Laser je skratka jazyka anglického jazyka: LASER - "Zosilnenie svetla stimulovanou emisiou žiarenia", ktorá v preklade znamená "zosilnenie svetla stimulovaným žiarením". Inými slovami, laser je zariadenie schopné produkovať veľmi silný lúč monochromatického svetla. Pretože laserový lúč je len prúd svetla (aj keď má niektoré špeciálne vlastnosti), je v tomto článku neskôr nazývaný lúč svetla..
Svetlo je elektromagnetická (EM) vlna, ktorá sa šíri vo vesmíre obrovskou rýchlosťou (vo vákuu: c = 300 000 km / s). Na rozdiel od akustických a mechanických vĺn EM vlny obsahujú dve zložky - elektrické a magnetické - ktorých harmonické kmity sa vyskytujú vo vzájomne kolmých smeroch. Na druhej strane môžeme predpokladať, že tok svetla pozostáva zo špeciálnych častíc (fotónov), ktorých energia súvisí s frekvenciou svetla (E = hw, h je Diracova konštanta) a množstvo súvisí s intenzitou lúča.
Vladimir Alexandrovich Tsepkolenko
MD, profesor, ctihodný doktor Ukrajiny,
Prezident ukrajinskej spoločnosti estetiky
medicína, generálny riaditeľ Ukrajiny
Ústav plastickej chirurgie
a estetická medicína "Virtus"
Svetlo a jeho rozloženie v homogénnom prostredí
Hlavnou charakteristikou svetla je jeho frekvencia w, ktorá určuje prenesenú energiu. Svetlo s rôznymi frekvenciami sa vníma ako rôzne farby. Napríklad frekvencia červenej farby je menšia ako frekvencia žltej a žltej farby je menšia než modrá. Všetky možné frekvencie svetla spájajú termín spektrum..
Vo viditeľnom svetle nie je jedno, ale nekonečné množstvo vĺn s rôznymi frekvenciami, ktoré vstupujú do rôznych rozmerov. Tento súbor frekvencií sa nazýva spektrálne zloženie svetla (v každodennom živote sa nazýva farba). Ak prúd svetla "obsahuje" vlny len jednej frekvencie, potom sa nazýva monochromaticky (napriek tomu tam nemôže byť dokonale monochromatické svetlo).
Druhou dôležitou charakteristikou svetelného toku je jeho intenzita I priamo súvisiaca s energiou prenášanou za sekundu.
Koncept frekvencie je nepohodlný, pretože jeho numerické hodnoty sú pre nás neobvykle veľké, takže sa často používa iné fyzikálne množstvo - vlnová dĺžka λ:
Čím je frekvencia svetla väčšia, tým menšia je jej vlnová dĺžka. Keď svetlo prechádza z jedného média do druhého, jeho vlnová dĺžka sa mení a frekvencia zostáva nezmenená. Zvyčajne sa táto skutočnosť vynecháva, pričom sa uvádza vlnová dĺžka nie v posudzovanom médiu, ale zodpovedá tomu vo vákuu..
Žiarenie viditeľného rozsahu sa nazýva EM vlny vnímané ľudským okom, ktorých dĺžka leží v rozmedzí od 400 do 760 nm (tabuľka 1)..
Žiarenie sa nazýva infračervené žiarenie s vlnovou dĺžkou väčšou ako 760 nm (červená farba), už nie je viditeľné, ale cítime sa ako teplo prichádzajúce z akéhokoľvek ohriateho tela..
Na ultrafialové, naopak, prenášať žiarenie v rozsahu od 6 do 400 nm.
Odraz a lom svetla na rozhraní
V homogénnom prostredí vždy lúč svetla tvorí priamku. Svetlo samo o sebe nezmení smer, ale ak existuje prekážka v podobe prachu, kvapôčok alebo hranice iného média v dráhe lúča, môže zmeniť smer pohybu. Takéto procesy sa nazývajú rozptyl alebo lom..
