Laser jest skrótem pochodzenia w języku angielskim: LASER - "Light Amplification with Stimulated Emission of Radiation", co w tłumaczeniu oznacza "wzmocnienie światła przez stymulowane promieniowanie". Innymi słowy, laser jest urządzeniem zdolnym do wytwarzania bardzo potężnej wiązki światła monochromatycznego. Ponieważ promień lasera jest tylko strumieniem światła (nawet jeśli ma on jakieś specjalne cechy), w dalszej części tego artykułu nazywany jest promieniem światła..
Światło jest falą elektromagnetyczną (EM), która rozchodzi się w przestrzeni z ogromną prędkością (w próżni: c = 300 000 km / s). W przeciwieństwie do fal akustycznych i mechanicznych fale elektromagnetyczne zawierają dwa elementy - elektryczne i magnetyczne - których drgania harmoniczne występują we wzajemnie prostopadłych kierunkach. Z drugiej strony możemy przyjąć, że strumień światła składa się ze specjalnych cząstek (fotonów), których energia jest związana z częstotliwością światła (E = hw, h jest stałą Diraca), a ilość jest związana z intensywnością wiązki światła.
Vladimir Alexandrovich Tsepkolenko
MD, profesor, uhonorowany doktor Ukrainy,
Prezes Ukraińskiego Towarzystwa Estetycznego
medycyna, dyrektor generalny Ukrainy
Instytut Chirurgii Plastycznej
i medycyna estetyczna "Virtus"
Światło i jego dystrybucja w jednorodnym środowisku
Główną cechą światła jest jego częstotliwość w, która decyduje o przekazywanej energii. Światło o różnych częstotliwościach odbierane jest jako różne kolory. Na przykład częstotliwość czerwonego koloru jest mniejsza niż częstotliwość koloru żółtego, a żółty kolor jest mniejszy niż niebieski. Wszystkie możliwe częstotliwości światła łączą pojęcie widma..
W świetle widzialnym nie ma jednej, ale nieskończonej liczby fal o różnych częstotliwościach, które wchodzą w nie w różnych proporcjach. Ten zbiór częstotliwości nazywany jest widmową kompozycją światła (w życiu codziennym nazywany jest kolorem). Jeżeli strumień światła "zawiera" fale tylko jednej częstotliwości, wówczas jest nazywany monochromatycznym (jednak nie może być idealnie monochromatycznego światła).
Drugą ważną cechą strumienia światła jest jego intensywność I, bezpośrednio związana z energią przekazywaną w ciągu jednej sekundy.
Pojęcie częstotliwości jest niewygodne, ponieważ jego wartości liczbowe są dla nas niezwykle duże, więc często używana jest inna wielkość fizyczna - długość fali λ:
Im większa częstotliwość światła, tym mniejsza jego długość fali. Kiedy światło przechodzi z jednego medium na drugie, jego długość fali zmienia się, a częstotliwość pozostaje niezmieniona. Zwykle ten fakt jest pomijany, wspominając długość fali nie w rozpatrywanym ośrodku, ale odpowiadającą jej w próżni..
Promieniowanie widzialnego zakresu nazywa się falami EM postrzeganymi przez ludzkie oko, których długości leżą w zakresie od 400 do 760 nm (tabela 1)..
Promieniowanie nazywane jest promieniowaniem podczerwonym o długościach fal większych niż 760 nm (czerwone), nie jest już widoczne, ale odczuwamy jako ciepło pochodzące z dowolnego ogrzanego ciała..
Do ultrafioletu, wręcz przeciwnie, przenosić promieniowanie w zakresie 6-400 nm.
Odbicie i załamanie światła w interfejsie
W homogenicznym medium promień światła zawsze tworzy linię prostą. Światło samo w sobie nie zmienia kierunku, ale jeśli istnieje przeszkoda w postaci drobinek kurzu, kropelek lub granicy innego medium na ścieżce wiązki, może ona zmienić kierunek ruchu. Takie procesy nazywane są rozpraszaniem lub refrakcją..
