Физика/ 4. Применение физических методов в медицине

Учитель физики высшей квалификационной категории Онькова О.В.

МБОУ «Сокурская СОШ» Мошковского р-на Новосибирской обл., Россия

Использование лазера в медицине.

ХХ век запомнится человечеству  фантастическим богатством  на научные открытия во многих областях науки (физика, химия, биология), техники, медицины. Что самое интересное, многие величайшие открытия предвосхищались писателями-фантастами. Так, в книге «Гиперболоид инженера Гарина» А.Н. Толстой  рассказывает, как некий гениальный злодей сжигает мощным  смертоносным лучом корабли, заводы и города. Этот страшный луч  герой произведения использует в своих корыстных целях для получения абсолютной власти во всем мире. Как оказалось, луч явился  прототипом  гениального открытия – лазера, созданного  во второй половине ХХ века советскими учёными Александром Прохоровым  и Николаем  Басовым вместе с американцем Чарльзом Таунсом.

Лазерное  излучение обладает  уникальными  свойствами, что позволило  сделать  квантовые генераторы (лазеры)  незаменимым инструментом в самых разных областях науки, техники, медицины.

Первый лазер был запущен в 1961 году. Это был газовый гелий-неоновый лазер, излучающий в красной области спектра. C появлением нового источника излучения у медиков возникло великое желание применить его каким-либо образом для лечения. Лазер оказался пределом мечтаний фототерапевта, ибо он   обладал значительными достоинствами по сравнению с другими источниками:

Во-первых, спектр излучения лазера намного ýже, что позволяет избирательно воздействовать на больные клетки, не задевая при том здоровые.

Во-вторых, лазерное излучение можно сфокусировать в достаточно маленькое пятно, что позволяет проводить лечение небольших объектов. Если проводить аналогию, то лампу можно сравнить с молотком, а лазер – с иголкой. [5]  А зачастую для лечения опухолей или пороков кожи требуется как раз точечное воздействие. Лазерные лучи также обладают более высокой плотностью мощности, что позволяет использовать их в хирургических операциях.

В-третьих, свет лазера (физики-лазерщики называют его пучком) можно доставить в любые области организма (например, в полость рта для лечения зубов или даже внутрь тела для проведения операций без больших разрезов; лазерным лучом, введенным через глазной зрачок, «приваривают» отслоившуюся сетчатку и исправляют дефекты глазного дна), при этом саму громоздкую установку (а зачастую и медицинские лазеры бывают немалых размеров) не передвигая.

Уже в начале шестидесятых годов появились первые лазерные медицинские устройства. Это были аппараты для облучения крови. Операция, по своей сути,  довольно простая: производиться забор крови из вены, после чего она облучается лазером непосредственно в аппарате и возвращается обратно. Эта операция широко используется до сих пор, так как позволяет лечить ряд заболеваний кровеносной системы. Также  хорошо зарекомендовала себя операция облучения крови ультрафиолетом при артериальной недостаточности конечностей.

В настоящее время трудно представить прогресс в медицине без лазерных технологий, которые открыли новые возможности в разрешении многочисленных медицинских проблем.

Изучение механизмов воздействия лазерного излучения различных длин волн и уровней энергии на биологические ткани позволяет создавать лазерные медицинские многофункциональные приборы, диапазон применения которых в клинической практике стал настолько широким, что очень трудно ответить на вопрос: для лечения каких заболеваний лазеры не применяют?

Развитие лазерной медицины идет по трем основным ветвям: лазерная хирургия, лазерная терапия и лазерная диагностика.  В лазерной хирургии применяются достаточно мощные лазеры со средней мощностью излучения десятки ватт, которые способны сильно нагревать биоткань, что приводит к ее резанию или испарению. Эти и другие характеристики хирургических лазеров обуславливают применение в хирургии различных видов хирургических лазеров, работающих на разных лазерных активных средах. Уникальные свойства лазерного луча позволяют выполнять ранее невозможные операции новыми эффективными и минимально инвазивными методами.

