МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

САНКТ–ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

Е.А. Шахно физические основы применения лазеров в медицине

Учебное пособие

Санкт–Петербург

2012

Е.А.Шахно. Физические основы применения лазеров в медицине. – СПб: НИУ ИТМО, 2012. – 129 с.

Учебное пособие предназначено для самостоятельной работы студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки специалистов 200201 – Лазерная техника и лазерные технологии, магистров 200500 – Лазерная техника и лазерные технологии. Содержит необходимые сведения об основных направлениях применения лазеров в медицине, оптических и теплофизических свойствах биоткани, физических процессах взаимодействия лазерного излучения с биотканью.

Рекомендовано к печати Ученым Советом инженерно–физического факультета 10.04.12, протокол №4.

Рекомендовано УМО по образованию в области приборостроения и оптотехники в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 200201 – Лазерная техника и лазерные технологии и направлению подготовки магистров 200500 – Лазерная техника и лазерные технологии.

В 2009 году Университет стал победителем многоэтапного конкурса, в результате которого определены 12 ведущих университетов России, которым присвоена категория «Национальный исследовательский университет». Министерством образования и науки Российской Федерации была утверждена программа его развития на 2009–2018 годы. В 2011 году Университет получил наименование «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики»

 Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, 2012

Е.А.Шахно, 2012

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ	5
1. ОБЗОР ОСНОВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРОВ В МЕДИЦИНЕ	7
1.1. Лазерная диагностика	7
1.2. Лазерная терапия	8
1.3. Фотодинамическая терапия	10
1.4. Лазерная хирургия	11
1.5. Основные типы лазеров, применяющихся в медицине	13
2. НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ	16
2.1. Оптические свойства тканей	16
2.2. Теплофизические свойства тканей	20
2.3. Оптический и термический перенос энергии	25
3. ОСНОВНЫЕ ЯВЛЕНИЯ, НАБЛЮДАЕМЫЕ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА БИОТКАНЬ	28
3.1. Действие лазерного излучения на биологическую ткань в зависимости от энергетики облучения	28
3.2. Тепловые воздействия	29
3.3. Фотохимические воздействия	35
3.4. Нелинейные процессы	44
4. БИОФИЗИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С БИОТКАНЬЮ	49
4.1. Тепловой механизм	49
4.2. Механизмы взрывного действия	53
4.3. Действие лазерного излучения УФ диапазона на биологические ткани	58
4.4. Эффекты, сопутствующие абляции	60
5. ОСНОВЫ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРОВ В ХИРУРГИИ	65
5.1. Основные принципы применения лазеров	65
5.2. Особенности течения раневого процесса после воздействия на ткань излучения хирургического лазера	70
6. ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРОВ В РАЗЛИЧНЫХ ОБЛАСТЯХ МЕДИЦИНЫ	77
6.1. Лазерные технологии в дерматологии	77
6.2. Лазерные технологии в стоматологии	84
6.3. Лазерные технологии в офтальмологии	94
6.4. Лазерные технологии в оториноларингологии	107
6.5. Лазерная терапия. Внутрисосудистое лазерное облучение крови	111
6.6. Лазерная сварка ткани	114
Рекомендуемая литература	119

ВВЕДЕНИЕ

Применение лазеров в медицине принципиально отличается от других многочисленных областей технологических применения лазеров. Лазерные медицинские технологии отличаются гуманистической направленностью. Если проблема здоровья стоит достаточно остро для самого человека или его близкого, то проблемы медицины становятся неизмеримо важнее любых других проблем.

Лазерные медицинские технологии отличаются многоплановостью, комплексностью, разнообразием. Лазерная медицина включает воздействие лазерного излучения на различные части тела: кожа, кости, мышцы, жировые ткани, сухожилия, внутренние органы, глаза, зубные ткани и т. п. При этом каждая из них в свою очередь имеет сложное строение. Так в зубе можно отдельно рассматривать эмаль, дентин, пульпу. В коже – роговой слой, эпидермис, дерму. Все эти ткани имеют свои свойства, как оптические (спектральные характеристики, коэффициент отражения, глубина проникновения излучения), так и теплофизические (теплопроводность, температуропроводность, теплоемкость), отличные от свойств других биотканей. Поэтому различается и характер воздействия на них лазерного излучения. Соответственно, в каждом случае необходимо выбирать индивидуальные параметры режима облучения: длину волны, длительность воздействия, мощность, частоту следования импульсов и т.п. Сильное различие свойств биотканей делает возможным специфические воздействия, например, чрескожное воздействие на патологические ткани (облучение подкожных тканей без существенного повреждения кожи).

Каждая ткань в силу своей биологической природы неоднородна, имеет сложную микроструктуру. В состав мягких тканей входит значительное количество воды. В состав костей входят различные минералы. Следствием этого является тот факт, что воздействие излучения на ткани, в особенности разрушающее, хирургическое, для разных тканей и длин волн излучения различается не только количественно, но и качественно. Это означает, что существует несколько совершенно различных механизмов удаления биологических тканей: тепловой и низкоэнергетический коагуляционный с последующей резорбцией, взрывные механизмы, «холодная» абляция.

Интересно, что для осуществления терапевтического воздействия на определенную часть тела лазерное воздействие может быть направлено совсем на другой объект. Здесь показательным является лазерная терапия, когда облучение крови, особых точек или проекций органов на коже человека (зоны Захарьина – Геда), стопе или ладони, области позвоночника оказывает воздействие на внутренние органы, весьма удаленные от области воздействия, и на весь организм в целом.

Кроме того, поскольку организм представляет собой единое целое, результат воздействия продолжается очень долго после его окончания. После лазерной операции реакция организма продолжается в течение дней, недель и даже месяцев.

Такая сложность и комплексность лазерной медицины делает ее очень интересной для исследования и разработки новых технологий.

Почему лазерное излучение нашло такое широкое применение в медицине? Основными особенностями лазерного излучения в применении к лазерной медицине являются:

–направленность, монохроматичность, когерентность, определяющие возможность локализации энергии,

– широкий спектральный диапазон существующих лазеров (это особенно важно в том случае, когда поглощение носит резонансный характер),

– возможность в широких пределах управлять длительностью воздействия (существующие лазеры обеспечивают длительность воздействия от фемтосекундного диапазона до непрерывного воздействия),

– возможность плавного изменения в широких пределах интенсивности воздействия,

– возможность изменения частотных характеристик воздействия,

– широкие возможности оптического управления процессами, в том числе, возможность организации обратной связи,

– широкий спектр механизмов воздействия: тепловой, фотохимический, сугубо биофизический, химический,

– простота доставки излучения,

– возможность бесконтактного воздействия, что обеспечивает стерильность,

– возможность проведения бескровных операций, связанная с тепловым и, следовательно, коагуляционным действием излучения.

Таким образом, лазер представляется исключительно точным, универсальным и удобным в использовании инструментом и имеет большой потенциал для медицинских применений в будущем.