Лазеры и их применение в медицине. Учебное пособие
.pdfполупроводниковые лазеры можно применять в автономной и порта- тивной терапевтической аппаратуре.
∙По угловой расходимости луча.
Измеряется в градусах, угловых минутах (1/60 градуса), угловых се- кундах (1/60 минуты) или радианах (1 градус = 0,0175 рад). Наимень- шую расходимость имеют газовые лазеры – около 30 угловых секунд (> 0,15 мрад). Расходимость луча твердотельных лазеров составляет около 2 мрад. У полупроводниковых лазеров в плоскости, параллель- ной p-n-переходу, – от 10 до 20 градусов (в зависимости от типа лазе- ра); в плоскости, перпендикулярной p-n-переходу, – около
40градусов.
∙По степени опасности генерируемого излучения.
По этому принципу лазеры подразделяются на четыре класса:
Класс 1. Лазерные изделия, безопасные при предполагаемых ус- ловиях эксплуатации.
Класс 2. Лазерные изделия, генерирующие видимое излучение в диапазоне длин волн от 400 до 700 нм. Защита глаз обеспечивается ес- тественными реакциями, включая рефлекс мигания.
Класс 3А. Лазерные изделия безопасные для наблюдения незащи- щенным глазом. Для лазерных изделий, генерирующих излучение в диапазоне длин волн от 400 до 700 нм, защита обеспечивается естест- венными реакциями, включая рефлекс мигания. Для других длин волн опасность для незащищенного глаза не больше, чем для класса 1.
Непосредственное наблюдение пучка, испускаемого лазерными изделиями класса 3А, с помощью оптических инструментов (например, бинокль, телескоп, микроскоп), может быть опасным.
Класс 3В. Непосредственно наблюдение таких лазерных изделий всегда опасно. Видимое рассеянное излучение обычно безопасно.
Примечание: Условия безопасного наблюдения диффузного отра- жения для лазерных изделий класса 3В в видимой области: минималь- ное расстояние для наблюдения между глазом и экраном 13 см, макси- мальное время наблюдения 10 с.
Класс 4. Лазерные изделия, создающие опасное рассеянное излу- чение, могут вызвать поражение кожи, а также создать опасность по- жара. При их использовании следует соблюдать особую осторожность.
Эта градация определена ГОСТ Р 50723-94 «Лазерная безопас- ность. Общие требования безопасности при разработке и эксплуатации лазерных изделий» [26].
51
Глава 3. Физико-биологическое воздействие лазеров на чело-
века
Физико-биологические механизмы взаимодействия биологиче- ских тканей и низкоинтенсивного квантового излучения не могут счи- таться в достаточной степени изученными, несмотря на многочислен- ные научно-практические исследования.
В основе фотобиологических процессов, происходящих в тканях организма, лежат фотофизические и фотохимические реакции. Фото- физические реакции обусловлены преимущественно нагреванием тка- ней и безизлучательным распространением тепла в них. Фотохимиче- ские реакции связаны с перемещением электронов на различных орби- тах атомов поглощающего свет вещества. Основным эффектом инфра- красного излучения является слабое тепловое воздействие при большой глубине проникновения. Терапевтический эффект связан с активизаци- ей молекул, активацией процесса микроциркуляции в биоткани, потен- цированием физических и биохимических процессов.
На основе многолетних исследований определены наиболее эф- фективные виды электромагнитных излучений:
–импульсное инфракрасное лазерное излучение;
–непрерывное некогерентное инфракрасное излучение;
–пульсирующий красный свет;
–крайне высокочастотное (КВЧ) излучение;
–магнитное поле.
Импульсное инфракрасное лазерное излучение глубоко, до 10-13 см,
проникает в ткани и оказывает мощное стимулирующее воздействие на кровообращение, мембранный и внутриклеточный обмен веществ, ак- тивизирует нейрогуморальные факторы, иммунокомпетентные систе- мы, гармонизирует гормональную систему.
