Ознакомление основными принципами использования лазерного излучения в биологии и медицине

0
2

ВВЕДЕНИЕ

Лазерное излучение с большим или меньшим успехом применяется в различных  областях науки. Уникальные свойства излучения лазеров, такие, как монохроматичность, когерентность, малая расходимость и возможность при фокусировке получать очень высокую плотность мощности на облучаемой поверхности обеспечили широкое применение лазеров. Использование квантовой электроники оказалось, в частности, очень полезным для клинической медицины. В медицинских целях используются, в основном, твердотельные и газовые лазеры. Импульсные твердотельные лазеры применяют преимущественно в офтальмологии  для операций по устранению отслоения сетчатки глаза и при лечении глаукомы. Для этих целей была разработана специальная аппаратура с использованием неодимовых и рубиновых лазеров. Для операций с рассечением тканей импульсные лазеры оказались непригодны, поэтому для этих целей применяют лазеры непрерывного действия. В Советском Союзе была  создана хирургическая аппаратура на СО2  лазерах. Такие хирургические установки  применяют в общей хирургии, онкологии и других областях.

Установками на основе аргоновых лазеров непрерывного действия с использованием специальных световодов пользуются медики при внутриполостных операциях.

Основными преимуществами, стимулирующими применение лазеров в медицине, являются радикальность лечения, снижение сроков вмешательства, уменьшение числа осложнений, кровопотери, улучшение условий стерильности.

Целью настоящей работы является ознакомление основными принципами использования лазерного излучения в биологии и медицине.

  1. ЛАЗЕРНЫЕ МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ 

                           1.1. Оптические квантовые генераторы

В настоящее  время лазер, источник электромагнитного излучения видимого, инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов, основанный на вынужденном излучении атомов и молекул. Слово «лазер» составлено из начальных букв (аббревиатура) слов английской фразы «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», что означает «усиление света в результате вынужденного излучения». В советской литературе употребляется также термин «оптический квантовый генератор» (ОКГ). Создание лазеров (1960) и несколько ранее лазеров (1955) послужило основой развития нового направления в физике и технике, называется квантовой электроникой. В 1964 советским физикам Н.Г. Басову, А.М. Прохорову и американскому физику Ч.Таунсу за работы в области квантовой электроники присуждена Нобелевская премия по физике.

Лазерная история. Лазеры, перекочевав со страниц фантастических романов, произвели настоящую революцию в технике и быту. Еще 50 лет назад вряд ли кто-то мог вообразить, что с помощью ужасных «лучей смерти» можно будет печатать в офисе деловые документы, проводить хирургические операции, слушать музыку и вырезать фурнитуру для мебели.    211 до нашей эры — первое упоминания о лучевом оружии: по описаниям античных историков, во время осады      Сиракуз Архимед с помощью сложной системы зеркал сжег римский флот.

1917 — Альберт Эйнштейн вводит в физику понятие об индуцированном  излучении, фактически предсказывая появление лазеров.

   1927 — Алексей Толстой публикует         роман «Гиперболоид инженера Гарина», в котором описывается эффект от применения «лучей смерти».

1951 — советский ученый Валентин Фабрикант (вместе с М М. Вудынским и Ф А. Бутаевой) изобретает первую лазерную установку — «аппарат            импульсного заряда для усиления света».

1954 — в Физическом институте Александр Прохоров и Николай Басов сформулировали основные принципы создания генераторов и усилителей световых волн.

    1960 — американец Теодор Меймен создает первый в мире рубиновый лазер.

1961 — импульсный рубиновый лазер испытан в лаборатории Физического института им. Лебедева  АНСССР.

1962 — советский ученый Юрий Денисюк впервые получил отражательные голограммы, которые можно было восстанавливать с помощью лазеров.

1964 — советские физики Прохоров и Басов и американский ученый Чарлз Таунс получают Нобелевскую премию по физике за создание инфракрасных и оптических лазеров.

1964 — первая в мире хирургическая операция с использованием лазера, при помощи которого в США был удален кариес (лазером обработали зуб перед пломбированием).

1968 — итальянская фирма Lаservall впервые применяет технологию лазерной сварки и резки металла для изготовления золотых цепочек.

1970 — американская рок-группа Blue Oyster Cult впервые для сценического шоу применила лазерные лучи.

1978 — инженер корпорации Xerox Гэри Старкуезер создает первый в мире лазерный принтер.

1981 — появление первого лазерного CD- диска — продукта совместных усилий компаний Sony и Philips. На первом выпущенном диске была записана 9-я симфония Бетховена.

1982 — в штате Нью-Мексико прошел испытание военный комплекс MTHEL (Mobile Tactical High Energy Laser) — первый «передвижной тактический высокоэнергетический лазер», с которого началась оборонная программа СОИ.

2006 — астрономы научились с помощью лазеров зажигать в небе искусственные «звезды» (лазер заставляет светиться атомы натрия, тонкий слой которых сосредоточен на границе с космосом) для настройки сверхточных телескопов.

Лазеры создаются на базе различных активных сред: газообразной, жидкой или твердой. Они могут  давать излучение в весьма широком  диапазоне длин волн  —  от 100 нм (ультрафиолетовый свет)  до 1,2  мкм (инфракрасное излучение) и могут работать  как  в  непрерывном,  так  и  в  импульсном  режимах. Световое излучение лазера обладает исключительными специфическими свойствами, как острая направленность, высокая монохроматичность (наличие в спектре изучения только одной длины волны),  когерентность (постоянное по времени соотношение между фазами световых волн), обусловливающая распространение световой волны в пространстве  с очень малым углом расхождения, что позволяет получать чрезвычайно высокую концентрацию (плотность) энергии. Не сфокусированный луч лазера обычно имеет ширину в 1-2 см, а с наведенным фокусом – от 1  до 0,01 мм и меньше. Благодаря этому  возникла возможность концентрировать огромную световую энергию на площади в несколько микрон и достигать при этом очень высоких температур. Именно благодаря такой способности концентрировать энергию на минимальной площади облучаемой поверхности лазеры и представляют огромный интерес для медицины.

Лазер состоит из трех принципиально важных узлов: излучателя, системы накачки и источника питания, работа которых обеспечивается с помощью специальных вспомогательных устройств. Упрощенная конструктивная схема гелий- неонового лазера показана на рисунке ниже.

 

Рисунок  1. Оптический резонатор в лазере

 

 

Излучатель предназначен для преобразования энергии накачки (перевода гелий- неоновой смеси 3 в активное состояние) в лазерное излучение и содержит оптический резонатор, представляющий собой в общем случае               систему тщательно изготовленных отражающих, преломляющих и                 фокусирующих элементов, во внутреннем пространстве которого возбуждается и             поддерживается определенный тип электромагнитных колебаний оптического диапазона. Оптический резонатор должен иметь минимальные потери    в      рабочей части спектра, высокую точность изготовления          узлов и их взаимной  установки. В лазере, показанном на рисунке, оптический  резонатор  выполнен в виде двух параллельных зеркал 1 и 5,                      расположенных вне активной части среды 3, которая отделена от окружающей среды колбой 6  разрядной трубки и двумя окнами 2,4 с  плоскопараллельными  границами, образующими с осью излучения угол Брюстера. Внешние зеркала          1  и  5  обеспечивают многократное прохождение излучения  через  активную среду с нарастанием мощности потока лазерного излучения. Для выхода   излучения одно из зеркал (5) делается    с       отверстием или  полупрозрачным.

