях серповидно-клеточной ретинопатии, также при глаукоме, увеличивая дренаж, позволяя снять замутненность зрения, вызванную скоплением жидкости внутри глаза, для удаления опухолей на веках, при этом не повреждая само веко и почти не оставляя шрама, для рассекания спаек радужки или разрушения спаек стекловидного тела, которые могут вызвать отслоение сетчатки. Лазеры также используется после некоторых операций по поводу катаракты, когда мембрана мутнеет и снижается зрение.

С помощью лазера в помутневшей мембране делается отверстие. Все это под силу лазеру, и благодаря ему не нужны скальпель, нитки и прочие инструменты. Это означает, что исчезает проблема инфекции. Лазер также может проникать сквозь прозрачную часть глаза, не травмируя его и не причиняя никакой боли. Операцию можно проводить не в стационаре, а в амбулаторных условиях. Благодаря сложной системе наведения под микроскопом и системе подачи лазерного луча, многие из которых компьютеризированы, глазной хирург способен проводить операцию с самой высокой точностью, которая невозможна при использовании традиционного скальпеля. Хотя список применения лазера в хирургии глаза очень длинный, он продолжает увеличиваться. Разрабатывается лазерный зонд, который можно будет ввести непосредственно в глаз больного через крошечное отверстие в склере. Такой лазер позволит хирургу проводить операцию с гораздо большей точностью. Лазер стал широко применяться в лечении заболеваний сетчатки, и, несомненно, он станет еще более распространенным методом в будущем.

Точнее становится наведение лазерного луча, который удаляет аномальные кровеносные сосуды, не травмируя прилежащие здоровые ткани. Методы лечения дегенерации желтого пятна и диабетической ретинопатии также совершенствуются.

В настоящее время интенсивно развивается новое направление в медицине - лазерная микрохирургия глаза. Исследования в этой области ведутся в Одесском Институте глазных болезней имени В. П. Филатова, в Московском НИИ микрохирургии глаза и во многих других "глазных центрах" стран содружества

Первое применение лазеров в офтальмологии было связано с лечением отслоения сетчатки. Внутрь глаза через зрачок посылаются световые импульсы от рубинового лазера (энергия импульса 0,01-0,1 Дж, длительность порядка - 0,1 с.) Они свободно проникают сквозь прозрачное стекловидное тело и поглощаются сетчаткой. Фокусируя излучение на отслоившемся участке, последнюю "приваривают" к глазному дну за счет коагуляции. Операция проходит быстро и совершенно безболезненно.

Вообще, из наиболее серьезных заболеваний глаза, приводящих к слепоте, выделяют пять. Это глаукома, катаракта, отслоение сетчатки, диабетическая ретинопатия и злокачественная опухоль.

Сегодня все эти заболевания успешно лечатся при помощи лазеров, причем только для лечения опухолей разработано и используется три метода:

- Лазерное облучение - облучение опухоли расфокусированным лазерным лучом, приводящее к гибели раковых клеток, потери ими способности к размножению

- Лазерная коагуляция - разрушение опухоли умеренно сфокусированным излучением.

Лазерная хирургия - наиболее радикальный метод. Заключается в иссечении опухоли вместе с прилегающими тканями сфокусированным излучением. Для большинства заболеваний постоянно требуются все новые методы лечения. Но лазерное лечение является таким методом, который сам ищет болезни, чтобы их вылечить.

Впервые для хирургического лечения глаз лазер был применен в 60-х годах XX века и с тех пор используется для сохранения, улучшения и в некоторых случаях коррекции зрения у сотен тысяч мужчин, женщин и детей во всем мире.

Слово лазер является акронимом. Оно было создано из первых букв пяти английских слов - light amplification by stimulated emission of radiation (усиление света путем стимулированной эмиссии радиации).

Для создания лазерного луча в трубку нагнетаются специальные газы, а затем через нее пропускается сильный электрический заряд. Офтальмологические лазеры обычно используют один или три различных газа: аргон, который дает зеленый или зеленовато-голубой свет; криптон, который дает красный или желтый свет; neodymium-yttrium-alluminum-garnet (Nd-YAG), который дает инфракрасный луч.

