Лазери в медицината. Използването на лазери в медицината и науката

През последния половин век лазерите са намерили приложение в офталмологията, онкологията, пластичната хирургия и много други области на медицината и биомедицинските изследвания.

Възможността за използване на светлина за лечение на болести е била известна преди хиляди години. Древните гърци и египтяни използват слънчевата радиация в терапията и тези две идеи дори са свързани помежду си в митологията - гръцкият бог Аполон е бог на слънцето и изцелението.

И едва след изобретяването на източник на съгласувано лъчение преди повече от 50 години наистина беше разкрит потенциалът на използването на светлината в медицината.

Благодарение на своите специални свойства лазерите са много по-ефективни от излъчването на слънцето или други източници. Всеки квантов генератор работи в много тесен диапазон от дължини на вълните и излъчва кохерентна светлина. Също така лазерите в медицината позволяват създаването на големи възможности. Енергиен лъч може да се концентрира в много малка точка, така че да се постигне висока плътност. Тези свойства доведоха до факта, че днес лазерите се използват в много области на медицинската диагностика, терапия и хирургия.

Лечение на кожата и очите

Използването на лазери в медицината започва с офталмология и дерматология. Един квантов генератор е открит през 1960 година. А година по-късно Леон Голдман демонстрира как рубинен червен лазер в медицината може да се използва за отстраняване на капилярна дисплазия, разнообразие от белези и меланом.

Това приложение се основава на способността на източници на кохерентно излъчване да работят при определена дължина на вълната. Източници на кохерентна радиация сега се използват широко за отстраняване на тумори, татуировки, косми и къртици.

В дерматологията се използват лазери от различни типове и дължини на вълните, което се дължи на различни видове лечебни лезии и основната абсорбираща субстанция в тях. Дължината на вълната също зависи от вида на кожата на пациента.

Днес човек не може да практикува дерматология или офталмология без лазери, тъй като те са се превърнали в основните инструменти за лечение на пациенти. Използването на квантови генератори за корекция на зрението и широка гама офталмологични приложения нараства, след като Чарлс Кембъл стана първият лекар през 1961 г., за да използва червен лазер в медицината, за да излекува пациент с отделяне на ретината.

По-късно за тази цел офталмолозите започнаха да използват аргонови източници на кохерентна радиация в зелената част на спектъра. Тук се включваха свойствата на окото, особено неговите лещи, за да се фокусира лъчът в областта на отделянето на ретината. Силно концентрираната мощност на апарата буквално го заварява.

Лазерната хирургия, лазерната коагулация и фотодинамичната терапия могат да помогнат на пациентите с някои форми на дегенерация на макулата. При първата процедура се използва лъч от кохерентна радиация за уплътняване на кръвоносните съдове и забавяне на патологичния им растеж под макулата.

Подобни изследвания са били проведени през 40-те години на миналия век със слънчева светлина, но за успешното им завършване, лекарите се нуждаеха от уникалните свойства на квантовите генератори. Следващото приложение на аргонов лазер е спирането на вътрешното кървене. Селективната абсорбция на зелена светлина от хемоглобин - пигмент от червени кръвни клетки - се използва за блокиране на кървене от кръвоносни съдове. За лечение на рак, кръвоносните съдове, които навлизат в тумора и го доставят с хранителни вещества, се унищожават.

Това не може да бъде постигнато чрез използване на слънчева светлина. Медицината е много консервативна, както трябва, но източници на последователна радиация са били признати в различни области. Лазерните средства в медицината са заменили много традиционни инструменти.

Офталмологията и дерматологията също са се възползвали от източниците на кохерентна радиация в ултравиолетовия диапазон. Те са широко използвани за промяна на формата на роговицата (LASIK) за корекция на зрението. Лазерите в естетичната медицина се използват за премахване на петна и бръчки.