Система накачки предназначена для преобразования энергии источника электрического питания 8 в энергию ионизированной активной среды  3               лазера. Накачка осуществляется электрическим разрядом, для чего в нем            устанавливаются два электрода – катод  7 и  анод 9, между которыми                подается напряжения от  источника питания. Атомы гелия возбуждаются при                соударениях  с быстрыми  электронами и,   сталкиваясь с атомами неона,            передают им свою энергию. В некоторых типах лазеров применяют                    фокусирующие магниты или обмотки и специальные отводные трубки для циркуляции активной среды.

В принципе каждый лазер состоит из следующих основных частей (рисунок  2) : 1) активное (рабочее) вещество, обладающее способностью переходить в особое возбужденное состояние и являющееся источником так называемого индуцированного излучения(например, стержень из искусственного рубина, неодимого стекла); 2) источник возбуждения такое устройство, которое, сообщая активному веществу дополнительную энергию с помощью импульсных газоразрядных ламп- вспышек или ламп накачки (подкачки), приводит его в возбужденное состояние; 3) резонансное устройство, образованное двумя зеркалами, между которыми помещается рабочее вещество, позволяющее концентрировать поток энергии в определенном направлении; 4) блок питания, обеспечивающий энергией источник возбуждения (батареи конденсаторов и другие).

 

Рисунок  2. Схема устройства рубинового лазера. 1- рубиновый       стержень;

2- импульсная лампа; 3- луч; 4,5- охлаждение; 6- источник питания.

 

 

 

 

 

Прежде всего, следует напомнить, что в атомах различных веществ электроны расположены вокруг ядра на определенных энергетических орбитах или уровнях. Сами же атомы могут находиться либо в состоянии возбуждения. Последнее может возникнуть под влиянием, какого- либо излучения и сопровождаться изменением энергетических орбит электронов атома и накоплением избыточного количества определенных порций (квантов) энергии. При переходе атома из возбужденного состояния в основное происходит испускание поглощенных квантов энергии и возврат электронов на близкие орбиты. Под влиянием мощной световой вспышки лампы накачки большинство атомов активного вещества лазера (рубина) переходить из основного в возбужденное состояние или, как говорят физики, на более высокий энергетический уровень. При этом часть электронов такого возбужденного атома переходит со своих обычных энергетических орбит на более удаленные от ядра орбиты. Часть возбужденных атомов, обладающих избыточным количеством энергии, скоро возвращается в основное состояние, испуская при этом порции энергии, или световые кванты. В свою очередь, эти кванты воздействуют на электроны других возбужденных атомов, заставляя переходить их на более низкие энергетические уровни; это опять-таки сопровождается отдачей ранее накопленной энергии в виде тех же световых квантов.

В результате всех этих процессов возникает «лавина» световых квантов (фотонов), которые многократно отражаются от зеркал резонансного устройства лазера и выбрасываются в виде узкого светового пучка с очень высокой концентрацией энергии.

 

1.2.  Основные направления и цели медико-биологического                   использования лазеров

Почти одновременно с созданием первых лазеров началось изучение биологического действия лазерного излучения. Некоторые возможные биолого-медицинские аспекты его использования были намечены Ч.Таунсом (1962). В последующем оказалось, что возможная сфера применения лазерного  излучения шире. Биолого-медицинские эффекты лазерного излучения связаны не только с высокой плотностью потока излучения и возможностью фокусировки луча на самых малых площадях, но, по-видимому, и с др. его характеристиками (монохроматичностью, длиной волны, когерентностью, степенью поляризации), а также с режимом излучения. Один из важных вопросов при использовании лазерного излучения в биологии и медицине — дозиметрия лазерного излучения. Определение энергии, поглощённой единицей массы биообъекта, связано с большими трудностями. Различные ткани неодинаково поглощают и отражают лазерное излучение. Кроме того, лазерное излучение в разных областях спектра оказывает не одинаковое, а подчас и антагонистическое действие на биообъект. Поэтому и невозможно ввести при оценке эффекта лазерного излучения коэффициент качества. Характер эффекта лазерного излучения определяется, прежде всего, его интенсивностью, или плотностью потока излучения. В случае импульсных излучателей важны также длительность импульсов и частота их следования. Из-за избирательности поглощения лазерного излучения биологическая эффективность может не соответствовать энергетическим характеристикам лазерного излучения. Условно различают термические и нетермические эффекты лазерного излучения; переход от нетермических к термическим эффектам лежит в диапазоне 0,5-1 Вт/см2. При плотностях потока излучения, превышающих указанные, происходит поглощение лазерного излучения молекулами воды, что приводит к их испарению и последующей коагуляции молекул белка. Наблюдаемые при этом структурные изменения аналогичны результатам обычного термического воздействия. Однако лазерное излучение обеспечивает строгую локализацию поражения, чему способствует сильная обводнённость биообъекта и поглощение рассеивающейся энергии в пограничных областях, смежных с облучаемой. При импульсных термических воздействиях ввиду очень короткого времени воздействия и быстрого испарения воды наблюдается так называемый взрывной эффект: возникает султан выброса, состоящий из частиц ткани и паров воды; этому сопутствует возникновение ударной волны, воздействующей на организм в целом.

Лазерное излучение с меньшей плотностью потока излучения вызывает в биообъекте изменения, механизм которых не полностью выяснен. Это сдвиг в активности ферментов, структуре пигментов, нуклеиновых кислот и др. важных в биологическом отношении веществ. Нетермические эффекты лазерного излучения вызывают сложный комплекс вторичных физиологических изменений в организме, чему, возможно, способствуют резонансные явления, протекающие в биосубстрате на молекулярном уровне. Нетермические эффекты лазерного излучения сопровождаются реакциями со стороны нервной, кровеносной и др. систем организма. Избирательность поглощения лазерного излучения и возможность фокусирования луча на площадях порядка 1 мкм2 особенно заинтересовали исследователей внутриклеточных структур и процессов, использующих лазерного излучения в качестве «скальпеля», позволяющего избирательно разрушать ядро, митохондрии или др. органеллы клетки без её гибели. Как при термических, так и при нетермических воздействиях лазерного излучения наиболее выраженной способностью к его поглощению обладают пигментированные ткани. Прижизненное окрашивание специфическими красителями позволяет разрушать и прозрачные для данного лазерное излучение структуры. В установках для внутриклеточных воздействий используют лазерное излучение с длиной волны, как видимого спектра, так и ультрафиолетового и инфракрасного диапазонов, в непрерывном и импульсном режимах.

Фотографирование биообъектов в лазерное излучение с целью получения пространственного изображения клеток и тканей стало возможным с созданием лазерных голографических установок для микрофотографирования. В связи с возможностью концентрации энергии лазерного излучения на очень малых площадях открылись новые возможности для спектрального ультрамикроанализа отдельных участков клетки, жизнедеятельность которой при этом временно сохраняется. С этой целью коротким импульсом лазерного излучения вызывают испарение вещества с поверхности исследуемого объекта и в газообразном виде подвергают спектральному анализу. Масса образца при этом не превышает долей мкг.

Установлено, что ряд физиологических изменений происходит в организме животных под действием излучения гелий-неоновых лазеров малой мощности. При этом отмечаются стимуляция кроветворения, регенерация соединительной ткани, сдвиги артериального давления, изменения проводимости нервного волокна и другие. Как при непосредственном облучении гелий-неоновыми лазерами растительных тканей, так и при предпосевном облучении семян выявлено стимулирующее влияние лазерного излучения на ряд биохимических процессов, рост и развитие растений.