Аргоновый и криптоновый лазеры называются фотокоагуляторами. Производимый ими луч поглощается пигментными тканями глаза и преобразуется в тепло. Это тепло выжигает, или каутеризует, ткань, оставляя на ней шрам. Этот вид лазера часто используется для присоединения отслоившейся сетчатки. Несмотря на то, что в местах образования шрамов глаз ничего не видит, шрамы настолько малы, что не влияют на остроту зрения.

Эти лазеры также используются в случаях диабетической ретинопатии (ретинита) для выжигания кровеносных сосудов и снижения последствий дегенерации желтого пятна. Их также применяют в случаях серповидно-клеточной ретинопатии, заболевании, наиболее распространенном среди чернокожих пациентов.

Аргоновый и криптоновый лазеры применяются также при глаукоме, увеличивая дренаж, позволяя снять замутненность зрения, вызванную скоплением жидкости внутри глаза. Аргоновый лазер также можно применять для удаления опухолей на веках, при этом не повреждая само веко и почти не оставляя шрама.

Лазер Nd-YAG является фоторазрушителем. Вместо того чтобы выжигать ткань, он ее взрывает. Его можно использовать несколькими способами, например для рассекания спаек радужки или разрушения спаек стекловидного тела, которые могут вызвать отслоение сетчатки.

Этот вид лазера также используется после некоторых операций по поводу катаракты, когда мембрана мутнеет и снижается зрение. С помощью лазера в помутневшей мембране делается отверстие.

Все это под силу лазеру, и благодаря ему не нужны скальпель, нитки и прочие инструменты. Это означает, что исчезает проблема инфекции. Лазер также может проникать сквозь прозрачную часть глаза, не травмируя его и не причиняя никакой боли. Операцию можно проводить не в стационаре, а в амбулаторных условиях.

Благодаря сложной системе наведения под микроскопом и системе подачи лазерного луча, многие из которых компьютеризированы, глазной хирург способен проводить операцию с самой высокой точностью, которая невозможна при использовании традиционного скальпеля.

Хотя список применения лазера в хирургии глаза очень длинный, он продолжает увеличиваться. Разрабатывается лазерный зонд, который можно будет ввести непосредственно в глаз больного через крошечное отверстие в склере. Такой лазер позволит хирургу проводить операцию с гораздо большей точностью.

Лазер стал широко применяться в лечении заболеваний сетчатки, и, несомненно, он станет еще более распространенным методом в будущем. Точнее становится наведение лазерного луча, который удаляет аномальные кровеносные сосуды, не травмируя прилежащие здоровые ткани. Методы лечения дегенерации желтого пятна и диабетической ретинопатии также совершенствуются.

Заключение

Лазеры решительно и притом широким фронтом вторгаются в нашу действительность. Они необычайно расширили наши возможности в самых различных областях - обработке металлов, медицине, измерении, контроле, физических, химических и биологических исследованиях. Уже сегодня лазерный луч овладел множеством полезных и интересных профессий. Во многих случаях использование лазерного луча позволяет получить уникальные результаты. Можно не сомневаться, что в будущем луч лазера подарит нам новые возможности, представляющиеся сегодня фантастическими.

Мы уже начали привыкать, что "лазер все может". Подчас это мешает трезво оценить реальные возможности лазерной техники на современном этапе ее развития. Неудивительно, что чрезмерные восторги по поводу возможностей лазера иногда сменяются некоторым охлаждением к нему. Все это, однако, не может замаскировать основной факт - с изобретением лазера человечество получило в свое распоряжение качественно новый, в высокой степени универсальный, очень эффективный инструмент для повседневной, производственной и научной деятельности. С годами этот инструмент будет все более совершенствоваться, а вместе с этим будет непрерывно расширяться и область применения лазеров.

Список литературы

1. Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики. - М.: Наука, 1986.

2. Тарасов Л.В. Лазеры. Действительность и надежды. - М. Наука, 1995.

3. Сивухин В.А. Общий курс физики. Оптика. - М.: Наука, 1980.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Ознакомление с историей открытия и свойствами лазеров; примеры использования в медицине. Рассмотрение строения глаза и его функций. Заболевания органов зрения и методы их диагностики. Изучение современных методов коррекции зрения с помощью лазеров.

