Глава 1

Физические основы действия лазерного излучения

Чтобы понять, что такое лазеры и как они работают, для начала нужно разобраться в том, что представляет собой свет, на взаимодействии которого с кожей и основаны все световые и фототерапевтические методы в косметологии и эстетической медицине.

1.1. Что такое свет

Свет — электромагнитное излучение, испускаемое нагретым или находящимся в возбужденном состоянии веществом. В повседневной жизни светом мы считаем то, что можем увидеть глазами, — видимый диапазон электромагнитного спектра, однако это совсем малая его часть (рис. I-1-1). Электромагнитный­ спектр включает в себя разные виды электромагнитного излучения, отличающиеся друг от друга частотой, длиной волны и мощностью переносимой энергии, что будет определять их свойства и особенности взаимодействия­ с биологическими тканями.

( )

Рис. I-1-1. Шкала электромагнитных колебаний

12 ЛАЗЕРЫ В ПРАКТИКЕ КОСМЕТОЛОГА И ДЕРМАТОЛОГА

Само по себе электромагнитное излучение представляет собой взаимо­ связанные колебания электрического и магнитного полей, составляющих единое электромагнитное поле — волны. Исходя из этого, в упрощенном виде:

частота электромагнитного излучения (ν) — это число гребней электромагнитной­ волны, которые за секунду проходят мимо точки отсчета (наблюдателя, детектора и т.д.). Измеряется частота в герцах (Гц), 1 Гц — это одно колебание в секунду, 1 мегагерц (МГц) — миллион колебаний в секунду;

длина волны (λ) — это расстояние между двумя соседними гребнями волны, которое измеряется в единицах длины (нм, мм и т.д.) (табл. I-1 1).

Таблица I-1-1. Спектральные полосы оптического излучения

Электромагнитное излучение, соответствующее инфракрасному, видимому, ультрафиолетовому (УФ) и рентгеновскому диапазонам, лежит в основе методов, относящихся к медицинским фототехнологиям, в дерматологии и косметологии в основном используют первые три. Низкоинтенсивное длинноволновое­ рентгеновское излучение (0,1–0,25 нм) применяется в поверхностной рентгенотерапии (так называемая Букки-терапия) для лечения кожных патологий, таких как келоидные рубцы.

1.2. Что такое лазерное излучение

Слово лазер — от англ. LASER, представляет собой акроним от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, усиление света посредством вынужденного излучения.

Отправной точкой в создании лазеров являются работы Альберта Энштейна, который в 1916 г. обнародовал не только свою знаменитую теорию относительности, но и представил научному сообществу концепцию индуцированного излучения — именно она стала основой для создания лазеров.

Предшествовало ей открытие, показавшее, что при переходе электрона

сверхнего высокоэнергетического уровня на более низкоэнергетический разность между энергиями этих уровней испускается в виде фотонов, характеризующихся определенной длиной волны. Какой — зависит от разности энергии между электронными уровнями, т.е. по сути — характеристик конкретного химического элемента.

Эйнштейн предположил, что при попадании подобного фотона в среду

сбольшим количеством возбужденных структур, идентичных «родительским», он индуцирует переход квантовой системы (атома/молекулы) из возбужденного в стабильное состояние, т.е. возвращение электронов на свои стабильные уровни, и приводит к генерации нового фотона, который будет иметь точно такую же длину волны, импульс, энергию, фазу и поляризацию, как и первичный фотон. В свою очередь, новый фотон будет аналогичным образом воздействовать на другие возбужденные структуры, и реакция будет развиваться цепным образом. Таким образом, произойдет усиление света путем вынужденного излучения — то самое Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. В результате слабый поток света в среде лазера усиливается, причем не хаотично, а в одном заданном направлении — следовательно, мы можем получить «усиленный» световой поток с полностью пред-

сказуемыми характеристиками.

1.3. Лазеры в дерматокосметологии

Несмотря на то что теоретические основы были заложены, до практической реализации идей Эйнштейна, а также многих других известных физиков (Поля Дирака, Луи де Бройля и др.) дело дошло только «благодаря» Второй мировой войне, когда исследования в области сверхвысоких радиочастот привели к развитию радиоспектроскопии, теории колебаний и сверхвысокочастотной электроники (СВЧ), создав базу для разработки принципиально новых аппаратов — лазеров.

В начале 1950-х гг. Николай Геннадиевич Басов, Александр Михайлович Прохоров (Физический институт им. П.Н. Лебедева) и Чарлз Хард Таунс (Charles Hard Townes) из Колумбийского университета (США) независимо друг от друга разрабатывают первый молекулярный генератор, работающий на парах аммиака. Устройство позволяло получать индуцированное излучение и усиливать проходящие через него радиоволны микроволнового диапазона — Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation (MASER). Вскоре был создан мазер на пучке молекул водорода.

14 ЛАЗЕРЫ В ПРАКТИКЕ КОСМЕТОЛОГА И ДЕРМАТОЛОГА

Со световыми волнами стали работать позже — в 1957–1958 гг. Гордон Гулд (Gordon Gould) по результатам активного научного общения с Таунсом подготовил для американского патентного бюро чертежи оптического мазера и даже успел придумать название новой технологии, которая должна была позволить усиливать световые волны посредством индуцированного излучения — Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER). Новый термин был озвучен на конференции в 1959 г. и в конце концов стал общепринятым. Но первый в мире реально работающий рубиновый лазер представил Теодор Мейман (Theodore Maiman) в 1960 г., именно он и считается создателем лазеров.

В 1961 г. появилась первая публикация советских ученых о создании и испытании лазерной установки на рубине. В том же году научное сообщество узнало о лазере на иттриево-алюминиевом гранате с неодимом (Nd:YAG).

В1962 г. был создан аргоновый лазер, а в 1964 г. — лазер на диоксиде угле-

рода (СО2).

Лазер Меймана сам по себе еще не имел отношения к медицине или косметологии, но уже в 1961 г. журнал Nature опубликовал первые результаты применения подобного устройства для фотокоагуляции сетчатки. Первым же дерматологом, использовавшим лазер для косметологических целей, стал Леон Голдман (Leon Goldman), считающийся отцом лазерной медицины.

В1963 г. он обнародовал результаты применения рубинового лазера с длиной волны 694 нм для воздействия на пигментированную кожу и волосяные фолликулы, в 1965 г. предложил использовать его для удаления татуировок. Но FDA не утвердило применение рубинового лазера для эпиляции, так как существовали технические проблемы с его точной фокусировкой. Однако Голдман все равно продолжал исследования в этом направлении и изучал взаимодействие лазерного излучения с биологическими тканями, а также прорабатывал вопросы безопасного использования лазерных установок.

Именно опасностями использования лазеров — определенными техническими проблемами и высоким риском возникновения рубцов — долгое время было ограничено их применение в медицине. Однако новой вехой, поистине революционной, стала разработка концепции селективного фототермолиза Ричардом Роксом Андерсоном (R. R. Anderson) и Джоном Пэрришем (J. Parrish) в 1983 г.

Сначала восьмидесятых лазеры стали активно использоваться для коррекции возрастных изменений. Первые процедуры начали выполняться с помощью

аблятивных СО2-лазеров, на долгие годы ставших «золотым стандартом» лазерного омоложения кожи. Для их проведения использовался сплошной лазерный луч, т.е. происходило удаление всех структур кожи (эпидермиса и/или дермы), попадавших под действие излучения, в связи с чем процедура получила название «лазерная шлифовка». Несмотря на эффективность в коррекции возрастных изменений, такие процедуры были связаны с длительным периодом реабилитации (до нескольких недель), болью, а также возникновением различных