Każde medium (czy to ciecz, gaz, czy też przezroczyste ciało stałe) charakteryzuje się pewną wartością, współczynnikiem załamania światła n. Im większa różnica między współczynnikami załamania światła, tym bardziej światło jest załamywane. Warto zauważyć, że światło padające pod kątem prostym do interfejsu nie załamuje się, ale nadal porusza się w linii prostej..
Innym efektem, który pojawia się, gdy światło przechodzi przez interfejs, jest jego odbicie od tej granicy. Odbicie zachodzi prawie zawsze i jest tym większy, im mniejszy jest kąt pomiędzy belką a interfejsem między mediami (strumień odbija się od niego). Jeśli światło wchodzi w niejednolity ośrodek, jest rozpraszane. Podczas rozpraszania część światła jest prawie zawsze "odbijana", zmieniając kierunek ruchu na przeciwny.
Efekty rozpraszania i refleksji grają z reguły pasożytniczą rolę, ponieważ prowadzić do strat energii, a co gorsza do nieukierunkowanego ogrzewania.
Rozproszenie jest tym bardziej intensywne, im większa jest różnica między współczynnikami refrakcji ośrodka i niejednorodnościami (lub dwoma różnymi mediami - skórą i powietrzem). Zmniejszenie różnicy między współczynnikami załamania zmniejsza refleks i zmniejsza rozpraszanie..
Absorpcja światła i chromofory
Kiedy duża ilość światła jest pochłaniana, pochłonięta substancja nagrzewa się, to znaczy za pomocą lasera można ogrzać wewnętrzną warstwę skóry bez podgrzewania zewnętrznych warstw, a głębokość ogrzanej tkanki jest wybierana poprzez wybór częstotliwości światła laserowego..
Substancja pochłaniająca światło nazywana jest chromoforem. W roli chromoforu może być dowolny składnik ludzkiego ciała: hemoglobina we krwi, melanina, tłuszcz, woda w komórkach, obca materia (guzy, krwiaki), ściany naczyń. Zależność współczynnika absorpcji od długości fali padającego światła (widma absorpcyjnego) dla większości składników skóry jest znana (Tabela 2, ryc. 2.5-1), która pozwala wybrać z dostępnych długości fali laserowej tę, która będzie maksymalnie absorbowana przez obiekt docelowy, wpływając jak najmniej sąsiedzi.
Rozważmy bardziej szczegółowo absorpcję światła o różnych długościach fali przez główne chromofory, które tworzą skórę..
Światło ultrafioletowe (UV) o długości fal w zakresie od 200 do 290 nm jest dobrze absorbowane przez wszystkie obiekty biologiczne (komórki i tkanki). Zwiększając długość fali od 300 do 400 nm, absorpcja UV jest zauważalnie osłabiona i występuje głównie z powodu kwasów nukleinowych i bezbarwnych obszarów skóry..
Światło widzialne (długości fali od 400 do 760 nm) jest dobrze absorbowane przez krew (hemoglobinę) i barwnik (melaninę). Pozostałe komórki i woda praktycznie nie absorbują w tym zakresie, dlatego kolor skóry silnie zależy od pigmentacji górnych warstw i przepływu krwi. Również w tym zakresie może wchłaniać obce substancje wprowadzone do skóry (na przykład pigmenty tatuażowe)..
W zakresie podczerwieni (IR) (ponad 760 nm) wzrasta absorpcja wielu biomolekuł, a absorpcja melaniny i hemoglobiny znacznie się zmniejsza. Długości fal większe niż 1200 nm są absorbowane głównie przez wodę (maksymalna długość wynosi około 2900 nm) zawartą w ciele prawie wszędzie. W zakresie 1200-1700 nm jest maksymalna absorpcja tłuszczu. Przy około 6000-7000 nm współczynnik absorpcji światła przez kolagen wzrasta dramatycznie, co pozwala na bezpośrednie ogrzewanie, a nie przez przenoszenie ciepła z cząsteczek wody (jak to się dzieje podczas używania lasera Er.YAG i CO2).
