Средства лазерной терапии

К настоящему времени в России создана научно-медицинская и производственная база, обеспечивающая широкое распространение методов лазерной медицины и аппаратуры её реализации. В стране эффективно используется более 100 тысяч лазерных аппаратов, при этом более 80% приходится на терапевтическую аппаратуру («Узор», «Альфа», «Мустанг», «Милта», «Адепт», и др.), около 15% ‒ на хирургическую (установки типа «Радуга», «Ромашка», «Скальпель», «Янтарь», «Ятаган» и др.) и до 5% ‒ на диагностическую [7].

Эффективность лазерной медицинской техники определяется её основными параметрами и характеристиками:

· спектральным диапазоном (длина волны излучения),

· режимы излучения (непрерывный, импульсный, модулированный),

· энергетическим диапазоном (мощность или энергия излучения),

· частотным диапазоном для импульсного и модулированного излучения и временным диапазоном (времена экспозиции).

В хирургии их совокупность определяет степень обугливания и возможность коагуляции при разрезе биоткани, глубину теплового поражения и толщину разреза, ряд других результатов. В терапии ‒ возникновение тех или иных физико-химических реакций в тканях, больший или меньший отклик в физиологических реакциях организма в целом и его функциональных систем, глубину проникновения излучения в ткани и т.д. В диагностике ‒ достоверность получаемой информации и постановки диагноза.

Отсюда вытекает необходимость контроля и обеспечение управления теми или иными параметрами и характеристиками излучения в целях не только достижения высокого положительного лечебного эффекта, но и защита организма пациента от причинения ему вреда.

Лазер представляет собой генератор электромагнитных волн в диапазонах ультрафиолетового, видимого и инфракрасного излучений.

В лазерных приборах генерируется когерентное монохроматическое излучение за счет энергии внешнего источника возбуждения. Заданные свойства и геометрия лазерного луча создаются оптическими системами, содержащими резонатор, фокусирующую систему и другие оптические элементы.

В резонаторах за счет использования сферических зеркал или их комбинаций с плоскими зеркалами оптическое излучение, многократно отражаясь, усиливается и удерживается вдоль оптической оси. С помощью различных оптических элементов (зеркала, вращающиеся линзы, цилиндрические линзы, фокусирующие линзы с отверстиями и др.) организуется управление лазерным лучом, например, сканирование поверхности с заданной траекторией.

К основным характеристикам лазерного излучения относят [12[120] ]:

· мощность и энергию излучения;

· длину волны излучения;

· угловую расходимость;

· линейный размер пучка;

· пространственную и временную когерентность;

· поляризацию.

По физическому (агрегатному) состоянию рабочего вещества различают лазеры:

· газовые (гелий-неоновые, гелий-кадмиевые, аргоновые, углекислотные и др.);

· эксимерные (аргон-фторовые, криптон-фторовые и др.);

· твердотельные (стекло, алюмоитриевый гранат и др., легиро ванные различными ионами);

· жидкостные (органические красители);

· полупроводниковые (арсенид-галлиевые, арсенид-фосфид-галлиевые, селенид-свинцовые и др.).

По способу возбуждения рабочего вещества:

· оптическая накачка;

· накачка за счет газового разряда;

· электронное возбуждение;

· инжекция носителей заряда;

· тепловая;

· химическая реакция и др.

По длине волны излучения лазера.

Если спектр излучения сосредоточен в очень узком интервале длин волн (менее 3 нм), то принято считать излучение монохроматичным и в его технических данных указывается конкретная длина волны, соответствующая максимуму спектральной линии. Длина волны излучения определяется материалом рабочего вещества, но может изменяться в небольших пределах, например, от температуры. Одинаковые длины волн могут генерировать разные типы лазеров, например, около 633 нм работают лазеры: He-Ne, лазеры на красителях, на парах золота, полупроводниковые (AlGalnP).

По характеру излучаемой энергии:

· непрерывные;

· импульсные.

Не следует смешивать понятия импульсный лазер и лазер с модуляцией непрерывного излучения, поскольку во втором случае мы получаем по сути дела прерывистое излучение различной частоты и формы но с максимальной мощностью, не превышающей значение в непрерывном режиме или превышающей ее незначительно.