Печеливша козметична хирургия

Подобно технологично развитие неизбежно е популярно сред търговските инвеститори, тъй като те имат огромен потенциал за печалба. Аналитичната компания Medtech Insight през 2011 г. оцени обема на пазара на лазерно козметично оборудване на стойност повече от 1 млрд. Долара. Всъщност, въпреки спада в общото търсене на медицински системи по време на глобалната рецесия, козметичните операции, основаващи се на използването на квантови генератори, продължават да бъдат постоянно търсени в Съединените щати - доминиращият пазар за лазерни системи.

Визуализиране и диагностика

Лазерните средства в медицината играят важна роля в ранното откриване на рак, както и много други заболявания. Например в Тел Авив група от учени се интересува от инфрачервена спектроскопия, използваща инфрачервени източници на кохерентна радиация. Причината за това е, че ракът и здравата тъкан могат да имат различна проходимост в инфрачервения диапазон. Едно обещаващо приложение на този метод е откриването на меланома. При рака на кожата ранната диагноза е много важна за оцеляването на пациентите. Понастоящем откриването на меланома се извършва от окото, така че остава да се разчита на уменията на лекаря.

В Израел, веднъж годишно, всеки човек може да отиде за безплатен скрининг на меланома. Преди няколко години в един от големите медицински центрове бяха проведени проучвания, в резултат на които стана възможно да се наблюдава визуално разликата в инфрачервения диапазон между потенциалните, но не опасни признаци и истинския меланом.

Katsir, организаторът на първата конференция на SPIE за биомедицинска оптика през 1984 г. и неговият екип в Тел Авив също разработват оптични влакна, които са прозрачни за инфрачервените дължини на вълните, което позволи този метод да бъде разширен и за вътрешна диагностика. В допълнение, тя може да се превърне в бърза и безболезнена алтернатива на маточната шийка в гинекологията.

Синият полупроводников лазер в медицината намери приложение при флуоресцентна диагностика.

Системите, базирани на квантови генератори, също започват да заместват рентгеновите лъчи, които традиционно се използват в мамографията. Рентгеновите лъчи дават на лекарите трудна дилема: надеждното откриване на ракови заболявания изисква тяхната висока интензивност, но увеличаването на самата радиация увеличава риска от рак. Като алтернатива се проучва възможността за използване на много бързи лазерни импулси за изобразяване на гърдата и на други части на тялото, например мозъка.

ОСТ за очите и не само

Лазерите в областта на биологията и медицината намериха приложение в оптичната кохерентна томография (OCT), което предизвика вълна от ентусиазъм. Този метод на визуализация използва свойствата на квантовия генератор и може да даде много точни (микронен ред), напречни и триизмерни изображения на биологична тъкан в реално време. ОСТ вече се използва в офталмологията и може например да позволи на офталмолог да види напречното сечение на роговицата за диагностициране на заболявания на ретината и глаукома. Днес технологията се използва и в други области на медицината.

Една от най-големите области, формирана от ОСТ, се занимава с получаване на оптични изображения на артериите. Оптичната кохерентна томография може да се използва за оценка на състоянието на нестабилна плака, склонна към разкъсване.

Микроскопия на живи организми

Лазерите в областта на науката, технологиите, медицината също играят ключова роля в много видове микроскопия. В тази област са направени голям брой разработки, чиято цел е да се визуализира какво се случва вътре в тялото на пациента без да се използва скалпел.

Най-трудното нещо при премахването на рака е необходимостта от непрекъснато използване на услугите на микроскоп, така че хирургът да може да се увери, че всичко е направено правилно. Способността да се направи микроскопия "на живо" и в реално време е значително постижение.

Ново приложение на лазери в областта на инженерството и медицината сканира в близкото поле на оптичната микроскопия, което може да доведе до изображения с много по-голяма резолюция от тази на стандартните микроскопи. Този метод се основава на оптични влакна с разрези в краищата, чиито размери са по-малки от дължината на вълната на светлината. Това позволи визуализирането на подвива и постави основите за получаване на изображения на биологични клетки. Използването на тази технология в инфрачервените лазери ще позволи по-добро разбиране на болестта на Алцхаймер, рака и други промени в клетките.