курсовая работа , добавлен 18.07.2014


Процесс лазерного излучения. Исследования в области лазеров в диапазоне рентгеновских волн. Медицинское применение CO2–лазеров и лазеров на ионах аргона и криптона. Генерация лазерного излучения. Коэффициент полезного действия лазеров различных типов.

реферат , добавлен 17.01.2009


Лазерные методы диагностики. Оптические квантовые генераторы. Основные направления и цели медико-биологического использования лазеров. Ангиография. Диагностические возможности голографии. Термография. Лазерная медицинская установка длялучевой терапии.

реферат , добавлен 12.02.2005


Основные направления и цели медико-биологического использования лазеров. Меры защиты от лазерного излучения. Проникновение лазерного излучения в биологические ткани, их патогенетические механизмы взаимодействия. Механизм лазерной биостимуляции.

реферат , добавлен 24.01.2011


Физические основы применения лазерной техники в медицине. Типы лазеров, принципы действия. Механизм взаимодействия лазерного излучения с биотканями. Перспективные лазерные методы в медицине и биологии. Серийно выпускаемая медицинская лазерная аппаратура.

реферат , добавлен 30.08.2009


Причины близорукости - дефекта зрения, при котором изображение падает перед сетчатой глаза. Способы коррекции миопии - очки, контактные линзы и лазерная коррекция. Описание технологии фоторефракционной кератоэктомии с использованием эксимерных лазеров.

презентация , добавлен 20.09.2011


Лечение продуктами пчеловодства. Противовоспалительное, антиоксидантное, регенераторное, рассасывающее действие продуктов пчеловодства. Применение мёда, прополиса, маточного молочка, пчелиного яда в офтальмологии, спектр их биологических эффектов.

презентация , добавлен 06.12.2016


Краткие сведения о заболеваниях глаз, их общая характеристика и степень распространенности на современном этапе. Факторы риска развития, этиология и патогенез глаукомы, кератита и конъюнктивита. Растения, используемые в офтальмологии, их эффективность.

контрольная работа , добавлен 02.05.2016


Целебные свойства плодов черники, их применение для улучшения зрения. Черника в истории и культуре. Научная классификация черники. Места произрастания, ботаническое описание. Внешние признаки, сбор, сушка и хранение. Препараты на основе черники.

курсовая работа , добавлен 11.10.2013


Биологическая активность, природные источники и роль витаминов в обменных процессах, функциональном состоянии органа зрения. Проведение витаминотерапии в офтальмологии. Участие комплекса Черника Форте в синтезе зрительного пигмента сетчатки, фоторецепции.

ВОЕННО-МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ

Э.В. Бойко

ЛАЗЕРЫ В ОФТАЛЬМОХИРУРГИИ:
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

Учебное пособие

Санкт-Петербург 2003

Цель пособия - помочь врачам-офтальмологам систематизировать знания в базисных аспектах лазерной биологии и медицины с целью эффективного применения лазерных технологий в клинической практике.

Предназначено для врачей-офтальмологов, клинических ординаторов, а также специалистов, связанных с лазерной медициной.

© Бойко Э.В., 2003
© ВМедА, 2003

Введение

Офтальмология - это специальность, которая наиболее успешно использует все достижения лазерных технологий со времени появления первых лазеров в 1960 году. Как результат - появление и внедрение в клиническую практику значительного количества новых методик лечения, высокоэффективных в руках специально подготовленных офтальмологов. Расширению практических возможностей лазерной офтальмохирургии способствует создание новых, портативных, удобных и доступных лазерных аппаратов, которые можно с успехом использовать во многих поликлиниках и стационарах. Однако порой недостаток информации у врачей при таком многообразии способов лазерных вмешательств и нового технического оснащения сдерживает внедрение современных методов лечения. В этих условиях глубокое изучение основ лазерных воздействий - это единственный путь для того, чтобы не растеряться в мире новых лазерных аппаратов и методик. Данное пособие призвано систематизировать основные понятия лазерной хирургии применительно к офтальмологии. Учебное пособие предназначено для врачей-офтальмологов, клинических ординаторов и будет полезно всем, интересующимся лазерной медициной.

