Свойством лазерного луча сверлить и сваривать различные материалы заинтересовались не только инженеры, но и медики. Представьте себе операционную, где рядом с операционным столом находится СО2-лазер. Излучение лазера поступает в шарнирный световою - систему полых раздвигающихся трубок, внутри которых свет распространяется, отражаясь от зеркал. По световоду излучение попадает в выходную трубку, которую держит в своей руке хирург. Он может перемещать ее в пространстве, свободно поворачивая в разных направлениях и тем самым посылая лазерный луч в нужное место. На конце выходной трубки есть маленькая указка; она служит для наведения луча - ведь сам луч невидим. Луч фокусируется в точке, которая находится на расстоянии 3-5 мм от конца указки. Это и есть лазерный хирургический скальпель.
В фокусе лазерного луча концентрируется энергия, достаточная для того, чтобы быстро нагреть и испарить биологическую ткань. Перемещая «лазерный скальпель», хирург рассекает ткань. Его работа отличается виртуозностью: вот он почти неуловимым движением руки приблизил конец указки к рассекаемой ткани, а вот приподнял, отодвинул его подальше; указка быстро и равномерно перемещается вдоль линии разреза, и вдруг ее движение слегка замедляется. Глубина разреза зависит от скорости резания и от степени кровенаполнения ткани. В среднем она составляет 2-3 мм. Часто рассечение тканей выполняют не в один, а в несколько приемов, рассекая как бы послойно. В отличие от обычного скальпеля, лазерный скальпель не только рассекает ткани, но может также сшивать края разреза, иными словами, может производить биологическую сварку.
Рассечение производят сфокусированным излучением (хирург должен держать выходную трубку на таком расстоянии от ткани, чтобы точка, в которой фокусируются лучи, оказалась на поверхности ткани). При мощности излучения 20 Вт и диаметре сфокусированного светового пятна 1 мм достигается интенсивность (плотность мощности) 2,5 кВт/см 2 . Излучение проникает в ткань на глубину около 50 мкм. Следовательно, объемная плотность мощности, идущая на нагрев ткани, достигает 500 кВт/см 3 . Для биологических тканей это очень много. Происходит их быстрое разогревание и испарение - налицо эффект рассечения ткани лазерным лучом. Если же луч рас фокусировать (для чего достаточно немного отодвинуть конец выходной трубки от поверхности ткани) и тем самым снизить интенсивность, скажем, до 25 Вт/см 2 , то ткань испаряться не будет, а будет происходить поверхностная коагуляция («заваривание»). Вот этот-то процесс и используют для сшивания разрезанной ткани. Биологическая сварка осуществляется за счет коагуляции жидкости, содержащейся в рассекаемых стенках оперируемого органа и специально выдавливаемой в промежуток между соединяемыми участками ткани.
Лазерный скальпель - удивительный инструмент. У него есть много несомненных достоинств. Одно из них - возможность выполнения не только рассечения, но и сшивания тканей. Рассмотрим другие достоинства.
Лазерный луч делает относительно бескровный разрез, так как одновременно с рассечением ткани коагулирует края раны, «заваривая» встречающиеся на пути разреза кровеносные сосуды. Правда, сосуды должныбыть не слишком крупными; крупные сосуды необходимо предварительно перекрыть специальными зажимами. В силу своей прозрачности лазерный луч позволяет хирургу хорошо видеть оперируемый участок. Лезвие обычного скальпеля всегда в какой-то мере загораживает хирургу рабочее поле. Лазерный луч рассекает ткань как бы на расстоянии, не оказывая на нее механического давления. В отличие от операции обычным скальпелем хирург в данном случае может не придерживать ткань рукой или инструментом. Лазерный скальпель обеспечивает абсолютную стерильность - ведь с тканью взаимодействует здесь только излучение. Луч лазера действует локально; испарение ткани происходит только в точке фокуса. Прилегающие участки ткани повреждаются при этом значительно меньше, чем при использовании обычного скальпеля. Как показала клиническая практика, рана от лазерного скальпеля относительно быстро заживляется.
До появления лазеров поиски методов лечения отслоения сетчатки привели к следующему. Нужно закрыть разрыв сетчатки, но ведь она находится внутри глаза. Предложили способ, состоящий в том, что до больного места добирались тыльной стороны глаза. Для чего рассекали веки и вытаскивали глазное яблоко наружу. Оно висело только на нервных волокнах. Затем через внешнюю оболочку осуществляли термокоагуляцню, при помощи которой добивались рубцового сращения краев разрыва с прилегающими тканями. Очевидно, что такая сложная операция требует, во-первых, виртуозного мастерства хирурга, во-вторых, что также очень важно, решимости больного пойти на такой шаг.
С появлением лазеров были начаты исследования по их использованию для лечения отслоения сетчатки. Эти работы проводились в институте имени Г. Гельмгольца в Москве и в клинике имени В. П. Филатова в Одессе. Метод лечения был выбран необычный. Для проникновения к больному месту уже не надо производить разрез века и вытаскивать глазное яблоко. Для этого былиспользован прозрачный хрусталик. Именно через него было предложено проводить операцию. Для технической реализации операции был разработан прибор, называемый офтальмокоагулятор марки ОК-1. Прибор состоит из основания, на котором размещены источники питания и электрическая часть аппаратуры с органами управления. На основании на специальном шланге с помощью гибкого соединения подвешена излучающая головка с рубиновым лазером. На одной оптической оси с лазером располагается система прицеливания, которая позволяет через зрачок тщательно исследовать глазное дно, найти пораженное место и навести на него (прицелить) луч лазера. Для этого служат две рукоятки, находящиеся в руках хирурга. Вспышка обеспечивается нажатием кнопки, расположенной на одной из рукояток. Выдвигающаяся шторка предохраняет глаза хирурга во время вспышки. Для удобства работы врача-оператора и обслуживающего персонала прибор снабженсветовой и звуковой сигнализацией. Энергия импульсов регулируется от 0,02до 0,1 Дж. Сама техника операции состоит в следующем. Сначала врач с помощью оптического визира исследует глазное дно больного и, определив границы заболевшего участка, рассчитывает необходимое количество вспышек и потребную энергию каждой вспышки. Затем, следуя по границам заболевшего участка, производит их облучение. Вся операция напоминает сварку металла точечным методом.