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.

В офтальмологии с помощью лазерного луча лечат отслоение сетчатки, разрушают внутриглазные опухоли, формируют зрачок. На основе рубинового лазера сконструирован офтальмокоагулятор.

При использовании лазерного излучения в онкологии для удаления поверхностных опухолей (до глубины 3-4 см) чаще применяют импульсные лазеры или лазеры на стекле с примесью Nd с мощностью импульса до 1500 Вт. Разрушение опухоли происходит почти мгновенно и сопровождается интенсивным парообразованием и выбросом ткани из области облучения в виде султана. Чтобы предупредить разбрасывание злокачественных клеток в результате «взрывного» эффекта, применяют воздушные отсосы. Операции с применением лазерного излучения обеспечивают хороший косметический эффект. Перспективы использования лазерного «скальпеля» в нейрохирургии связаны с операциями на обнажённом мозге.

Терапия лазерного излучения  основана преимущественно на нетермических эффектах и представляет собой светотерапию с использованием в качестве источников монохроматического излучения гелий-неоновых лазеров с длиной волны 6328. Терапевтическое воздействие на организм осуществляется лазерного излучение с плотностью облучения в несколько мВт/см2 ,что полностью исключает возможность проявления теплового эффекта. На пораженный орган или участок тела воздействуют как местно, так и через соответствующие рефлексогенные зоны и точки (Иглотерапия). Лазерного излучения применяют при лечении длительно незаживающих язв и ран; изучается возможность его применения и при др. заболеваниях (ревматоидный полиартрит, бронхиальная астма, некоторые гинекологические заболевания и так далее). Соединение лазера с волоконной оптикой позволяет резко расширить возможности его применения в медицине. По гибкому светопроводу лазерное излучение  достигает полостей и органов, что позволяет провести голографическое исследование (Голография), а при необходимости и облучение пораженного участка. Исследуется возможность просвечивания и фотографирования с помощью лазерного излучения структуры зубов, состояния сосудов и других тканей.

Работа с лазерным излучением требует строгого соблюдения соответствующих правил техники безопасности. Прежде всего необходима защита глаз. Эффективны, например, теневые защитные устройства. Следует оберегать от поражения лазерного излучения кожные покровы, особенно пигментированные участки. Для защиты от поражения отражённым лазерным излучением с возможного пути луча удаляют блестящие (зеркальные) поверхности. Предположения о возможности возникновения ионизирующего излучения при работе высокоинтенсивных лазеров не подтвердились.

Современные направления  медико-биологического  применения лазеров могут быть разделены на две  основные  группы (схема 1): 1) Воздействие на биологические структуры и процессы; 2) Изучение биологических структур и процессов;

В нижней половине схемы сгруппированы направления использования лазерного излучения в качестве инструмента исследования. Лазер здесь играет роль уникального  светового источника при спектральных  исследованиях, в лазерной микроскопии, голографии  и другие. В верхней половине схемы  показаны основные пути использования лазеров в качестве инструмента воздействия  на биологические объекты.

С.Д.Плетнев (1981) выделяет три типа воздействия на биологические объекты лазерного излучения: к первому типу отнесено воздействие на ткани патологического очага импульсным или непрерывным лазерным излучением при плотности мощности, недостаточной для глубокого обезвоживания, испарения тканей и возникновения в них дефекта. Этому типу воздействия соответствует применение лазеров в дерматологии и  онкологии для облучения патологических тканевых образований, которые приводит к их коагуляции.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(офтальмология,           (хирургия)           (Физиотерапевтическое

онкология,                                                       применение)

дерматология)

Схема 1. Современные направления медико-биологического применения  лазеров.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Второй тип — рассечение  тканей, когда под влиянием излучения лазера непрерывного или частотно- периодического  действия часть ткани испаряется и в ней возникает дефект. В этом случае плотность мощности излучения может превосходить используемую при коагуляции на два порядка и более. Этому типу воздействия соответствует хирургическое применение лазеров.

К третьему типу можно отнести влияние на ткани и органы низкоэнергетического излучения, обычно не вызывающего явных морфологических изменений, то есть воздействие типа физиотерапевтического. Сюда же следует включить применение гелий-неонового лазера в целях биостимуляции при  вяло текущих раневых процессах, трофических язв и другие. Рядом исследователей показано, что в основе взаимодействия  биологических объектов с лазерным  излучением лежат термический, фотохимический и фотоэлектрический эффекты.

Несмотря на всю условность схемы (нетрудно видеть, например, что  при рассечении тканей наблюдается одновременно гибель части клеток, то есть реализуется и воздействие по первому типу, рассечения и коагуляция тканей сопровождается  определенными физиолого-биохимическими изменениями и другие), она дает представление о тех основных эффектах, которые достигаются с помощью лазерного облучения и практически используются специалистами медико-биологического профиля. Задача исследовании по механизму биологического действия лазерной радиации сводится к изучению тех процессов, которые лежат в основе интегральных эффектов, вызываемых облучением-коагуляции     тканей, их испарения, биостимуляционных сдвигов в организме.

 

 

1.3.  Механизм действия лазерного излучения  на биологические объекты

В основе действия лучей лазера на различные биологические объекты, в том числе на клетки, ткани и органы человеческого тела, лежит, по существу, весьма кратковременное (стотысячные доли секунды) воздействие светового луча невиданной мощности- в десятки и сотни киловатт. Глубина проникновения лазерного луча в ткани регулируется путем фокусирования при помощи оптической системы и может доходить до 20-25 мм и больше.

При воздействии луча лазера на ткани следует учитывать одно весьма важное обстоятельство. Оказалось, что при прохождении нефокусированного луча лазера через живые ткани интенсивность излучения быстро падает. Так,  например, для мышечной ткани на глубине  4 см оно составляет лишь 1-2 % начальной энергии. Если же световой пучок сфокусирована определенную глубину облучаемого объекта, то уже на глубине  в 3-4 мм можно получить такую интенсивность облучения, которая иногда даже превосходить его интенсивность на поверхности объекта.

Важно подчеркнуть, что при воздействии луча лазера не возникает опасности перегрева или повреждения окружающих и подлежащих тканей, а благодаря молниеносной быстроте воздействия лучей лазера оно почти не вызывает боли или субъективных ощущений

Степень поглощения (абсорбция) лазерных лучей в значительной степени зависит от окраски объекта, который подвергается облучению. Больше всего лучи лазера поглощаются пигментированными тканями, эритроцитами, меланомами и  т. п. Так, например, облучение лучом лазера с энергией в мили джоуль ведет к гибели  эритроцитов, но не влияет на морфологию и движение лейкоцитов. Пигментированные эпителиальные  клетки кролика полностью разрушаются от  однократного облучения лазером в 25 Дж/см2 , в то время как непигментированные клетки белых кроликов выдерживают повторные облучения без их гибели или даже изменений.

Весьма важное  значение имеет механическое воздействие лазерных излучений на ткани в результате возникновения упругих колебаний типа ультразвуковых или даже «ударной волны», своеобразного взрывного эффекта, возникающего  вследствие мгновенного превращения твердых и жидких веществ в газообразное состояние и резкого повышения внутриклеточного и внутритканевого давления. В результате такого взрывного эффекта  патологические ткани, например опухоли, иногда буквально «лопаются» или «расплющиваются» (рисунок  3).