Импульсные же лазеры обладают большой мощностью в импульсе, достигающей для некоторых типов 107 Вт и более, но длительность импульса чрезвычайно мала, а средняя мощность за период невелика.

По средней мощности:

· более 10 Вт ‒ высокомощные лазеры;

· менее 10 Вт ‒ лазеры малой мощности.

С точки зрения медицины средняя мощность лазера является очень важной характеристикой, так как происходит воздействие на биологический объект. В некоторых случаях «малая мощность» ‒ 100 мВт может быть очень даже большой. В литературе по лазерной терапии [9[121] ] предлагается низкоинтенсивное лазерное излучение условно подразделять на «мягкое» ‒ до 4 мВт/см, «среднее» ‒ от 4 до 30 мВт/см и «жесткое» ‒ более 30 мВт/см. В лечебном процессе «мягкое» излучение используют для рефлексотерапии по точкам классической акупунктуры, «среднее» ‒ для воздействия на поверхностно расположенные патологические очаги, либо на область проекции тех или иных органов. «Жесткое» низкоинтенсивное излучение, в частности, гелий-неонового лазера, рекомендуют использовать в стоматологии при лечении некоторых заболеваний полости рта и зубов [10[122] ].

Однако открытым остается вопрос в отношении энергетической классификации терапевтических импульсных лазеров, который необходимо рассматривать комплексно с позиции биологического действия лазерного излучения, учитывая не только среднюю выходную мощность, но и уровень импульсной мощности, длительность импульса и время воздействия лазерного излучения.

По степени опасности генерируемого излучения для обслуживающего персонала лазеры подразделяются на четыре класса:

· Класс 1. Лазерные изделия безопасные при предполагаемых условиях эксплуатации.

· Класс 2. Лазерные изделия, генерирующие видимое излучение в диапазоне длин волн от 400 до 700 нм. Защита глаз обеспечивается естественными реакциями, включая рефлекс мигания.

· Класс 3. 3А: Лазерные изделия безопасные для наблюдения незащищенным глазом. Для лазерных изделий, генерирующих излучение в диапазоне длин волн от 400 до 700 нм, защита обеспечивается естественными реакциями, включая рефлекс мигания. Непосредственное наблюдение пучка, испускаемого лазерными изделиями класса ЗА с помощью оптических инструментов (например, бинокль, телескоп, микроскоп), может быть опасным. 3В. Непосредственно наблюдение таких лазерных изделий всегда опасно. Видимое рассеянное излучение обычно безопасно.

Условия безопасного наблюдения диффузного отражения для лазерных изделий класса ЗВ в видимой области: минимальное расстояние для наблюдения между глазом и экраном ‒ 13 см, максимальное время наблюдения ‒ 10 с.

· Класс 4. Лазерные изделия, создающие опасное рассеянное излучение. Они могут вызвать поражение кожи, а также создать опасность пожара. При их использовании следует соблюдать особую осторожность.

Эта градация определена ГОСТ Р 50723-94 «Лазерная безопасность. Общие требования безопасности при разработке и эксплуатации лазерных изделий» [11[123] ].

Для осуществления лечебного процесса часто важной является такая характеристика лазера, как угловая расходимость луча. Измеряется в градусах, угловых минутах (1/60 градуса), угловых секундах (1/60 минуты) или радианах (1° = р/180 > 0,0175 рад). Наименьшую расходимость имеют газовые лазеры ‒ около 30 угловых секунд (>0,15 мрад). Расходимость луча твердотельных лазеров ‒ около 30 угловых минут (>10 мрад). у полупроводниковых лазеров: в плоскости, параллельной p-n ‒ перехода ‒ от 10 до 20 градусов (в зависимости от типа лазера); в плоскости, перпендикулярной p-n ‒ переходу ‒ около 40 градусов.

