Лазерът е абревиатура от английски език: LASER - "Усилване на светлината чрез стимулирано излъчване на радиация", което в превод означава "усилване на светлината чрез стимулирано излъчване". С други думи, лазерът е устройство, способно да произвежда много мощен лъч монохроматична светлина. Тъй като лазерният лъч е само поток от светлина (дори ако има някои специални характеристики), той се нарича лъч светлина по-късно в тази статия..
Светлината е електромагнитна (ЕМ) вълна, която се разпространява в пространството с огромна скорост (във вакуум: c = 300,000 km / s). За разлика от акустичните и механичните вълни, ЕМ вълните включват два компонента - електрически и магнитни - чиито хармонични колебания се срещат в взаимно перпендикулярни посоки. От друга страна, можем да приемем, че светлинният поток се състои от специални частици (фотони), чиято енергия е свързана с честотата на светлината (E = hw, h е константата на Дирак), а количеството е свързано с интензитета на лъча..
Владимир Александрович Цепколенко
Доктор по медицина, професор, почетен доктор на Украйна,
Председател на Украинското общество за естетика
лекар, генерален директор на украинския
Институт по пластична хирургия
и естетична медицина "Виртус"
Светлина и нейното разпределение в хомогенна среда
Основната характеристика на светлината е нейната честота w, която определя прехвърляната енергия. Светлината с различни честоти се възприема като различни цветове. Например, честотата на червения цвят е по-малка от честотата на жълтия, а жълтият цвят е по-малък от синия. Всички възможни честоти на светлината комбинират термина спектър..
Във видимата светлина не съществува едно, а безкрайно количество вълни с различни честоти, които влизат в различни пропорции. Този набор от честоти се нарича спектрален състав на светлината (в ежедневието се нарича цвят). Ако светлинният поток "съдържа" вълни само от една честота, то той се нарича монохроматичен (въпреки че не може да има напълно монохроматична светлина).
Втората важна характеристика на светлинния поток е нейната интензивност I, пряко свързана с енергията, прехвърлена за една секунда.
Концепцията за честотата е неудобна, защото нейните числени стойности са необичайно големи за нас, така че често се използва друго физическо количество - дължината на вълната λ:
Колкото по-голяма е честотата на светлината, толкова по-малка е дължината на вълната. Когато светлината преминава от една среда в друга, нейната дължина на вълната се променя и честотата остава непроменена. Обикновено този факт е пропуснат, като се споменава дължината на вълната не в разглежданата среда, а съответстваща на него във вакуум..
Излъчването на видимия обхват се нарича ЕМ вълни, възприемани от човешкото око, чиито дължини са в диапазона от 400 до 760 nm (Таблица 1)..
Излъчването се нарича инфрачервено излъчване с дължини на вълните над 760 nm (червено), вече не се вижда, но се чувстваме като топлина, идваща от всяко нагрято тяло..
За ултравиолетови, напротив, носят радиация в диапазона от 6-400 nm.
Отражение и пречупване на светлината на интерфейса
В хомогенна среда светлинният лъч винаги образува права линия. Светлината сама по себе си не променя посоката си, но ако има препятствие под формата на прашинка, капчици или границата на друга среда в пътя на гредата, тя може да промени посоката си на движение. Такива процеси се наричат разсейване или пречупване..
Всяка среда (независимо дали е течност, газ или прозрачно твърдо вещество) се характеризира с определена стойност, индексът на пречупване на светлината n. Колкото по-голяма е разликата между показателите на пречупване, толкова повече светлината се пречупва. Струва си да се отбележи, че светлината падаща под прав ъгъл към интерфейса не се пречупва, а продължава да се движи по права линия..
Друг ефект, който възниква, когато светлината минава през интерфейса, е отражението му от тази граница. Отражението настъпва почти винаги и то е по-голямо, колкото по-малък е ъгълът между гредата и интерфейса между средата (лъчът се рикошира от него). Ако светлината влезе в нееднородна среда, тя е разпръсната. При разсейване, част от светлината почти винаги се "отразява", променяйки посоката на движение до обратното.
Ефектите от разсейване и размисъл играят като правило паразитна роля, защото води до загуби на енергия и, още по-лошо, до нецелеви отопление.