Обрезание (циркумцизия) - это хирургическая операция, в процессе которой с мужского полового члена убирают крайнюю плоть . Данная процедура является необязательной, но иногда её проводят по различным причинам: медицинским, религиозным и т.д. На сегодняшний день обрезание проводят с помощью традиционного скальпеля или современного лазера. Что из них лучше и безопаснее?
Лазерный метод используют не только в обрезании, но и в удалении различных косметических дефектов (родинок, папиллом, бородавок и т.д.), эрозии шейки майки. Луч лазера “сжигает” слои кожи, в результате чего новообразования устраняются.
В процессе операции хирург оттягивает крайнюю плоть и сильно натягивает её. Затем он воздействует на кожу лазерным лучом, и крайняя плоть иссекается. На место воздействия накладываются саморассасывающиеся швы и дезинфицирующая повязка.
Операция проводится под местным наркозом и длится 20-30 минут . Преимуществами лазерного обрезания являются:
Недостатком данной процедуры является только её сравнительно высокая стоимость - скальпельная циркумцизия стоит намного дешевле.
Скальпель является основным хирургическим инструментом во время операций. Он представляет собой небольшой острый нож, с помощью которого проводится разрезание и иссечение мягких тканей.
Перед операцией пациенту обязательно вводят обезболивающие уколы . Затем половой член перевязывается специальной ниткой возле головки, чтобы случайно не задеть скальпелем ткани, которые не требуется отрезать.
После перевязывания хирург оттягивает крайнюю плоть и иссекает её с помощью скальпеля. После этого на место воздействия накладываются саморассасывающиеся швы. Раньше мягкие ткани в процессе операции промокали тампонами, чтобы остановить кровотечение. На сегодняшний день в процессе операции также используют коагуляторы (электроды), которые прижигают кровеносные сосуды и останавливают кровотечение.
Лазер и скальпель используются для удаления крайней плоти полового члена - благодаря этому значительно снижается риск развития инфекционных заболеваний мочеполовой системы, улучшается гигиеническое состояние пениса (так как под головкой перестают накапливаться грязь и различные выделения, являющиеся благоприятной средой для размножения бактерий), удлиняется половой акт.
Оба метода одинаково популярны на сегодняшний день. Скальпельный способ выбирают многие пациенты, так как он более привычен, и многие знают его принцип действия. Однако данный метод, по сравнению с лазером, имеет ряд недостатков:
И лазерное, и скальпельное обрезание можно проводить в любом возрасте - операцию делают даже младенцам через несколько дней после рождения.
Противопоказания у обоих процедур одинаковые:
После циркумцизии (любым способом) некоторое время посещать сауну, баню, бассейн, принимать ванну (мыться в душе), физические нагрузки. Обычно ограничения снимаются через 2 недели после операции.
На сегодняшний день лазер является более безопасным и современным способом удаления крайней плоти - он не вызывает кровотечения, аккуратно иссекает мягкие ткани, имеет короткий срок реабилитации. Поэтому предпочтительнее выбрать именно этот метод.
Скальпельный метод подходит тем, кто не готов платить за процедуру большую сумму. Иногда операцию по медицинским показаниям проводят бесплатно в государственных больницах.
Перед операцией потребуется сдать некоторые анализы (на половые инфекции, ВИЧ, анализ крови и мочи) и пройти ряд обследований, чтобы исключить противопоказания. Также нужно обязательно проконсультироваться с врачом и вместе с ним решить, какой способ обрезания использовать - лазерный или скальпельный. Иногда бывает так, что удалить крайнюю плоть можно только скальпелем. Также вместе с врачом пациент решает, какое количество крайней плоти можно удалить.
Обрезание должен проводить опытный врач-хирург . Неопытность врача может привести к серьёзным осложнениям. Лучше всего заплатить деньги и сделать операцию в специализированной клинике. Стоит учитывать, что клиника должна иметь лицензию.
Перед вами Король Подтяжки, его Величество Скальпель. Есть ли реальные конкуренты на его «трон»? Давайте разберемся! Годы берут своё, и стареющая кожа неминуемо обвисает под действием силы гравитации. И все мы безропотно, как овечки, готовы в один прекрасный (или скорее ужасный?) день «лечь под скальпель хирурга». Очевидно, что обвисшая кожа – главная проблема, с которой пытается справиться современная косметология. Морщины, наверное, сами по себе не так страшны. Иногда они даже довольно мило выглядят. Напротив, обвисшая кожа не нравится никому и является самым неприятным признаком преждевременного старения. Как вы возможно слышали, внутренний «каркас», который удерживает от провисания кожу – это мышечно-апоневротический слой (SMAS). Он располагается на границе мышц и кожи – то есть довольно глубоко. До последнего времени справедливо считалось, что добраться до него только хирург – причем добраться в физическом смысле, натянув и обрезав излишки ткани. Да, хирургическая подтяжка дает быстрый и радикальный эффект. Но кожа сама по себе при этом не становится моложе – её качество остается прежним. И черты лица могут измениться очень сильно - иногда до неузнаваемости. Эти, а также многие другие причины (в числе которых высокая стоимость процедуры, высокие риски и т.д.) заставляли искать альтернативу скальпелю. Какие успехи достигнуты в данном направлении? Химические и лазерные пилинги мы даже не рассматриваем – они выравнивают лишь мелкие морщинки, действуя не глубже эпидермиса. Золотые нити, как и прочие перманентные импланты давно выбыли из борьбы – слишком много с ними было проблем… Но не будем о грустном, кто следующий? Инъекции: за счет введения филлера объем ткани перераспределяется, поскольку мы создаем натяжение в другом месте. При небольшом провисании и очень профессиональном подходе эффект будет хорошим. Но это, скорее, маскировка проблемы, а не её решение. Нитевой лифтинг – наш первый реальный претендент. На нём остановимся подробнее. Вопреки расхожему мнению, он предназначен для удерживания тканей не за счет собственно нитей, так как современные нити вскоре после введения рассасываются. Поддерживающий эффект даёт фиброзная (рубцовая) ткань, которая образуется в процессе введения нитей, как результат травмирования тканей. Конечно же, рубцы эти незаметны – они спрятаны в глубине кожи. Тем не менее, нельзя сказать, что это совершенно безобидно. Техника введения нитей довольно