Každé médium (či už je to kvapalina, plyn, alebo priehľadná tuhá látka) je charakterizovaná určitou hodnotou, indexom lomu svetla n. Čím väčší je rozdiel medzi indexmi lomu, tým viac sa svetlo odráža. Stojí za zmienku, že svetlo dopadajúce v pravom uhle na rozhranie nie je lámavé, ale pokračuje v pohybe v priamke..
Ďalším efektom, ktorý sa vyskytuje pri prechode svetla cez rozhranie, je jeho odraz od tejto hranice. Odraz sa vyskytuje takmer vždy, a tým je väčší, tým menší je uhol medzi lúčom a rozhraním medzi médiami (zväzky rýh z neho). Ak svetlo vstupuje do nehomogénneho média, potom je rozptýlené. Pri rozptýlení sa časť svetla takmer vždy "odráža" a mení smer pohybu naopak.
Účinky rozptylu a reflexie majú spravidla parazitickú úlohu, pretože vedú k energetickým stratám a ešte horšie k necieľovému ohrevu.
Rozptyl je intenzívnejší, tým väčší je rozdiel medzi indexmi lomu média a heterogenitou (alebo dvomi rôznymi médiami - kožou a vzduchom). Zníženie rozdielu medzi indexmi lomu znižuje odraz a znižuje rozptyl..
Absorpcia svetla a chromofóry
Keď sa absorbuje veľké množstvo svetla, absorbovaná látka sa zahrieva, to znamená pomocou lasera, môžete zahrievať vnútornú vrstvu kože bez zahrievania vonkajších vrstiev a hĺbka vyhrievaného tkaniva sa vyberie výberom frekvencie laserového svetla..
Látka, ktorá absorbuje svetlo, sa nazýva chromofor. V úlohe chromofóru môže byť akákoľvek zložka ľudského tela: krvný hemoglobín, melanín, tuk, voda v bunkách, cudzorodé látky (nádory, hematómy), cievne steny. Závislosť absorpčného koeficientu na vlnovej dĺžke dopadajúceho svetla (absorpčné spektrum) pre väčšinu zložiek kože je známa (tabuľka 2, obrázok 2.5-1), ktorá umožňuje výber z dostupných laserových vlnových dĺžok ten, ktorý bude maximálne absorbovaný cieľovým objektom, čo ovplyvňuje čo najmenej susedia.
Pozrime sa podrobnejšie na absorpciu svetla s rôznymi vlnovými dĺžkami hlavnými chromofórami, ktoré tvoria kožu..
Ultrafialové svetlo (UV) s vlnovými dĺžkami v rozmedzí od 200 do 290 nm je dobre absorbované všetkými biologickými objektmi (bunky a tkanivá). Pri zvýšení vlnovej dĺžky od 300 do 400 nm je absorpcia ultrafialového žiarenia zjavne oslabená a vyskytuje sa hlavne v dôsledku nukleových kyselín a bezfarebných oblastí pokožky..
Viditeľné svetlo (vlnové dĺžky od 400 do 760 nm) je dobre absorbované krvou (hemoglobínom) a pigmentom (melanínom). Zostávajúce bunky a voda prakticky neabsorbujú v tomto rozmedzí, preto farba kože silne závisí od pigmentácie jej horných vrstiev a prietoku krvi. Aj v tomto rozsahu je možné absorbovať cudzorodé látky zavedené do pokožky (napríklad tetovacie pigmenty)..
V infračervenom (IR) rozmedzí (viac ako 760 nm) sa zvyšuje absorpcia mnohých biomolekúl a absorpcia melanínom a hemoglobínom sa výrazne znižuje. Vlnové dĺžky väčšie ako 1200 nm sú absorbované prevažne vodou (maximálna dĺžka je asi 2900 nm) obsiahnutá v tele takmer všade. V rozmedzí 1200-1700 nm je maximálna absorpcia tuku. Pri asi 6000 - 7000 nm sa absorpčný koeficient svetla kolagénom dramaticky zvyšuje, čo umožňuje jeho vyhrievanie priamo skôr ako prenosom tepla z molekúl vody (ako sa to deje pri použití lasera Er.YAG a CO2).
