Введение

Одним из крупнейших достижений науки и техники XX века, наряду с другими открытиями, является создание генераторов индуцированного электромагнитного излучения – лазеров. В основу их работы положено явление усиления электромагнитных колебаний при помощи вынужденного, индуцированного излучения атомов и молекул, которое было предсказано еще в 1917 г. Альбертом Эйнштейном при изучении им равновесия между энергией атомных систем и их излучением. С этого времени, пожалуй, и начинается история создания лазеров.

Лазеры представляют собой источники света, работающие на базе процесса вынужденного (стимулированного, индуцированного) испускания фотонов возбужденными атомами или молекулами под воздействием фотонов излучения, имеющих ту же частоту. Отличительной чертой этого процесса является то, что фотон, возникающий при вынужденном испускании, идентичен вызвавшему его появление внешнему фотону по частоте, фазе, направлению и поляризации. Это определяет уникальные свойства квантовых генераторов: высокая когерентность излучения в пространстве и во времени, высокая монохроматичность, узкая направленность пучка излучения, огромная концентрация потока мощности и способность фокусироваться в очень малые объемы. 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.

Целью данной работы является рассмотрение особенностей применения лазера в медицине.

Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:

- Описать сущность и природу лазерного излучения;

- Раскрыть общие представления о применении лазера в медицине;

- Описать различные сферы применения лазерных технологий в медицине.

1. Сущность лазерного излучения

Одним из самых замечательных достижений физики второй половины двадцатого века было открытие физических явлений, послуживших основой для создания удивительного прибора -оптического квантового генератора, или лазера.

Лазер представляет собой источник монохроматического когерентного света с высокой направленностью светового луча. Само слово “лазер” составлено из первых букв английского словосочетания, означающего усиление света в результате вынужденного излучения”.[1]

Действительно, основной физический процесс, определяющий действие лазера, - это вынужденное испускание излучения. Оно происходит при взаимодействии фотона с возбужденным атомом при точном совпадении энергии фотона с энергией возбуждения атома (или молекулы)

В результате этого взаимодействия атом переходит в невозбужденное состояние, а избыток энергии излучается в виде нового фотона с точно такой же энергией, направлением распространения и поляризацией, как и у первичного фотона. Таким образом, следствием данного процесса является наличие уже двух абсолютно идентичных фотонов. При дальнейшем взаимодействии этих фотонов с возбужденными атомами, аналогичными первому атому, может возникнуть “цепная реакция” размножения одинаковых фотонов, “летящих” абсолютно точно в одном направлении, что приведет к появлению узконаправленного светового луча. Для возникновения лавины идентичных фотонов необходима среда, в которой возбужденных атомов было бы больше, чем невозбужденных, поскольку при взаимодействии фотонов с невозбужденными атомами происходило бы поглощение фотонов. Такая среда называется средой с инверсной населенностью уровней энергии.

Итак, кроме вынужденного испускания фотонов возбужденными атомами происходят также процесс самопроизвольного, спонтанного испускания фотонов при переходе возбужденными атомами в невозбужденное состояние и процесс поглощения фотонов при переходе атомов из невозбужденного состояния в возбужденное. Эти три процесса, сопровождающие переходы атомов в возбужденные состояния и обратно, были постулированы А. Эйнштейном в 1916 г.

Если число возбужденных атомов велико и существует инверсная выделенность уровней (в верхнем, возбужденном состоянии атомов больше, чем в нижнем, невозбужденном), то первый же фотон, родившийся в результате спонтанного излучения, вызовет всенарастающую лавину появления идентичных фотонов. Произойдет усиление спонтанного излучения.

На возможность усиления света в среде с инверсной населенностью за счет вынужденного испускания впервые указал в 1939 г. советский физик В.А.Фабрикант, предложивший создавать инверсную населенность в электрическом разряде в газе.

При одновременном рождении (принципиально это возможно) большого числа спонтанно испущенных фотонов возникнет большое число лавин, каждая из которых будет распространяться в своем направлении, заданном первоначальным фотоном соответствующей лавины. В результате мы получим потоки квантов света, но не сможем получить ни направленного луча, ни высокой монохроматичности, так как каждая лавина инициировалась собственным первоначальным фотоном. Для того чтобы среду с инверсной населенностью можно было использовать для генерации лазерного луча, т. е. направленного луча с высокой монохроматичностью, необходимо “снимать” инверсную населенность с помощью первичных фотонов, уже обладающих одной и той же энергией, совпадающей с энергией данного перехода в атоме. В этом случае мы будем иметь лазерный усилитель света.[2]

Существует, однако, и другой вариант получения лазерного луча, связанный с использованием системы обратной связи. Спонтанно родившиеся фотоны, направление распространения которых не перпендикулярно плоскости зеркал, создадут лавины фотонов, выходящие за пределы среды. В то же время фотоны, направление распространения которых перпендикулярно плоскости зеркал, создадут лавины, многократно усиливающиеся в среде вследствие многократного отражения от зеркал. Если одно из зеркал будет обладать небольшим пропусканием, то через него будет выходить направленный поток фотонов перпендикулярно плоскости зеркал. При правильно подобранном пропускании зеркал, точной их настройке относительно друг друга и относительно продольной оси среды с инверсной населенностью обратная связь может оказаться настолько эффективной, что излучением “вбок” можно будет полностью пренебречь по сравнению с излучением, выходящим через зеркала. На практике это, действительно, удается сделать. Такую схему обратной связи называют оптическим резонатором, и именно этот тип резонатора используют в большинстве существующих лазеров.