сложна, и лишь немногие специалисты ей владеют в достаточной мере. В этом смысле она близка к пластической хирургии. Следующий на очереди - фракционный лазер. Выжигая на поверхности кожи точку за точкой, он предназначен для выравнивания кожи. Но несмотря на то, что в рекламе клиник и салонов красоты можно встретить различные «сладкие» обещания, ни один из производителей таких лазеров не говорит о реальном лифтинговом эффекте. И это правильно, ведь фракционные лазеры не могут добраться до SMAS и их действие ограничено максимум 1-1,5 миллиметрами в глубину. За счет высокой температуры внутри каждой такой “точки” происходит термический ожог и образуется микро-рубец. При большом количестве таких микро-рубцов кожа немного натягивается (рубцовая ткань более плотная), но чаще всего этот эффект не настолько выражен, чтобы говорить о полноценом лифтинге. Из недостатков – необходимость анестезии (процедура очень болезненна), риск послеожоговой гиперпигментации, а также ограничение по количеству процедур – ведь с каждым разом рубцов будет все больше и больше… Некоторые из фракционных лазеров жгут настолько крупные точки, что их видно сразу, и что называется, невооруженным глазом. Такую кожу впоследствии не сможет натянуть даже пластический хирург, поскольку она становится совершенно неэластичной. Сфокусированный ультразвук стал первой серьезной заявкой на победу, когда компании Ulthera удалось доказать лифтинг опущенных бровей после процедуры. Метод заключается в том, что ультразвук фокусируется на уровне SMAS, разогревая его вплоть до коагуляции. Да-да, речь идет опять о термическом ожоге. Но разница с фракционными лазерами в том, что поверхностные слои кожи не перегреваются. Метод можно отнести к фракционным, поскольку перегревается не весь SMAS, а создаются сотни «горячих точек». Внутри этих точек перегрев приводит к рубцеванию, что сокращает объем ткани. Да, процедура очень болезненна. Да и рубцы – это не очень хорошо, ведь фиброзная ткань лишена нормального питания и кровоснабжения, что ухудшает с временем качество кожи. Ряд пациентов в качестве побочного эффекта отмечает сокращение подкожно-жирового слоя, от чего черты лица становятся по старчески острыми… И наконец, последняя разработка ученых - технология RecoSMA. Она относится к лазерным, но при этом нетермическая (кожа во время процедуры остается 36,6 С). При этом воздействие идет на глубину до 6 мм, что не под силу ни одному из других лазеров. Кожа не повреждается, сохраняя свои защитные свойства. Всего через несколько дней после процедуры Вы можете спокойно загорать, не опасаясь получить пигментацию. И главное – здесь подтяжка кожи достигается не за счет рубцевания, как в других случаях. Кожа реально обновляется, становясь по всем параметрам моложе. Исследование, недавно проведенное в государственном французском госпитале Henri Mondor, убедительно доказало возможности новой технологии (об этом читайте здесь) Итак, сегодня у Вас есть выбор - «натянуть и отрезать лишнее» или «реально омолодить». РекоСМА или пластическая хирургия? Сравните, и сделайте свой выбор! RecoSMA дает не такой быстрый и такой радикальный результат, как пластическая операция. Лазерное омоложение дает «толчок» организму, и он сам начинает вырабатывать коллаген и менять структуру кожи. Эффект проявляется примерно через месяц и затем нарастает в течение полугода. Но преимуществ у этой процедуры значительно больше. 1. РекоСМА – это подтяжка естественным путем. Не требуется хирургического вмешательства. Организм все делает сам. 2. РекоСМА – это подтяжка без рисков. Вы не рискуете изменить внешность до неузнаваемости или получить не тот результат, который хотели. 3. РекоСМА – это безопасная подтяжка. На коже не остается рубцов и других следов, которые может оставить скальпель хирурга. 4. РекоСМА переносится комфортно. Не требуется даже местной анестезии. Во время процедуры вы чувствуете только теплое покалывание. 5. РекоСМА не требует реабилитации. Легкое покраснение проходит на следующий день, затем кожа начинает активно отшелушиваться. Никакой специальный уход не требуется, и уже через 4-5 дней можно возвращаться к привычному образу жизни. 6. Помимо эффекта подтяжки, РекоСМА реально омолаживает кожу. Она удаляет дефекты кожи, такие как рубцы, постакне и т.д. Расширенные поры сужаются, что препятствует их закупориванию и образованию черных точек в дальнейшем. Одна процедура RecoSMA в год – и Вам, возможно, никогда не понадобится «ложиться под нож». Многие наши клиенты отмечают, что с РекоСМА они как будто бы остановили время. Выбирайте лучшее для красоты и здоровья! Фото до и после процедуры:
До
После
Давид Кочиев, Иван Щербаков
«Природа» №3, 2014
|
Давид Георгиевич Кочиев — кандидат физико-математических наук, заместитель директора Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН по научной работе. Область научных интересов — лазерная физика, лазеры для хирургии. |
Иван Александрович Щербаков — академик, академик-секретарь Отделения физических наук РАН, профессор, доктор физико-математических наук, директор Института общей физики РАН, заведующий кафедрой лазерной физики Московского физико-технического института. Награжден золотой медалью им. А. М. Прохорова РАН (2013). Занимается лазерной физикой, спектроскопией, нелинейной и квантовой оптикой, медицинскими лазерами. |
Уникальная способность лазера максимально концентрировать энергию в пространстве, во времени и в спектральном диапазоне делают этот прибор незаменимым средством во многих областях человеческой деятельности, и в частности в медицине [ , ]. При лечении заболеваний происходит вмешательство в патологический процесс или болезненное состояние, что самым радикальным образом практикует хирургия. Благодаря прогрессу в науке и технологиях на смену механическим хирургическим инструментам приходят принципиально иные, в том числе лазерные.
Если в качестве инструмента используется лазерное излучение, то его задача - вызвать изменения в биологической ткани (например, выполнить резекцию при операции, запускать химические реакции при фотодинамической терапии). Параметры лазерного излучения (длина волны, интенсивность, длительность воздействия) могут изменяться в широких пределах, что при взаимодействии с биологическими тканями дает возможность инициировать развитие различных процессов: фотохимических изменений, термической и фотодеструкции, лазерной абляции, оптического пробоя, генерации ударных волн и др.