Немаловажную роль имеет воздействие на клетки и ткани эндотоксинов, возникающих в них после воздействия лучей лазера и вызывающих прогрессирующий некроз клеток после облучения. Необходимо также учитывать инактивацию или изменение специфического действия энзимов (липазы, пероксидазы и другие), участвующих в метаболизме, например, опухолевых и других тканей.

При  рассмотрении особенностей влияния лазерного излучении на биологические объекты нельзя обойти молчанием важный вопрос о возможности кумуляции при длительном и повторном воздействии этих излучений. Пока в этом вопросе нет определенной ясности, а имеются лишь прямо противоположные взгляды. Однако уже достаточно очевидно, что если речь идет о видимой части спектра и невысоких энергиях лазерных излучений, то суммирование практически не играет роли. Опасность кумуляции возникает при применении лазеров, работающих в области инфракрасного излучения (Blabla,John, 1969).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок  3. «Взрывное» действия лучей лазера (кадры скоростной киносъемки)

а- опухоль (меланома) животного, подлежащая облучению лазером;

б- «взрыв» опухоли в результате воздействия луча лазера (по Minton 1967);

 

 

 

 

 

Изучение механизма биологического действия лазеров представляет особую проблему большого теоретического и практического значения, как и проблема, возникшая в свое время после открытия и применения ионизирующей радиации.

Недостаточность знании о механизме взаимодействия лазерного излучения с биологическим материалом тормозит решение многих задач, связанных с биомедицинским применением лазеров, и накладывает печать эмпиризма на попытки их клинического использования. Проведение глубоких и разносторонних работ в этом направлении  явится залогом успешного развития экспериментальных и клинических исследований.

 

  1. ЛАЗЕРНАЯ МЕДИЦИНСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ЦЕЛЕЙ ЛУЧЕВОЙ ТЕРАПИИ  «ИМПУЛЬС- 1»

 

          2.1.  Структурная схема

Лазерная медицинская установка «Импульс-1» — первый   отечественный аппарат, созданный  и разработанный для ведения лазеротерапии  в соответствии с медико-техническим требованием Министерства здравоохранения СССР. Разработка установки была закончена в 1971 году. В том же году  Комитет по новой медицинской технике Минздрава СССР дал рекомендацию к выпуску промышленной партии этих установок, которая и была изготовлена в 1975 году на Свердловском заводе электромедицинской аппаратуры.

Установка «Импульс-1» разработана на базе специально созданного для нее мощного импульсного лазера на неодимовом стекле.

 

 

 

 

Установка (рисунок 4) состоит из следующих основных частей: операционного аппарата, накопителя энергии и главного пульта питания и управления.

 

 

Рисунок  4.   Структурная схема лазерной медицинской установки для лучевой

терапии «Импульс- 1»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2.   Функциональная схема

 

          Конструктивная схема операционного аппарата установки приведена на рисунке  5.

 

 

Рисунок  5.   Конструктивная схема операционного аппарата установки

 

 

 

 

 

Операционный аппарат состоит из горизонтального ствола 1, установленного на вертикальной стойке 2. Ствол может поворачиваться вокруг горизонтальной оси I  и вертикальной оси  II.

Вертикальная стойка 2 жестко закреплена на платформе 3. Платформа снабжена колесами для перемещения аппарата по полу. К вертикальной стойке прикреплен поручень.

Внутри ствола 1 жестко закреплены  лазерный излучатель 4, калориметрический блок 5 и блок поджига 6. На конец ствола 1 установлен телескопический вал 7 с поворотно-фокусирующей головкой 8.

Телескопический вал 7 можно перемещать вдоль его собственной оси симметрии III и поворачивать вокруг той же оси  III вместе с поворотно-фокусирующей головкой 8.

Головка 8 жестко закреплена на конце телескопического вала. На нем жестко закреплена и рукоятка 9, охватывающая  поворотно-фокусирующую             головку 8.

Внутри головки 8 жестко зафиксированы селективно отражающее лазерное излучение зеркало 10, фокусирующая линза 11, конденсор 12 и лампочка накаливания 13.

Лазерный излучатель 4 выполнен в виде отдельного блока. Активным элементом в нем является стержень из неодимового стекла ПГЛС-1 диаметром 45 мм  и длиной 617 мм. Активный элемент возбуждается с помощью четырех ксеноновых ламп накачки ИПФ-20000, расположенных в четырехлепестковым осветителе с четырьмя V- образными отражателями, изготовленными из нержавеющей стали. Внутренние поверхности отражателей полированные и имеют хорошо отражающее серебряное покрытие. Активный элемент  расположен в корпусе осветителя вдоль оси симметрии. Корпус осветителя изготовлен из нержавеющей стали. Торцы активного элемента уплотнены в корпусе осветителя с помощью индиевых колец, сжимаемых цилиндрическими держателями зеркал резонатора. Глухое и полупрозрачное зеркала, установленные  параллельно торцам активного элемента, герметизирует полости между зеркалом и активным элементом. При этом боковыми стенками полостей являются цилиндрические  поверхности держателей зеркал резонатора. Внутренняя полость осветителя, лампы накачки и активный элемент омываются 0,02 %  раствором K2 Cr 2O4  в дистиллированной воде, циркулирующей через  осветитель.

Полупрозрачное зеркало резонатора (коэффициент пропускания 60% ) установлено в излучателе 4 со стороны поворотно-фокусирующей головки 8.  Глухое зеркало резонатора с коэффициентом пропускания 5% размещено со стороны калометрического блока 5. Поэтому при генерации лазерного излучения в резонаторе излучателя 4 основная часть излучения направлена в сторону поворотно-фокусирующей головки, а остальная- в сторону калометрического блока 5, где поглощается его приемной площадкой.

Калометрический блок 5 (после проведения соответствующей калибровки) обеспечивает измерение энергии лазерного излучения, направляемой в сторону поворотно-фокусирующей головки, по поглощенной его приемной площадкой энергии лазерного излучения.

Блок поджига 6 четырехсекционный. Каждая его секция предназначена для поджига одной из ламп накачки лазерного излучателя.

Регулирование размеров пятен лазерного излучения на объекте облучения осуществляется в операционном аппарате изменением расстояния между линзой 11 поворотно-фокусирующей головки и объектом облучения, а контроль размеров пятен ведется по подсветки.

 

2.3. Принцип действия

Накопитель энергии установки  электрические емкости, объединенные в четыре секции. Каждая  секция накопителя предназначена для питания одной лампы накачки четырехлампового лазерного излучателя операционного аппарата. Емкость конденсаторов одной секции 1200 мкФ, максимальное напряжение заряда 4,6 кВ, максимальная энергия заряда 12,5 кДж. Максимальная суммарная энергия заряда четырех секций составляет 50 кДж. Каждая секция накопителя расположена в отдельном шкафу. Габаритные размеры шкафа 600*600*1500 мм.

При монтаже установки шкафы накопителя ставят в один ряд вблизи главного пульта питания и управления. Главный пульт питания и управления содержит следующие основные узлы: блок заряда накопителя энергии, систему охлаждения лазерного излучателя, видеоконтрольное и переговорное устройства, панель управления и выносной пульт управления.

Блоки заряда накопителя энергии включают в себя источник тока, выпрямитель и систему управления. Система управления встроена в панель управления, блоки источника и выпрямителя расположены под столом пульта управления.