PDT и други лечения

Развитието в областта на оптичните влакна спомага за разширяването на възможностите за използване на лазери в други сфери. В допълнение, че те позволяват диагностика в тялото, енергията на кохерентна радиация може да се пренесе там, където е необходимо. Това може да се използва при лечение. Fiber лазерите стават много по-напреднали. Те ще променят радикално лекарството за бъдещето.

Полето на фотомедицината, използвайки чувствителни към светлина химикали, които взаимодействат с тялото по специален начин, могат да прибягнат до помощта на квантови генератори както за диагностициране, така и за лечение на пациенти. При фотодинамичната терапия например, лазер и фоточувствително лекарство могат да възстановят зрението при пациенти с "мокра" форма на свързана с възрастта макулна дегенерация, основната причина за слепота при хора на възраст над 50 години.

В онкологията някои порфирини се натрупват в ракови клетки и флуоресцират, когато се осветяват с определена дължина на вълната, което показва местоположението на тумора. Ако тези същите съединения са осветени от друга дължина на вълната, те стават токсични и убиват повредените клетки.

Червеният газов хелий-неонов лазер в медицината се използва при лечението на остеопороза, псориазис, трофични язви и т.н., тъй като тази честота се абсорбира добре от хемоглобина и ензимите. Радиацията забавя възпалението, предотвратява зачервяване и подуване, подобрява притока на кръв.

Персонализирано лечение

Още две области, в които има приложение за лазери - генетика и епигенетика.

В бъдеще всичко ще се случи в наномащаба, което ще ни позволи да практикуваме медицина на клетъчна скала. Лазерите, които могат да генерират femtosecond импулси и да бъдат настроени на определена дължина на вълната, са идеални партньори за лекарите.

Това ще отвори вратата за персонализирано лечение, базирано на индивидуалния геном на пациента.

Леон Голдман - основателят на лазерната медицина

Говорейки за използването на квантови генератори за лечението на хора, не можем да споменем Леон Голдман. Той е известен като "бащата" на лазерната медицина.

Една година след изобретяването на източника на кохерентна радиация, Голдман стана първият изследовател, който я приложи за лечение на кожни заболявания. Техниката, приложена от учения, проправи пътя за последващото развитие на лазерната дерматология.

Изследванията му в средата на 60-те години на миналия век доведоха до използването на рубинен квантов генератор при хирургична намеса на ретината и до открития като възможността за кохерентно облъчване, за да се съсипе кожата и да се запечатат кръвоносните съдове, ограничавайки кървенето.

Голдман, който е работил през по-голямата част от кариерата си като дерматолог в Университета в Синсинати, основа Американското общество на лазерите в медицината и хирургията и помогна да положи основите за безопасността на лазерите. Умира през 1997 година.

миниатюризация

Първите 2-микронни квантови генератори са с размер на двойно легло и се охлаждат с течен азот. Днес има диод, пасва на дланта ви и още миниатюрни оптични лазери. Този вид промяна проправя пътя за нови приложения и разработки. Бъдещото лекарство ще има малки лазери за мозъчна операция.

Благодарение на технологичния прогрес има постоянно намаляване на разходите. Точно както лазерите са се запознали с домакинските уреди, те са започнали да играят ключова роля в болничното оборудване.

Ако преди това лазерите в медицината бяха много големи и сложни, днес производството им от оптични влакна значително намали разходите, а преходът към наномащаба ще намали допълнително разходите.

Други приложения

С помощта на лазери уролозите могат да лекуват уретрална стриктура, доброкачествени брадавици, уринарни камъни, контрактури на пикочния мехур и разширяване на простатата.

Използването на лазер в медицината позволява на неврохирурзите да правят точни разрези и да извършват ендоскопски контрол на мозъка и гръбначния мозък.

Ветеринарите използват лазери за ендоскопски процедури, коагулация на тумори, разфасовки и фотодинамична терапия.

Зъболекарите използват кохерентна радиация, за да правят дупки, при операции с венци, за извършване на антибактериални процедури, десенсибилизация на зъбите и ротофазова диагноза.