На рис. 1 приведены длины волн лазеров, нашедших в той или иной степени применение в медицинской практике. Их спектральный диапазон простирается от ультрафиолетовой (УФ) до средней инфракрасной (ИК) области, а интервал плотностей энергии охватывает 3 порядка (1 Дж/см 2 - 10 3 Дж/см 2), интервал плотности мощности - 18 порядков (10 −3 Вт/см 2 - 10 15 Вт/см 2), временной диапазон - 16 порядков, от непрерывного излучения (~10 с) до фемтосекундных импульсов (10 −15 с). Процессы взаимодействия лазерного излучения с тканями определяются пространственным распределением объемной плотности энергии и зависят от интенсивности и длины волны падающего излучения, а также от оптических свойств ткани.
На первых стадиях развития лазерной медицины биоткань представлялась как вода с «примесями», поскольку человек на 70–80% состоит из воды и полагалось, что механизм воздействия лазерного излучения на биоткани определяется ее поглощением. При применении непрерывных лазеров такая концепция была более или менее работоспособна. Если необходимо организовать воздействие на поверхность биоткани, следует выбрать длину волны излучения, сильно поглощаемого водой. Если требуется объемный эффект, наоборот, излучение должно слабо ею поглощаться. Однако, как выяснилось в дальнейшем, другие компоненты биоткани тоже способны поглощать (в частности, в видимой области спектра - составляющие крови, рис. 2). Пришло понимание, что биоткань - это не вода с примесями, а гораздо более сложный объект.
В то же время начали применяться импульсные лазеры. Воздействие на биоткани при этом определяется комбинацией длины волны, плотности энергии и длительности импульса излучения. Последний фактор, например, помогает разделить термическое и нетермическое воздействие.
В практику вошли импульсные лазеры с большим диапазоном изменения длительности импульса - от милли- до фемтосекунд. Здесь вступают в игру различного рода нелинейные процессы: оптический пробой на поверхности мишени, многофотонное поглощение, образование и развитие плазмы, генерация и распространение ударных волн. Стало очевидным, что невозможно создать единый алгоритм поиска нужного лазера и в каждом конкретном случае требуется свой подход. С одной стороны, это крайне осложнило задачу, с другой - открыло совершенно фантастические возможности варьировать способы воздействия на биологическую ткань.
При взаимодействии излучения с биотканями большое значение имеет рассеяние. На рис. 3 приведены два конкретных примера распределения интенсивности излучения в тканях предстательной железы собаки при падении на ее поверхность лазерного излучения с разными длинами волн: 2,09 и 1,064 мкм. В первом случае поглощение превалирует над рассеянием, во втором ситуация обратная (табл. 1).
В случае сильного поглощения проникновение излучения подчиняется закону Бугера - Ламберта - Бэра, т. е. имеет место экспоненциальное затухание. В видимом и ближнем ИК-диапазонах длин волн типичные значения коэффициентов рассеяния большинства биологических тканей лежат в пределах 100–500 см −1 и монотонно уменьшаются с увеличением длины волны излучения. За исключением УФ- и дальней ИК-области коэффициенты рассеяния биоткани на один-два порядка величины больше коэффициента поглощения. В условиях доминирования рассеяния над поглощением достоверную картину распространения излучения можно получить, используя модель диффузного приближения, имеющую, правда, вполне четкие рамки применимости, которые не всегда принимаются во внимание.
Таблица 1. Параметры лазерного излучения и оптические характеристики ткани предстательной железы собаки
Итак, при применении того или иного лазера для конкретных операций следует учитывать целый ряд нелинейных процессов и соотношение рассеяния и поглощения. Знание поглощающих и рассеивающих свойств выбранной ткани необходимо для расчета распределения излучения внутри биологической среды, определения оптимальной дозировки, планирования результатов воздействия.
Рассмотрим основные типы взаимодействия лазерного излучения с биологическими тканями, реализуемые при использовании лазеров в клинической практике.
Фотохимический механизм взаимодействия играет основную роль при фотодинамической терапии, когда в организм вводятся выбранные хромофоры (фотосенсибилизаторы). Монохроматическое излучение инициирует селективные фотохимические реакции с их участием, запускающие биологические преобразования в тканях. После резонансного возбуждения лазерным излучением молекула фотосенсибилизатора испытывает несколько синхронных или последовательных распадов, которые вызывают внутримолекулярные реакции переноса. В результате цепочки реакций высвобождается цитотоксический реагент, необратимым образом окисляющий основные клеточные структуры. Воздействие происходит при невысоких плотностях мощности излучения (~1 Вт/см 2) и длительных временах (от секунд до непрерывного облучения). В большинстве случаев используется лазерное излучение видимого диапазона длин волн, имеющее большую глубину проникновения, что важно, когда требуется влиять на глубоколежащие тканевые структуры.
Если фотохимические процессы происходят за счет протекания цепочки специфических химических реакций, то термические эффекты при воздействии лазерного излучения на ткани, как правило, не специфичны. На микроскопическом уровне идут объемное поглощение излучения за счет переходов в молекулярных колебательно-вращательных зонах и последующее безызлучательное затухание. Температура ткани повышается очень эффективно, поскольку поглощению фотонов способствуют огромное количество доступных колебательных уровней большинства биомолекул и многочисленность возможных каналов релаксации при столкновениях. Типичные значения энергии фотонов равны: 0,35 эВ - для Er:YAG-лазеров ; 1,2 эВ - для Nd:YAG-лазеров; 6,4 эВ - для ArF-лазеров и значительно превышают кинетическую энергию молекулы, которая при комнатной температуре составляет лишь 0,025 эВ.
Термические эффекты в ткани играют доминирующую роль при использовании лазеров с непрерывным режимом генерации и импульсных лазеров, с длительностями импульса в несколько сот микросекунд и более (лазеры в режиме свободной генерации). Удаление ткани начинается после нагрева ее приповерхностного слоя до температуры выше 100°С и сопровождается повышением давления в мишени. Гистология на этом этапе показывает наличие разрывов и образование вакуолей (полостей) внутри объема. Продолжающееся облучение приводит к росту температуры до значений 350–450°С, происходит выгорание и карбонизация биоматериала. Тонкий слой карбонизированной ткани (≈20 мкм) и слой вакуолей (≈30 мкм) поддерживают высокий градиент давления вдоль фронта удаления ткани, скорость которого постоянна во времени и зависит от типа ткани.