Zo všetkých kožných chromofórov, hemoglobínu, melanínu a vody sú najväčší záujem ich absorpčné maximá ležia v rôznych oblastiach spektra a sú dobre znázornené v koži.
Voda je priehľadná v celom rozsahu viditeľnej vlnovej dĺžky a jej okolí (200-900 nm), ale dobre absorbuje svetlo s vlnovými dĺžkami menej ako 150 a viac ako 1300 nm. Maximálna absorpcia je približne 2940 nm, po ktorej postupne klesá, ale zostáva významná až do 12 mikrónov a viac..
Hemoglobín. Maximálne absorpčné maximá oxy- a desoxyhemoglobínu sú umiestnené v blízkosti 415, 430, 540, 555 nm (obrázok 2.5-1). Súčasne so zvyšujúcou sa vlnovou dĺžkou intenzita absorpcie klesá v priemere. Zaujímavé je rozsah 600 až 750 nm, v ktorom má deoxyhemoglobín zjavnú výhodu. Pri vlnových dĺžkach vyšších ako 1100 nm sa absorpcia hemoglobínom stráca na pozadí výrazne zvýšenej absorpcie svetla vodou..
Melanín. Absorpcia svetla melanínom pomerne rýchlo klesá s nárastom vlnovej dĺžky od 300 do 1000 nm. V rozsahu 300-450 nm je absorpcia maximálna, avšak tieto vlnové dĺžky sú oveľa silnejšie absorbované hemoglobínom. Svetlo s vlnovými dĺžkami 450-500 a 600-1000 nm melanín absorbuje intenzívnejšie ako všetky ostatné chromatofóry a pri vlnovej dĺžke viac ako 1100 nm sa stratí na pozadí vody.
Carbon. Napriek tomu, že je základom všetkého známeho života, čistý uhlík vstupuje do zdravých tkanív iba zvonku (napríklad tetovanie), ale emituje sa vo forme grafitu z organických molekúl, keď sú dlho vyhrievané na teplotu niekoľkých stoviek stupňov. V dôsledku veľmi silnej absorpcie v širokom rozsahu vlnovej dĺžky uhlík neprenáša svetlo do pokožky, čo vedie k vysokému povrchovému ohrevu..
Rôzne zložky pokožky (ako každý iný orgán) často absorbujú svetlo s rôznymi vlnovými dĺžkami, ktoré sa môžu účinne používať v medicíne. Absorpčné a koncentračné spektrum hlavných chromofórov v rôznych častiach pokožky úplne určuje jej interakciu s laserovým monochromatickým svetlom, a teda aj odpoveďou na dermatologické postupy..
Selektívne zahrievanie jednotlivých prvkov pokožky sa nazýva selektívna fotothermolýza, bodová charakteristika vykurovania, ktorá znižuje pravdepodobnosť poškodenia tepelného tkaniva vo veľkom rozsahu. Keďže lokality vykurovacích priestorov sú lokalizované, táto technika v porovnaní s inými zvyčajne znižuje bolesť.
Zahrievanie absorbujúcej látky svetlom
Každé médium je charakterizované určitým koeficientom absorpcie svetla m (w) ...
Keď monochromatický lúč svetla vstupuje do homogénneho média s koeficientom absorpcie m = 1,00 mm - 1, množstvo svetlej energie dosahujúcej hĺbku h je určené exponenciálnym zákonom. To znamená, že hĺbka 1 mm dosahuje len 36% spadnutého svetla (zostávajúcich 64% bolo absorbovaných hornou vrstvou). Pri ďalšom milimetri sa absorbuje ďalších 22% počiatočného množstva energie a iba 5% svetla dopadajúceho na povrch dosiahne hĺbku 3 mm. Teplota ohrievaného média sa zvyšuje rovnakým spôsobom (obrázok 2.5-2).