Непрерывное некогерентное инфракрасное излучение, обладая меньшим, чем лазерное, проникновением в ткани и большей спек- тральной широтой, действует на зоны Захарьина– Геда и оказывает мощное гормонизирующее воздействие на тонус центральной нервной системы и вегетативной нервной системы.
Пульсирующий красный свет, проникая на незначительную глу- бину, тем не менее, оказывает благоприятное воздействие, уменьшая интенсивность воспалительных процессов, особенно в областях, имею- щих рыхлую соединительную ткань. Повышает активность психоэмо- циональных сфер. Кроме того, красный свет визуализирует зону обра-
52
ботки и оказывает местное согревающее и благотворное психотерапев- тическое воздействие. Пульсирующее широкополосное красное излу- чение видимого глазом диапазона имеет чуть большую энергию кван- тов по сравнению с инфракрасной частью спектра (менее 2 эВ), так же недостаточную для возникновения деструктивных процессов в тканях, но активизирующую многие процессы в биологически активных зонах. Таковыми являются зоны с большим количеством рыхлой соедини- тельной ткани, например в области крупных суставов, паравертебраль- ные участки зон Захарьина- Геда и некоторые др. Кроме того, кожная кровеносная и лимфатическая сети являются иммунокомпетентными структурами.
Крайне высокочастотное (КВЧ) излучение (микроволновое излу-
чение миллиметрового диапазона) является, по сути, исключительно информационной терапией, основанной на воздействии на организм энергетически подпороговых значений крайне высоких частот в диапа- зоне от 42 до 160 ГГц. Воздействие осуществляется в основном на био- логически активные точки и зоны организма с целью стимуляции им- мунной системы на фоне общего адаптационного синдрома [27].
Созданию энергетической защиты организма от вредных воздей- ствий окружающей среды, включая метеофакторы и электромагнитные поля, служит магнитное поле. Магнитное поле позволяет также удер- жать ионизированные молекулы тканей в диссоциированном состоя- нии, что служит повышению энергетики на молекулярном и клеточном уровнях. Постоянное магнитное поле оказывает заметное потенци- рующее влияние на все составляющие полифакторной квантовой тера- пии. Известно, что в организме постоянно протекают процессы элек- тролитической диссоциации (ЭДС) молекул и параллельно с ними про- цессы их рекомбинации (восстановления). Энергия, выделяющаяся при диссоциации, практически полностью используется для восстановления молекул. При этом все системы стремятся к тепловому равновесию.
Фотоэлектрический эффект, при котором наведенная ЭДС дости- гает величин, способствующих диссоциации, усиливается постоянным магнитным полем, позволяющим на определенное время удержать мо- лекулы в диссоциированном состоянии. При этом генерируется энер- гия, с одной стороны, совершающая безызлучательные переходы в межклеточных пространствах, с другой - способствующая созданию темпepaтypнoгo градиента в структурах биообъекта. Кроме того, под влиянием магнитного поля увеличивается диэлектрическая проницае- мость биополимеров, что способствует увеличению проникновения инфракрасного излучения в глубь ткани, а также усиливаются турбу-
53
лентные процессы в циркулирующих жидкостях. За счет взаимооттал- кивания одноименных зарядов ионизированная жидкость более плотно прижимается к стенкам русла, в результате чего усиливаются обменные процессы.
Таким образом, физической основой эффекта биостимуляции в живом организме на клеточном, тканевом, органном уровне и на уров- не биообъекта в целом является воздействие квантового излучения на атомы и молекулы. В результате поглощения квантов света возникают электронно-возбужденные состояния атомов и молекул веществ с по- следующей миграцией электронного возбуждения, что приводит к пер- вичному фотофизическому эффекту и запуску вторичных фотохимиче- ских реакций.
Чтобы лучше понять процессы, происходящие на атомно- молекулярном уровне и запускающие дальнейшую цепь биологических преобразований, следует прежде всего остановиться на технических характеристиках аппарата квантовой терапии и объяснить, что они из себя представляют и что они определяют в процессе квантовой тера- пии.
