Laser je zkratka jazyka anglického jazyka: LASER - "Zesílení světla stimulovaným emisím záření", které v překladu znamená "zesílení světel stimulovaným zářením". Jinými slovy, laser je zařízení schopné produkovat velmi silný paprsek monochromatického světla. Vzhledem k tomu, že laserový paprsek je jen proud světla (i když má nějaké speciální vlastnosti), je v tomto článku nazýván paprskem světla..
Světlo je elektromagnetická (EM) vlna, která se šíří ve vesmíru obrovskou rychlostí (ve vakuu: c = 300 000 km / s). Na rozdíl od akustických a mechanických vln, EM vlny obsahují dvě složky - elektrické a magnetické - jejichž harmonické kmity se vyskytují ve vzájemně kolmých směrech. Na druhou stranu můžeme předpokládat, že tok světla se skládá ze speciálních částic (fotonů), jejichž energie souvisí s frekvencí světla (E = hw, h je Diracova konstanta) a množství souvisí s intenzitou paprsku.
Vladimir Alexandrovich Tsepkolenko
MD, profesor, ctěný doktor Ukrajiny,
Prezident ukrajinské společnosti estetiky
lékař, generální ředitel Ukrajiny
Ústav plastické chirurgie
a estetická medicína "Virtus"
Světlo a jeho distribuce v homogenním prostředí
Hlavním znakem světla je jeho frekvence w, která určuje přenášenou energii. Světlo s různými frekvencemi je vnímáno jako různé barvy. Například frekvence červené barvy je menší než frekvence žluté a žlutá barva je menší než modrá. Všechny možné frekvence světla kombinují termínové spektrum..
Ve viditelném světle není jedno, ale nekonečné množství vln s různými frekvencemi, které vstupují do různých proporcí. Tato sada frekvencí se nazývá spektrální složení světla (v každodenním životě se nazývá barva). Pokud proud světla "obsahuje" vlny pouze jedné frekvence, pak se nazývá monochromatický (nicméně nemůže existovat dokonale monochromatické světlo).
Druhou důležitou vlastností světelného toku je jeho intenzita I, která přímo souvisí s energií přenášenou za sekundu.
Pojem frekvence je nepohodlný, protože jeho číselné hodnoty jsou pro nás neobvykle velké, takže se často používá jiné fyzikální veličiny - vlnová délka λ:
Čím větší je frekvence světla, tím menší je její vlnová délka. Když světlo prochází z jednoho média do druhého, mění se jeho vlnová délka a frekvence zůstává nezměněna. Obvykle se tato skutečnost vynechává, přičemž se uvádí, že vlnová délka není ve zvažovaném médiu, ale odpovídá tomu ve vakuu..
Radiace viditelného rozsahu se nazývají EM vlny vnímány lidským okem, jehož délka leží v rozmezí od 400 do 760 nm (tabulka 1)..
Radiace se nazývá infračervené záření s vlnovou délkou větší než 760 nm (červená), není již viditelné, ale cítíme se jako teplo pocházející z jakéhokoli vytápěného tělesa..
Na ultrafialové, naopak, přenášejí záření v rozmezí 6-400 nm.
Reflexe a lom světla na rozhraní
V homogenním prostředí paprsek světla vždy tvoří přímku. Světlo samo o sobě nezmění směr, ale pokud je v dráze paprsku překážka ve formě prachu, kapiček nebo hranice jiného média, může změnit směr pohybu. Takové procesy se nazývají rozptylování nebo lom..
Každé médium (ať už je to kapalina, plyn nebo průhledná pevná látka) je charakterizována určitou hodnotou, světelným indexem lomu n. Čím větší je rozdíl mezi indexy lomu, tím více se světlo přemění. Je třeba poznamenat, že světlo, které dopadá v pravém úhlu k rozhraní, nedochází k refraktování, ale pokračuje v pohybu v přímce..
Další efekt, který nastane, když světlo prochází rozhraním, je jeho odraz od této hranice. Odraz se vyskytuje téměř vždy a čím je větší, tím menší je úhel mezi paprskem a rozhraním mezi médiem (ricochets z něj). Pokud světlo vstupuje do nerovnoměrného média, je rozptýleno. Při rozptýlení se část světla téměř vždy "odráží", mění směr pohybu na opak.
