Laser je okrajšava angleškega jezika: LASER - "Pojačanje svetlobe s stimuliranim sevanjem", ki v prevodu pomeni "ojačanje svetlobe s stimuliranim sevanjem". Z drugimi besedami, laser je naprava, ki lahko proizvaja zelo močan žarek monokromatske svetlobe. Ker je laserski žarek le tok svetlobe (tudi če ima nekaj posebnih značilnosti), se pozneje v tem članku imenuje žarek svetlobe..
Svetloba je elektromagnetni (EM) val, ki se širi v prostoru z ogromno hitrostjo (v vakuumu: c = 300.000 km / s). Za razliko od akustičnih in mehanskih valov, EM valovi vključujejo dve komponenti - električni in magnetni - katerih harmonične oscilacije se pojavljajo v medsebojno pravokotnih smereh. Po drugi strani lahko predpostavimo, da je tok svetlobe sestavljen iz posebnih delcev (fotonov), katerih energija je povezana s frekvenco svetlobe (E = hw, h je Diracova konstanta), količina pa je povezana z intenzivnostjo žarka..
Vladimir Alexandrovich Tsepkolenko
MD, profesor, častni zdravnik Ukrajine,
Predsednik ukrajinskega društva za estetiko
medicina, generalni direktor ukrajinskega
Inštitut za plastično kirurgijo
in estetska medicina "Virtus"
Svetloba in njena razporeditev v homogeno okolje
Glavna značilnost svetlobe je njena frekvenca w, ki določa preneseno energijo. Svetloba z različnimi frekvencami se dojema kot različne barve. Na primer, frekvenca rdeče barve je manjša od frekvence rumene barve, rumena pa manj kot modra. Vse možne frekvence svetlobe združujejo izraz spekter..
V vidni svetlobi ni ene, temveč neskončno število valov z različnimi frekvencami, ki ga vnašajo v različnih razmerjih. Ta niz frekvenc se imenuje spektralna sestava svetlobe (v vsakdanjem življenju se imenuje barva). Če tok svetlobe vsebuje "valove" samo ene frekvence, potem se imenuje monokromatska (vendar ni povsem monokromatske svetlobe)..
Druga pomembna značilnost svetlobnega toka je njena intenzivnost I, neposredno povezana z energijo, preneseno v eni sekundi.
Koncept frekvence je neprimeren, ker so za nas nenavadno velike številčne vrednosti, zato se pogosto uporablja druga fizikalna količina - valovna dolžina λ:
Večja je frekvenca svetlobe, manjša je njena valovna dolžina. Ko svetloba prehaja iz enega medija v drugega, se njegova valovna dolžina spremeni in frekvenca ostane nespremenjena. Običajno je to dejstvo izpuščeno, pri čemer se omenja valovna dolžina, ki ni v obravnavanem mediju, ampak ji ustreza v vakuumu..
Sevanje vidnega območja se imenuje EM valovi, ki jih zaznava človeško oko, katerih dolžine ležijo v območju od 400 do 760 nm (tabela 1)..
Sevanje se imenuje infrardeče sevanje z valovnimi dolžinami, večjimi od 760 nm (rdeče), ni več vidno, čeprav se počutimo kot toplota, ki prihaja iz katerega koli segretega telesa..
Za ultravijolično, nasprotno, nosijo sevanje v območju 6-400 nm.
Refleksija in lom svetlobe na vmesniku
V homogenem mediju žarek svetlobe vedno oblikuje ravno črto. Svetloba sama po sebi ne spremeni smeri, če pa obstaja ovira v obliki prahu, kapljic ali meja drugega medija na poti žarka, lahko spremeni smer gibanja. Takšni procesi se imenujejo sipanje ali lom..
Vsak medij (bodisi tekočina, plin, ali prozorna trdna snov) je označen z določeno vrednostjo, lomni količnik l. Večja je razlika med lomnimi količniki, bolj se lomi luč. Treba je omeniti, da svetloba, ki se pojavi pod pravim kotom do vmesnika, ne lomi, temveč se še naprej premika po ravni liniji..
Drugi učinek, ki se pojavi, ko svetloba prehaja skozi vmesnik, je njen odsev od te meje. Odsev se pojavi skoraj vedno in je večji, manjši je kot med nosilcem in vmesnikom med medijem (žarek se odbija od njega). Če svetloba vstopi v neenakomerni medij, je razpršena. Pri sipanju je del svetlobe skoraj vedno "reflektiran" in spreminja smer gibanja v nasprotno smer.
