4 курс / Дерматовенерология / Эффективная_лазерная_терапия_Том_1_Основы_лазерной_терапии_С_В_Москвин

ОСНОВЫ ЛАЗЕРНОЙ ТЕРАПИИ

Рис. 1.38. Принцип работы лазерного диода

60

Рекомендовано к покупке и прочтению разделом по дерматологии сайта https://meduniver.com/

Часть I. Базовые вопросы лазерной терапии

после чего кристалл распиливают, и получается «кубик» лазерного диода

(рис. 1.38, а).

В лазерной терапии чаще всего используют именно диодные лазеры, у ко- торыхнакачкаосуществляетсяпропусканиемпрямоготокачерезp–n-переход лазерногодиода. Такиелазерыотличаютсяисключительнойминиатюрностью, активный полупроводниковый элемент (кристалл) размером порядка 1 мм помещают на специальные контактные пластины или непосредственно на медный(длялучшеготеплоотвода) корпусразмеромвнесколькомиллиметров. В корпусе непрерывных лазеров также почти всегда присутствует фотодиод обратнойсвязидляобеспечениястабильностивыходноймощностиизлучения

(рис. 1.39).

Рис. 1.39. Устройство лазерного диода в корпусе

Кроме диодных существует множество других типов лазеров, которые используютсявразличныхобластяхмедицины. Нижеприводитсяклассификация лазеров по различным параметрам. За основу взята классификация, предложеннаяБ.Ф. Фёдоровым(1988) иО. Звелто(1984), котораябыласкорректирована и дополнена характеристиками, имеющими значение для медицинского применения. Также необходимо заметить, что с точки зрения практического применения, в том числе и лазерной терапии, наиболее важными являются всего три параметра: длина волны генерируемого излучения, режим работы и максимальная мощность (средняя или импульсная) лазера.

1. Длина волны излучения.

Если световой спектр сосредоточен в очень узком интервале длин волн (менее 3 нм), то такое излучение называют монохроматичным, что является основным признаком лазеров, в технических характеристиках которых указывается длина волны, соответствующая максимуму спектральной линии. Её значение обусловлено, в первую очередь, материалом рабочего вещества, но может меняться в зависимости от режима работы лазера и настройки резона-

61

ОСНОВЫ ЛАЗЕРНОЙ ТЕРАПИИ

тора, дляжидкостныхлазеров, например, практическинепрерывновшироком диапазоне, а в небольших пределах – от температуры, что характерно для диодных лазеров.

Свет с очень близкой длиной волны могут генерировать самые разные типы лазеров; например, с 630–635 нм (оранжевый или красный свет): ге- лий-неоновый (ГНЛ), жидкостные, на парах золота, диодные (AlGaInP) и др. Сдругойстороны, ГНЛможетгенерироватькроменаиболееизвестнойдлиной волны 633 нм также в зелёной (544 нм) и ИК (1150 и 3390 нм) областях. И это только для серийно выпускаемых изделий, на самом деле спектр значительно шире. Поэтому указание активного вещества лазера в методиках фактически ничего не даёт с точки зрения её параметров, важно знать именно конкретное значение длины волны.

2.По режиму работы различают непрерывные и импульсные лазеры. Для этих режимов существенно, принципиально различаются параметры методики, в частности, средняя мощность излучения, которая для импульсных лазеров, как правило, на 1–2 порядка меньше, чем у непрерывных. Кроме того, для импульсных лазеров в методиках обязательно должна быть указана частота следования импульсов (как и для модулированного режима). Однако неследуетсмешиватьпонятия«импульсныйлазер» и«лазерсмодуляциейнепрерывногоизлучения», посколькувовторомслучаереализуетсялишьпрерывистоеизлучениеразличнойчастотыиформы, носмаксимальноймощностью, не превышающей значение в непрерывном режиме. Т. е. если непрерывный лазер генерирует световой луч мощностью 10 мВт (10–2 Вт), то «импульс» в режиме модуляции будет также мощностью 10 мВт, не более. Импульсные же лазеры, применяемыевтерапевтическихцелях, обладаютнапорядкибольшей импульсной мощностью, достигающей 100 Вт и более, но поскольку длительность импульса чрезвычайно мала (как правило, не более 100 нс, или 10–7 с), то и средняя мощность за период невысока, в зависимости от частоты повторения импульсов может варьироваться от 0,1 (чаще всего) до 10 мВт (реже).