2. Применение лазера в медицине

Совершенно особого разговора заслуживает применение лазеров в медицине. Ещё на заре развития лазерной техники медиков привлекла возможность использования лазеров в хирургии. Уже в середине 60-ых годов XX века были построены лазерные установки, которые с успехом использовались при хирургических операциях. В этих установках лазер соединен с гибким световодом, изготовленным из тончайших стеклянных или пластмассовых трубок (все те же оптические волокна). На конце световода закреплена головка с фокусирующей линзой. Световод вводится внутрь организма через небольшой разрез или другим доступным способом. Манипулируя световодом, хирург направляет луч лазера на оперируемый объект, оставляя нетронутыми соседние органы и ткани. При этом достигается высокая точность и стерильность оперативного вмешательства. При таких операциях значительно сокращается кровопотеря, что облегчает протекание послеоперационной реабилитации.[3]

Особенно широкое применение нашли лазерные инструменты в хирургии глаза. Глаз, как известно, представляет орган, обладающий очень тонкой структурой. В хирургии глаза особенно важны точность и быстрота манипуляций. Кроме того выяснилось, что при правильном подборе частоты излучения лазера оно свободно проходит через прозрачные ткани глаза, не оказывая на них никакого действия. Это позволяет делать операции на хрусталике глаза и глазном дне, не делая никаких разрезов вообще. В настоящее время успешно проводятся операции по удалению хрусталика путём испарения его очень коротким и мощным импульсом. При этом не происходит повреждение окружающих тканей, что ускоряет процесс заживления, составляющий буквально несколько часов. В свою очередь, это значительно облегчает последующую имплантацию искусственного хрусталика. Другая успешно освоенная операция – приваривание отслоившейся сетчатки.

Лазеры довольно успешно применяются и в лечении таких распространённых сейчас заболеваний глаза как близорукость и дальнозоркость. Одной из причин этих заболеваний является изменение в силу каких-либо причин конфигурации роговицы глаза. С помощью очень точно дозированных облучений роговицы лазерным излучением можно исправить её изъяны, восстановив нормальное зрение. Трудно переоценить значение применения лазерной терапии при лечении многочисленных онкологических заболеваний, вызванных неконтролируемым делением видоизменённых клеток. Точно фокусируя луч лазера на скоплении раковых клеток, можно полностью уничтожить эти скопления, не повреждая здоровые клетки.

Разнообразные лазерные зонды широко используются при диагностике заболеваний различных внутренних органов, особенно в тех случаях, когда применение других методов невозможно или сильно затруднено.

3. Сферы применения лазера в медицине

Приведены области применения специализированных терапевтических лазерных комплексов (табл. 1), а также инструменты лазерной терапии (табл. 2).

Таблица 1

Список областей применения[4]

Область медицины	Специализация
Хирургия	Предоперационная подготовка, облучение в процессе операции, послеоперационная реанимация
Реанимация, трансфизиология
Травматология	Неотложная помощь в условиях травматологического пункта
Восстановительная терапия травм (раны, переломы, ожоги и т.п.)
Ортопедия	Терапия артрозов, артритов, остеохондрозов, остеомиелитов
Гинекология, акушерство	Оперативная гинекология, терапия послеродовых осложнений родильниц
Амбулаторная терапия гинекологической патологии
Урология, нефрология	Терапия урологической патологии (циститы, уретриты, простатиты, нефриты) в клинических условиях
Проктология	Терапия проктологической патологии (проктиты, парапроктиты, геморрой, трещины прямой кишки)
Гастро- энтерология	Неинвазивная терапия (язвы желудка и 12-перстной кишки, гастриты, колиты и т.п.)
Отоларингология	Предоперационная подготовка и послеоперационная терапия, терапия хронической ЛОР-патологии
Кардиология	Терапия стенокардии, гипертонии и ИБС
Пульмонология, фтизиатрия	Терапия острых и хронических заболеваний
Невропатология	Лазерный массаж, лазерная рефлексотерапия при остеохондрозах, невралгиях, миозитах
Дерматология, венерология	Терапия обширных очагов поражения при дерматитах, экземах и др.
Фотофорез лекарственных препаратов, облучение крови
Терапия осложнений венерологических заболеваний
Косметология	Массаж лица, шеи, зоны декольте для омолаживания кожи и разглаживания морщин
Терапия целлюлитов
Стоматология	Лазерная терапия стоматологической патологии
Педиатрия	Лазерная терапия педиатрической патологии в амбулаторных условиях
Физиотерапия	Кабинет лазеротерапии
Военнополевая и неотложная медицина	Оказание медицинской помощи в полевых условиях