Učinki sipanja in refleksije imajo praviloma parazitsko vlogo, ker povzročijo izgube energije in, še slabše, neciljno ogrevanje.
Razpršenost je intenzivnejša, večja je razlika med lomnimi količniki medija in heterogenostmi (ali dvema različnima medijama - kožo in zrak). Zmanjšanje razlike med lomnimi količniki zmanjša refleksijo in zmanjša sipanje..
Absorpcija svetlobe in kromofori
Ko se absorbira velika količina svetlobe, se absorbirana snov segreje, kar pomeni, da lahko z uporabo laserja ogrejemo notranjo plast kože, ne da bi ogreli zunanje plasti, globino ogrevanega tkiva pa izberemo z izbiro frekvence laserske svetlobe..
Snov, ki absorbira svetlobo, se imenuje kromofor. V vlogi kromofora je lahko katerikoli del človeškega telesa: krvni hemoglobin, melanin, maščoba, voda v celicah, tujke (tumorji, hematomi), žilne stene. Znana je odvisnost absorpcijskega koeficienta od valovne dolžine vpadne svetlobe (absorpcijskega spektra) za večino komponent kože (tabela 2, sl. 2.5-1), ki omogoča, da se iz razpoložljivih laserskih valovnih dolžin izbere tista, ki jo bo ciljni objekt čim bolj absorbiral, kar bo čim manj prizadelo. sosede.
Oglejmo podrobneje absorpcijo svetlobe z različnimi valovnimi dolžinami z glavnimi kromofori, ki tvorijo kožo..
Ultravijolično svetlobo (UV) z valovnimi dolžinami v območju od 200 do 290 nm dobro absorbirajo vsi biološki objekti (celice in tkivo). Pri povečanju valovne dolžine od 300 do 400 nm je UV absorpcija opazno oslabljena in se pojavlja predvsem zaradi nukleinskih kislin in brezbarvnih področij kože..
Vidna svetloba (valovne dolžine od 400 do 760 nm) dobro absorbira kri (hemoglobin) in pigment (melanin). Preostale celice in voda v tem območju praktično ne absorbirajo, zato je barva kože močno odvisna od pigmentacije njenih zgornjih plasti in pretoka krvi. Tudi v tem območju lahko absorbira tuje snovi, vnesene v kožo (na primer tattoo pigmenti)..
V infrardečem (IR) območju (več kot 760 nm) se absorpcija mnogih biomolekul poveča, absorpcija melanina in hemoglobina pa se znatno zmanjša. Valovne dolžine, večje od 1200 nm, se absorbirajo pretežno z vodo (največja dolžina je približno 2900 nm), ki jo v telesu vsebuje skoraj povsod. V območju 1200-1700 nm je največja absorpcija maščobe. Pri približno 6000-7000 nm se absorpcijski koeficient svetlobe s kolagenom dramatično poveča, kar omogoča neposredno segrevanje, namesto prenosa toplote iz molekul vode (kot pri uporabi Er.YAG in CO2 laserjev)..
Od vseh kožnih kromoforjev so najbolj zanimivi hemoglobin, melanin in voda njihovi absorpcijski maksimumi ležijo v različnih regijah spektra in so dobro zastopani v koži.
Voda je prozorna v celotnem vidnem območju valovnih dolžin in njeni okolici (200-900 nm), vendar absorbira svetlobo z valovnimi dolžinami manj kot 150 in več kot 1300 nm. Največja absorpcija je okoli 2940 nm, po kateri se postopoma zmanjšuje, vendar ostaja pomembna do 12 mikronov in več..
Hemoglobin. Maksimumi absorpcije svetlobe oksi- in desoksihemoglobina se nahajajo blizu 415, 430, 540, 555 nm (sl. 2.5-1). Hkrati se s povečevanjem valovne dolžine povprečna absorpcijska intenzivnost zmanjšuje. Zanimivo je območje 600-750 nm, v katerem ima deoksihemoglobin očitno prednost. Pri valovnih dolžinah, večjih od 1100 nm, se absorpcija hemoglobina izgubi v ozadju občutno povečane absorpcije svetlobe z vodo..
Melanin. Absorpcija svetlobe z melaninom se hitro zmanjša s povečanjem valovne dolžine od 300 do 1000 nm. V območju 300–450 nm je absorpcija maksimalna, vendar pa hemoglobin te valovne dolžine veliko bolj absorbira. Svetloba z valovnimi dolžinami 450-500 in 600-1000 nm melanina se absorbira intenzivneje kot vse druge kromatofore in pri valovni dolžini več kot 1100 nm se izgubi v ozadju vode..