Tak, ako svetlo preniká hlboko do absorpčného média, jeho intenzita prudko klesá.
Typy laserov: impulzné a kontinuálne
Hlavným rysom laserového žiarenia, ktorý ho odlišuje od všetkých ostatných svetelných zdrojov, je monochromaticita (všetky vyžarované vlny majú rovnakú frekvenciu). Frekvencia (vlnová dĺžka) - jedinečná charakteristika každého laseru - je určená jeho vnútorným zariadením (dĺžkou rezonátora a vyžarujúcou látkou). Okrem frekvencie laserové zariadenie tiež určuje hlavný režim činnosti: pulzný alebo spojitý.
Impulzné lasery vyžarujú svetlo vo forme zábleskov svetla (impulzov), ktoré trvajú v tisícoch, miliónoch a dokonca miliardách zlomkov sekundy, ale energia prenášaná na každú z nich je relatívne vysoká. Často sa niekoľko takýchto impulzov kombinuje do jedného makropulzného pulzu, ktorý sa vyznačuje počtom impulzov, ich trvaním a prestávkami medzi nimi. Trvanie makropulzného pulzu je zvyčajne stotiny, tisíciny sekundy a energia prenášaná v ňom je rovná výsledku počtu impulzov a energie každej z nich. Doba trvania jedného mikropulze, maximálna frekvencia opakovania a maximálna energia každého z nich sú určené laserovým dizajnom. Na rozdiel od toho, makro impulzné parametre môžu byť zvyčajne kontrolované v rámci určitých hraníc na dosiahnutie cieľa..
Kvôli veľmi krátkej trvaní pulzu ľudské oko nemá čas vidieť bod nárazu lúča takéhoto laseru, preto je často osvetlený slabým, ale nepretržitým lúčom vytvoreným jednoduchším zariadením..
Impulzné lasery zahŕňajú rubín, alexandrit, neodymium, Er.YAG a diódové lasery, ako aj farbiace lasery. Väčšina z nich je založená na pevnom jadre s čerpaním žiarovky..
Kontinuálne lasery, ako to naznačuje názov, vytvárajú kontinuálny svetelný tok, ktorého miesto na povrchu pokožky je viditeľné voľným okom (ak je vlnová dĺžka laseru vo viditeľnom rozsahu vlnovej dĺžky 400-760 nm) na rozdiel od miesta impulzných laserov. Okamžitý výkon kontinuálnych laserov je výrazne nižší ako pri impulzných laseroch, ale ich čas expozície je v podstate neobmedzený. Relatívne pomalá dodávka energie môže byť prospešná v prípadoch, keď je rýchle ohrievanie nežiaduce, ale na druhej strane pri spracovaní širokej triedy poškodenia môže takýto laser viesť k silnému necieľovému tepelnému poškodeniu, pretože dodávané teplo sa môže rozšíriť hlboko do kože a silne ju zahriať.
Výhodou súvislých laserov je, že takmer každý z nich môže byť "transformovaný" na impulzný mechanickým alebo elektrooptickým prerušovačom, ktorý blokuje tok svetla určitou frekvenciou.
Kontinuálne lasery spravidla používajú plynový alebo kvapalný rezonátor, metódy ich čerpania môžu byť pomerne rôznorodé (často s použitím žieravého elektrického výboja). Tento typ zahŕňa lasery CO2 a He-Ne, ako aj mnohé lasery farieb.
Iný variant lekárskej klasifikácie laserov je založený na základnom modeli ich aplikácie..
Chirurgické a ablačné lasery (CO2 a Er.YAG) sú označované ako "poškodzujúce", ktorých žiarenie je absorbované všetkými tkanivami všade (hlavným chromofórom je voda). Preto ak dostal dostatok energie na pokožku, je jej úplné zničenie zaručené..