3.Очень важной для лазерной терапии является характеристика как импульсной, так и средней мощности лазеров:

– более 103 Вт – высокомощные лазеры;

– менее 10–1 Вт (100 мВт) – лазеры малой мощности.

Такая классификация распространена в случае их применения в технических устройствах общего назначения, но в ЛТ необходимо подходить к классификации с точки зрения оказываемого воздействия на биологический объект. Маломощные лазеры (меньше 10 мВт) применяют для акупунктуры,

вметодике внутривенного лазерного освечивания крови и часто при местном воздействии. Мощные (100 мВт и более) применяют относительно редко, для обезболиванияипризаболеванияхтакназываемогофазическоготипа. Повторимся, что это классификация только для средней мощности и непрерывного режима, для импульсных лазеров подобного разделения нет из-за узкого диапазона используемых импульсных мощностей (10–100 Вт).

62

Рекомендовано к покупке и прочтению разделом по дерматологии сайта https://meduniver.com/

Часть I. Базовые вопросы лазерной терапии

Остальные параметры лазеров носят больше справочный характер, хотя иногда могут много сказать специалистам в части перспектив их применения в той или иной методике лазерной терапии. Например, только недавно выяснилось, что для терапевтических целей из-за некоторых конструктивных особенностей нельзя применять KTP-лазеры с длиной волны 532 нм, хотя в хирургии они очень распространены [Москвин С.В., 2014].

4. Физическое (агрегатное) состояние рабочего вещества лазера:

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

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

– твердотельные (рубин, алюмоиттриевый гранат и др., легированные различными ионами);

– жидкостные (органические красители);

– полупроводниковые инжекционные или диодные (арсенид-галлиевые, арсенид-фосфид-галлиевые, селенид-свинцовые и др.).

5.Способ возбуждения рабочего вещества:

– оптическая накачка;

– накачка газовым разрядом;

– электронное возбуждение;

– инжекция носителей заряда;

– тепловая накачка;

– химическая реакция и др.

6.Для осуществления лечебного процесса часто важной является такая характеристика лазера, как угловая расходимость луча.

Измеряется в градусах, угловых минутах (1/60 градуса), угловых секундах (1/60 минуты) или радианах (1°= π/180 ≈ 0,0175 рад). Наименьшую расходимость имеют газовые лазеры – около 30 угловых секунд (≈0,15 мрад). Расходимость луча твердотельных лазеров – около 30 угловых минут (≈10 мрад). У диодных лазеров: в плоскости, параллельной p–n-переходу, – от 10 до 20 градусов (в зависимости от типа лазера и фирмы-производителя); в плоскости, перпендикулярной p–n-переходу, – около 40 градусов (рис. 1.40) [ПанковЖ., 1973]. Современныеколлиматоры(устройствадляформирования параллельных лучей) позволяют снизить расходимость излучения диодных лазеровдо1 мрад. Однаковэтомнетнеобходимости, еслиговоритьолазерной терапии, где высокая расходимость используется для регулирования площади освечивания (объекта воздействия).

Немного подробнее о характеристиках ЛД. На рис. 1.40 показана картина дальнего поля излучения полоскового ЛД с двойной гетероструктурой (ДГСлазера). В данном случае толщина активной области и ширина полоски достаточно малы, чтобы обеспечить излучение в основной моде (одномодовый режим) в параллельном и перпендикулярном плоскости p–n-перехода направлениях. Показаны типичные значения полного угла расходимости пучка, взя-

63

ОСНОВЫ ЛАЗЕРНОЙ ТЕРАПИИ

Рис. 1.40. Схематичное представление дальнего поля излучения полоскового ДГС-лазера Ga1-xAlxAs: а) ориентация излучения относительно кристалла; б) диаграмма расходимости параллельно p–n-переходу и в) перпендикулярно p–n-переходу

того по точкам половинной интенсивности (угловой полуширины). В каждом конкретном случае (зависит от типа прибора) значения могут отличаться, но незначительно. Площадьпятнаизлучениятакихлазероврассчитываетсячерез площадьэллипса, чтонеобходимодляопределениятакоговажногопараметра, как плотность мощности.