Система охлаждения лазерного излучателя вмонтирована в пульт управления. Она включает в себя насос и двухконтурный водяной теплообменник. Через внутренний контур теплообменника прокачивается 0,02% раствор K2Cr2O4, циркулирующий через лазерный излучатель и охлаждающий его теплонагруженные элементы. Внешний контур теплообменника омывается водопроводной водой. Тепло, накопившееся во внутреннем контуре теплообменника, передается во внешний контур и отводится вместе с циркулирующей в нем водопроводной водой.

Видеоконтрольное и переговорное устройства являются частью промышленной телевизионной установки, в комплект которой входит также передающая камера и соединительные кабели. Видеоконтрольное устройство смонтировано на столе пульта питания и управления. Передающая камера находится вблизи операционного аппарата установки. Управление передающей камерой осуществляется дистанционно с пульта управления видеоконтрольного устройства. При этом можно выбрать необходимое поле зрения и выполнить настройку резкости изображения.

Панель управления содержит органы управления, измерительные приборы и световые индикаторы. Органами управления являются кнопки «Пуск» и «Стоп», с помощью которых осуществляется включение и выключение источника тока, кнопка «Высокое», обеспечивающая включение высоковольтного напряжения блока поджига ламп накачки операционного аппарата, кнопка «Подсветка», приводящая в действие и выключающая лампочку накаливания системы подсветки.

Кроме того, на панели находятся другие органы системы управления. Это кнопки «Одиночный» и «Периодический», с их помощью устанавливают режим однократного или периодического заряда и разряда емкостного накопителя энергии; а также кнопка «Запуск одиночный», включающая одиночный цикл (заряд-разряд) накопителя энергии, ручка потенциометра для поддержания требуемого напряжения заряда накопителя энергии, ручка потенциометра «Период» для выбора периода следования циклов заряд-разряд накопителя.

На панели управления размещены микроамперметр калориметрического измерителя энергии излучения лазера; четыре микроамперметра для измерения напряжения заряда в каждой из четырех секций емкостного накопителя энергии и микроамперметр для измерения высоковольтного напряжения блока поджига.

На панели управления находятся также следующие световые индикаторы, сигнализирующие: «Сеть» — о подключении электросети; «Высокое» — о подаче высоковольтного напряжения на блок поджига, «Подсветка» — о включении лампочки накаливания системы подсветки операционного аппарата, «Циркуляция» — о наличии циркуляции жидкости во внутреннем контуре системы охлаждения, «Заряд» — о заряде емкостного накопителя энергии.

Выносной пульт главного пульта управления связан с последним соединительным кабелем и имеет кнопку «Пуск», дублирующую кнопку «Пуск одиночный» на панели управления главного пульта, а также световой индикатор «Заряд», дублирующий индикатор «Заряд» на панели управления главного пульта питания и управления. Размеры главного пульта питания и управления установкой 1580´630´950 мм.

Для размещения установки предусмотрено два помещения: операционное и техническое. В операционном помещении устанавливают операционный аппарат с передающей телевизионной камерой, в техническом накопитель энергии и главный пульт питания и управления. Установкой управляют врач и оператор. Врач находится около  операционного  аппарата,  оператор — в техническом помещении за главным пультом питания и управления. Связь между врачом и оператором осуществляется по телевизионно-телефонным каналам телевизионной установки. Включать импульсы лазерного облучения может как оператор с главного пульта управления, так и врач с выносного пульта.

Величина термоэлектродвижущей силы (т. э. д. с.) термопары калориметрического блока, приемная площадка которого нагревается лазерным излучением, выходящим со стороны глухого зеркала лазерного излучателя, регистрируется после каждого импульса излучения милливольтметром, находящимся на пульте управления.

Основные параметры и характеристики

Технические  характеристики установки «Импульс-1» приведены ниже.

 

Длина  волны излучения,  мкм 1,06
Энергия в импульсе выходного излучения, кДж:
максимальная 1
минимальная 0,5
Длительность импульса выходного излучения, м сек 3
Максимальная частота следования импульсов при выходной
энергии в импульсе 0,5 кДж 140
Диаметр пятна лазерного излучения на объекте облучения, мм:
минимальный 2
максимальный 45

 

Размеры пятен лазерного излучения можно плавно регулировать от минимального до максимального значения. Максимальная плотность энергии лазерного излучения, создаваемая установкой на объекте облучения, достигает 30 кДж/см2.

Размеры операционного поля, обслуживаемого установкой, составляют 250 ´ 1000 мм в горизонтальной плоскости и 500 мм по высоте. Лазерный луч  перемещается в пределах операционного поля по четырем степеням свободы. Максимальное усилие для перемещения лазерного луча, прилагаемое к выводящей излучение части установки, не превышает 2,5 кг.

Охлаждение установки водяное, двухконтурное. Расход водопроводной воды во внешнем контуре охлаждения составляет 20 л/мин. Питание от трехфазной сети переменного тока напряжением 380В, частотой 50 Гц.

Мощность, потребляемая установкой от электросети, не превышает 8 кВт.

 

  1. ЛАЗЕРЫ В   ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ   И   КЛИНИЧЕСКОЙ

МЕДИЦИНЕ

 

     3.1. Влияние лучей лазера на различные ткани и органы

          Воздействие на кожу. В связи с перспективами применения лучей лазера в области дерматологии, онкологии и хирургии возникла необходимость изучить в эксперименте результаты воздействия этих лучей на кожные покровы. Последнее представлялось особенно необходимым, если учесть немногочисленность экспериментальных исследований по этому новому и важному вопросу.

Изменение в коже при воздействии лучей лазера импульсного действия разной энергии. В данной серии было 47 кроликов породы шиншилла одной (серой) масти, весом от 1 до 3 кг. Спинку каждого тщательно брили, подготовленная кожа в 5 округлых участках диаметром в 0,5-1 см без обезболивания или под гексеналовым наркозом подвергалась воздействию лучей лазера с выходной энергией в 25,50,100,150 и 180 Дж с интервалами между каждым облучением в 10-15 мин. Хотя некоторые кролики по ходу эксперимента получали суммарную энергию облучения до 500-1500 Дж, все они остались живы.

На протяжении необходимого срока за кроликами проводилось наблюдение за их общим состоянием и за динамикой макроскопических изменений облученной кожи. У подопытных кроликов не отмечалось каких-либо характерных изменений в общем состоянии, поведении, температуре тела, частоте дыхания и пульса, и все они вели обычный образ жизни и были живы на протяжении всего срока наблюдения за ними (1-2 месяца и более). В установленные сроки производилась, как сказано, биопсия облученных участков кожи для гистологического исследования.

Макроскопические изменения кожи при воздействии энергии лазерного излучения в 25-50 Дж состояли в немедленном появлении после облучения признаков своеобразного «ожога» кожи, а именно в возникновении отека участка кожи диаметром в 5 мм, вокруг которого возникал «венчик» розового цвета шириной в 1-2 мм. После воздействия большими энергиями (в 100-180 Дж), помимо этого, возникала сухая желтая или коричневая корочка с блюдцеобразным углублением в центре разной величины и приподнятым розовым венчиком вокруг, шириной в 2 мм.

Через час после облучения, а также в ближайшие трое суток на коже подопытных кроликов наблюдались те же явление, что и непосредственно после облучения.