Разсейването е по-интензивно, толкова по-голяма е разликата между рефракционните индекси на средата и хетерогенностите (или две различни среди - кожа и въздух). Намаляването на разликата между показателите на пречупване намалява отражението и намалява разсейването..
Абсорбция на светлината и хромофори
Когато се абсорбира голямо количество светлина, абсорбираното вещество се загрява, т.е. с помощта на лазер, можете да загрявате вътрешния слой на кожата, без да загрявате външните слоеве, а дълбочината на нагрятата тъкан се избира чрез избиране на честотата на лазерната светлина..
Вещество, което абсорбира светлината, се нарича хромофор. В ролята на хромофора може да бъде всеки компонент на човешкото тяло: кръвен хемоглобин, меланин, мазнини, вода в клетките, чужди тела (тумори, хематоми), съдови стени. Известна е зависимостта на коефициента на поглъщане от дължината на вълната на падащата светлина (абсорбционен спектър) за повечето от компонентите на кожата (Таблица 2, Фиг. 2.5-1), която позволява да се избере от наличните дължини на вълната на лазера тази, която ще бъде максимално абсорбирана от целевия обект, засягайки възможно най-малко съседи.
Нека разгледаме по-подробно абсорбцията на светлината с различни дължини на вълната от основните хромофори, които образуват кожата..
Ултравиолетовата светлина (UV) с дължини на вълните в диапазона от 200 до 290 nm се абсорбира добре от всички биологични обекти (клетки и тъкани). При увеличаване на дължината на вълната от 300 до 400 nm UV абсорбцията е значително отслабена и се проявява главно поради нуклеинови киселини и безцветни участъци от кожата..
Видимата светлина (дължини на вълните от 400 до 760 nm) се абсорбира добре от кръвта (хемоглобин) и пигмента (меланин). Останалите клетки и водата практически не се абсорбират в този диапазон, поради което цветът на кожата силно зависи от пигментацията на горните слоеве и кръвния поток. Също така в този диапазон може да абсорбира чужди вещества, въведени в кожата (например, татуировка пигменти)..
В инфрачервения (IR) обхват (повече от 760 nm), абсорбцията на много биомолекули се увеличава и абсорбцията от меланин и хемоглобин намалява значително. Дължините на вълните над 1200 nm се абсорбират предимно от вода (максималната дължина е около 2900 nm), която се съдържа в тялото почти навсякъде. В диапазона от 1200-1700 nm са максималната абсорбция на мазнини. При около 6000-7000 nm, коефициентът на поглъщане на светлината от колаген се увеличава драстично, което позволява да се нагрява директно, а не чрез пренос на топлина от водни молекули (както се случва при използване на Er.YAG и CO2 лазери)..
От всички кожни хромофори, хемоглобин, меланин и вода са от най-голям интерес, тъй като техните абсорбционни максимуми лежат в различни области на спектъра и са добре представени в кожата.
Водата е прозрачна в целия видим обхват на дължината на вълната и около нея (200-900 nm), но поглъща светлината добре с дължина на вълната по-малка от 150 и повече от 1300 nm. Максималното поглъщане е около 2940 nm, след което постепенно намалява, но остава значително до 12 микрона и повече..
Хемоглобинът. Максималните абсорбции на светлина от окси- и дезоксихемоглобин са разположени близо до 415, 430, 540, 555 nm (фиг. 2.5-1). В същото време, с увеличаване на дължината на вълната, интензитетът на абсорбция намалява средно. Интерес представлява обхватът от 600-750 nm, в който дезоксихемоглобин има очевидно предимство. При дължини на вълните, по-големи от 1100 nm, абсорбцията от хемоглобина се губи на фона на значително повишената абсорбция на светлина с вода..
Меланинът. Абсорбцията на светлина от меланин бързо намалява с увеличаване на дължината на вълната от 300 до 1000 nm. В диапазона от 300–450 nm, абсорбцията е максимална, но тези дължини на вълните са много по-силно абсорбирани от хемоглобина. Светлина с дължина на вълните 450-500 и 600-1000 nm меланин абсорбира по-интензивно от всички други хроматофори и при дължина на вълната повече от 1100 nm се губи на фона на водата.