Ogljik. Kljub dejstvu, da je osnova za vse znano življenje, čisti ogljik vstopa v zdrava tkiva samo od zunaj (na primer tatoo), vendar se oddaja v obliki grafita iz organskih molekul, ko se dolgo segrejejo na temperaturo več sto stopinj. Zaradi zelo močne absorpcije v širokem območju valovnih dolžin ogljik ne prenaša svetlobe v kožo, kar vodi do visokega površinskega ogrevanja..
Različne komponente kože (kot vsi drugi organi) pogosto absorbirajo svetlobo z različnimi valovnimi dolžinami, ki jih lahko učinkovito uporabimo v medicini. Absorpcijski in koncentracijski spektri glavnih kromoforjev v različnih delih kože v celoti določajo njegovo interakcijo z monokromatsko lasersko svetlobo in s tem odziv na dermatološke postopke..
Selektivno segrevanje posameznih elementov kože imenujemo selektivna fototermoliza, točka ogrevanja, ki zmanjšuje verjetnost velikih poškodb toplotnih tkiv. Ker so ogrevalne površine lokalizirane, ta tehnika v primerjavi z drugimi običajno zmanjša bolečino.
Segrevanje absorpcijske snovi s svetlobo
Vsak medij je označen z določenim koeficientom absorpcije svetlobe m (w) ...
Ko monokromatski žarek svetlobe vstopa v homogen medij z absorpcijskim koeficientom m = 1,00 mm - 1, se količina svetlobne energije, ki doseže globino h, določi z eksponentnim zakonom. To pomeni, da globine 1 mm dosežejo le 36% padle svetlobe (preostalih 64% je absorbirala zgornja plast). Na naslednjem milimetru se bo absorbiralo še 22% začetne količine energije, le 5% svetlobe, ki pada na površino, bo dosegla globino 3 mm. Na enak način se poveča tudi temperatura segretega medija (sl. 2.5-2)..
Tako, ko svetloba prodre globoko v absorpcijski medij, se njena intenzivnost močno zmanjša.
Vrste laserjev: impulzni in zvezni
Glavna značilnost laserskega sevanja, ki ga ločuje od vseh drugih svetlobnih virov, je monokromatična (vsi oddajani valovi imajo enako frekvenco). Frekvenca (valovna dolžina) - edinstvena značilnost vsakega laserja - je določena z njeno notranjo napravo (dolžina votline in sevalno snov). Poleg frekvence laserska naprava določa tudi glavni način delovanja: impulzni ali zvezni.
Impulzni laserji oddajajo svetlobo v obliki utripov svetlobe (impulzov), ki trajajo v tisočinkah, milijonih in celo milijardah frakcij sekunde, vendar je energija, ki se prenaša na vsako od njih, relativno visoka. Pogosto je več takih impulzov združenih v en makro-pulz, za katerega je značilno število impulzov, njihovo trajanje in premori med njimi. Trajanje makro pulza je običajno stotinke, tisočink sekunde in energija, ki jo prenašamo, je enaka zmnožku števila impulzov in energije vsakega od njih. Trajanje enega mikropulse, največja pogostost njihovega ponavljanja in največja energija vsakega od njih se določijo z lasersko zasnovo. Nasprotno pa se parametri makro impulzov običajno lahko nadzorujejo v določenih mejah, da bi dosegli cilj..
Zaradi zelo kratkega trajanja impulza človeško oko nima časa, da bi videlo točko udarca žarka takšnega laserja, zato je pogosto "osvetljeno" s šibkim, vendar neprekinjenim žarkom, ki ga ustvari enostavnejša naprava..
Impulzni laserji vključujejo rubin, aleksandrit, neodim, Er.YAG in diode laserje ter laserje za barvanje. Večina od njih temelji na trdnem jedru s črpanjem svetilk..
Kontinuirani laserji, kot že ime pove, ustvarjajo neprekinjen svetlobni tok, katerega točka na površini kože je vidna s prostim očesom (če je valovna dolžina laserja v vidnem območju valovne dolžine: 400-760 nm) v nasprotju s točko pulzirajočih laserjev. Trenutna moč zveznih laserjev je bistveno manjša od moči impulznih laserjev, čas njihove izpostavljenosti pa je v osnovi neomejen. Relativno počasna oskrba z energijo je lahko koristna v primerih, ko je hitro ogrevanje nezaželeno, po drugi strani pa lahko pri obdelavi širokega razreda poškodb pride do močnega neciljnega toplotnega poškodovanja, ker toplota, ki jim je dobavljena, se razširi globoko v kožo in jo močno segreje.