"Bez poškodenia" sa môžu nazývať tie lasery, ktoré sa používajú hlavne v súlade s metódou selektívnej fotothermolýzy (dermatologické lasery), t.j. ich žiarenie je absorbované iba jednotlivými prvkami tkaniny a nebezpečné zahrievanie väčšiny z nich často nedochádza.
Táto "trieda" zahŕňa väčšinu laserov emitujúcich vo viditeľnom rozsahu a pracujúcich v impulznom režime: argón, alexandrit, Nd.YAG, dióda, laserové meďové pary a lasery farbiva. To môže zahŕňať aj slabé lasery, ktoré stimulujú biochemické procesy v hĺbke kože bez akéhokoľvek deštruktívneho účinku (terapia s nízkou intenzitou).
Stojí za to zdôrazniť, že pri nadmernej inštalácii môže každý laser spôsobiť vážne zranenie pacientovi aj zdravotníckemu personálu..
Hlavné charakteristiky laserového impulzu
Rozširovanie svetelnej vlny je vždy spojené s prenosom energie. Zdroj žiarenia je charakterizovaný výkonom P - množstvo emitovanej energie za sekundu. Výkon meraný vo wattoch: 1 W = 1 J / s.
Napájanie nie je však vždy najpriaznivejšou charakteristikou: jeden a ten istý zdroj tepla môže byť rôznym spôsobom ohrievaný, v závislosti od toho, akú hmotu zohrieva. Inými slovami, čím viac plochy budeme "vyskúšať" na vykurovanie, tým slabší bude vykurovanie. Preto namiesto zdroja energie je vhodnejšie použiť hustotu výkonu žiarenia na povrchu:
Čím je vyššia hustota výkonu, tým silnejší je vplyv zdroja. Pre tento parameter sú lasery mnohonásobne lepšie ako iné svetelné zdroje..
Procesy, ktoré sa vyskytujú vo vykurovanej oblasti, sú určené hustotou (e) energie žiarenia prenášanou na jednotku povrchu kože. Hustota energie (prenášaná jedným impulzom) sa dá nájsť dvoma spôsobmi:
Pomer pulznej energie k oblasti laserových škvŕn;
Ako produkt trvania impulzu a hustoty žiarenia.
Pri rovnakom impulznom výkone závisí hustota energie na spotovej ploche: s poklesom plochy sa zvyšuje hustota energie na osvetlenej ploche a jej vykurovanie sa zvyšuje..
Okrem vlnovej dĺžky, trvania impulzu a jeho energie má charakteristika lasera aj iné jemnejšie parametre (určené konštrukciou): impulzný profil (pre impulzné lasery) a profil lúča.
Profil priestorového lúča
Radiálne rozloženie hustoty výkonu laserového lúča sa nazýva jeho priestorový profil, pre väčšinu laserov sa vzťahuje na jeden z nasledujúcich typov:
Gaussovská (zvonovitá, "natívna" pre lasery) - do stredu laserovej škvrny sa dodáva viac energie ako na jej okraji (obrázok 2.5-3); pri spracovaní veľkých v porovnaní s bodovou plochou pozemkov je táto heterogénnosť zohľadnená pomocou niektorých (15-20%) prekrývajúcich sa susedných miest (obrázok 2.5-5);
plochá - hustota výkonu lúča je rovnomerne rozložená na celej bodovej ploche (obrázok 2.5-4); bežné pre optické lasery.
Selektívna technika fotothermolýzy
Technika selektívnej fotothermolýzy je založená na monochromaticite laserového žiarenia, zotrvačnosti šírenia tepla a znalosti absorpčných spektier chromoforov pokožky. Umožňuje jediný blesk na ohrev obrovského množstva malých, ale kontrastných prvkov pokožky na vysokú teplotu, takmer bez zahrievania zvyšku tkaniny..