Краткий исторический экскурс

Применение светового излучения для бесконтактной и неинвазивной доставки энергии к структурам глаза открыло новую эру в истории офтальмохирургии. Благодаря энтузиазму и пионерским работам G. Meyer-Schvickerath, а также других ученых, началось изучение возможностей применения света (сначала - солнечного, затем от электрических источников и ксеноновых ламп) в сороковых и пятидесятых годах прошлого столетия. В результате этих работ стали очевидными преимущества световой хирургии перед традиционной и в клиническую практику был внедрен и эффект фотокоагуляция тканей глаза. В разработке и создании первых оптических квантовых генераторов - лазеров - большую роль сыграли работы отечественных ученых Н.Г. Басова и A.M. Прохорова, а также американского исследователя Ч. Таунса, за что эти ученые в 1964 году были удостоены Нобелевской премии. В 1960 году был создан первый лазер, и благодаря этому произошла революция в оптике и других областях науки: появились источники управляемого интенсивного когерентного излучения, позволяющие сконцентрировать высокую энергию в очень малых спектральных, пространственных и временных диапазонах.

Неудивительно, что как только появились первые лазеры, их биологическое действие было изучено в эксперименте, а затем лечебные возможности применены в клинике. Прозрачные для видимого света среды: роговица, хрусталик, стекловидное тело давали возможность неинвазивно доставить излучение этого диапазона к тканям глазного дна и коагулировать их. Очевидно поэтому методика лазеркоагуляции глазного дна была разработана первой (Campbell C.J., Zweng H.C. и др., 1963) и поныне остается одной из самых распространенных в офтальмологии. Следующим значительным шагом вперед было клиническое использование эффекта фоторазрыва для разрушения вторичной катаракты и для базальной иридэктомии при глаукоме в семидесятых годах XX столетия (М.М. Краснов). Немало было сделано в области лазерной офтальмохирургии благодаря многолетнему сотрудничеству кафедры офтальмологии ВМедА и Государственного Оптического института им. С.И. Вавилова (В.В. Волков, В.П. Жохов, Л.И. Балашевич, Ю.Д. Березин, А.Ф. Гацу, Э.В. Бойко). Были разработаны, созданы и всесторонне изучены в эксперименте и клинике первые отечественные коагуляторы для наружных отделов глаза, внутренних его оболочек, для офтальмоонкологии, эндолазерные диссекторы для витреоретинальной хирургии.

После открытия эффекта абляционной фотодекомпозиции с помощью ультрафиолетовых лазеров (Srinivasan, 1982), началось интенсивное экспериментальное, а затем и клиническое изучение этого эффекта. В последнее время эксимерные лазеры позволили качественно изменить подход к рефракционной хирургии роговицы (С.Н. Федоров, А.Д. Семенов).

В настоящее время трудно даже сосчитать количество применяемых для лечения глазных заболеваний лазерных методов и их число постоянно возрастает. Очень краткая историческая справка свидетельствует о том, что развитие лечебных методик базируется на использовании определенных биологических эффектов «лазерное излучение-биоткань», которые необходимо всегда учитывать в практической работе. Хронология внедрения эффектов «лазерное излучение-биоткань» в клиническую практику представлена на рис. 1.

Рис. 1. Диаграмма внедрения в клиническую офтальмологию световых методов лечения и различных биоэффектов.

Физико-технические аспекты применения лазеров

Для понимания сущности лазерных методик, применяемых в офтальмологии, необходимо знать некоторые физические, химические и биологические понятия, а также представлять техническое устройство лазерных аппаратов.

Лазерное излучение - вынужденное, индуцированное излучение, генерируемое в результате перехода электронов с нестабильного верхнего энергетического уровня, на стабильный низший уровень. Аббревиатура LASER означает сокращение от «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation». Излучение лазера характеризуется:

- монохроматичностью - одной длиной волны, что дает возможность выбора и применения конкретной длины волны;

- коллимированностью - малой расходимостью пучка, почти параллельностью всех лучей в пучке, что позволяет создать в малом пятне большие плотности энергии или мощности;

- пространственной и временной когерентностью (совпадением фаз волны в пространстве и во времени), свойство используют преимущественно в диагностических методиках.

