Лазер – абревіатура англомовного походження: LASER – "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", що у перекладі означає "посилення світла вимушеним випромінюванням". Іншими словами, лазер – це пристрій, здатний створювати дуже потужний промінь монохроматичного світла. Оскільки лазерний промінь – це просто потік світла (нехай має деякі особливості), то далі в цій статті він називається променем світла.
Світло – це електромагнітна (ЕМ) хвиля, яка поширюється у просторі з величезною швидкістю (у вакуумі: с = 300 000 км/с). На відміну від акустичних і механічних хвиль, ЕМ хвилі включають дві компоненти – електричну та магнітну, - гармонійні коливання яких відбуваються у взаємно-перпендикулярних напрямках. З іншого боку, можна вважати, що потік світла складається з особливих частинок (фотонів), енергія яких пов'язана з частотою світла (E = hw, h - постійна Дірака), а кількість -; з інтенсивністю променя.
Володимир Олександрович Цепколенко
д.м.н., професор, заслужений лікар України,
президент Українського товариства естетичної
медицини, генеральний директор Українського
інституту пластичної хірургії
та естетичної медицини "Віртус"
Світло та його поширення в однорідному середовищі
Основна характеристика світла – його частота w, що визначає енергію, що переноситься. Світло з різними частотами сприймається як різні кольори. Наприклад, частота червоного кольору менша за частоту жовтого, а жовтого – менше, ніж синього. Усі можливі частоти світла поєднують терміном спектр.
У видимому світлі є не одна, а нескінченна кількість хвиль з різними частотами, які входять до нього в різних пропорціях. Такий набір частот називають спектральним складом світла (у повсякденному житті називається кольором). Якщо ж потік світла "містить" хвилі лише однієї частоти, то його називають монохроматичним (проте ідеально монохроматичного світла бути не може).
Другою важливою характеристикою світлового потоку є його інтенсивність I, безпосередньо пов'язана з енергією, що переноситься за одну секунду.
Поняття частоти незручне тим, що її числові значення для нас незвично великі, тому найчастіше застосовується інша фізична величина – довжина хвилі λ:
Чим більша частота світла, тим менша довжина його хвилі. При переході світла з одного середовища до іншої довжина його хвилі змінюється, а частота залишається незмінною. Зазвичай цей факт опускають, згадуючи довжину хвилі не в середовищі, що розглядається, а відповідну їй у вакуумі.
Випромінюванням видимого діапазону називають хвилі, що сприймаються оком людини ЕМ, довжини яких лежать в діапазоні від 400 до 760 нм (табл. 1).
Інфрачервоним називають випромінювання з довжинами хвиль більше 760 нм (червоний), він уже не бачимо, але відчуваємо як тепло, що йде від будь-якого нагрітого тіла.
До ультрафіолетового, навпаки, відносять випромінювання в діапазоні 6-400 нм.
Відображення та заломлення світла на межі розділу середовищ
У однорідному середовищі промінь світла завжди утворює пряму лінію. Світло не змінює напрямок сам по собі, але, якщо на шляху променя зустрічається перешкода у вигляді порошинки, крапельки або межі іншого середовища, він може змінити напрямок свого руху. Такі процеси називають розсіюванням або заломленням.
Кожне середовище (чи рідина, газ або прозоре тверде тіло) характеризується деякою величиною – коефіцієнтом заломлення світла n. Чим більша різниця між коефіцієнтами заломлення, тим сильніше заломлюється світло. Варто зазначити, що світло, що падає під прямим кутом до поверхні розділу, не заломлюється, а продовжує рухатися прямолінійно.
Іншим ефектом, що проявляється при проходженні світла через межу поділу середовищ, є його відображення від цього кордону. Відображення відбувається практично завжди, і воно тим більше, чим менше кут між променем і поверхнею розділу середовищ (промінь рикошетить від неї). Якщо світло потрапляє в неоднорідне середовище, відбувається його розсіювання. При розсіянні частина світла практично завжди "відбивається", змінюючи напрямок руху на протилежний.
Ефекти розсіювання та відбиття грають, як правило, паразитарну роль, т.к. призводять до втрат енергії та, що гірше, до нецільового нагрівання.