Prednost kontinuiranih laserjev je v tem, da se skoraj vsak izmed njih lahko "pretvori" v impulzni s pomočjo mehanskega ali elektrooptičnega prekinjala, ki blokira tok svetlobe z določeno frekvenco..
Neprekinjeni laserji, praviloma uporabljajo plin ali tekoč resonator, metode črpanja so lahko precej različne (pogosto z uporabo električnega praznjenja žara). Ta vrsta vključuje CO2 in He-Ne laserje, kot tudi veliko laserjev za barvanje.
Druga različica medicinske klasifikacije laserjev temelji na osnovnem modelu njihove uporabe..
Kirurški in ablativni laserji (CO2 in Er.YAG) se imenujejo "škodljivi", katerih sevanje povsod absorbirajo vsa tkiva (glavni kromofor je voda). Če je koža dobila dovolj energije, je njeno popolno uničenje zagotovljeno..
"Neškodljivi" lahko imenujemo tiste laserje, ki se uporabljajo predvsem v skladu z metodo selektivne fototermolize (dermatološki laserji), tj. njihovo sevanje absorbirajo le posamezni elementi tkanine in nevarno segrevanje večine pogosto ne nastane.
Ta "razred" vključuje večino laserjev, ki oddajajo v vidnem območju in delujejo v pulznem načinu: argon, alexandrite, Nd.YAG, dioda, laserski laser in barvni laserji. To lahko vključuje tudi šibke laserje, ki spodbujajo biokemične procese v globini kože brez kakršnega koli destruktivnega delovanja (terapija nizke intenzivnosti)..
Treba je poudariti, da lahko s prekomerno nameščeno močjo kateri koli laser povzroči resne poškodbe bolnika in medicinskega osebja..
Glavne značilnosti laserskega impulza
Širjenje svetlobnega vala je vedno povezano s prenosom energije. Za vir sevanja je značilna moč P - količina energije, ki jo oddaja v eni sekundi. Moč, merjena v vatih: 1 W = 1 J / s.
Vendar pa moč ni vedno najprimernejša značilnost: en in isti vir toplote se lahko ogreva drugače, odvisno od tega, koliko snovi se ga segreva. Z drugimi besedami, več površin, ki jih »skušamo« ogrevati, bo slabše ogrevanje. Zato je namesto moči vira bolj primerno uporabiti gostoto moči sevanja, ki se pojavi na površini:
Večja kot je gostota moči, močnejši je učinek vira. Zaradi tega parametra so laserji večkrat boljši od drugih virov svetlobe..
Procese, ki se pojavljajo v ogrevanem območju, določimo z gostoto energije sevanja (e), ki se prenese na enoto površine kože. Gostoto energije (ki jo prenaša en impulz) lahko najdemo na dva načina:
Razmerje med energijo impulza in površino laserske točke;
Kot produkt trajanja impulza in gostote moči sevanja.
Pri isti impulzni moči je energijska gostota močno odvisna od območja pika: ko se območje zmanjšuje, se gostota energije na osvetljeni površini povečuje in ustrezno se povečuje njeno ogrevanje..
Poleg valovne dolžine, trajanja impulza in njene energije značilnost laserja vključuje druge, bolj subtilne parametre (določene z načrtovanjem): impulzni profil (za impulzne laserje) in profil žarka..
Profil prostorskega žarka
Radialna porazdelitev gostote moči laserskega žarka se imenuje njen prostorski profil, pri večini laserjev pa se nanaša na enega od naslednjih tipov:
Gaussov (zvonast, "nativen" za laserje) - več energije se dovoli v središče laserske točke kot na njene robove (sl. 2.5-3); pri obdelavi velikih v primerjavi s točkovno površino ploskev se ta heterogenost upošteva s pomočjo nekaterih (15-20%) prekrivanja sosednjih mest (sl. 2.5-5);
ravna - gostota moči žarka je enakomerno porazdeljena po celotnem območju (Sl. 2.5-4); za laserje z optičnimi vlakni.
Tehnika selektivne fototermolize
Tehnika selektivne fototermolize temelji na monokromatnosti laserskega sevanja, vztrajnosti širjenja toplote in poznavanju absorpcijskih spektrov kožnih kromoforjev. Omogoča eni sami bliskavici, da se ogreje veliko število majhnih, vendar kontrastnih elementov kože, do visoke temperature, skoraj brez segrevanja preostalega dela tkanine..