Carbon. Независимо от факта, че той е в основата на целия познат живот, чистият въглерод навлиза в здрави тъкани само отвън (например, татуировка), но се излъчва под формата на графит от органични молекули, когато те се нагряват за дълго време до температура от няколко стотин градуса. Поради много силната абсорбция в широк диапазон на дължината на вълната, въглеродът не предава светлина в кожата, което води до високо повърхностно отопление..
Различните компоненти на кожата (като всеки друг орган) често абсорбират светлина с различни дължини на вълните, които могат да бъдат ефективно използвани в медицината. Спектрите на абсорбция и концентрация на основните хромофори в различните части на кожата напълно определят взаимодействието му с монохроматичната лазерна светлина и съответно реакцията към дерматологични процедури..
Селективното нагряване на отделните елементи на кожата се нарича селективна фототермолиза, точката на нагряване, която намалява вероятността от големи термични увреждания на тъканите. Тъй като отоплителните зони са локализирани, тази техника, в сравнение с други, обикновено намалява болката.
Нагряване на абсорбиращото вещество със светлина
Всяка среда се характеризира с определен коефициент на поглъщане на светлината m (w) ...
Когато монохроматичен лъч светлина навлиза в хомогенна среда с коефициент на поглъщане от m = 1.00 mm - 1, количеството светлинна енергия, достигащо дълбочина h, се определя от експоненциален закон. Това означава, че дълбочината от 1 mm достига само 36% от падналата светлина (останалите 64% се абсорбират от горния слой). На следващия милиметър ще бъдат абсорбирани още 22% от първоначалното количество енергия и само 5% от падащата върху повърхността светлина ще достигне дълбочина от 3 мм. По същия начин се увеличава и температурата на нагрятата среда (фиг. 2.5-2)..
Така, когато светлината прониква дълбоко в абсорбиращата среда, нейният интензитет рязко пада.
Видове лазери: импулсни и непрекъснати
Основната характеристика на лазерното излъчване, която я отличава от всички други източници на светлина, е монохроматичността (всички емитирани вълни имат еднаква честота). Честотата (дължината на вълната) - уникална характеристика на всеки лазер - се определя от нейното вътрешно устройство (дължина на кухината и излъчващо вещество). Освен честотата, лазерното устройство определя и основния си режим на работа: импулсен или непрекъснат.
Импулсните лазери излъчват светлина под формата на светкавици (импулси) с продължителност от хилядни, милиони и дори милиарди части от секундата, но енергията, предавана на всеки от тях, е сравнително висока. Често няколко такива импулси се обединяват в един макро-импулс, който се характеризира с броя импулси, тяхната продължителност и паузи между тях. Продължителността на макро импулса е обикновено стотни, хилядни от секундата, а енергията, предавана в нея, е равна на произведението от броя на импулсите и енергията на всяка от тях. Продължителността на един микроимпульс, максималната честота на повторение и максималната енергия на всеки от тях се определят от лазерния дизайн. За разлика от това, макро-импулсните параметри обикновено могат да бъдат контролирани в определени граници, за да се постигне целта..
Поради много кратката продължителност на импулса човешкото око няма време да види точката на въздействие на лъча на такъв лазер, поради което често е „осветена“ от слаб, но непрекъснат лъч, създаден от по-просто устройство..
Импулсните лазери включват рубинови, александритни, неодимови, Er.YAG и диодни лазери, както и багрилни лазери. Повечето от тях са базирани на твърдо ядро с изпомпване на лампи..
Непрекъснатите лазери, както подсказва името, създават непрекъснат светлинен поток, чиято точка на повърхността на кожата е видима с невъоръжено око (ако дължината на вълната на лазера се намира във видимия диапазон на дължината на вълната: 400-760 nm) за разлика от мястото на импулсни лазери. Моментната мощност на непрекъснатите лазери е значително по-малка от тази на импулсните лазери, но времето на експозиция е фундаментално неограничено. Сравнително бавното захранване с енергия може да бъде полезно в случаите, когато бързото нагряване е нежелателно, но, от друга страна, при обработка на широк клас щети, такъв лазер може да доведе до силно нецелево термично увреждане, защото доставената им топлина успява да се разпространи дълбоко в кожата и да я загрее силно.