Длина волны инфракрасного лазерного излучения арсенид- галлиевого диода составляет 890 нм, глубина проникновения низко- энергетического лазерного излучения в биообъект зависит главным об- разом от длины волны. Для инфракрасного диапазона спектра биологи- ческие ткани обладают наибольшей оптической прозрачностью.
Вто же время энергия фотонов инфракрасной области колеблется
впределах от 1 до 1,5 эВ. Для сравнения, энергия межатомных связей биополимеров лежит в пределах 2,06 – 12,6 эВ. Например, минималь- ная энергия связи (C = N) составляет 2,06 эВ, а энергия связей С - С и С = С и др. выше.
Следовательно, энергии фотонов инфракрасного излучения не- достаточно, чтобы повредить сильные межмолекулярные связи биопо- лимеров. В то же время этой энергии достаточно для стимуляции коле- бательных процессов в молекулах вещества и активации электронного возбуждения атомов. При этом световая энергия почти полностью за- трачивается на фотофизические реакции, то есть превращается в тепло- вую. Это вызывает тепловое расширение цитоплазмы и мембранных каналов, катализацию биологических процессов, изменение вязкоэла- стичных свойств плазмолеммы и внутриклеточных мембран. При этом температурный градиент, вызываемый излучением, достаточно мал (менее 1 градуса) и значительно меньше значений, способных вызвать необратимые изменения клеточных структур.
54
Широкополосное пульсирующее красное излучение с длинами волн 640-740 нм имеет максимальную энергию фотона около 2 эВ. Эта энергия близка к энергии связи атомов углерода и азота (C = N). Энер- гия квантов здесь выше, чем у ИК-излучения. Это излучение обеспечи- вает более глубокое проникновение лазерного излучения в биоткани.
При поглощении тканями света этого диапазона возможна диссо- циация отдельных молекул поверхностного слоя, однако деструктив- ные явления не происходят. Кроме того, пульсирующий красный свет, визуализируя работу излучателя, является мощным психотерапевтиче- ским фактором для пациента. Следует отметить, что общетонизирую- щее действие видимого красного света давно уже стало научным фак- том.
Индукция постоянного магнитного поля аппарата квантовой тера- пии равна 35±10 мТл (миллитесла). Такой индукции достаточно для переориентировки молекул-диполей в жидких средах, а также части ионизированных молекул. Теоретически обосновано и практически до- казано усилие эффекта биостимуляции при сочетанном действии со- ставляющих квантовой терапии при указанных выше физических ха- рактеристиках излучений аппарата.
Мощность импульса лазерного излучения аппарата составляет не менее 4 Вт. При непрерывном характере излучения такой мощности речь шла бы о высокоэнергетическом воздействии. Но аппарат работа- ет в импульсном режиме. При этом длительность каждого отдельного импульса составляет (90...130)х10-9 с (90...130 нс). За это время, соизме- римое с инерционностью молекул, в молекулы биоткани попадает дос- таточное количество энергии для достижения возбуждения и запуска физико-химических реакций. После окончания импульса происходит относительно медленный спад активности реакций на атомно- молекулярном уровне. Как известно, при внешних воздействиях все биосистемы стремятся восстановить свое нарушенное равновесие. Если же в биоткани есть отклонения от нормы, вызванные каким-либо пато- логическим процессом, то восстановление такого патологического рав- новесия является вредным и биоактивацию надо сохранять. Поэтому, для того чтобы закрепить биоактивацию, реализовать биологические позитивные сдвиги и раскачать вредные адаптационный механизмы при самых различных видах патологии, аппарат может генерировать разные частоты повторения импульсов, а именно: 5, 50, 1000 Гц, либо же переменную частоту в диапазоне 1 – 250 Гц. Количество энергии, доставленное с выбранной частотой в биоткани за время процедуры, достаточно для поддержания во времени атомарно-молекулярных пре-
55
вращений, для возникновения усиливающего резонансного эффекта и запуска механизмов срочной адаптации на прогнозируемом уровне.