Розсіювання йде тим інтенсивніше, чим більша різниця між показниками заломлення середовища і неоднорідностей (або двох різних середовищ шкіри та повітря). Зменшення різниці між показниками заломлення зменшує відображення та послаблює розсіювання.
Поглинання світла та хромофори
При поглинанні великої кількості світла відбувається нагрівання поглинутої речовини, тобто, використовуючи лазер, можна нагрівати внутрішній шар шкіри, не нагріваючи зовнішні шари, при цьому глибина залягання тканини, що нагрівається, вибирається підбором частоти світла лазера.
Речовина, що поглинає світло, називається хромофором. У ролі хромофора може бути будь-який компонент людського тіла: гемоглобін крові, меланін, жир, вода в клітинах, сторонні включення (пухлини, гематоми), стінки судин. Залежність коефіцієнта поглинання від довжини хвилі падаючого світла (спектру поглинання) для більшості компонентів шкіри відома (табл. 2, рис. 2.5-1), що дозволяє вибрати з доступних довжин хвиль лазера ту, яка максимально поглинатиметься цільовим об'єктом, якнайменше зачіпаючи сусідів.
Розглянемо докладніше поглинання світла з різними довжинами хвиль основними хромофорами, що входять до складу шкіри.
Ультрафіолетове світло (УФ) з довжинами хвиль у діапазоні від 200 до 290 нм непогано поглинається всіма біологічними об'єктами (клітинами та тканиною). При збільшенні довжини хвилі від 300 до 400 нм поглинання УФ помітно слабшає і відбувається в основному за рахунок нуклеїнових кислот та безбарвних ділянок шкіри.
Виглядне світло (довжини хвиль від 400 до 760 нм) добре поглинається кров'ю (гемоглобіном) і пігментом (меланіном). Інші клітини і вода практично не поглинають у цьому діапазоні, тому колір шкіри залежить від пігментації її верхніх шарів і припливу крові. Також у цьому діапазоні можуть поглинати внесені в шкіру сторонні речовини (наприклад, пігменти татуювання).
В інфрачервоному (ІЧ) діапазоні (понад 760 нм) зростає поглинання багатьох біомолекул, а поглинання меланіном та гемоглобіном значно слабшає. Довжини хвиль понад 1200 нм поглинаються переважно водою (максимум довжини – близько 2900 нм), що міститься в організмі практично повсюдно. У діапазоні 1200-1700 нм є максимуми поглинання жиру. Близько 6000-7000 нм різко зростає коефіцієнт поглинання світла колагеном, що дозволяє нагрівати його безпосередньо, а не через теплопередачу від молекул води (як відбувається при використанні Er.YAG і CO2 лазерів).
З усіх шкірних хромофорів найбільший інтерес становлять гемоглобін, меланін та вода, т.к. максимуми їх поглинання лежать у різних областях спектру, а самі вони добре представлені у шкірі.
Вода є прозорою у всьому видимому діапазоні хвиль та його околиці (200-900 нм), але добре поглинає світло з довжиною хвиль менше 150 і більше 1300 нм. Максимум поглинання близько 2940 нм, після чого воно плавно спадає, але залишається значущим до 12 мкм і більше.
Гемоглобін. Максимуми поглинання світла окси- та дезоксигемоглобіном знаходяться поблизу 415, 430, 540, 555 нм (рис. 2.5-1). У цьому зі зростанням довжини хвилі інтенсивність поглинання загалом спадає. Інтерес представляє діапазон 600-750 нм, в якому очевидною перевагою має саме дезоксигемоглобін. При довжинах хвиль більше 1100 нм поглинання гемоглобіном втрачається на тлі поглинання світла водою, що істотно посилюється.
Меланін. Поглинання світла меланіном швидко спадає при зростанні довжини хвилі від 300 до 1000 нм. У діапазоні 300-450 нм поглинання максимально, проте ці дедовжини хвиль значно сильніше поглинаються гемоглобіном. Світло з довжинами хвиль 450-500 і 600-1000 нм меланін поглинає інтенсивніше всіх інших хроматофорів, а при довжині хвилі більше 1100 нм втрачається на тлі води.