При импульсном лазерном воздействии на развитие фазовых процессов влияет наличие внеклеточного матрикса (ВКМ). Кипение воды внутри объема ткани происходит, когда разница химических потенциалов пара и жидкой фазы, необходимая для роста пузырей, превышает не только поверхностное натяжение на границе раздела фаз, но и энергию эластичного растяжения ВКМ, необходимую для деформации матрицы окружающей ткани. Рост пузыря в ткани требует большего внутреннего давления, чем в чистой жидкости; повышение давление приводит к увеличению температуры кипения. Давление растет до тех пор, пока не превысит предел прочности ВКМ ткани при растяжении и не приведет к удалению и выбросу ткани. Термическое повреждение ткани может меняться от карбонизации и плавления на поверхности до гипертермии на глубину в несколько миллиметров в зависимости от плотности мощности и времени воздействия падающего излучения.
Пространственно ограниченный хирургический эффект (селективный фототермолиз) осуществляется при длительности импульса, меньшей характерного времени тепловой диффузии нагреваемого объема, - тогда тепло удерживается в области воздействия (не перемещается даже на расстояние, равное оптической глубине проникновения), и термическое повреждение окружающих тканей мало. Воздействие излучения непрерывных лазеров и лазеров с длинными импульсами (длительностью ≥100 мкс) сопровождается большей зоной термического поражения близлежащих к области воздействия тканей.
Сокращение длительности импульса меняет картину и динамику термических процессов при взаимодействии лазерного излучения с биотканями. При ускорении подвода энергии в биоматериал ее пространственное распределение сопровождается значительными термическими и механическими переходными процессами. Поглощая энергию фотонов и нагреваясь, материал расширяется, стремясь перейти в состояние равновесия в соответствии с его термодинамическими свойствами и с внешними условиями среды. Результирующая неоднородность распределения температуры порождает термоупругие деформации и распространяющуюся в материале волну сжатия.
Однако расширение или установление механического равновесия в ответ на нагрев ткани занимает характерное время, равное по порядку величины времени, необходимому продольной акустической волне для прохождения по системе. Когда длительность лазерного импульса его превышает, материал расширяется в течение действия импульса, и значение индуцированного давления меняется вместе с интенсивностью лазерного излучения. В обратном случае энерговклад в систему происходит быстрее, чем та успевает механически на него реагировать, и скорость расширения определяется инерцией нагретого слоя ткани независимо от интенсивности излучения, а давление меняется вместе со значением объемной энергии, поглощенной в ткани. Если взять совсем короткий импульс (с длительностью, много меньшей времени пробега акустической волны по области тепловыделения), ткань будет «инерциально удерживаться», т. е. не получит времени на расширение, и нагрев произойдет при постоянном объеме.
Когда скорость выделения энергии в объеме ткани при поглощении лазерного излучения намного выше скорости убыли энергии на испарение и нормальное кипение, вода, находящаяся в ткани, переходит в перегретое метастабильное состояние. При подходе к спинодали вступает в действие флуктуационный механизм возникновения зародышей (гомогенная нуклеация), что обеспечивает быстрый распад метастабильной фазы. Наиболее ярко процесс гомогенной нуклеации проявляется при импульсном нагреве жидкой фазы, что выражается во взрывном вскипании перегретой жидкости (фазовый взрыв).
Лазерное излучение способно и напрямую разрушать биоматериал. Энергия диссоциации химических связей органических молекул меньше энергии фотонов лазерного излучения УФ-диапазона (4,0–6,4 эВ) или сравнима с ней. При облучении ткани такие фотоны, поглощаясь сложными органическими молекулами, могут вызывать прямой разрыв химических связей, осуществляя «фотохимический распад» материала. Механизм взаимодействия в диапазоне длительностей лазерного импульса 10 пс - 10 нс может быть классифицирован как электромеханический, что подразумевает генерацию плазмы в интенсивном электрическом поле (оптический пробой) и удаление тканей за счет распространения ударных волн, кавитации и формирования струй.
Образование плазмы на поверхности ткани характерно для коротких длительностей импульса при интенсивностях излучения порядка 10 10 –10 12 Вт/см 2 , соответствующих напряженности локального электрического поля ~10 6 –10 7 В/см. В материалах, испытывающих повышение температуры благодаря высокому значению коэффициента поглощения, плазма может возникать и поддерживаться за счет термоэмиссии свободных электронов. В средах с малым поглощением она образуется при больших интенсивностях излучения за счет освобождения электронов при многофотонном поглощении излучения и лавинообразной ионизации молекул ткани (оптический пробой). Оптический пробой позволяет «закачивать» энергию не только в хорошо поглощающие пигментированные, но и в прозрачные, слабо поглощающие ткани.
Удаление тканей при воздействии импульсным лазерным излучением требует деструкции ВКМ и не может рассматриваться просто как процесс дегидратации при нагреве. К разрушениям ВКМ ткани приводят давления, генерируемые при фазовом взрыве и ограниченном кипении. В результате наблюдается взрывной выброс материала без полного испарения. Энергетический порог такого процесса оказывается ниже удельной энтальпии парообразования воды. Ткани, имеющие высокую прочность на разрыв, требуют более высоких температур для разрушения ВКМ (пороговая объемная плотность энергии должна быть сравнима с энтальпией парообразования).
Один из самых распространенных хирургических лазеров - Nd:YAG-лазер, используемый при вмешательствах с эндоскопическим доступом в пульмонологии, гастроэнтерологии, урологии, в эстетической косметологии при удалении волос, при интерстициальной лазерной коагуляции опухолей в онкологии. В режиме модулированной добротности, с длительностями импульса от 10 нс, он применяется в офтальмологии, например при лечении глаукомы.
Большинство тканей на его длине волны (1064 нм) имеют низкий коэффициент поглощения. Эффективная глубина проникновения такого излучения в ткани может составлять несколько миллиметров и обеспечивает хорошие гемостаз и коагуляцию. Однако объем удаленного материала относительно невелик, а рассечение и абляция тканей может сопровождаться термическим повреждением близлежащих областей, отеками и воспалительными процессами.
