ФЕДЕРАЛЬОНЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ

ГОУ ВПО  «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕНННЫЙ ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ, ЭЛЕКТРОНИКИ И АВТОМАТИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)» 
 

Факультет Экономики и Управления 
 

Курсовая 

на тему: «Хирургические лазеры» 
 
 
 

Выполнил:

студентка группы ГЭ-1-08

Максимова Елена 

Александровна 

Проверил:

Прудников Николай 

Владимирович 
 

Москва 2010

1. Виды  взаимодействия

     Важное  для хирургии свойство лазерного  излучения - способность коагулировать  кровенасыщенную (васкуляризованную) биоткань.

     В основном, коагуляция происходит за счет поглощения кровью лазерного излучения, ее сильного нагрева до вскипания  и образования тромбов. Таким образом, поглощающей мишенью при коагуляции могут быть гемоглобин или водная составляющая крови. Это означает, что хорошо коагулировать биоткань будет излучение лазеров в области оранжево-зеленого спектра (КТР-лазер, на парах меди) и инфракрасных лазеров (неодимовый, гольмиевый, эрбиевый в стекле, СО₂-лазер).

     Однако, при очень высоком поглощении в биоткани, как, например, у эрбиевого  гранатового лазера с длиной волны 2,94 мкм, лазерное излучение поглощается  на глубине 5 - 10 мкм и может вообще не достигнуть объекта воздействия – капилляра.

     Хирургические лазеры делятся на две большие  группы: абляционные (от лат. ablatio –  «отнятие»; в медицине – хирургическое  удаление, ампутация) и неабляционные  лазеры. Абляционные лазеры ближе  к скальпелю. Необляционные лазеры действуют по другому принципу: после обработки какого-то объекта, например, бородавки, папилломы или гемангиомы, таким лазером, этот объект остаётся на месте, но через какое-то время в нём проходит серия биологических эффектов и он отмирает. На практике это выглядит так: новообразование мумифицируется, засыхает и отпадает.

     В хирургии применяются CO₂-лазеры непрерывного действия. Принцип основан на тепловом воздействии. Преимущества лазерной хирургии состоят в том, что она является бесконтактной, практически бескровной, стерильной, локальной, даёт гладкое заживление рассечённой ткани, а отсюда хорошие косметические результаты.

     В онкологии было замечено, что лазерный луч оказывает разрушающее действие на опухолевые клетки. Механизм разрушения основан на термическом эффекте, вследствие которого возникает разность температур между поверхностными и внутренними частями объекта, приводящая к сильным динамическим эффектам и разрушению опухолевых клеток.

     Сегодня также очень перспективно такое направление, как фотодинамическая терапия. Появляется множество статей о клиническом применении данного метода. Суть его состоит в том, что в организм пациента вводят специальное вещество – фотосенсибилизатор. Это вещество избирательно накапливается раковой опухолью. После облучения опухоли специальным лазером происходит серия фотохимических реакций с выделением кислорода, который убивает раковые клетки.

     Одним из способов воздействия лазерным излучением на организм является внутривенное лазерное облучение крови (ВЛОК), которое в настоящее время успешно используется в кардиологии, пульмонологии, эндокринологии, гастроэнтерологии, гинекологии, урологии, анестезиологии, дерматологии и других областях медицины. Глубокая научная проработка вопроса и прогнозируемость результатов способствуют применению ВЛОК как самостоятельно, так и в комплексе с другими методами лечения.

     Для ВЛОК обычно используют лазерное излучение  в красной области спектра(0,63 мкм) мощностью 1,5–2 мВт. Лечение проводят ежедневно или через день; на курс от 3 до 10 сеансов. Время воздействия при большинстве заболеваний 15–20 мин за сеанс для взрослых и 5–7 мин для детей. Внутривенная лазерная терапия может быть осуществлена практически в любом стационаре или поликлинике. Преимуществом амбулаторной лазеротерапии является уменьшение возможности развития внутрибольничной инфекции, создается хороший психоэмоциональный фон, позволяя больному на протяжении длительного времени сохранять работоспособность, проводя при этом процедуры и получая полноценное лечение.