Картина дальнего поля многомодовых лазеровс широкимполоскомактивной области несколько отличается, что характерно для импульсных лазеров. Благодаря преломлению света (закон Снеллиуса) в пространственном распределении интенсивности излучения за пределами лазера («картина дальнего поля») наблюдаются большие углы отклонения от продольной оси, чем хотелось бы. Особенно это характерно для диодных лазеров, у которых активная область тонкая и по размерам близка к длине волны излучения, когда вследствие дифракции на выходном окне излучение выходит в виде веера, расходящегося в плоскости, перпендикулярной активной области. Согласно теоретической оценке, угол расходимости θ, измеренный на уровне половины максимальной интенсивности, составляет:

θ = λ/d,

где λ – длина волны излучения; d – толщина активного слоя лазерного диода. Знание этих особенностей диодных лазеров позволяет определять плотность мощности и исключительно важно для разработки матричных излуча-

ющих головок [Москвин С.В., 2008, 2014].

7. Коэффициент полезного действия (КПД) лазера.

Различают теоретически возможный (квантовый выход) и реальный (полный) КПД, который определяется отношением мощности излучения лазера к мощности, потребляемой от источника накачки. У газовых лазеров полный КПД составляет 1–20% (гелий-неоновый – до 1%, углекислотный – 10–20%), у твердотельных – 1–6%, у диодных – 10–50% (в отдельных конструкциях

64

Рекомендовано к покупке и прочтению разделом по дерматологии сайта https://meduniver.com/

Часть I. Базовые вопросы лазерной терапии

до 95%). Понятно теперь, почему только диодные лазеры можно применять

вавтономной и портативной терапевтической аппаратуре, это обусловлено низким питающим напряжением и энергопотреблением.

Имеются и другие специфические признаки классификации лазеров, но они не представляют существенного интереса для нашей темы. В табл. 1.8 представлены основные типы лазеров, их параметры и области применения.

Рассмотрим основные особенности некоторых типов лазеров, различающихся агрегатным состоянием рабочего вещества.

Газовые лазеры многообразны по типу применяемой среды: смесь гелия

и неона (He-Ne), углекислый газ (CO2), азот (N), аргон (Аr) и многие другие. Этим определяется очень широкий диапазон длин волн, на которых получена генерация. Накачка осуществляется путём создания тлеющего разряда

втрубке, что возможно лишь при очень высоких питающих напряжениях.

Углекислотные (CO2) – одни из наиболее мощных лазеров в настоящее время и самые распространённые в медицине. Из всех типов лазеров газовые обладают минимальной шириной спектральной линии – до 10–7 нм. Представлены

всамых различных областях медицины.

Эксимерные лазеры являются разновидностью газовых лазеров, работают на соединениях, которые могут существовать только в возбуждённом состоянии – в виде галогенов и инертных газов. Излучают в ультрафиолетовой области спектра и используются в офтальмологии.

Твердотельные лазеры – это в основном алюмоиттриевый гранат (АИГ) или специальное стекло, легированные, т. е. с добавлением небольшого количества ионов редкоземельных металлов: неодим (Nd), эрбий (Er) и гольмий (Go). Собственно, эти ионы и являются источником излучения, а АИГ лишь матрица для их необходимого расположения в пространстве. Твердотельные лазерымогутбытькакимпульсными, такинепрерывными, работаютнасреднем уровне мощностей. Применяются в хирургии.

Лазеры на красителях (в качестве рабочего тела используется жидкий раствор специальных красителей) характеризуются тем, что могут перестраиваться по длине волны в широком спектральном диапазоне. В основном задействуют как исследовательский инструмент. В косметологии представляется интересным применение лазеров на красителях мощностью 10–15 Вт дляудаленияцветныхтатуировокметодомподбораоптимальнойдлиныволны для конкретного красителя.