Важное преимущество Nd:YAG-лазера - возможность доставки излучения в зону воздействия волоконно-оптическими световодами. Использование эндоскопического и волоконного инструмента позволяют проводить лазерное излучение в нижний и верхний отделы желудочно-кишечного тракта практически неинвазивным способом. Увеличение длительности импульса этого лазера в режиме модулированной добротности до 200–800 нс позволило использовать тонкие оптические волокна с диаметром сердцевины 200–400 мкм для фрагментации камней. К сожалению, поглощение в оптическом волокне не позволяет доставлять лазерное излучение с длинами волн, более эффективными для абляции тканей, такими как 2,79 мкм (Er:YSGG ) и 2,94 мкм (Er:YAG). Для транспортировки излучения с длиной волны 2,94 мкм в Институте общей физики (ИОФ) им. А. М. Прохорова РАН была разработана оригинальная технология роста кристаллических волокон, с помощью которой было изготовлено уникальное кристаллическое волокно из лейкосапфира, прошедшее успешные испытания. Транспортировка излучения по коммерчески доступным световодам возможна для излучения с меньшими длинами волн: 2,01 мкм (Cr:Tm:YAG) и 2,12 мкм (Cr:Tm:Ho:YAG) . Глубина проникновения излучения этих длин волн достаточно мала для эффективной абляции и минимизации сопутствующих термических эффектов (она составляет ~170 мкм для тулиевого лазера и ~350 мкм для гольмиевого).
Дерматология взяла на вооружение лазеры как видимого (рубиновые, александритовые, лазеры с генерацией второй гармоники нелинейными кристаллами титанил-фосфата калия, KTP), так и инфракрасного диапазона длин волн (Nd:YAG). Селективный фототермолиз - основной эффект, используемый при лазерном воздействии на ткани кожи; показания для лечения - различные сосудистые поражения кожи, доброкачественные и злокачественные опухоли, пигментация, удаление татуировок и косметические вмешательства.
Лазеры на ErCr:YSGG (2780 нм) и Er:YAG (2940 нм) применяются в стоматологии для воздействия на твердые ткани зубов при лечении кариеса и подготовке полости зуба; при манипуляциях отсутствуют термические эффекты, повреждения структуры зуба и дискомфорт у пациента. KTP-, Nd:YAG-, ErCr:YSGG- и Er:YAG-лазеры задействованы в хирургии на мягких тканях ротовой полости.
Исторически первая область медицины, которая освоила новый инструмент, - офтальмология. Работы, связанные с привариванием сетчатки лазером, начались еще в конце 1960-х. Понятие «лазерная офтальмология» стало общеупотребительным, современную клинику этого профиля невозможно представить без применения лазеров. Приваривание сетчатки световым излучением обсуждалось многие годы, однако лишь с появлением лазерных источников фотокоагуляция сетчатки вошло в широкую повседневную клиническую практику.
В конце 70-х - начале 80-х годов прошлого столетия развернулись работы с лазерами на основе импульсного Nd:YAG-лазера для разрушения капсулы хрусталика в случае вторичной катаракты. Сегодня капсулотомия, выполняемая с помощью неодимового лазера с модулированной добротностью, - стандартная хирургическая манипуляция при лечении этого заболевания. Революцию в офтальмологии совершило открытие возможности изменять с помощью коротковолнового УФ-излучения кривизну роговицы и таким образом корректировать остроту зрения. Лазерные операции по коррекции зрения теперь широко распространены и выполняются во многих клиниках. Существенный прогресс в рефракционной хирургии и в ряде других малоинвазивных микрохирургических вмешательств (при пересадке роговицы, создании внутристромальных каналов, лечении кератоконуса и др.) был достигнут при внедрении лазеров с короткой и сверхкороткой длительностью импульсов.
В настоящее время в офтальмологической практике наиболее популярны твердотельные Nd:YAG- и Nd:YLF -лазеры (непрерывные, импульсные с модуляцией добротности с длительностью импульсов порядка нескольких наносекунд и фемтосекундные), в меньшей степени - Nd:YAG-лазеры с длиной волны 1440 нм в режиме свободной генерации, Ho- и Er-лазеры.
Поскольку различные участки глаза имеют разный состав и разный коэффициент поглощения для одной и той же длины волны, выбор последней определяет как отрезок глаза, на котором будет происходить взаимодействие, так и локальный эффект в зоне фокусировки. Исходя из спектральных характеристик пропускания глаза, для хирургического воздействия на внешние слои роговицы и переднего отрезка целесообразно использовать лазеры с длиной волны в диапазоне 180–315 нм. Более глубокое проникновение, вплоть до хрусталика, возможно осуществить в спектральном диапазоне 315–400 нм, а для всех дальних областей подходит излучение с длиной волны более 400 нм и вплоть до 1400 нм, когда начинается существенное поглощение воды.
На основе учета свойств биологических тканей и типа реализуемого взаимодействия при падении излучения Институт общей физики разрабатывает лазерные системы для применения в различных областях хирургии, сотрудничая со многими организациями. В число последних входят академические институты (Институт проблем лазерных и информационных технологий - ИПЛИТ, Институт спектроскопии, Институт аналитического приборостроения), Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова, ведущие медицинские центры страны (МНТК «Микрохирургия глаза» им. С. Н. Федорова, Московский научно-исследовательский онкологический институт им. П. А. Герцена Росздрава, Российская медицинская академия последипломного образования, Научный центр сердечно-сосудистой хирургии им. А. Н. Бакулева РАМН, ЦКБ № 1 ОАО РЖД), а также ряд коммерческих компаний («Оптосистемы», «Визионика», «Новые энергетические технологии», «Лазерные технологии в медицине», «Кластер», НТЦ «Волоконные оптические системы»).
Так, в нашем институте создан лазерный хирургический комплекс «Лазурит», который может выступать в качестве как скальпеля-коагулятора, так и литотриптора, т. е. прибора для разрушения камней в органах человека. Причем литотриптор работает на новом оригинальном принципе - используется излучение с двумя длинами волн. Это лазер на базе кристалла Nd:YAlO 3 (с основной длиной волны излучения 1079,6 нм и его второй гармоникой в зеленой области спектра). Установка снабжена блоком обработки видеоинформации и позволяет следить за операцией в режиме реального времени.