3.1. Низкоэнергетическое лазерное излучение
Воздействие низкоэнергетического лазерного излучения в тера-
певтических дозировках, не вызывающих каких-либо патологических изменений клеток, можно рассматривать как адекватный физиологиче- ский раздражитель – сигналы, вызывающие изменения естественно протекающих в клетке физико-химических, биофизических, биохими- ческих и физиологических процессов.
Результаты исследований свидетельствуют о том, что биологиче- ские ткани в большинстве случаев являются сильно рассеивающими средами. Кровь и жир – основные субстанции, поглощающие ИК- излучение. При контактном лазерном воздействии с небольшой ком- прессией мягких тканей глубина проникновения ИК-света увеличива- ется почти в три раза по сравнению с дистанционной методикой.
Глубина проникновения лазерного излучения с длиной волны 0,83 мкм достигает 40-50 мм, однако этой глубины достигает только 0,1% от исходной мощности. Как показали исследования, в зависимости от функционального состояния кожных покровов, содержания меланина, интенсивности капиллярного кровотока, возраста пациента коэффици- ент отражения в одной и той же точке кожи может колебаться от 5 до 40%. В среднем для кожи человека коэффициент отражения низкоэнер- гетического лазерного излучения с длиной волны 0,83 мкм составляет 0,35-0,4. При экспозиции этого излучения мощностью 15 мВт при плот- ности мощности 750 мВт/см2 в течение 20 с (15 Дж/см2) возникает не- медленная реакция в тканях, окружающих эту зону воздействия, – по- вышение температуры на 1-2° С и более.
Лазерное излучение в области длин волн 0,63-1,3 мкм влияет на физические параметры биологических тканей, изменяет интенсивность биохимических реакций, состояние функциональных систем. Возника- ют возбужденные состояния молекул, и происходит их конформацион- ная перестройка; изменяются кислородный баланс и активность окис- лительно-восстановительных процессов, мембранный потенциал клет- ки, pH межклеточной жидкости. Стимулируется электронный обмен в протоплазме клетки, и как следствие ускоряются процессы метаболиз- ма; ускоряется восстановление клетки за счет увеличения производства АТФ, потребления кислорода, синтеза РНК, ДНК, нуклеиновых кислот, протеинов, коллагена и активации многочисленных цитоплазматиче-
56
ских ферментов. Улучшается микроциркуляция, и активизируется об- мен внутритканевой жидкости; развиваются ответные комплексные адаптационные нейрорефлекторные и нейрогуморальные реакции с ак- тивацией иммунной системы; увеличивается болевой порог восприятия нервных окончаний.
Основным показанием является целесообразность применения, в частности:
-болевые синдромы нейрогенного и органического характера;
-нарушение микроциркуляции;
-нарушение иммунного статуса;
-сенсибилизация организма к лекарствам, аллергические прояв-
ления;
-заболевания воспалительного характера;
-необходимость стимулирования репаративных и регенеративных процессов в тканях;
-необходимость стимулирования систем регуляции гомеостаза.