Через 30 суток после облучения в коже обнаруживались рубцовые участки различной глубины и степени распространенности, содержащие кое-где небольшие инфильтраты из лимфоцитов и фибробластов, а также отложения глыбок гемосидерина. При уменьшении плотности энергии облучения (на участке кожи с диаметром в 1 см) характер изменений кожи был тот же, но размеры и глубина распространения их были менее выраженными.

Воздействие на кость. С целью изучения морфологических и рентгенологических изменений, возникающих в костной ткани в результате воздействия лазерного излучения, а также степени и сроков развития репаративной регенерации костной ткани в очаге поражения лазерным лучом по сравнению с механическим дефектом, Э.С.Мирзоевым были поставлены соответствующие опыты.

Предварительные (ориентировочные) эксперименты были проведены на 36 изолированных большеберцовых костях кроликов, после чего были поставлены опыты на 72 кроликах. Использовался лазер непрерывного действия на основе СО2.

При макроскопическом исследовании на облученном лазерными лучами участке возникает конусообразный дефект кости диаметром в 5-6 мм, с разноцветными концентрическими зонами. Центральная зона имеет бледно-серый цвет, средняя зона выглядит в виде каймы черного цвета, а наружная зона имеет бледно-желтый цвет, с четко очерченными границами, переходящий в бледно- мраморный оттенок.

Рентгенологические и гистологические данные показаны на рисунке 5.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок  6. Рентгенограмма кости кролика через сутки после воздействия

лучом лазера (слева) и механической травмы (справа).

 

 

 

 

 

 

 

При анализе рентгенограмм, произведенных впервые сутки наблюдения после воздействия лазерного луча, во всех наблюдениях в кортикальном слое медиальной поверхности средней трети большеберцовой кости определялся округлой формы с ровными и четкими контурами очаг деструкции диаметром около 2 мм. Других патологических изменений в большеберцовой кости выявлено не было.

При гистологическом исследовании в тот же срок был обнаружен дефект кости воронкообразной формы со сглаженными, но четкими, как бы отрезанными краями. В краевых отделах костного дефекта четко различаются четыре зоны: 1) зона обугливания, представленная массами черного, а под ними глубже- оранжевого или буровато-зеленого цвета; 2) зона разрежения ткани, в который прослеживается как бы скелет с четкими стенками гаверсовых систем и чередующимися светлыми  и темными полосами; 3) зона базофилии с едва заметной исчерченностью; 4) безъядерная зона с одинаковой окраской костного вещества. При анализе рентгенограмм, произведенных впервые сутки после механического воздействия, во всех наблюдениях на переднемедиальной поверхности средней трети диафиза большеберцовой кости определяется округлой формы дефект, проникающий в просвет костномозгового канала.

Сопоставляя результаты рентгенологических и гистологических исследований большеберцовой кости при воздействии лазерного луча и механическом ее повреждении можно полагать, что ход репаративного  процесса при обоих видах повреждениях кости в общих чертах является сходным. Примерно в один и те же сроки участки повреждения замещаются новообразованной костной тканью, более обильной при лазерном поражении. При последнем могут наблюдаться остатки обугленных костных элементов. Однако при механическом  повреждении отмечалась большая травматизация костного вещества с его растрескиванием и появлением костных фрагментов в области дефекта кости. При механическом повреждении более значительными были и расстройства кровообращения и дистрофические изменения в костном веществе отломков вблизи формирующейся мозоли.

Воздействие на легкие. В экспериментах, проведенных Е.А.Виленчуком и Г.А. Шелест, изучались результаты воздействия облучений неодимового лазера разной энергии на обнаженные легкое экспериментального животного.

Эксперименты проводились на серых кроликах обоего пола весом от 2 до 3,5 кг, которым под внутрибрюшинным гексеналовым наркозом с добавлением ингаляционным путем эфира в стерильных условиях производили переднебоковую торакотомию слева по седьмому или восьмому межреберью. Операции подверглось 18 животных.

Края раны разводили миниатюрным ранорасширителем. Во всех опытах облучению подвергалась нижняя доля левого легкого, которая выводилась в рану после захватывания  ее малым мягким окончатым зажимом.

Для того  чтобы облученный участок легкого не подвергался растяжению, зажим накладывался ближе к корню доли, а местно, на которые направлялся луч ОКГ, у основания доли. Иногда с целью увеличения мобильности нижней доли в рану оценивалась глубина наркоза при малейшей реакции животного на манипуляции в плевральной полости добавлялся эфирный наркоз. Этим удавалось предотвратить разрывы легочной ткани, возникающие при неровном дыхании кролика. Через определенные сроки (от 1 до 30 дней) животных забивали путем введения воздуха в вену уха, вскрывали левую плевральную полость, осматривали легкое, из нижней доли которого иссекали в 10%  растворе формалина с последующей заливкой в парафин. Изготовлялась серия гистологических срезов с окраской гематоксилин эозином.

При вскрытии грудной клетки у остальных подопытных животных (менее 1/3  опытов), начиная с 7-го дня, обнаруживали спайки между местом облучения и диафрагмой или перикардом, или париетальной плеврой. Непосредственно после облучения лазером на поверхности легкого появлялся участок серого цвета, несколько превышающий по диаметру площадь облучения. Внутри этого участка можно было видеть узкое кольцо розового цвета диаметром 5 мм, а в центре дефект плевры, напоминающий по внешнему виду рваную рану, чаще всего приближающийся к треугольной форме          (рисунок 7).

 

Рисунок  7. Внешний вид легкого ((а) и рентгенограмма (б) после

облучения лазером  с энергией 160 Дж (стрелками указано место

облучения)

 

 

 

 

 

 

 

При энергии излучения в 150-200 Дж в месте разрыва плевры кровотечения не наблюдалось. Начиная с 20- го дня, на месте облучения определялось  светло- серое пятно, не превышающее 3,5 мм в диаметре, с неровной поверхностью, заметно выступающее над остальной плеврой.

При гистологическом исследовании облученного ОКГ участка легкого, взятого сразу после облучения, основанием обращенный к плевре (4- 2 мм), в котором строение легкого резко нарушено, видны в котором строение легкого резко нарушено, видны контуры альвеолярных перегородок, бронхи с частично сохранившимся эпителием.

В сроки от 20 до 30 суток после облучения отмечалось резкое утолщение плевры за счет разрастания молодой соединительной ткани с большим количеством мелких расширенных кровеносных и лимфатических сосудов. На месте наблюдавшегося в ранние сроки очага некроза легочной ткани наблюдалось разрастание соединительной ткани. Отдельные участки эмфизематозы расширены, в просветах легочных альвеол клетки эпителия и макрофаги. Кровеносные и лимфатические сосуды расширены, вокруг сосудов и бронхов скопления лимфоидной ткани.