Spośród wszystkich chromoforów skóry, hemoglobiny, melaniny i wody są najbardziej interesujące, ponieważ ich maksima absorpcji leżą w różnych regionach widma i są dobrze reprezentowane w skórze.
Woda jest przezroczysty w zakresie długości fal światła widzialnego, a jego pobliżu (200-900 nm), ale pochłania światło o długości fali mniejszej niż 150 do ponad 1300 nm. Maksymalna absorpcja wynosi około 2940 nm, po czym stopniowo maleje, ale pozostaje znacząca do 12 mikronów i więcej..
Hemoglobina. Maksymalne pochłanianie światła dla oksy- i dezoksyhemoglobiny znajdują się w pobliżu 415, 430, 540, 555 nm (ryc. 2.5-1). W tym samym czasie, wraz ze wzrostem długości fali, intensywność wchłaniania zmniejsza się średnio. Interesujący jest zakres 600-750 nm, w którym dezoksyhemoglobina ma oczywistą zaletę. Przy długościach fal większych niż 1100 nm, absorpcja przez hemoglobinę jest tracona na tle znacznie zwiększonej absorpcji światła przez wodę..
Melanina. Absorpcja światła przez melaninę raczej szybko maleje wraz ze wzrostem długości fali od 300 do 1000 nm. W zakresie 300-450 nm absorpcja jest maksymalna, jednak te długości fal są znacznie silniej absorbowane przez hemoglobinę. Światło o długości fal 450-500 i 600-1000 nm melaniny pochłania bardziej intensywnie niż wszystkie inne chromatofory, a przy długości fali powyżej 1100 nm jest tracone na tle wody.
Węgiel. Pomimo tego, że jest to podstawa wszelkiego znanego życia, czysty węgiel wchodzi do zdrowych tkanek tylko z zewnątrz (na przykład tatuaż), ale emitowany jest w postaci grafitu z organicznych cząsteczek, gdy są one ogrzewane przez długi czas do temperatury kilkuset stopni. Ze względu na bardzo silne pochłanianie w szerokim zakresie długości fal, węgiel nie przenosi światła do skóry, co prowadzi do wysokiego ogrzewania powierzchni..
Różne składniki skóry (jak każdy inny organ) często absorbują światło o różnych długościach fal, które można skutecznie stosować w medycynie. Widma absorpcji i stężenia głównych chromoforów w różnych częściach skóry całkowicie determinują jej interakcję z monochromatycznym światłem lasera, a tym samym reakcję na zabiegi dermatologiczne..
Selektywne ogrzewanie poszczególnych elementów skóry nazywane jest selektywną fototermolizą, punktową naturą ogrzewania, która zmniejsza prawdopodobieństwo uszkodzenia tkanki termicznej na dużą skalę. Ponieważ obszary ogrzewania są zlokalizowane, technika ta, w porównaniu do innych, zwykle zmniejsza ból.
Ogrzewanie substancji pochłaniającej światłem
Każde medium charakteryzuje się pewnym współczynnikiem pochłaniania światła m (w) ...
Kiedy monochromatyczna wiązka światła wchodzi do jednorodnego ośrodka o współczynniku pochłaniania m = 1,00 mm - 1, ilość energii świetlnej osiągająca głębokość h jest określona przez prawo wykładnicze. Oznacza to, że głębokość 1 mm dochodzi tylko do 36% padłego światła (pozostałe 64% zostało pochłonięte przez górną warstwę). Przy następnym milimetrach pochłonęło 22% początkowej ilości energii, a tylko 5% światła padającego na powierzchnię osiągnie głębokość 3 mm. Temperatura podgrzanego medium wzrasta w ten sam sposób (rys. 2.5-2).