Предимството на непрекъснатите лазери е, че почти всеки от тях може да бъде "трансформиран" в импулсен с помощта на механичен или електрооптичен прекъсвач, който блокира потока светлина с определена честота.
Непрекъснатите лазери, като правило, използват газ или течен резонатор, методите за изпомпването им могат да бъдат доста разнообразни (често с използване на електрически разряд). Този тип включва CO2 и He-Ne лазери, както и много лазерни багрила.
Друг вариант на медицинската класификация на лазерите се основава на основния модел на тяхното приложение..
Хирургичните и аблативните лазери (CO2 и Er.YAG) се наричат "увреждащи", излъчването на които се абсорбира от всички тъкани навсякъде (основният хромофор е вода). Следователно, ако на кожата е доставена достатъчно енергия, нейното пълно разрушаване е гарантирано..
"Невредими" могат да бъдат наречени тези лазери, които се използват главно в съответствие с метода на селективна фототермолиза (дерматологични лазери), т.е. тяхната радиация се поглъща само от отделните елементи на тъканта и опасното загряване на повечето от тях често не се случва.
Този "клас" включва повечето лазери, излъчващи във видимия диапазон и работещи в импулсен режим: аргон, александрит, Nd.YAG, диод, лазерен меден пара и багрилни лазери. Това може да включва и слаби лазери, стимулиращи биохимичните процеси в дълбочината на кожата без никакво деструктивно действие (терапия с ниска интензивност)..
Струва си да се подчертае, че при прекомерна инсталирана мощност, всеки лазер може да причини сериозни наранявания както на пациента, така и на медицинския персонал..
Основните характеристики на лазерния импулс
Разпространението на светлинната вълна винаги е свързано с пренос на енергия. Източникът на радиация се характеризира с мощността P - количеството енергия, излъчена за една секунда. Мощност, измерена във ватове: 1 W = 1 J / s.
Въпреки това, мощността не винаги е най-удобната характеристика: един и същ източник на топлина може да се нагрее различно, в зависимост от това колко материя се нагрява от него. С други думи, колкото повече повърхностна площ „се опитваме” да затопляме, толкова по-слаба ще бъде отоплението. Следователно, вместо силата на източника, е по-удобно да се използва плътността на мощността на радиацията, падаща върху повърхността:
Колкото по-голяма е плътността на мощността, толкова по-силен е ефектът на източника. За този параметър лазерите са многократно по-добри от другите източници на светлина..
Процесите, протичащи в нагрятата площ, се определят от плътността на енергията на излъчване (е), прехвърлена към единица повърхност на кожата. Плътността на енергията (предавана от един импулс) може да се намери по два начина:
Съотношението на импулсната енергия към областта на лазерното петно;
Като продукт на продължителност на пулса и плътност на мощността на излъчване.
При същата импулсна мощност плътността на енергията силно зависи от зоната на спота: с намаляването на площта се увеличава плътността на енергията на осветената повърхност и съответно се повишава нейното нагряване..
В допълнение към дължината на вълната, продължителността на импулса и неговата енергия, характеристиката на лазера включва други, по-фини параметри (определени от проекта): импулсен профил (за импулсни лазери) и профил на лъча..
Пространствен профил на лъча
Радиалното разпределение на плътността на мощността на лазерния лъч се нарича негов пространствен профил, като за повечето лазери се отнася до един от следните типове:
Гаусови (с форма на камбани, "естествени" за лазерите) - повече енергия се подава към центъра на лазерното петно, отколкото към неговите ръбове (Фиг. 2.5-3); при голяма обработка в сравнение с площта на спотовете на парцелите, тази хетерогенност се взема предвид с помощта на някои (15-20%) припокриване на съседни петна (Фиг. 2.5-5);
плоска - плътността на мощността на лъча е равномерно разпределена по цялата петна (Фиг. 2.5-4); общи за лазери с оптични влакна.
Техника на селективна фототермолиза
Техниката на селективна фототермолиза се основава на монохроматичността на лазерното излъчване, инерцията на разпространение на топлината и познаването на абсорбционните спектри на кожните хромофори. Тя позволява еднократна светкавица да загрява огромен брой малки, но контрастни елементи на кожата до висока температура, почти без да се нагрява останалата част от тъканта..