 

3.2.  Применение лазеров в клинической медицине

 

Одновременно с созданием первых лазеров  начали развиваться различные направления их применений. Создание лазеров ликвидировало качественное отличие оптики от радиоэлектроники. Лазеры большой мощности позволяют изучать разнообразные явления при взаимодействии света большой интенсивности со средой, ранее совершенно недоступные для эксперимента. В исследованиях молекулярного рассеяния света лазерные источники значительно расширили возможности экспериментальной техники, в частности позволили исследовать свойства жидкого и твёрдого гелия (затухания второго звука, связанные состояния двух ротонов в жидком гелии и тому подобное), провести первые исследования кинетики движения некоторых биологических объектов, например простейших бактерии. С помощью коротких и сверхкоротких импульсов можно изучать чрезвычайно быстрые релаксационные процессы в конденсированных средах со временем релаксации ~10-13 сек. Большие возможности открываются перед лазерной техникой в биологии и
медицине. Лазерный луч применяется не только в хирургии (например, при
операциях на сетчатке глаза) как скальпель, но и в терапии.
Интенсивно развиваются методы лазерной локации и связи. Локация Луны с
помощью рубиновых лазер  и специальных  уголковых отражателей, доставленных на Луну, позволила увеличить точность измерения расстояний Земля — Луна до нескольких сантиметров. Полная затрата энергии при этом порядка энергии, выделяющейся при сгорании десятка спичек. С помощью полупроводникового лазера осуществлена связь со спутником. Разрабатываются лазерные методы геодезических измерений и регистрации сейсмических явлений. Созданы и используются лазерные гироскопы и дальномеры.
Большое внимание уделяется созданию лазеров  с перестраиваемой частотой.
Существуют различные типы параметрических генераторов света: лазер  на
вынужденном рассеянии света и полупроводниковые лазеры, работающие в
одномодовом режиме. В результате перекрыт практически весь диапазон от 1 = 1 мм до видимой области, причём обеспечивается разрешение  10-2—10-3см-1.
Широкое применение подобных лазеров  в спектроскопии позволит во многих случаях исключить необходимость в монохроматорах, спектрографах и тому подобное. Особенно большое значение лазерная спектроскопия должна иметь для исследования короткоживущих продуктов, исследования химических реакций, биологических превращений и тому подобное.
Получены обнадёживающие результаты в направленном стимулировании химических реакций. С помощью лазеров  можно селективно возбуждать одно из собственных колебаний молекулы. Оказалось, что при этом молекулы способны вступать в реакции, которые нельзя или затруднительно стимулировать обычным нагревом. Для реализации всех имеющихся здесь возможностей необходимы мощные лазеры  с перестраиваемой частотой в ближней инфракрасной области спектра. Новые методы получения инверсии населённости (разряд с принудительной ионизацией) позволили поднять давление в активной среде молекулярных газовых лазеров  до 10—20 am. При таких давлениях колебательно-вращательные уровни молекул перекрываются вследствие столкновений, что открывает новые возможности перестройки частоты лазеров. С помощью лазерной техники интенсивно разрабатываются оптические методы обработки передачи и хранения информации, методы голографической записи информации, цветное проекционное телевидение.

По понятным причинам исключительный интерес представляет  возможность применения лучей лазера для лечения опухолей. Неудивительно, что этому новому, но весьма актуальному вопросу – об антибластическом эффекте излучения лазера — посвящено значительное количество работ как экспериментального, так и клинического характера. Появились и первые монографии о применении лазеров в онкологии.

Переходя к изложению некоторых данных о применении ОКГ в онкологии, необходимо отметить два различных подхода к использованию их излучений. Одни исследователи воздействуют малой  дозой излучений, так что центральная часть опухоли разрушается непосредственно в результате этого, а другая часть подвергается прогрессирующему некрозу. Другие же считают, что  нужно разрушить всю опухоль множественными «выстрелами» лазера, иначе рост опухоли по периферии будет  продолжаться.

В одной из своих первых статей под характерным названием «Лазер- уникальный прибор, разрушающий ткань опухоли» Minton (1964) описывают две серии опытов с опухолями, вызывающими без лечения 100% гибель животных.

Помимо приведенных и других экспериментальных данных, имеется ряд сообщений о применении лазеров и  в клинической онкологии. Так, еще  в 1964  году Goldman и Wilson описали случай облучения лазером (100 Дж) больного с множественными  поверхностными и глубокими эпителиомами  с благоприятным исходом. Авторы указывают на значительное разрушение ряда глубоких опухолей, но подчеркивают необходимость дальнейших наблюдений. Позднее Goldman (1967) описал еще несколько случаев облучения лазером больных с различными злокачественными кожными поражениями с ободряющими результатами и отмечают, что инъекция красителя увеличивает разрушение опухоли. В своей монографии, посвященной применению лазера в онкологии, Goldman (1966) подчеркивает, что для клинического  использования этого аппарата необходима  высокая энергия излучения и высокий уровень оснащения.

Лечению лучами лазера подлежат меланомы, эпителиомы, злокачественные  лимфомы, опухоли кровеносных сосудов и другие (рисунок  8). Ряд больных может лечиться амбулаторно.

Рисунок  8. Воздействие лучей неодимового лазера на экспериментальную          опухоль

а – мышь с привитой меланомой Гардинга-Пасси после первого импульса;

б – та же мышь через 15 суток после облучения- опухоли нет, образовалась корка

 

 

 

 

 

 

Все приведенные экспериментальные и клинические данные свидетельствует о  значительном  онкологическом действии лучей лазера, избирательное действие которых на опухолевую ткань зависит от многих факторов: типа, объема и структуры опухоли, ее васкуляризации  и абсорбционной способности в частности (пигментации), особенностей, мощности и длительности лазерных излучений и другие. Есть основание думать, что лучи лазера могут быть использованы для  лечения некоторых опухолей, особенно типа меланом и другие. Принципиальными преимуществами излучения лазера являются: мгновенное и локальное некротическое действие на опухолевую ткань, высокая избирательность излучений к пигментным структурам, известная повышенная чувствительность опухолей к лучам лазера, бескровность производимых вмешательств, минимальное побочное действие на окружающие опухоль нормальные ткани и на весь организм.

Помимо всего сказанного, следует иметь в виду и возможность использования лучей лазера в целях диагностики различных заболеваний (например, для просвечивания костной, сосудистой систем и другие), для освещения микрофотографирования и киносъемок внутренних полостей сердца и других органов, а также в анестезиологии для определения,  например,  концентрации паров различных газов,  употребляемых для обезболивания. Создания специальных лазеров с гибкой волоконной оптикой будет способствовать прогрессу эндоскопической техники.

Разумеется, практическая реализация описанных возможностей применения лазеров в клинической медицине потребует огромной исследовательской работы (и прежде всего экспериментальной) в разных направлениях. Лишь всестороннее и углубленное изучение особенностей действия различных оптических квантовых генераторов и их излучений с разной длиной волны позволит выявить все достоинства и недостатки этих невиданных до недавнего времени и могущественных световых излучений и объективно решить вопрос о тех или иных возможностях использования лазеров в практической медицине вообще и в области хирургии в частности.

Экспериментальные и клинические данные (правда, пока еще немногочисленные и требующие дальнейшего изучения) свидетельствуют о стимулирующем влиянии монохроматического красного света на эритропоез, на функции щитовидной железы  и надпочечников, на регенерацию  кожных и костных повреждений и на ряд других физиологических и патологических процессов.

 

 

3.3.  Техника безопасности и гигиена труда при работе с лазерами

Широкое и все нарастающее применение лазеров в самых разнообразных разделах науки, техники, промышленности, биологии, медицины и других областях человеческой деятельности неизбежно вовлекает все большее количество контингентов людей, работающих с ОКГ, а следовательно, весьма остро ставит вопрос о соблюдении определенных правил техники безопасности и гигиены труда при работе с этими приборами.

В силу того, что лазеры вошли в сферу человеческой деятельности лишь недавно, сложная проблема влияния лазерного излучения и всех компонентов,  имеющих место при работе с лазерами  изучена еще очень мало.