Лазерни пинсети

Биомедицински изследователи по света използват оптични пинсети, сортовете за клетки и много други инструменти. Лазерните пинсети обещават по-добра и по-бърза диагностика на рака и са използвани за улавяне на вируси, бактерии, малки метални частици и ДНК нишки.

При оптичните пинсети се използва лъч кохерентно лъчение, за да се задържат и да се въртят микроскопични обекти, точно както металните или пластмасови пинсети могат да събират малки и крехки предмети. Индивидуалните молекули могат да бъдат манипулирани чрез прикрепването им към стъклени или полистиролови зърна с размер на микрона. Когато гредата удари топката, тя се огъва и има малък ефект, натискайки топката направо в центъра на гредата.

Това създава "оптичен капан", който може да държи малка частица в лъча светлина.

Лазер в медицината: плюсовете и минусите

Енергията на кохерентно излъчване, чиято интензивност може да бъде модулирана, се използва за дисекция, унищожаване или изменение на клетъчната или извънклетъчната структура на биологичните тъкани. Освен това използването на лазери в медицината за кратко намалява риска от инфекция и стимулира изцелението. Използването на квантови генератори в хирургията увеличава точността на дисекцията, но те представляват опасност за бременните жени и има противопоказания за употребата на фоточувствителни лекарства.

Комплексната структура на тъканите не позволява да се направи недвусмислена интерпретация на резултатите от класическите биологични анализи. Лазерите в медицината (снимка) са ефективно средство за унищожаване на раковите клетки. Мощните източници на кохерентно лъчение обаче действат безразборно и унищожават не само засегнатите, но и околните тъкани. Това свойство е важен инструмент на микродизсекционния метод, използван за провеждане на молекулярен анализ на мястото на интерес с възможност за селективно унищожаване на излишните клетки. Целта на тази технология е да се преодолее хетерогенността, присъстваща във всички биологични тъкани, за да се улесни тяхното изследване върху ясно дефинирана популация. В този смисъл лазерната микродисекция е допринесла значително за развитието на научните изследвания, за разбирането на физиологичните механизми, които сега могат да бъдат ясно демонстрирани на нивото на населението и дори на една клетка.

Функционалното тъканно инженерство днес се превърна в основен фактор в развитието на биологията. Какво ще стане, ако разкъсате актинните влакна по време на разделянето? Ще бъде ли ембрионът Drosophila стабилен, ако клетката се разруши при сгъване? Какви са параметрите, включени в меристемната зона на растението? Всички тези въпроси могат да бъдат решени с помощта на лазери.

наномедицина

Напоследък множество наноструктури притежаващи свойства, подходящи за различни биологични приложения. Най-важните са:

• квантови точки - излъчване на малки частици с размери нанометър използвани при висока чувствителност изображения клетка;
• магнитни наночастици, които са намерили приложение в медицинската практика;
• полимерни частици за капсулирани терапевтични молекули;
• метални наночастици.

Развитието на нанотехнологиите и използването на лазери в медицината, по-кратко, е революция в начина на прилагане на лекарства. Суспензиите на наночастици, съдържащи лекарства могат да увеличат терапевтичният индекс на много съединения (ефикасност и повишават разтворимостта, ниска токсичност) чрез селективно действие върху засегнатите тъкани и клетки. Те доставяне на активния ингредиент, както и контролирано освобождаване на активната съставка в отговор на външни стимули. Nanoteranostika експериментален подход по-нататък се осигурява двойна употреба на наночастици, лекарствено съединение, терапия и диагностични агенти изображения, който се отваря пътя за персонално лечение.

Използването на лазери в медицината и биологията за Микродисекция и fotoablatsii оставя при различни нива на разбиране на физиологичните механизми на развитието на заболяването. Резултатите ще помогне за определяне на най-добрите методи за диагностика и лечение на всеки пациент. развитие Нанотехнологии в тясна връзка с постиженията в областта на изображения също ще бъде от съществено значение. Наномедицина е обещаваща нова форма на лечение на някои видове рак, инфекциозно заболяване или диагноза.