W związku z tym, gdy światło wnika w głąb ośrodka absorpcyjnego, jego natężenie gwałtownie spada.
Rodzaje laserów: pulsacyjne i ciągłe
Główną cechą promieniowania laserowego, która odróżnia ją od wszystkich innych źródeł światła, jest monochromatyczność (wszystkie emitowane fale mają tę samą częstotliwość). Częstotliwość (długość fali) - unikalna charakterystyka każdego lasera - jest określona przez jej wewnętrzne urządzenie (długość wnęki i substancja promieniująca). Oprócz częstotliwości urządzenie laserowe określa również jego główny tryb działania: pulsacyjny lub ciągły.
Lasery impulsowe emitują światło w postaci błysków światła (impulsów) trwających w tysięcznych, milionach, a nawet miliardach ułamków sekundy, ale energia przekazywana do każdego z nich jest stosunkowo wysoka. Często kilka takich impulsów jest łączonych w jeden makro-puls, który charakteryzuje się liczbą impulsów, czasem ich trwania i przerwami między nimi. Czas trwania impulsu makrowego wynosi zwykle setne, tysięczne sekundy, a energia w nim transmitowana jest równa iloczynowi liczby impulsów i energii każdego z nich. Czas działania jednego mikropulsu, maksymalna częstotliwość ich powtarzania i maksymalna energia każdego z nich są określone przez projekt lasera. Natomiast parametry impulsu makro można zwykle kontrolować w pewnych granicach, aby osiągnąć cel..
Ze względu na bardzo krótki czas trwania impulsu ludzkie oko nie ma czasu, aby dostrzec punkt uderzenia wiązki takiego lasera, dlatego często jest "oświetlane" przez słabą, ale ciągłą wiązkę utworzoną przez prostsze urządzenie..
Lasery impulsowe obejmują lasery rubowe, aleksandrytowe, neodymowe, Er.YAG i diodowe, a także lasery barwnikowe. Większość z nich opiera się na solidnym rdzeniu z pompowaniem lampy..
Lasery ciągłe, jak sama nazwa wskazuje, tworzą ciągły strumień świetlny, którego plamka na powierzchni skóry jest widoczna gołym okiem (jeśli długość fali lasera leży w widzialnym zakresie długości fal: 400-760 nm) w przeciwieństwie do plamek laserów impulsowych. Natychmiastowa moc ciągłych laserów jest znacznie mniejsza niż w przypadku laserów impulsowych, ale ich czas ekspozycji jest zasadniczo nieograniczony. Względnie powolne dostarczanie energii może być korzystne w przypadkach, w których szybkie ogrzewanie jest niepożądane, ale z drugiej strony, gdy przetwarza się szeroką klasę uszkodzeń, taki laser może prowadzić do silnych niedocelowych uszkodzeń termicznych, ponieważ ciepło dostarczane do nich udaje się wnikać głęboko w skórę i mocno ją podgrzewać.
Zaletą laserów ciągłych jest to, że prawie każdy z nich można "przekształcić" w impulsowy za pomocą mechanicznego lub elektro-optycznego przerywacza, który blokuje przepływ światła z pewną częstotliwością.
Lasery ciągłe, z reguły, używają rezonatora gazu lub cieczy, sposoby ich pompowania mogą być dość różnorodne (często przy użyciu wyładowania elektryczno-elektrycznego). Ten typ obejmuje lasery CO2 i He-Ne, a także wiele laserów barwnikowych.
Inny wariant medycznej klasyfikacji laserów oparty jest na podstawowym modelu ich zastosowania..
Lasery chirurgiczne i ablacyjne (CO2 i Er.YAG) określane są jako "uszkadzające", których promieniowanie jest pochłaniane przez wszystkie tkanki wszędzie (głównym chromoforem jest woda). Dlatego, jeśli dostarczono wystarczającą ilość energii na skórę, gwarantowane jest jej całkowite zniszczenie..