Двухволновое лазерное воздействие микросекундной длительности обеспечивает фотоакустический механизм фрагментации камней, который основан на открытом А. М. Прохоровым с сотрудниками оптико-акустическом эффекте - генерации ударных волн при взаимодействии лазерного излучения с жидкостью. Воздействие оказывается нелинейным [ , ] (рис. 4) и включает в себя несколько стадий: оптический пробой на поверхности камня, образование плазменной искры, развитие кавитационного пузыря и распространение ударной волны при его коллапсе.
В итоге через ~700 мкс с момента падения лазерного излучения на поверхность камня происходит разрушение последнего благодаря воздействию ударной волны, генерируемой при коллапсе кавитационного пузыря. Преимущества такого метода литотрипсии очевидны: во-первых, обеспечивается безопасность воздействия на окружающие камень мягкие ткани, так как ударная волна в них не поглощается и, следовательно, не наносит им вреда, присущего другим лазерным методам литотрипсии; во-вторых, достигается высокая эффективность при фрагментации камней любой локализации и химического состава (табл. 2); в-третьих, гарантируется высокая скорость фрагментации (см. табл. 2: продолжительность разрушения камней варьируется в диапазоне 10–70 с в зависимости от их химического состава); в-четвертых, при доставке излучения не повреждается волоконный инструмент (за счет оптимально выбранной длительности импульса); наконец, радикально снижается число осложнений и сокращается послеоперационный период лечения.
Таблица 2. Химический состав камней и параметры лазерного излучения при фрагментации в экспериментах in vitro
Комплекс «Лазурит» (рис. 5) включает в себя также скальпель-коагулятор, который позволяет, в частности, успешно проводить уникальные операции на кровенаполненных органах, таких как почка, удалять опухоли с минимальной кровопотерей, без пережатия почечных сосудов и без создания искусственной ишемии органа, сопутствующей принятым сейчас способам хирургического вмешательства. Резекция проводится при лапароскопическом доступе. При эффективной глубине проникновения импульсного одномикронного излучения ~1 мм одновременно осуществляются резекция опухоли, коагуляция и гемостаз, а также достигается абластичность раны. Разработана новая медицинская технология лапароскопической резекции почки при раке Т 1 N 0 M 0 .
Результатами исследовательских работ в области офтальмалогии стали разработки офтальмологических лазерных систем «Микроскан» и ее модификации «Микроскан Визум» для рефракционной хирургии на основе ArF-эксимерного лазера (193 нм). С помощью этих установок осуществляется коррекция близорукости, дальнозоркости и астигматизма. Реализован так называемый метод «летающего пятна»: роговица глаза засвечивается пятном излучения диаметром порядка 0,7 мм, которое сканирует ее поверхность по алгоритму, заданному компьютером, и изменяет ее форму. Коррекция зрения на одну диоптрию при частоте повторения импульсов 300 Гц обеспечивается за 5 с. Воздействие остается поверхностным, так как излучение с этой длиной волны сильно поглощается роговицей глаза. Система слежения за глазом позволяет обеспечить высокое качество операции независимо от подвижности глаза пациента. Установка «Микроскан» сертифицирована в России, странах СНГ, Европе и Китае, ею оснащены 45 российских клиник. Офтальмологические эксимерные системы для рефракционной хирургии, разработанные в нашем институте, в настоящее время занимают 55% отечественного рынка.
При поддержке Федерального агентства по науке и инновациям при участии ИОФ РАН, ИПЛИТ РАН и МГУ создан офтальмологический комплекс, включающий в себя «Микроскан Визум», диагностическую аппаратуру, состоящую из аберрометра и сканирующего офтальмоскопа, а также уникальную фемтосекундную лазерную офтальмологическую систему «Фемто Визум». Рождение этого комплекса стало примером плодотворного сотрудничества академических организаций с Московским государственным университетом в рамках единой программы: в ИОФ был разработан хирургический инструмент, а в МГУ и ИПЛИТе - диагностическая аппаратура, что позволяет проводить целый ряд уникальных офтальмологических операций. На принципе работы фемтосекундной офтальмологической установки следует остановиться подробнее. За ее основу был выбран неодимовый лазер с длиной волны излучения 1064 нм. Если в случае применения эксимерного лазера роговица сильно поглощает, то при длине волны ~1 мкм линейное поглощение слабое. Однако за счет малой длительности импульса (400 фс) при фокусировке излучения удается достичь высокой плотности мощности, и, следовательно, становятся эффективными многофотонные процессы. При организации соответствующей фокусировки оказывается возможным так воздействовать на роговицу, что ее поверхность никак не затрагивается, а многофотонное поглощение осуществляется в объеме. В качестве механизма воздействия выступает фотодеструкция тканей роговицы при многофотонном поглощении (рис. 6), когда отсутствует термическое повреждение близлежащих слоев ткани и возможно осуществление вмешательства с прецизионной точностью. Если для излучения эксимерного лазера энергия фотона (6,4 эВ) сравнима с энергией диссоциации, то в случае одномикронного излучения (1,2 эВ) она по крайней мере вдвое, а то и в семь раз меньше, что и обеспечивает описанный эффект и открывает новые возможности в лазерной офтальмологии.
Интенсивно развиваются сегодня фотодинамическая диагностика и терапия рака на основе использования лазера, монохроматическое излучение которого возбуждает флуоресценцию красителя-фотосенсибилизатора и инициирует селективные фотохимические реакции, вызывающие биологические преобразования в тканях. Дозы введения красителя составляют 0,2–2 мг/кг. При этом фотосенсибилизатор преимущественно накапливается в опухоли, и его флуоресценция позволяет установить локализацию опухоли. За счет эффекта переноса энергии и увеличения мощности лазера происходит образование синглетного кислорода, являющегося сильным окислителем, что приводит к разрушению опухоли. Таким образом, по описанной методике осуществляется не только диагностика, но и лечение онкологических заболеваний. Следует заметить, что введение фотосенсибилизатора в организм человека - не вполне безобидная процедура и поэтому в ряде случаев лучше применять так называемую лазероиндуцированную аутофлуоресценцию. Оказалось, в некоторых случаях, в особенности с использованием коротковолнового лазерного излучения, здоровые клетки не флуоресцируют, тогда как раковые клетки обнаруживают эффект флуоресценции. Эта методика предпочтительнее, однако она пока служит в основном диагностическим целям (хотя в последнее время предпринимаются шаги и для реализации терапевтического эффекта). В нашем институте разработаны серии приборов как для флуоресцентной диагностики, так и для фотодинамической терапии. Это оборудование сертифицировано и выпускается серийно, им оснащены 15 московских клиник.