Хирургические лазерные системы обеспечивают [1]:

§                   эффективную контактную и бесконтактную вапоризацию и деструкцию биоткани;

§                   сухое операционное поле;

§                   минимальное повреждение окружающих тканей;

§                   эффективный гемо- и аэростаз;

§                   купирование лимфатических протоков;

§                   высокую стерильность и абластичность;

§                   совместимость с эндоскопическими и лапароскопическими инструментам.

Это дает возможность эффективно использовать хирургические лазеры для выполнения самых разнообразных оперативных вмешательств в урологии, гинекологии, оториноларингологии, ортопедии, нейрохирургии и т. Д.

Для целей хирургии луч лазера должен быть достаточно мощным, чтобы нагревать биоткань выше 50 – 70 °С, что приводит к ее коагуляции, резанию или испарению. Поэтому в лазерной хирургии, говоря о мощности лазерного излучения того или иного аппарата, оперируют цифрами, обозначающими единицы, десятки и сотни Вт.

Хирургические лазеры бывают как непрерывные, так и импульсные, в зависимости от типа активной среды. Условно их можно разделить на три группы по уровню мощности:

Коагулирующие: 1 – 5 Вт,

Испаряющие и неглубоко режущие: 5 – 20 Вт,

Глубоко режущие: 20 – 100 Вт.

Конечно, это деление в значительной степени условно, т.к. длина волны излучения и режим работы очень сильно влияют на требования по выходной мощности хирургического лазера.

Каждый тип лазера в первую очередь характеризуется длиной волны излучения. Длина волны определяет степень поглощения лазерного излучения биотканью, а, значит, и глубину проникновения, и степень нагрева как области хирургического вмешательства, так и окружающей ткани.

Учитывая, что вода содержится практически во всех типах биоткани, можно сказать, что для хирургии предпочтительно использовать такой тип лазера, излучение которого имеет коэффициент поглощения в воде более 10 см-1  или, что то же самое, глубина проникновения которого не превышает 1 мм. При воздействии лазерного излучения на биоткань сначала происходит ее нагрев, а затем уже испарение. Для эффективного разрезания биоткани нужно быстрое испарение в месте разреза с одной стороны, и минимальный сопутствующий нагрев окружающих тканей с другой стороны.

Ясно, что при одинаковой средней мощности излучения короткий импульс нагревает ткань быстрее, чем непрерывное излучение, и при этом распространение тепла к окружающим тканям минимально.

 Лазеры обычно именуются по типу активной среды, генерирующей лазерное излучение. Наиболее известны в лазерной хирургии неодимовый лазер и лазер на углекислом газе (или СО2-лазер).

Так, лазер на углекислом газе (СО2-лазер) – это первый хирургический лазер, активно используемый уже с 1970-х годов и по настоящее время. Поверхностное воздействие лазера позволяет иссекать биоткань без глубокого ожога. Это также делает CO2-лазер не опасным для глаз, т.к. излучение не проходит сквозь роговицу и хрусталик. Конечно, мощный направленный луч может повредить роговицу, но для защиты достаточно иметь обычные стеклянные или пластиковые очки.

Лазеротерапия – это терапевтическое воздействие на организм человека электромагнитным излучением оптического диапазона (светом). Из существующих физиотерапевтических методов воздействия на организм человека низкоэнергетическое лазерное излучение является оптимальным по следующим причинам:

·        терапевтический лазер по энергетическим параметрам оказывает действие, не повреждающее биосистему, и в то же время этой энергии достаточно для активации процессов жизнедеятельности организма,

·        лазерное излучение вызывает не только местную реакцию организма, но и оказывает общее нормализующее влияние на функцию всего организма в целом, активизирует биосистему.