"Nieniszczące" można nazwać tymi laserami, które są stosowane głównie zgodnie z metodą selektywnej fototermolizy (lasery dermatologiczne), tj. ich promieniowanie jest pochłaniane tylko przez poszczególne elementy tkaniny, a niebezpieczne nagrzewanie większości z nich często nie występuje.
Ta "klasa" obejmuje większość laserów emitujących w zakresie widzialnym i działających w trybie pulsacyjnym: argon, aleksandryt, Nd.YAG, dioda, laser pary miedzianej i lasery barwnikowe. Może to również obejmować słabe lasery, stymulujące procesy biochemiczne w głębi skóry bez żadnego działania destrukcyjnego (terapia o niskiej intensywności).
Warto podkreślić, że przy nadmiernie zainstalowanej mocy każdy laser może spowodować poważne obrażenia zarówno pacjenta, jak i personelu medycznego..
Główne cechy impulsu laserowego
Propagacja fali świetlnej zawsze wiąże się z transferem energii. Źródło promieniowania charakteryzuje się mocą P - ilością energii emitowanej w ciągu jednej sekundy. Moc mierzona w watach: 1 W = 1 J / s.
Jednak moc nie zawsze jest najdogodniejszą cechą: jedno i to samo źródło ciepła może być ogrzewane inaczej, w zależności od tego, ile materii jest przez nie ogrzewane. Innymi słowy, im więcej powierzchni będziemy "próbować" ogrzewać, tym słabsze będzie ogrzewanie. Dlatego, zamiast źródła energii, wygodniej jest używać gęstości mocy promieniowania padającego na powierzchnię:
Im większa gęstość mocy, tym silniejszy efekt źródła. Właśnie dla tego parametru lasery są wielokrotnie lepsze od innych źródeł światła..
Procesy zachodzące w ogrzewanym obszarze są wyznaczane przez gęstość energii promieniowania (e) przenoszoną na jednostkę powierzchni skóry. Gęstość energii (przekazywana przez jeden impuls) można znaleźć na dwa sposoby:
Stosunek energii impulsu do obszaru plamki lasera;
Jako iloczyn czasu trwania impulsu i gęstości mocy promieniowania.
Przy tej samej mocy impulsu gęstość energii silnie zależy od obszaru plamki: gdy obszar maleje, gęstość energii na oświetlanej powierzchni wzrasta, a jej ogrzewanie odpowiednio się zwiększa..
Oprócz długości fali, czasu trwania impulsu i jego energii, charakterystyka lasera obejmuje inne, bardziej subtelne parametry (określone przez projekt): profil pulsacyjny (dla laserów impulsowych) i profil wiązki.
Przestrzenny profil wiązki
Promieniowy rozkład gęstości mocy wiązki laserowej nazywany jest jej profilem przestrzennym, dla większości laserów odnosi się do jednego z następujących typów:
Gaussian (w kształcie dzwonu, "natywny" dla laserów) - więcej energii jest dostarczane do środka plamki lasera niż do jej krawędzi (Rysunek 2.5-3); podczas przetwarzania dużych w porównaniu z plamą powierzchni, ta niejednorodność jest brana pod uwagę przy pomocy pewnego (15-20%) nakładania się sąsiednich plamek (ryc. 2.5-5);
płaskie - gęstość mocy wiązki jest równomiernie rozłożona na całym obszarze plamki (ryc. 2.5-4); wspólne dla laserów światłowodowych.
Technika selektywnej fototerapii
Technika selektywnej fototermolizy opiera się na monochromatyczności promieniowania laserowego, bezwładności propagacji ciepła i znajomości widm absorpcyjnych chromoforów skóry. Umożliwia pojedynczy błysk światła do ogrzania ogromnej liczby małych, ale kontrastujących elementów skóry do wysokiej temperatury, prawie bez podgrzewania reszty materiału..