Полупроводниковыеинжекционныелазеры(илилазерныедиоды– ЛД) зани-

мают особое место в силу своих конструктивных особенностей и физических принципов работы. Небольшие размеры лазера определяются высоким КПД и необходимостью обеспечения высокой плотности тока накачки для достижения инверсной заселённости. У диодных лазеров накачка осуществляется небольшим током (десятки мА) при приложении напряжения от 2,5 до 8 В, тогда как у других типов лазеров требуются тысячи вольт. Серийно произво-

65

Часть I. Базовые вопросы лазерной терапии

дящиеся лазерные диоды работают при комнатной температуре в диапазоне длин волн от 365 до 9000 нм, а экспериментальные образцы и в более значительном спектральном диапазоне в зависимости от типа материала (рис. 1.41) [Елисеев П.Г., Попов Ю.М., 1997]. В лазерной терапии наибольшее распро- странениеполучилидиодныелазерывближнейИК-области(780–904 мкм) на основекристаллаAlxGa1-xAs (рис. 1.42, табл. 1.9). ЛДсдлинойволны635 нми среднеймощностьюдо50 мВтуспешнозаменяютгелий-неоновыелазеры. Относительно недавно начато производство зелёных (длина волны 520–525 нм) и синих (длина волны 445–450 нм) диодных лазеров мощностью до 50 мВт.

Наличие широкого полоска многомодовых импульсных лазеров приводит к нестабильности мощности излучения. Световой импульс формируется по индивидуальным каналам в пределах полоска (контакта), и как следствие

Рис. 1.41. Спектры излучения полупроводниковых лазеров в зависимости от материала активной области

67

ОСНОВЫ ЛАЗЕРНОЙ ТЕРАПИИ

этого, каждый новый импульс отличается по амплитуде от предыдущего и последующего. Сложное динамическое поведение каналов генерации обусловливаетсянеоднородностьюпараметровактивнойобластииихсильнойлокальнойзависимостьюотуровнянакачкиимощностиоптическогоизлучения [Боховкин В.А. и др., 1989]. Контролируемая мощность излучения является

Рис. 1.42. Основные типы (1–5) корпусов лазерных диодов

68

Рекомендовано к покупке и прочтению разделом по дерматологии сайта https://meduniver.com/

Часть I. Базовые вопросы лазерной терапии

Таблица 1.9

Основные типы диодных лазеров (лазерных диодов), применяемых в физиотерапии

интегральной, усреднённой за некоторый промежуток времени. С точки зрения биологического действия это означает, что излучение таких лазеров по самой их природе промодулировано случайным образом (шум). Есть или нет результатом этого дополнительный лечебный эффект – неизвестно, но такие процессы приводят к повышению надёжности самих лазеров вследствие невозможностиконцентрациибольшихэнергийнаодномместерезонатора, икак следствие, его разрушения. Одним из достоинств диодных лазеров является высокая надёжность, например, они работают непрерывно в волоконно-оп- тических линиях связи до 25 лет.

8. По степени опасности для обслуживающего персонала лазеры подразделяются на несколько классов лазерной опасности (см. подробнее в главе «Организационно-правовые вопросы»). На момент написания книги ГОСТ Р 50723-94 был отменён, а ГОСТ 31581-2012 действовал одновременно с новыми международными стандартами, введёнными с 01.01.2010 года – ГОСТ Р МЭК 60601-2-22-2008 и ГОСТ Р МЭК 60825-1-2009, в которых установлено следующее ранжирование лазерной аппаратуры по семи классам (в порядке повышенияуровняопасности): 1, 1М, 2, 2М, 3R, 3Ви4, чтовноситнекоторую неразбериху в правильную идентификацию аппаратуры.

Лазернаятерапевтическаяаппаратура, кромевсего, относитсякизделиям медицинским электрическим, имеющим контакт с пациентом, поэтому к ней также предъявляются требования безопасности по ГОСТ Р 50267.22-2002.

69