Можно использовать лазеротерапию при лечения следующих за- болеваний:
∙терапия: ишемическая болезнь сердца, стенокардия покоя и напряжения, постинфарктный кардиосклероз, гипертоническая бо- лезнь, вегетососудистая дистония, заболевания органов желудочно- кишечного тракта, заболевания суставов;
∙хирургия: раны, ожоги, обморожения; переломы костей; трав- матические повреждения внутренних органов; инфильтраты, гнойные заболевания мягких тканей и костей; проктиты, парапроктиты, трещи- ны прямой кишки; фурункулы, карбункулы, флегмоны; флебит, тром- бофлебит, облитетирующий эндартериит; трофические язвы, геморрой; лимфадениты; пяточные шпоры, послеоперационные и длительно не заживающие раны; келоидные рубцы (в подострой стадии); остеомие- литы; гнойные абсцессы; маститы; сосудистые заболевания нижних конечностей;
∙эндокринология: тиреоидит, сахарный диабет, эндокринопатии;
∙неврология: остеохондроз; радикулиты, шейно-плечевой син- дром; невриты и невралгии различной локализации; неврозы, болезнь Паркинсона, рассеянный склероз; сосудисто-мозговая недостаточность;
57
∙оториноларингология: хроническое воспаление придаточных пазух носа, фаринголарингиты, тонзиллиты, отиты, субатрофический и вазомоторный риниты;
∙заболевания мочеполовой системы: хронический сальпинго-
офорит, трубное бесплодие, хронический неспецифический простатит, уретрит, цистит, ослабление половой функции [28, 29, 30, 31].
Низкоэнергетические лазеры также успешно применяются: в гаст- роэнтерологии, пульмонологии, при лечении ЛОР-заболеваний, уроло- гии, акушерстве и гинекологии, дерматологии и косметологии, стома- тологии, педиатрии, спортивной медицине.
3.2. Высокоэнергетическое лазерное излучение
Высокоэнергетические лазеры в медицинской практике исполь-
зуются в хирургии, гинекологии, дерматологии и косметологии.
В лазерной хирургии в основном применяются эрбиевый, неоди- мовый и СО2 – лазеры высокой мощности. Среди них особое место за- нимает СО2 – лазер из-за своих уникальных свойств (глубина проник- новения 20-50 мкм, зона повреждения - максимум 300 мкм.) и универ- сальности. В новейших мощных СО2 – лазерах возможно в широком диапазоне менять мощность (от 0,1 до 25 Вт), длительность импульса (от 0,01 до 2 с), паузу между импульсами (от 0,01 до 2 с), экспозицию (от 5 до 995 с), что позволяет свести до минимума поражение ткани и получить максимальный лечебный эффект.
Например, режим излучения с длительностью импульса 500 мкс и паузой между импульсами от 0,001 до 2 с при мощности 50 Вт, во вре- мя которого концентрация энергии достигает 530 Дж/мм2, позволяет нам удалять ткани без выраженного термического эффекта: ткани ис- паряются так быстро, что в зоне лазерного воздействия тепло не успе- вает распространяться, чем и обусловливается минимальное поражение ткани и обеспечивается максимальный лечебный эффект.
Кроме импульсного режима, СО2 – лазер может работать и в по- стоянном режиме, который применяется для резки тканей. Способность лазерного луча пересекать и испарять ткань, причиняя ей минимальные повреждения, - в этом его самое главное преимущество. Ткань разру- шается вследствие «испарения» клеточной жидкости. «Клеточный пар» деформирует и разрывает тканевые элементы, унося их остатки из ра- ны, часть их воспламеняется и сгорает, а часть обугливается, образуя
лазерный струп.
58
Разрезы тканей лазерным лучом практически бескровны. Это обу- словлено образованием коагуляционного «лазерного» тромба. Подле- жат коагуляции венозные и артериальные сосуды диаметром до 1,5 мм и более без применения дополнительных инструментов. Для коагуля- ции крупных сосудов для лазерной хирургии были разработаны специ- альные зажимы, благодаря которым практически без травмирования ткани можно обеспечить лазерную «сварку» более крупных сосудов. Отпадает необходимость в наложении трудоемких и легко прорезы- вающихся гемостатических швов. В наибольшей степени это преиму- щество лазерной хирургии в сравнении с традиционной используется в операциях на паренхиматозных органах. Это свойство важно и при опе- рациях на других органах и тканях.
Высокоэнергетический лазер позволяет формировать рану слож- ной конфигурации в труднодоступных для обычных методов местах. Работа на «сухом» операционном поле и незначительный послеопера- ционный отек являются дополнительными преимуществами высоко- энергетических лазеров. Большим преимуществом лазерной хирургии является также бесконтактность метода. Это не только снижает вероят- ность инфицирования раны, но и позволяет производить разрезы и ла- зерные эксцизии в труднодоступных местах.