Для эндоскопических и лапароскопических операций необходимый компонент лазерной установки составляют средства доставки излучения и формирования его поля в области взаимодействия. У нас сконструированы такие устройства на основе многомодовых оптических волокон, позволяющие работать в спектральной области от 0,2 до 16 мкм.
При поддержке Федерального агентства по науке и инновациям в ИОФ развивается методика поиска распределения наночастиц по размерам в жидкости (и в частности, в крови человека) с помощью спектроскопии квазиупругого рассеяния света. Было обнаружено, что присутствие в жидкости наночастиц приводит к уширению центрального пика рэлеевского рассеяния, и измерение величины этого уширения позволяет определять размеры наночастиц. Исследование спектров размеров наночастиц в сыворотке крови пациентов с сердечно-сосудистыми нарушениями показали присутствие белково-липидных кластеров больших размеров (рис. 7). Было также установлено, что частицы больших размеров характерны и для крови онкологических больных. Более того, при положительном результате лечения пик, ответственный за частицы больших размеров, исчезал, но в случае рецидива снова появлялся. Таким образом, предлагаемая методика весьма полезна для диагностики как онкологических, так и сердечно-сосудистых заболеваний.
Ранее в институте был разработан новый метод обнаружения предельно низких концентраций органических соединений. Основными составляющими прибора служили лазер, времяпролетный масс-спектрометр и наноструктурированная пластина, на которой адсорбировался исследуемый газ. Сегодня эта установка модифицируется для анализа крови, что также откроет новые возможности для ранней диагностики многих заболеваний.
Решение целого ряда медицинских проблем возможно только при объединении усилий в нескольких областях: это и фундаментальные исследования по лазерной физике, и детальное изучение взаимодействия излучения с веществом, и анализ процессов переноса энергии, и медико-биологические изыскания, и разработка медицинских технологий лечения.
4 YSGG - Yttrium Scandium Gallium Garnet (иттрий-скандий-галлиевый гранат).
YLF - Yttrium Lithium Fluoride (фторид иттрия-лития).
Лазер уже давно применяется в хирургической практике, и многие клиники активно используют данную технологию. Но до сих пор пациенты задаются вопросом – насколько это безболезненно и эффективно? Заместитель главного врача по хирургии сети клиник для взрослых и детей «МЕГИ», доктор наук Айдар Галлямов дал интервью газете ProUfu.ru и ответил на этот вопрос.
– Как работает медицинский лазер?
– Лазерный аппарат – это уникальный прибор, испускающий тонкий пучок света. В нем сконцентрировано огромное количество энергии, способной рассекать и заваривать ткани, останавливать кровотечения. На этом принципе работы и основан так называемый лазерный скальпель.
Использование лазера, на самом деле, безболезненно и эффективно, ведь оно обеспечивает:
1. Бескровность операции, так как при выполнении разреза происходит коагуляция краев рассекаемых тканей и запаивание рассеченных кровеносных сосудов. Кровопотеря практически равняется нулю.
2. Точность работы хирурга. Линия разреза получается абсолютно ровной независимо от плотности тканей (например, при попадании на плотные ткани или на костный участок луч, в отличие от обычного скальпеля, не отклоняется в сторону).
3. Полная стерильность, она достигается за счет того, что при манипуляциях с лазером нет контакта с тканями, кроме того, излучение оказывает антибактериальное и антисептическое воздействие.
4. Безболезненность. Лазерное воздействие происходит практически безболезненно и не требует длительной послеоперационной реабилитации.
– Бытует мнение, что с помощью лазера можно только удалять родинки, папилломы и лечить варикоз, так ли это?
– Лишь отчасти. Все зависит от клиники. Некоторые специализируются только на данных лазерных процедурах, другие используют лазер для более широкого спектра операций. В любом случае, очень важно, какой медицинский лазерный центр вы выберете. Главное, чтобы в клинике было самое современное оборудование. В Уфе в сети клиник для взрослых и детей «МЕГИ» совсем недавно открылся Центр лазерной хирургии. В этом центре представлены новейшие аппараты: семь полупроводниковых лазерных установок, четыре из них фирмы IPG («Ай Пи Джи») – лучшей в мире по качеству и возможностям оборудования.
– А каково медицинское применение лазерного излучения в вашем центре?
– С помощью лазерных аппаратов в «МЕГИ» вам могут оказать медицинскую помощь по следующим направлениям: проктология, урология, гинекология, маммология, хирургия, флебология.
В проктологии лазером удаляют геморроидальные узлы, иссекают трещины анального канала, удаляют новообразования прямой кишки (полипы и кондиломы), именно с помощью лазера выполняются малоинвазивные операции, вапоризация геморроидальных узлов без единого разреза.
В урологии проводят эндоурологическое удаление лазером полипов и опухолей мочевого пузыря, новообразований урогенитальной области (полипы и кондиломы), используют при выполнении обрезания. При помощи лазера разрушают камни в мочевыводящих путях, это называется контактной лазерной литотрипсией.
В гинекологии лазер используют при удалении миом матки и операциях на яичниках. Также он применяется при лечении эрозии шейки матки и удалении новообразований.
В маммологии практически все операции выполняются с применением лазерных установок. При кистозных мастопатиях широко используется пункционный метод лечения – лазерная абляция кист и других новообразований молочных желез.
В хирургии удаляют новообразования кожи и мягких тканей (папилломы, различные родинки, атеромы, липомы, фибромы); используют при операциях в брюшной полости (при эндоскопических операциях, лазер незаменим при операциях на печени, селезенке, поджелудочной железе), устранении пигментных пятен и татуировок.
Во флебологии лазером лечат варикоз, флебэктомию, делают лазерную радиочастотную облитерацию вен и «сосудистых звездочек», а также склеротерапию.
– Как решиться на операцию медицинским лазером?
– Я, как врач-хирург, утверждаю, что не нужно бояться лазера. Если вы выбрали хорошую клинику с современными операционными, где хирургические методы лечения осуществляются быстро и безболезненно для пациента, будьте уверены в отличном результате. В нашем центре «МЕГИ» созданы все условия для этого. При необходимости и желании в раннем послеоперационном периоде пациент может провести определенное время в палате под наблюдением опытного медицинского персонала.