Таблица 2

Инструменты для лазерной терапии[5]

НИЛУ-Л1	Универсальный набор световодных инструментов для наружной и полостной терапии в различных областях медицины: комплект прямых и изогнутых стерилизуемых манипуляторов (катетеров), формирующих лазерный пучок с конической или цилиндрической индикатриссой рассеивания.
НИЛУ-ГИ	Ректо-вагинальный набор световолоконных инструментов для лазерного фотофореза лекарственных веществ в слизистые прямой кишки и влагалища в проктологии и гинекологии: магистрапьный световод и комплект сменных стерилизуемых рассеивателей.
НИЛУ-УР	Урологический набор световодных инструментов для лечения простатитов: комплект сменных стерилизуемых рассеивателей с разворотом излучения Side Focus для облучения простаты через стенку прямой кишки.
НИЛУ-И	Набор ипликаторных массажеров с лазерной стимуляцией: три насадки различной ширины с игольчатыми роликами и рассеивателями лазерного излучения.
НИЛУ-Б1	Набор для лазерной баротерапии в различных областях медицины: 2 банки (диаметром 20 и 30 или 40 и 50 мм) с зеркальным покрытием и отсасывающими эластичными баллонами.
НИЛУ-Б2	Большой набор для лазерной баротерапии в различных областях медицины: 6 банок различных размеров с зеркальным покрытием, магистральный световод и микрокомпрессор.
НИЛУ-К	Косметологический набор: 3 косметологические насадки для лазерной баротерапии с зеркальным покрытием, микрокомпрессор.
НИЛУ-Ц	Набор для лазерной терапии целлюлитов: 2 баровакуумных лазерных массажера, микрокомпрессор, ипликаторный лазерный массажер.
НИЛУ-КР	Набор световолоконных инструментов для неинвазивного облучения крови - трансмукозного, экстракорпорального, транскутанного: фотореакторная камера для экстракорпорального лазерного обл учения крови через стенки одноразовой системы переливания, баролазерная насадка для транскутанного облучения крови, комплект насадок для трансмукозного облучения крови.
НИЛУ-С	Большой стоматологический набор световодных инструментов: комплект насадок для облучения пульпы и пародонта, трансмукозного облучения крови.

Заключение

В результате проделанной работы были рассмотрены особенности применения лазера в медицине.

При рассмотрении данного вопроса были решены следующие задачи:

- Описана сущность и природа лазерного излучения;

- Раскрыты общие представления о применении лазера в медицине;

- Описаны различные сферы применения лазерных технологий в медицине.

Поток света, распространяющийся от любого источника, есть суммарный результат высвечивания великого множества элементарных излучателей, каковыми являются отдельные атомы или молекулы светящегося тела. В случае лампы накаливания каждый атом-излучатель высвечивается, никак не согласуясь с другими атомами-излучателями, поэтому в целом получается световой поток, который можно назвать внутренне неупорядоченным, хаотическим. Это есть некогерентный свет. В лазере же гигантское количество атомов-излучателей высвечивается согласованно — в результате возникает внутренне упорядоченный световой поток. Это есть когерентный свет.

Современная лазерная техника позволяет регулировать длительность, энергию и даже форму лазерных импульсов. Регулируется и частота следования импульсов; это очень важно, так как от частоты следования импульсов существенно зависит средняя мощность лазерного излучения.

За последнее время в России и за рубежом были проведены обширные исследования в области квантовой электроники, созданы разнообразные лазеры, а так же приборы, основанные на их использовании. Лазеры применяются в локации и связи, в космосе и на земле, в медицине и строительстве, в вычислительной технике и строительстве. Становление и развитие голографии также немыслимо без лазеров.

Список литературы

1. Донина Н.М. Возникновение квантовой электроники. М.: Наука, 1994.

2. Брюннер В., Юнге К. Справочник по лазерной технике. / Под ред. А.П. Напартовича. М.: Энергоатомиздат, 2002.

3. Карлов Н.В. Лекции по квантовой электронике. М.: Наука, 1999.

4. Приезжев А.В., Тучин В.В., Шубочкин Л.П. Лазерная диагностика в биологии и медицине. М.: Наука, 1999.

5. Хабаров Н.А. Современные методы лазерной терапии. / Отв. Ред. Б.И. Хубутия. – Рязань.: Литус, 2001.

[1] Карлов Н.В. Лекции по квантовой электронике. М.: Наука, 1999. – с. 51.

[2] Брюннер В., Юнге К. Справочник по лазерной технике. / Под ред. А.П. Напартовича. М.: Энергоатомиздат, 2002. – с. 13.

[3] Хабаров Н.А. Современные методы лазерной терапии. / Отв. Ред. Б.И. Хубутия. – Рязань.: Литус, 2001. – с. 37.

[4] Приезжев А.В., Тучин В.В., Шубочкин Л.П. Лазерная диагностика в биологии и медицине. М.: Наука, 1999. – с. 63.

[5] Хабаров Н.А. Современные методы лазерной терапии. / Отв. Ред. Б.И. Хубутия. – Рязань.: Литус, 2001. – с. 122.