Коэффициент полезного действия (КПД) лазера. Различают теоретически возможный (квантовый выход) и реальный (полный) КПД. Последний определяется отношением мощности излучения лазера к мощности, потребляемой от источника накачки. У газовых лазеров полный КПД составляет 1-20% (гелий-неоновый ‒ до 1%, углекислотный 10-20%,), у твердотельных ‒ 1-6%, у полупроводниковых ‒ 10-50% (в отдельных конструкциях до 95%). Становится ясно, почему только полупроводниковые лазеры можно применять в автономной и портативной терапевтической аппаратуре.

В качестве активных сред лазеров используют твердые тела, кристаллические или аморфные материалы с примесями некоторых элементов, жидкости, газы и полупроводниковые материалы.

У газовых лазеров активной средой являются чистые газы, смеси нескольких газов или газы в смеси с парами металлов. Такие лазеры способны создавать наибольшие мощности как в непрерывном, так и в импульсном режиме. В газовых лазерах возбуждение обеспечивается быстропротекающими химическими реакциями, а в качестве активных сред здесь используются нейтральные атомы, ионы и молекулы газов. Газовые лазеры многообразны по типу применяемой среды: He-Ne, CО, СO₂, N, Аr и другие. Этим определяется очень широкий диапазон волн, на которых получена генерация. Накачка осуществляется путем создания тлеющего разряда в трубке, что возможно лишь при очень высоких питающих напряжениях. Из всех типов лазеров обладают самой минимальной шириной спектральной линии ‒ до 10^-7 нм.

Эксимерные лазеры являются разновидностью газовых лазеров, работают на соединениях, которые могут существовать только в возбужденном состоянии ‒ галогенов и инертных газов (KrF, ArF и др.) излучают в ультрафиолетовой области спектра.

Твердотельные лазеры ‒ это в основном алюмоитриевый гранат АИГ, легированный ионами редкоземельных металлов (Nd, Ег, Но и др.), рубины с примесью хрома, стекло, иттрий-алюминиевый фанат и др. Собственно, эти ионы и являются источником излучения, а гранат лишь матрицей для их правильного расположения в пространстве, твердотельные лазеры могут быть как импульсными, так и непрерывными, работают на среднем уровне мощностей, которые ограничиваются малыми размерами синтетических кристаллов, низкой их теплопроводностью, большими углами расхождения из-за неоднородности кристаллов.

Процесс генерации в жидкостных лазерах схож с процессом в твердотельных лазерах. Поскольку жидкостная среда более однородна, чем твердый материал, в жидкостных лазерах получают более узкие спектральные потоки. В качестве источников накачки в жидкостных лазерах используют лазеры на рубине или на неодитовом стекле. Лазеры на красителях (в качестве рабочего тела используется жидкий раствор специальных красителей) характеризуются тем, что могут перестраиваться по длине волны в широком спектральном диапазоне.

Полупроводниковые лазеры (ППЛ) занимают особое место в силу своих конструктивных особенностей и физических принципов работы, небольшие размеры лазера определяются высоким КПД и необходимостью обеспечения высокой плотности тока накачки для достижения инверсной заселенности. У полупроводниковых лазеров накачка осуществляется небольшим током (десятки мА) при приложении напряжения коло 2-3 В, тогда как у других типов лазеров требуются тысячи вольт.

Полупроводниковые инжекционные лазеры или лазерные диоды представляют собой 2-электродный прибор с p-n-переходом. Генерация когерентного излучения обеспечивается инжекцией носителей заряда при протекании прямого тока через p-n-переход. В этих приборах широкое применение находят арсенид галия и арсенид алюминия.

Для лечебных целей используются в основном низкоэнергетические лазерные излучатели интенсивностью 1...30 мВт/см² при длительности воздействия до 5 мин (одна процедура) и суммарной продолжительностью до 25 мин (среднее число процедур до 14). Доза облучения за процедуру, как правило, не более 40 Дж. В качестве источников низкоэнергетического излучения (0,6 мкм) и ближнего ИК-диапазонов (0,9 мкм) излучения могут использоваться лазеры с активными средами из смеси гелий-неона (He-Ne) и полупроводникового арсенида галлия (GaAs). В медицинской практике используется аппаратура с непрерывным, импульсным, модулированным и биоуправляемым лазерным излучением.