Вуглець. Незважаючи на те, що він є основою всього відомого життя, у здорові тканини чистий вуглець потрапляє тільки ззовні (наприклад, татуаж), але виділяється у вигляді графіту з органічних молекул при їх тривалому розігріві до температури в кілька сотень градусів. Через дуже сильне поглинання в широкому діапазоні хвиль вуглець не пропускає світло всередину шкіри, що призводить до високого поверхневого нагрівання.
Різні складові шкіри (як і будь-якого іншого органу) часто поглинають світло з різними довжинами хвиль, що може бути ефективно використане в медицині. Спектри поглинання та концентрації основних хромофорів у різних ділянках шкіри повністю визначають її взаємодію з монохроматичним світлом лазера і, відповідно, реакцію на дерматологічні процедури. тканин. Оскільки області нагрівання локалізовані, ця методика, порівняно з іншими, зазвичай зменшує болючість.
Нагрівання поглинаючої речовини світлом
Кожен середовище характеризується певним коефіцієнтом поглинання світла m (w)..
Коли монохроматичний промінь світла потрапляє в однорідне середовище з коефіцієнтом абсорбції m = 1,00 мм-1, кількість світлової енергії, що досягає глибини h, визначається експоненційним законом. Це означає, що глибини в 1 мм досягають лише 36% світла, що впало (решта 64% поглинулися верхнім шаром). На наступному міліметрі поглинуться ще 22% від початкової кількості енергії, а глибини в 3 мм досягнуть лише 5% світла, що впало на поверхню. Аналогічно підвищується і температура середовища, що нагрівається (рис. 2.5-2).
Таким чином, у міру проникнення світла в глиб поглинаючого середовища його інтенсивність різко спадає.
Види лазерів: імпульсні та безперервної дії
Головною особливістю випромінювання лазера, що відрізняє його від інших джерел світла, є монохроматичність (усі випромінювані хвилі мають однакову частоту). Частота (довжина хвилі) – унікальна характеристика кожного лазера – визначається його внутрішнім пристроєм (довжиною резонатора та випромінюючою речовиною). Крім частоти, пристрій лазера визначає і його основний режим роботи: імпульсний або безперервний.
Імпульсні лазери випромінюють світло у вигляді спалахів світла (імпульсів) тривалістю в тисячні, мільйонні і навіть мільярдні частки секунди, але енергія, що передається кожній з них, порівняно велика. Часто кілька таких імпульсів поєднують в один макроімпульс, який характеризується кількістю імпульсів, їх тривалістю та паузами між ними. Тривалість макроімпульсу зазвичай становить соті, тисячні частки секунди, а енергія, що передається в ньому, дорівнює добутку кількості імпульсів і енергії кожного з них. Тривалість одного мікроімпульсу, максимальна частота їхнього прямування і максимальна енергія кожного з них визначаються конструкцією лазера. Параметрами макроімпульсу, навпаки, зазвичай можна керувати в деяких межах для досягнення поставленої мети.
Через дуже коротку тривалість імпульсу людське око не встигає побачити точку попадання променя такого лазера, тому її часто "підсвічують" слабким, але безперервним променем, що створюється більш простим приладом.
До імпульсних лазерів відносяться рубіновий, олександритовий, неодимовий, Er.YAG та діодні лазери, а також лазери на барвниках. Більшість з них заснована на твердому сердечнику з ламповим накачуванням.
Лазери безперервної дії, як випливає з назви, створюють безперервний світловий потік, пляма якого на поверхні шкіри видно неозброєним оком (якщо довжина хвилі лазера лежить у видимому діапазоні хвиль: 400- 760 нм) на відміну плями імпульсних лазерів. Миттєва потужність лазерів безперервної дії значно менша, ніж імпульсних, проте тривалість експозиції у них принципово нічим не обмежена. Відносно повільне надходження енергії може бути вигідне у тих випадках, коли швидке нагрівання небажане, але, з іншого боку, при обробці широкого класу пошкоджень такий лазер може призводити до сильних термічних нецільових пошкоджень, т.к. тепло, що поставляється їм, встигає поширюватися в глиб шкіри і сильно її нагрівати.
Перевагою лазерів безперервної дії є те, що практично будь-який з них можна "перетворити" на імпульсний за допомогою механічного або електрооптичного переривника, який перекриває потік світла з деякою періодичністю.