Устройство лазера. Разнообразие видов оптических квантовых генераторов или лазеров объединено их принципиально одинаковой конструкцией: установка имеет активную среду, элементы накачки, систему зеркал для усиления излучения и средства доставки излучения. Принципиальная схема устройства лазера представлена на рис. 2.

Рис. 2. Принципиальная схема устройства лазера. Объяснение в тексте.

Активная среда (1) - кристалл, раствор, газ или полупроводник обеспечивает конкретную длину волны в зависимости от своего химического состава. Строго определенная длина волны излучения связана с одинаковой разницей в энергетических уровнях электронов в молекулах вещества.

Элементы накачки (2) служат для специфического насыщения энергией активной среды (заселения верхних энергетических уровней). Накачка может быть оптической (мощные лампы, а также электрической, лазерной, химической и даже тепловой. В связи с происходящим побочным нагреванием лазерных установок от элементов накачки, приходится охлаждать аппараты водой или воздухом.

Система зеркал (3, 4) служит для усиления излучения и состоит из параллельных пластин, одна из которых является непрозрачным зеркалом и полностью отражает излучение (3), а вторая - это полупрозрачное зеркало (4), через которое лазерный луч (5) выходит из генератора. Зеркала, отражая часть излучения в активное вещество, играют роль «открытого резонатора», обеспечивая многократное усиление и направленность генерируемого излучения.

Средства доставки излучения представляют собой оптические системы, доставляющие к мишени лазерный луч. К ним относятся оптические адаптеры к щелевой лампе, операционному микроскопу, налобному бинокулярному офтальмоскопу, волоконнооптические инструменты, сканирующие и другие системы. Несмотря на многообразие их конструкций, размеров и форм, принципиально на выходе возможны лишь три варианта пространственного распределения излучения: это коллимированный, расходящийся или сходящийся пучок. (рис. 3). Очевидно, что для решения тех или иных практических задач подбирается один из трех вариантов.

Лазерная аппаратура. Названия лазерные установки получают, как правило, в соответствии с активной средой и наиболее общая классификация включает твердотельные, газовые, полупроводниковые, жидкостные лазеры. К твердотельным относятся рубиновый, неодимовый, александритовый, гольмиевый, эрбиевый; к газовым - аргоновый, эксимерный, на парах меди; к жидкостным - работающие на растворах красителей и другие лазеры, ставшие уже классическими. В последние годы, в буквальном смысле слова, революцию совершило появление полупроводниковых лазеров по причине их экономичности за счет высокого коэффициента полезного действия (до 60 - 80% в отличие от 10-30% при традиционных), малогабаритности, надежности. Однако продолжают с успехом использоваться и другие типы лазеров.

Рис. 3. Формы пучков лазерных лучей, выходящих из средств доставки излучения.

Описание технических характеристик каждой модели является прерогативой специальной литературы и выходит за рамки данного пособия. Более того, далее будут рассмотрены только те общие физические понятия и процессы, которые необходимы для понимания сущности лазерных методик и практической работы врача. К примеру, для офтальмолога термин «зеленый» лазер вполне может заменить такие технические названия, как «аргоновый» или «неодимовый с удвоенной частотой» лазеры, поскольку объединяет их длина волны, идентичная по своему биологическому эффекту. Поэтому с клинической точки зрения представляется необходимым рассмотреть те биологические эффекты взаимодействия «лазерное излучение-биоткань», которые влияют на конечный результат лечения.

Биологические эффекты взаимодействия «лазерное излучение-биоткань»

Биологические эффекты взаимодействия «лазерное излучение-биоткань» многообразны, но в целом с определенной долей условности их можно разделить на немеханические, при которых непосредственно в ходе лазерного вмешательства дефекта тканей не образуется, механические, связанные с формированием дефекта в процессе воздействия и смешанные.

Немеханические эффекты

Немеханические эффекты возможно разделить на термические и фотохимические.

Наиболее широко представлены термические эффекты.

Гипертермия - длительное, до часа и более прогревание тканей при температуре 43-45 °С, в результате чего наступает отсроченная во времени гибель клеток, наиболее чувствительных к температуре, например, опухолевых.

Термотерапия - прогревание тканей в течение минут при температуре 45 - 60 °С с последующей гибелью клеток, их лизисом и образованием участка атрофии.