Многолетние наблюдения  убедительно доказывают, что при проведении квантовой лазерной терапии кроме местного эффекта развивается и общий эффект, происходит общая стимуляция организма в целом. В результате улучшается сон, возникает ощущение прилива сил, увеличивается переносимость физических нагрузок, улучшается общее состояние и самочувствие, улучшается микроциркуляция, насыщение крови кислородом, снижается уровень холестерина и т.д. [4]

Все это является основанием для расширения использования квантовой лазерной терапии. Создание общестимулирующих методов может эффективно дополнить методики лечения конкретных заболеваний и дать возможность самостоятельного применения квантовой терапии с целью повышения иммунитета организма, для общеукрепляющего воздействия на организм в целом. Общестимулирующие методы могут быть полезны в любом возрасте.

В области диагностики  лазеры применяются для обнаружения различных неоднородностей (опухолей, гематом) и измерения параметров живого организма. Основы диагностических операций сводятся к пропусканию через тело пациента (кстати, необязательно через всё, это может быть и один-единственный палец) лазерного луча и по спектру или амплитуде прошедшего или отражённого излучения выводят диагноз. Известны методы по обнаружению раковых опухолей в онкологии, гематом в травматологии, а также по измерению параметров крови (практически любых от артериального давления до содержания сахара и кислорода).

Многие  знают про довольно популярный лазерный термометр, где лазер используется как источник слаборассеивающегося луча. Этот луч отражается от колеблющейся барабанной перепонки и падает на фотодетектор, по изменению его амплитуды получают частоту колебаний перепонки, напрямую зависящую от температуры.

Как известно, основной принцип в медицине: «Не навреди!» А потому всё большей популярностью пользуются исследования, направленные на проведение операций с наименьшим вредом. Диагностические и терапевтические вмешательства стараются проводить на необходимом минимуме дозы облучения. Для этого используют лазеры, излучающие в области спектра, называемой «окном прозрачности для биотканей» - ближний инфракрасный диапазон. В этой области излучение меньше всего поглощается веществами, из которых и состоит живой объект.

С каждым годом появляются всё новые источники лазерного излучения, с каждым годом находят своё применение и новые, и старые лазеры, появляются новые медицинские приборы. Лазерная медицина бурно развивается и, похоже, не собирается сбавлять обороты. Предполагается, что в недалёком будущем могут появиться домашние приборы для определения содержания сахара и эритроцитов в крови без укола пальца. Фотодинамическая терапия позволит лечить раковые опухоли на глубине в несколько десятков сантиметров без хирургического вмешательства.[6] Уникальные операции на лёгких и кровеносной системе позволят осуществлять невозможные ранее операции. Может появиться и такое направление,  как лазерная липосакция, в которой лазерное излучение будет расщеплять жировые клетки.  Стоматологические лазерные установки заменят бормашины, что сделает визит к дантисту менее неприятным…. Как видим, перед лазерной медициной открываются бескрайние просторы.

Литература.

1.      http://www.medlaser.ru/applic.htm

2.     http://www.medlaser.ru/surglaskinds.htm

3.     http://www.medlaser.ru/ho_surgery.htm

4.     http://www.medkrug.ru/article/show/5115

5.     http://f-t-ovcy.narod.ru/zhurnalistika/laserpanac.htm

6.     http://www-sbras.nsc.ru/HBC/article.phtml?nid=573&id=23

7.     http://www.allkossto.ru/index.php?option=content&task=view&id=156

8.     http://www.miac-nso.ru/content/view/468/43/

9.     http://www.izvestia.ru/news/372107

10. http://www.golkom.ru/kme/12/2-34-3-1.html

11. http://www.tekhnoscan.ru/russian/appl.htm

12.  Карандашов В. И. с соавторами, «Фототерапия (светолечение): руководство для врачей», 2001.

13.  О. Звелто, «Принципы лазеров», «Наука», 1988.

14.  Г. Ландсберг, «Оптика», М. «Наука», 1974.