Účinky rozptylu a reflexe hrají zpravidla parazitickou roli, protože vedou k energetickým ztrátám a ještě horším k necílovému vytápění.
Rozptyl je intenzivnější, tím větší je rozdíl mezi indexy lomu média a heterogenity (nebo dvě různá média - kůže a vzduch). Snižování rozdílu mezi indexy lomu snižuje odraz a snižuje rozptyl..
Absorpce světla a chromofory
Když se absorbuje velké množství světla, absorbovaná látka se zahřívá, to znamená pomocí laseru, můžete zahřát vnitřní vrstvu pokožky bez zahřívání vnějších vrstev a hloubka vytápěné tkáně se vybírá výběrem frekvence laserového světla..
Látka, která absorbuje světlo, se nazývá chromofor. V roli chromoforu může být jakákoli složka lidského těla: hemoglobin v krvi, melanin, tuk, voda v buňkách, cizí látky (nádory, hematomy), cévní stěny. Závislost absorpčního koeficientu na vlnové délce dopadajícího světla (absorpční spektrum) pro většinu složek pokožky je známa (tabulka 2, obr. 2.5-1), která umožňuje volit z dostupných laserových vlnových délek ten, který bude maximálně absorbován cílovým objektem, což ovlivňuje co nejméně sousedů.
Zvažme podrobněji absorpci světla s různými vlnovými délkami hlavními chromofory, které tvoří kůži..
Ultrafialové světlo (UV) s vlnovou délkou v rozmezí 200 až 290 nm je dobře absorbováno všemi biologickými objekty (buňkami a tkáněmi). Při zvětšování vlnové délky 300 až 400 nm je absorpce UV výrazně oslabena a vyskytuje se hlavně v důsledku nukleových kyselin a bezbarvých oblastí pokožky..
Viditelné světlo (vlnové délky od 400 do 760 nm) je dobře absorbováno krví (hemoglobinem) a pigmentem (melaninem). Zbývající buňky a voda prakticky neabsorbují v tomto rozsahu, proto barva pleti silně závisí na pigmentaci jeho horních vrstev a toku krve. Také v tomto rozsahu absorbují cizí látky zavedené do pokožky (například tetovací pigmenty)..
V infračerveném (IR) rozsahu (více než 760 nm) se zvyšuje absorpce mnoha biomolekul a absorpce melaninem a hemoglobinem výrazně klesá. Vlnová délka větší než 1200 nm je absorbována převážně vodou (maximální délka je asi 2900 nm) obsažená v těle téměř všude. V rozmezí 1200-1700 nm je maximální absorpce tuku. Při asi 6000-7000 nm se absorpční koeficient světla kolagenem dramaticky zvětšuje, což umožňuje jeho zahřívání přímo spíše než přenosem tepla z molekul vody (což se děje při použití laserů Er.YAG a CO2).
Ze všech kožních chromoforů, hemoglobinu, melaninu a vody jsou od té doby největší zájem jejich absorpční maxima leží v různých oblastech spektra a jsou dobře známa v kůži.
Voda je průhledná v celém rozsahu viditelných vlnových délek a okolí (200-900 nm), ale dobře absorbuje světlo o vlnových délkách menších než 150 a více než 1300 nm. Maximální absorpce je asi 2940 nm, po níž postupně klesá, ale zůstává významná až do 12 mikronů a více..
Hemoglobin. Maximální absorpční maximum oxy- a desoxyhemoglobinu je lokalizováno v rozmezí 415, 430, 540, 555 nm (obr. 2.5-1). Současně s rostoucí vlnovou délkou se intenzita absorpce v průměru snižuje. Zajímavá je oblast 600-750 nm, ve které má deoxyhemoglobin zjevnou výhodu. U vlnových délek nad 1100 nm se ztrácí absorpce hemoglobinem na pozadí výrazně zvýšené absorpce světla vodou..
Melanin. Absorpce světla melaninem poměrně rychle klesá s nárůstem vlnové délky 300 až 1000 nm. V rozsahu 300-450 nm je absorpce maximální, avšak tyto vlnové délky jsou mnohem silněji absorbovány hemoglobinem. Světlo s vlnovými délkami 450-500 a 600-1000 nm melaninu absorbuje intenzivněji než všechny ostatní chromatofory a při vlnové délce větší než 1100 nm se ztrácí na pozadí vody.