Коагуляция ткани связана с денатурацией белков и наступает практически сразу при достижении температуры 60 °С. Участок некроза в последующем замещается соединительной тканью либо образуется дефект тканей.

Сокращение коллагена на 20-30% без денатурации его волокон и, соответственно без некроза, происходит при нагревании его в диапазоне температур 62-64 °С.

Фотохимические эффекты

К фотохимическим эффектам можно отнести стимулирующее, а также цитотоксическое действие лазерного излучения невысоких плотностей мощности в течение длительного времени, не приводящее к нагреву тканей.

Фотодинамическая терапия заключается в предварительном внутривенном введении фотосенсибилизаторов - гематопорфиринов, селективно накапливающихся в клетках патологических тканей (новообразованных сосудов, опухоли) и последующем облучении этих тканей низкоинтенсивным лазерным излучением, не представляющим опасности для окружающих структур, в результате чего вещество фотосенсибилизатора становится токсичным и приводит к избирательному некрозу патологического образования. Таким образом, фотодинамическая терапия реализуется за счет опосредованных фотохимических эффектов, но не за счет нагрева тканей.

Механические эффекты

Испарение свидетельствует о превышении температуры тканей свыше 100 °С, в результате чего происходит парообразование, разрыв тканей, а некротические массы могут обезвоживаться.

Карбонизация или обугливание ткани наступает при температуре 150 °С и выше, при этом непосредственно во время воздействия образуется дефект тканей за счет улетучивания органического субстрата в виде неорганических частиц - дыма. Карбонизация может служить примером механического эффекта, опосредованного повышением температуры тканей.

Фоторазрыв возникает в том случае, если энергия концентрирована в пространстве и во времени настолько, что возникает оптический пробой и ионизация среды-мишени с формированием плазменной микрополости. Во время лазерного воздействия происходит исключительно механический разрыв ткани без признаков ее термического повреждения.

Абляция в чистом виде - это процесс фотодекомпозиции (разрушения межмолекулярных связей ультрафиолетовым излучением) с формированием дефекта тканей и выбросом тканевого детрита из зоны облучения, при котором в продуктах выброса можно идентифицировать удаляемую ткань (в отличие от карбонизации). Иногда термин «абляция» применяют более широко, характеризуя любой процесс лазерного удаления тканей.

Необычайно важным для диагностики и правильного определения показаний к профилактической ЛК является тщательная офтальмоскопия глазного дна с помощью бинокулярного офтальмоскопа или трехзеркальной линзы типа Гольдмана, использование которой мы считаем оптимальной, так как она обеспечивает увеличение, позволяющее дифференцировать тончайшие изменения в сетчатке .

Большой вклад в разработку и внедрение этого метода в клиническую практику принадлежит отечественным и зарубежным ученым .

Для коагуляции сетчатки применимы все виды лазеров с непрерывным типом излучения (аргоновый, криптоновый, диодный и проч.), критерием точной фокусировки является получение четкого светло-серого коагулята на сетчатке. Подбор дозы облучения следует начинать с минимальных значений, так как в случае превышения ее может возникнуть нежелательная перфорация сетчатки или геморрагия в месте воздействия. Непременным условием для проведения ЛК сетчатки является наличие прозрачности сред глаза (роговицы, хрусталика, стекловидного тела), максимальный мидриаз. В зависимости от локализации разрывов или очагов дегенерации сетчатки применяются следующие методики.

1. Барьерная ЛК сетчатки проводится при локализации очагов дегенерации или РР в зоне зубчатой линии (рис. 14.14). Лазерные коагуляты наносятся в шахматном порядке центральнее участка поражения, приближая края цепочки коагулятов максимально к периферии, формируя в этом месте как бы новую зубчатую линию.

При локализации патологических очагов в экваториальной и предэкваториальной зонах рекомендуется проводить отграничивающую лазеркоагуляцию, окружая пораженные участки сетчатки двойным или тройным рядом коагулятов в пределах здоровой сетчатки (рис. 14.15а, б).