Лазери безперервної дії використовують, як правило, газовий або рідинний резонатор, способи їх накачування можуть бути досить різноманітними (часто використовується електричний розряд, що тліє). До цього типу належать СО2 та He-Ne лазери, а також багато лазерів на барвниках.
Інший варіант медичної класифікації лазерів заснований на основній моделі їх застосування.
До "пошкоджуючих" відносять хірургічне та абляційні лазери (СО2 та Er.YAG), випромінювання яких поглинається всіма тканинами повсюдно (основний хромофор – вода). Тому якщо в шкіру було доставлено достатню кількість енергії, її повне руйнування гарантовано.
"Неушкоджуючими" можна назвати лазери, які застосовуються в основному відповідно до методики селективного фототермолізу (дерматологічні лазери), тобто. їх випромінювання поглинається лише окремими елементами тканини, а небезпечного нагрівання більшої її частини часто не відбувається.
До цього "класу" належить більшість лазерів, що випромінюють у видимому діапазоні і працюють в імпульсному режимі: аргоновий, александритовий, Nd.YAG, діодний , лазер на пара міді та лазери на барвниках. Сюди ж можна віднести слабкі лазери, що стимулюють біохімічні процеси в глибині шкіри без будь-якої руйнівної дії (низькоінтенсивна терапія).
Варто підкреслити, що за надмірної встановленої потужності будь-який лазер може призвести до тяжкої травми як пацієнта, так і медичного персоналу.
Основні характеристики лазерного імпульсу
Розповсюдження світлової хвилі завжди пов'язане з перенесенням енергії. Джерело випромінювання характеризується потужністю Р – кількістю випромінюваної за секунду енергії. Потужність, що вимірюється у ватах: 1 Вт = 1 Дж/с.
Однак потужність не завжди є найбільш зручною характеристикою: те саме джерело тепла може гріти по-різному, залежно від того, яка кількість речовини їм нагрівається. Іншими словами, чим більшу площу поверхні ми "намагаємося" нагріти, тим слабшим буде нагрівання. Тому замість потужності джерела зручніше використовувати густину потужності падаючого на поверхню випромінювання:
Чим більша щільність потужності, тим сильніше проявляється дія джерела. Саме за цим параметром лазери багаторазово перевершують інші джерела світла.
Процеси, що відбуваються в ділянці, що нагрівається, визначаються щільністю енергії випромінювання (e), переданої одиниці поверхні шкіри. Щільність енергії (передана одним імпульсом) може бути знайдена двома способами:
Ставлення енергії імпульсу до площі плями лазера;
Як витвір тривалості імпульсу та щільності потужності випромінювання.
При одній і тій же потужності імпульсу щільність енергії сильно залежить від площі плями: зі зменшенням площі підвищується щільність енергії на поверхні, що освітлюється, відповідно зростає і її нагрівання.
Крім довжини хвилі, тривалості імпульсу та його енергії характеристика лазера включає інші, більш тонкі, параметри (визначаються конструкцією): профіль імпульсу (для імпульсних лазерів) і профіль променя.
Просторовий профіль променя
Радіальний розподіл щільності потужності променя лазера називають його просторовим профілем, у більшості лазерів він відноситься до одного з таких видів:
Гаусовський (дзвоноподібний, "рідний" для лазерів) – у центр плями лазера поставляється більше енергії, ніж його краю (рис. 2.5-3); при обробці великих у порівнянні з площею плями ділянок цю неоднорідність враховують за допомогою деякого (15-20%) перекриття сусідніх плям (рис. 2.5-5);
плоский – густина потужності променя рівномірно розподілена по всій площі плями (рис. 2.5-4); звичайний для лазерів з оптоволоконним світловодом.
Методика селективного фототермолізу
Методика селективного фототермолізу ґрунтується на монохроматичності лазерного випромінювання, інерційності поширення тепла та знанні спектрів поглинання шкірних хромофорів. Вона дозволяє одним спалахом світла нагріти величезну кількість невеликих, але контрастних елементів шкіри до високої температури, практично не нагріваючи решту тканин.
Джерело estet-portal.com
Поділіться:
Додати коментар