Однако несомненно, что при работе с лазерами может иметь место ряд неблагоприятных факторов, способных оказать комплексное воздействие на состояние здоровья и трудоспособность работающих с ОКГ. К этим факторам надо отнести: воздействие прямого и особенно отраженного или рассеянного лазерного излучения (особенно от блестящих, зеркально отражающих предметов- оптических стекол, кафельных плиток и тому подобное), возникновение микроволнового электромагнитного поля, интенсивный шум и звуковые импульсы  при «выстрелах» лазера, возрастание концентрации озона, известное нервно- эмоциональное напряжение, кумуляция при воздействии инфракрасного излучения и другие.

Уже имеющиеся, хотя еще далеко не полные, данные свидетельствуют о то, что при несоблюдении необходимых мер предосторожности при работе с лазерами могут возникать не только местные изменения в органе зрения, коже и  других органах, но и общие изменения носят не только функциональный, но и довольно выраженный и стойкий характер.

При работе с ОКГ следует особое внимание обращать на возможность поражения глаз, так  как лазерное излучение  даже  сравнительно  небольшой интенсивности  (прямое или  отраженные) может вызвать поражение сетчатой оболочки  глаза  или  других его частей и привести к  серьезным нарушениям функции зрения, вплоть до полной потери его.

Экспериментальные исследования А.И.Семенова и В.А. Сынгаевской (1970) показали, что воздействие на глаза кроликов излучения лазеров импульсного и непрерывного действия небольшой интенсивности не вызывает морфологических изменений в облучаемых глазах, но вызывает у животных различные функциональные изменения со стороны сердечно — сосудистой, центральной нервной, эндокринной систем.

Недавние эксперименты А.А.Вишневского (1971) показали, что после облучения неодимовым лазером глаз кроликов и морских свинок у них возникают дистрофические изменения в 17- м поле коры и других отделах мозга, что еще раз указывает на необходимость защиты от лазерной радиации как прямой, так и отраженной. Воздействие излучений ОКГ может вызвать то или иное поражение  кожных покровов открытых частей тела (особенно пигментированных участков), а также и внутренних органов.

В силу сказанного при эксплуатации ОКГ необходимо исключить попадание на кожу лазерного излучения любой интенсивности и любой длины волны.

Поэтому  при  работе с лазерами  необходимо  соблюдать определенные меры предосторожности  в отношении их возможного вредного воздействия на экспериментаторов, клиницистов и больных. Необходимые меры безопасности в этих случаях не должны ограничиваться только защитой  от собственно лазерного луча необходимо соблюдать все правила работы  с установками высокого напряжения.

В целях предупреждения возможного отрицательного воздействия работы с лазерами  на человека разработаны требования к  производственным  помещениям, размещению  оборудования и техническому процессу, меры по предупреждению вредного воздействия ОКГ и о общей и индивидуальной защите, различные предохранительные приспособления: специальные защитные стекла и очки, перчатки, противошумы  и  ряд других мероприятий технике безопасности.

Необходимо разработать принципы организации лазерных лабораторий, операционных, изучить вопрос о допустимых уровнях воздействия лучей лазера, определить пороговые величины  поражения  и  деструкции  лазерным излучением  различных тканей  и  органов человека.

Работающие с ОКГ должны подвергаться периодическим медицинским осмотрам в порядке диспансеризации. Однако это  лишь первоначальные профилактические  мероприятия, и если учесть, что количество работающих с лазерами  прогрессивно увеличивается с каждым годом, то  в этом отношении представителям профилактической медицины предстоит еще весьма большая исследовательская робота  по  изучению возможного отрицательного действия лазерных излучений на организм человека, результатом которой должна явиться общегосударственная инструкция  по технике безопасности  и  гигиене труда при работе с лазерами различных систем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Работы, проведенные в направлении исследования свойств лазеров, позволили не только успешно использовать лазерное излучение в клинических условиях, но и определить сферу применения тех или иных лазерных установок.

Как известно, лазеры делают в медицине буквально первые шаги, а поэтому следует признать вполне закономерным, что в начальном периоде излучения лазерной проблемы в медицине происходит в основном накопление факторов, их суммирование и лишь предварительная оценка. Только при достаточном накоплении фактического материала будет возможным его дальнейшее научное обобщение, глубокий объективный анализ и выявление основных закономерностей.

Лазеры теперь применяются в  локации  и  в  связи,  в космосе и на земле, в медицине  и  строительстве,  в  вычислительной технике и промышленности, в военной технике. Появилось новое научное направление —  голография,  становление  и  развитие  которой  также немыслимо без лазеров. Создание   лазеров-   пример    того,    как    развитие фундаментальной науки  приводит  к  гигантскому  прогрессу  в  самых различных областях техники и технологии.

Перспективным направлением можно считать применение излучения низкоэнергетических лазеров в видимой части спектра для стимулирования репаративных процессов при хронических длительно не заживающих ранах, трофических язвах, замедленной консолидации переломов, заболеваний обменного характера и другие.

Учитывая, что комбинированные методы лечения наиболее эффективны, на современном этапе онкологии лазерное излучение можно использовать при комбинированном лечении опухолей. Излучение лазера в некоторых случаях целесообразно комбинировать с ионизирующим излучением, лекарственными противоопухолевыми препаратами, хирургическими операциями.

Все возрастающий интерес к использованию лазеров в медицине привел к необходимости создания специальных лазерных отделений и операционных, достаточно приспособленных к безопасной эксплуатации. Главным вопросом становится защита медицинского и технического персонала от влияния вредных факторов лазерного излучения.

Операционное помещение должно удовлетворять следующим специальным требованиям: стены и потолок помещения должны быть окрашены темной матовой краской, а стекла окон — белой матовой краской, чтобы предохранить зрение врача и пациента от поражения лазерным излучением, случайно отраженным от стен и потолка помещения. В нем необходима хорошая приточно-вытяжная вентиляция, входные двери должны быть оборудованы светящимся табло лазерной опасности, загорающимся при включении установки.

СПИСОК  ИСПОЛЬЗОВАННОЙ  ЛИТЕРАТУРЫ: 

  1. Хромов Б.М Лазеры в экспериментальной хирургии. Ленинград «Медицина» Ленинградское отделение, 1973,С 9-172
  2. Алексеев С. В Применение лазеров в медицине. Ленинград, 1985, С 28- 31
  3. Верещагин Д.Т, Никоненко А.О, Горелик О.Б Применение лазерного излучения в хирургической практике.  Киев, 1985,С  11-13
  4. Шишко Е.О Примение оптических квантовых генераторов в биологии и медицине.  Киев, 1976, С 310-338
  5. Скобелкин О.К, Брехов Е.И, Корепанов В.И Лазерная терапия.   Клиническая медицина 1987, С 3-6
  6. Слугина К.И, Силаев А.И Лазеры и их применнеие в биологии и медицине.   Горкий 1974, С 74-80
  7. Медицинская техника (журнал) 1991, С  19- 20
  8. Хубутия Б.И Современные методы лазерной терапии.  Рязаннь 1988, С 126
  9. Крылов  К.И  Квантовые оптические генераторы (лазеры).  Ленинград, 1963, С 98-107
  10. Воробьев Н.А  Биологическое действие лазеров.  Киев, 1969, С 10-11
  11. Терентьева Л.С Использование ОКГ в современной технике и медицине. Ленинград, 1971, С 104-105