При проведении отграничивающей коагуляции участков плоской отслойки сетчатки или ретиношизиса, помимо цепочки коагулятов, проводили коагуляцию сетчатки по ходу крупных сосудов в этом секторе глазного дна с целью создания дополнительного барьера в случае прорыва линии отграничения (рис. 14.16).

2. Если дегенеративные изменения и разрывы носят распространенный характер, захватывая периферические отделы сетчатки по всей окружности глазного дна, целесообразно провести круговую ЛК цепочкой двойного, а местами - тройного ряда коагулятов (рис. 14.17).

3. При выявлении свежих очагов дегенерации или РР на контрольных осмотрах следует выполнить дополнительную лазеркоагуляцию по указанным выше методикам.

Итак, обязательной лазерной коагуляции подлежат следующие виды хориоретинальных дистрофий и ретинальных разрывов.
1. Все симптоматические ретинальные разрывы.
2. Асимптоматические разрывы, если они встречаются:
в миопических глазах;
в афакичных глазах;
перед экстракцией катаракты;
на «вторых» глазах при односторонней ОС;
при наследственной предрасположенности.
3. Хориоретинальные дистрофии с недоброкачественным течением:
«решетчатая»;
«след улитки»;
«инееподобная»;
другие виды дистрофий с явлениями витреоретинальной тракции.
4. Все виды хориоретинальных дистрофий с недоброкачественным течением и ретинальные разрывы на «вторых» глазах при проведении рефракционных операций.
5. Прогрессирующий ретиношизис.

Из сказанного выше следует, что лазерная коагуляция сетчатки показана и эффективна при тех видах дегенераций и разрывов, где имеет место тракционное действие стекловидного тела на определенных участках сетчатки. Необоснованное проведение лазерной коагуляции при благоприятно протекающих ПХРД, как и недооценка явных показаний к лечению, может привести к росту числа осложнений и снижению терапевтической эффективности метода.