Высокоэнергетическое лазерное излучение обеспечивает стериль- ность послеоперационной раны и, следовательно, снижает опасность раз- вития гнойных осложнений в послеоперационном периоде, способствует формированию более нежного рубца, что особенно важно в дерматоло- гии и косметологии – уменьшение зоны тепловой денатурации и некроза не только улучшает косметический эффект, но и сокращает процессы регенерации. В незначительной зоне коагуляционного некроза капилля- ры быстрее прорастают через поврежденную поверхность, способствуя более быстрой регенерации и заживлению ран первичным натяжением, вследствие чего полученный рубец очень нежный и незаметный. Про- цесс эпителизации и рубцевания проходит в более сжатые сроки и обыч- но без келоидизации.
Лазерный коагуляционный некроз выгодно отличается от некроза, вы- зываемого электрокоагуляцией или криодеструкцией, тем, что его зона на- много меньше: клетки в среднем повреждаются на 0,5 мм (500 мкм) от точ- ки воздействия, глубина термического некроза обычно не превышает 0,2- 0,3 мм (300 мкм), чем и достигается отличный косметический эффект. В то время как при электрокоагуляции, химиокоагуляции или криодеструкции ткань повреждается на глубину от 2 до 6 мм и более (что часто приводит к грубым послеоперационным рубцам). Заживление тканевого дефекта про-
59
исходит значительно быстрее. На границе «лазерной» раны наблюдается совсем незначительная лейкоцитарная инфильтрация, что способствует уменьшению зоны воспалительного отека и сокращению фазы пролифера- ции.
Самое главное преимущество лазерной хирургии – это абластич- ность проводимых операций. Лазерный коагуляционный барьер, кото- рый создается при удалении опухолей хирургическим лазером, препят- ствует диссеминации опухолевых клеток, что резко уменьшает число метастазов, рецидивов и осложнений, сокращает сроки заживления ран, позволяет обеспечить одноэтапность процедуры и дает хороший косме- тический эффект. Новообразование не травмируется и не подвергается, таким образом, ирритации, потенциально способствующей опухолево- му росту. Тяжелые сопутствующие заболевания, ранний и преклонный возраст пациентов обычно не являются противопоказаниями для лазер- ной хирургии. Оперативное вмешательство больные переносят легко, а при правильном ведении раны послеоперационный период протекает быстро и практически без болевого синдрома.
Хирургические лазеры с успехом применяются и в гинекологии: для лечения эрозии, лейкоплакии, эритроплакии, в пластических опе- рациях, для удаления кондилом генитальной области и влагалища; по- липов и других доброкачественных и злокачественных новообразова- ний, особенно при неэффективности обычных методов лечения. Следу- ет отметить, что лазерное воздействие не нарушает менструальный цикл и не действует отрицательно на репродуктивную (детородную) функцию женщины. Наоборот, у большинства больных с функцио- нальными нарушениями менструального цикла после лазерной коагу- ляции восстанавливается регулярный менструальный цикл. Учитывая, что лазерная коагуляция способствует активации гипоталамо- гипофизарной системы, вероятность наступления беременности в по- следующем цикле очень высока. Поэтому больным, не заинтересован- ным в беременности, необходимо применять контрацептивные средст- ва, а больным с бесплодием, обусловленным гипофункцией яичников и гипоталамо-гипофизарной системы, целесообразно рекомендовать пе- риод для ее наступления.
В отличие от диатермоэлектрокоагуляции и криодеструкции при лазерной вапоризации струп получается очень нежным, что после за- живления не вызывает рубцовых изменений на шейке и не нарушает ее эластичность в родах. Это позволяет проводить лазерную вапоризацию эрозий шейки матки нерожавшим женщинам.
60