Uhlík. Navzdory skutečnosti, že je základem všech známých životů, čistý uhlík vstupuje do zdravých tkání pouze zvenčí (například tetování), ale emituje se ve formě grafitu z organických molekul, když jsou dlouhou dobu ohřívány na teplotu několika stovek stupňů. Díky velmi silné absorpci v širokém rozsahu vlnových délek uhlík nepřenáší světlo do pokožky, což vede k vysokému povrchovému ohřevu..
Různé složky pokožky (jako každý jiný orgán) často absorbují světlo s různými vlnovými délkami, které lze účinně použít v medicíně. Absorpční a koncentrační spektrum hlavních chromoforů v různých částech kůže zcela určuje jeho interakci s monochromatickým laserovým světlem a v důsledku toho odpovědí na dermatologické postupy..
Selektivní ohřev jednotlivých prvků pokožky se nazývá selektivní fototemolýza, bodová povaha ohřevu, která snižuje pravděpodobnost poškození tepelného tkáně ve velkém měřítku. Jelikož jsou topné plochy lokalizovány, tato technika ve srovnání s ostatními obvykle snižuje bolest.
Ohřev absorbující látky se světlem
Každé médium je charakterizováno určitým koeficientem absorpce světla m (w) ...
Když monochromatický paprsek světla vstupuje do homogenního média s koeficientem absorpce m = 1,00 mm - 1, množství světelné energie dosahující hloubky h je určeno exponenciálním zákonem. To znamená, že hloubka 1 mm dosahuje pouze 36% padlého světla (zbývajících 64% bylo absorbováno horní vrstvou). Na dalším milimetru bude absorbováno dalších 22% počátečního množství energie a pouze 5% světla dopadá na povrch dosáhne hloubky 3 mm. Teplota ohřívaného média se zvyšuje stejným způsobem (obr. 2.5-2).
Tak, jak světlo proniká hluboko do absorpčního média, jeho intenzita prudce klesá.
Druhy laserů: impulsní a kontinuální
Hlavním rysem laserového záření, který ho odlišuje od všech ostatních zdrojů světla, je monochromaticita (všechny vysílané vlny mají stejnou frekvenci). Frekvence (vlnová délka) - jedinečná charakteristika každého laseru - je určena jeho vnitřním zařízením (délka dutiny a vyzařující látka). Kromě frekvence laserové zařízení také určuje hlavní provozní režim: pulzní nebo kontinuální.
Impulsní lasery vyzařují světlo ve formě záblesků světla (impulzů), které trvají v tisících, miliónech a dokonce i miliardách frakcí sekundy, ale energie přenášená každému z nich je relativně vysoká. Často se několik takových impulzů kombinuje do jednoho makro pulsu, který je charakterizován počtem impulzů, jejich trváním a pauzy mezi nimi. Trvání makro pulsu je obvykle stotiny, tisíciny sekundy a energie přenášená v něm se rovná součtu počtu impulzů a energie každého z nich. Délka jednoho mikropulze, maximální frekvence opakování a maximální energie každého z nich je určena konstrukcí laseru. Naproti tomu makro impulsní parametry mohou být obvykle dosaženy za účelem dosažení cíle..
Kvůli velmi krátké době pulzu nemá lidské oko čas vidět bod nárazu paprsku takového laseru, a proto je často "osvětlen" slabým, ale nepřetržitým paprskem vytvořeným jednodušším zařízením..
Impulsní lasery zahrnují ruby, alexandrit, neodymium, Er.YAG a diodové lasery, stejně jako laserové lasery. Většina z nich je založena na pevném jádru s čerpáním žárovek..
Nepřetržité lasery, jak naznačuje název, vytvářejí nepřetržitý světelný tok, jehož bod na povrchu pokožky je viditelný pouhým okem (pokud je vlnová délka laseru v rozmezí viditelných vlnových délek: 400-760 nm) na rozdíl od místa pulsních laserů. Okamžitý výkon kontinuálních laserů je výrazně nižší než u pulzních laserů, ale jejich doba expozice je v podstatě neomezená. Relativně pomalá dodávka energie může být přínosná v případech, kdy je nežádoucí rychlý ohřev, ale na druhé straně při zpracování široké třídy poškození může takový laser vést k silnému tepelnému poškození, které není cílem, protože dodávané teplo se mu podaří rozptýlit se hluboko do pokožky a silně ji zahřát.