Литература

1. Акопян В.С. Лазерная коагуляция при заболеваниях глазного дна // Актуальные проблемы офтальмологии. – М., 1981. – С. 192.
2. Большунов А.В., Ильина Т.С., Родин А.С., Лихникевич Е.Н. Влияние факторов риска на терапевтическую эффективность отграничивающей лазеркоагуляции при разрывах периферии сетчатки / Офтальмологическая хирургия и терапия. – СПб., 2001. – Т. 1. – С. 53-58.
3. Большунов А.В., Ильина Т.С., Прививкова Е.А., Родин А.С. Профилактика осложнений при комбинированном (лазерном и экстраокулярном) лечении отслойки сетчатки // Вестн. офтальмологии. – 2004. – № 5. – С. 5-7.
4. Большунов А.В., Ильина Т.С., Прививкова Е.А. Улучшение функциональных результатов после экстрасклеральной хирургии отслоек сетчатки поэтапной лазеркоагуляцией // Ерошевские чтения: Научнопракт. конф.: Сб. тр. – Самара, 2002. – С. 267-268.
5. Велиева И.А., Ильина Т.С., Прививкова Е.А., Гамидов А.А. Лазерная коагуляция как самостоятельный метод лечения отслойки сетчатки // Лазеры в офтальмологии: вчера, сегодня, завтра: Научно-практ. конф.: Сб. науч. ст. – М., 2009. – С. 161-164.
6. Велиева И.А., Ильина Т.С., Прививкова Е.А. и др. Эффективность лазерной коагуляции в лечении регматогенной отслойки сетчатки // Вестн. офтальмологии. – 2010. – № 5. – С. 40-43.
7. Волков В.В., Трояновский Р.Л. Новые аспекты патогенеза, лечения и профилактики отслойки сетчатки // Актуальные проблемы офтальмологии. – М., 1981. – С. 140-171.
8. Ильина Т.С., Пивоваров Н.Н., Акопян В.С., Багдасарова Т.А. Отдаленные результаты лазерной профилактики отслойки сетчатки на «втором» глазу // Лазерные методы лечения в офтальмологии: Сб. науч. тр. – М., 1994. – С. 140-145.
9. Ильницкий В.В. Временное и постоянное эписклеральное пломбированиие в хирургии отслойки, ее профилактика: Дис. … д-ра мед. наук. – М., 1995. – 296 с.
10. Краснов М.М., Сапрыкин П.И. и др. Электронномикроскопическое изучение тканей глазного дна после лазеркоагуляции // Вестн. офтальмологии. – 1973. – № 3. – С. 8-13.
11. Линник Л.А. Сравнительная оценка влияния излучения различного типа на ткани глаза и перспективы их использования офтальмологии // Съезд офтальмологов УССР, 5-й: Тез. докл. – 1973. – С. 271-272.
12. Петропавловская Г.А., Саксонова Е.О., Приставка Э.Ф. и др. Световая и хирургическая отслойки сетчатки на «парном» и здоровом глазу у больных с односторонней отслойкой сетчатки // Науч. конф., посвящ. 100-летию со дня рождения А.П. Филатова: Тез. докл. – Одесса, 1975. – С. 43.
13. Сапрыкин П.И. Изучение возможностей и определение оптимальных параметров лазерных вмешательств на переднем и заднем сегменте глаза: Дис. … д-ра мед. наук. – М., 1974.
14. Рабаданова М.Г. Многомерный анализ факторов риска прогрессирования и прогнозирования осложнений при близорукости: Автореф. дис. … канд. мед. наук. – М., 1994. – С. 28.
15. Харизов А.А. Аргоновый лазер в лечении и профилактике при высокой осложненной миопии: Автореф. дис. … канд. мед. наук. – М., 1986. – С. 24.
16. Alexander L. Primary care die posterior segment. – Norwalk: Appeleton & Lange, 1994. – P. 391-399.
17. Byer N.E. Prognosis of asymptomatic brears //Arch. Ophthalmol. – 1974. – Vol. 92. – P. 208-210.
18. Bloom S.M., Brucker A.J. Laser surgery of the posterior segment. – Philadelphia: Lippincot Ravon, 1997. – 414 p.
19. Bloome M.A., Garcia C.A. Manual of retinal and choroidul distrophies. – New York: Appleton-Centary Crofts, 1982.
20. Burton T.C. The influence of ren-active error and lattice degeneration on die incidence retinal detachment // Trans. Amer. Ophthalmol. Soc. – 1989. – Vol. 87. – P. 143-157.
21. Chignell A.H., Shilling J. Prophylaxis of detachment // Br. J. Ophthalmol. – 1973. – Vol. 57. – P. 291-298.
22. Davis M. Natural history of retinal breaks without detachment // Arch. Ophthalmol. – 1974. – Vol. 92. – P. 183-194.
23. Haimann M.H., Burton T.C., Brawn C.K. // Arch. Ophthalmol. – 1982. – Vol. 100. – P. 289-292.
24. L’Esperance F.A. The ocular histopathologic effect of crypton argon laser radiation // Amer. J. Ophthalmol. – 1969. – Vol. 68. – P. 263-273.
25. L’Esperance F.A. Stereoscopic atlas of photocoagulation. – 1975.
26. Meyer-Schuwicherafh G. Judications and limi-tation of light coagulation // Am. Arch. Ophthalmol. Otolaryngol. – 1959. – Vol. 63. – P. 725-738.
27. Maiman T.H. Stimulated optic radiation in raby // Nature. – 1960. – Vol. 187. – P. 493-494.
28. Ocun E., Cibis P. The role of photocoagulation in management of rethinochisis // Arch. Ophthalmol. – 1964. – Vol. 72. – P. 309-314.
29. Poors R.Y., Wheeler N.C. Vitreoretinal juncture synchysis senilis and posterior detachment // Ophthalmology. – 1982. – Vol. 89. – P. 1505—1512.
30. Ren Q., Simon G., Paree J.M., Smiddy W. Laser scleral bucking for retinal detachment // Amer. J. Ophthalmol. – 1993. – Vol. 115. – P. 758-762.
31. Schepens C., Freeman H. // Frans. Am. Acad. Ophthalmol. Otolaryngol. – 1967. – Vol. 71. – P. 477-487.
32. Staatsmaa B., Allen R. // Frans. Am. Acad. Ophthalmol. Otolaryngol. – 1962. – Vol. 66. – P. 600-613.
33. Francois J., Gamble E. The argon laser slit lamp photocoagulation: indication and results // Ophthalmology. – 1974. – Vol. 169. – P. 362-370.