Výhoda kontinuálních laserů spočívá v tom, že téměř každý z nich může být "přeměněn" na pulzní pomocí mechanického nebo elektro-optického přerušovače, který blokuje tok světla s určitou frekvencí.
Kontinuální lasery zpravidla používají plynový nebo kapalný rezonátor, způsoby jejich čerpání mohou být poměrně různorodé (často s použitím žhavého elektrického výboje). Tento typ zahrnuje lasery CO2 a He-Ne, stejně jako mnoho laserů pro barvení.
Další variantou lékařské klasifikace lasery je založen na základním modelu jejich aplikace..
Chirurgické a ablativní lasery (CO2 a Er.YAG) jsou označovány jako "škodlivé", jejichž ozařování je absorbováno všemi tkáněmi všude (hlavní chromofor je voda). Pokud je tedy na pokožku dodávána dostatečná energie, je zaručeno její úplné zničení..
"Nepoškozující" mohou být nazývány takovými lasery, které se používají hlavně v souladu s metodou selektivní fotothermolýzy (dermatologické lasery), tj. jejich záření je absorbováno pouze jednotlivými prvky tkaniny a nebezpečné zahřívání většiny z nich často nedochází.
Tato "třída" zahrnuje většinu laserů, které vysílají ve viditelném rozsahu a pracují v impulsním režimu: argon, alexandrit, Nd.YAG, dioda, laserové měděné pary a laserové lasery. To může také zahrnovat slabé lasery, které stimulují biochemické procesy v hloubce pokožky bez jakéhokoli ničivého účinku (terapie s nízkou intenzitou).
Stojí za to zdůraznit, že při nadměrné instalované síti může jakýkoli laser způsobit vážné zranění pacientovi i zdravotnickému personálu..
Hlavní charakteristiky laserového pulsu
Propagace světelné vlny je vždy spojena s přenosem energie. Zdroj záření je charakterizován výkonem P - množství emitované energie za sekundu. Výkon měřený ve wattech: 1 W = 1 J / s.
Výkon však není vždy nejvhodnější: jediná a stejný zdroj tepla může být různě vyhříván v závislosti na tom, jakou hmotu je vytápěna. Jinými slovy, čím větší plochu se budeme snažit zahřát, tím slabší bude vytápění. Proto je namísto zdrojového výkonu vhodnější použít hustotu výkonu radiačního incidentu na povrchu:
Čím větší je hustota výkonu, tím silnější je vliv zdroje. Právě pro tento parametr jsou lasery mnohonásobně lepší než ostatní zdroje světla..
Procesy, které se vyskytují ve vyhřívané oblasti, jsou určeny hustotou energie e) přenášené na jednotku povrchu kůže. Hustota energie (přenášená jedním impulsem) lze nalézt dvěma způsoby:
Poměr pulzní energie k oblasti laserového bodu;
Jako produkt trvání impulsu a hustoty záření.
Při stejném pulzním výkonu hustota energie silně závisí na plošné ploše: při poklesu plochy se zvyšuje hustota energie na osvětleném povrchu a jeho topení se zvyšuje..
Kromě vlnové délky, trvání impulzu a jeho energie má charakteristika laseru i další jemnější parametry (podle návrhu): pulsní profil (pro impulsní lasery) a profil paprsku.
Profil prostorového nosníku
Radiální rozložení hustoty výkonu laserového paprsku se nazývá jeho prostorový profil, u většiny laserů se jedná o jeden z následujících typů:
Gaussova (zvonovitá, "přirozená" pro lasery) - více energie je dodáváno do středu laserové skvrny než k jejímu okraji (obrázek 2.5-3); při zpracování velkých v porovnání s bodovou plochou pozemků je tato heterogenita brána v úvahu pomocí některých (15-20%) překrytí sousedních skvrn (obr. 2.5-5);
plochá - hustota výkonu paprsku je rovnoměrně rozložena po celé ploše (obr. 2.5-4); běžných optických laserů.
Selektivní fotothermolýza
Technika selektivní fotothermolýzy je založena na monochromatice laserového záření, setrvačnosti šíření tepla a znalosti absorpčních spekter chromoforů pokožky. Umožňuje jediný záblesk světla ohřát obrovský počet malých, ale kontrastních prvků pokožky na vysokou teplotu, téměř bez zahřívání zbytku tkaniny..