     В офтальмологии лазеры применяют  как для лечения, так и для  диагностики. С помощью лазера производят приварку сетчатки глаза, сварку сосудов  глазной сосудистой оболочки. Для  микрохирургии по лечению глаукомы служат аргоновые лазеры, излучающие в сине-зелёной области спектра. Для коррекции зрения давно и успешно используются эксимерные лазеры.

     В дерматологии с помощью лазерного  излучения лечат многие тяжёлые  и хронические заболевания кожи, а также выводят татуировки. При  облучении лазером активируется регенеративный процесс, происходит активация обмена клеточных элементов.

     Основной  принцип применения лазеров в  косметологии заключается в том, что свет воздействует только на тот  объект или вещество, которое поглощает  его. В коже свет поглощается особыми веществами - хромофорами. Каждый хромофор поглощает в определенном диапазоне длин волн, например, для оранжевого и зеленого спектра это гемоглобин крови, для красного спектра - меланин волос, а для инфракрасного спектра - клеточная вода.

     При поглощении излучения происходит преобразование энергии лазерного луча в тепло на том участке кожи, который содержит хромофор. При достаточной мощности лазерного луча это приводит к тепловому разрушению мишени. Таким образом, с помощью лазера можно селективно воздействовать, например, на корни волос, пигментные пятна и другие дефекты кожи.

     Однако  вследствие переноса тепла происходит нагревание и соседних областей, даже если они содержат мало светопоглощающих хромофоров. Процессы поглощения и  переноса тепла зависят от физических свойств мишени, глубины залегания и ее размера. Поэтому в лазерной косметологии важно тщательно подбирать не только длину волны, но и энергию, и длительность лазерных импульсов.

     В стоматологии лазерное излучение является наиболее эффективным физиотерапевтическим средством лечения пародонтоза и заболеваний слизистой оболочки полости рта.

     Лазерный  луч применяется вместо иглоукалывания. Преимущества применения лазерного  луча состоит в том, что отсутствует  контакт с биологическим объектом, а, следовательно, процесс протекает стерильно и безболезненно при большой эффективности.

     Световодные инструменты и катетеры для лазерной хирургии предназначены для доставки мощного лазерного излучения  к месту проведения оперативного вмешательства при открытых, эндоскопических и лапароскопических операциях в урологии, гинекологии, гастроэнтерологии, общей хирургии, артроскопии, дерматологии. Позволяют осуществлять резание, иссечение, абляцию, вапоризацию и коагуляцию тканей при проведении хирургических операций в контакте с биотканью или в бесконтактном режиме применения (при удалении торца волокна от биоткани). Вывод излучения может осуществляться как с торца волокна, так и через окошко на боковой поверхности волокна. Могут использоваться как в воздушной (газовой), так и водной (жидкой) среде. По отдельному заказу для удобства пользования катетеры комплектуются легкосъёмной ручкой – держателем световода.

     В диагностике лазеры применяются  для обнаружения различных неоднородностей (опухолей, гематом) и измерения параметров живого организма. Основы диагностических операций сводятся к пропусканию через тело пациента (либо один из его органов) 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).

2. Особенности  лазерного взаимодействия  при различных  параметрах излучения

     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.

     1. Коагулирующие: 1 - 5 Вт.

     2. Испаряющие и неглубоко режущие: 5 - 20 Вт.

     3. Глубоко режущие: 20 - 100 Вт.

     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.

     Другие  важные характеристики хирургических  лазеров, определяющие их применение в  медицине:

• мощность излучения;
• непрерывный или импульсный режим работы;
• способность коагулировать кровенасыщенную биоткань;
• возможность передачи излучения по оптическому волокну.

     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.

     При одинаковой средней мощности излучения  короткий импульс нагревает ткань  быстрее, чем непрерывное излучение, и при этом распространение тепла  к окружающим тканям минимально. Но, если импульсы имеют низкую частоту повторения (менее 5 Гц), то непрерывный разрез провести сложно, это больше похоже на перфорацию. Следовательно, лазер предпочтительно должен иметь импульсный режим работы с частотой повторения импульсов более 10 Гц, а длительность импульса - минимально возможную для получения высокой пиковой мощности.

     На  практике оптимальная выходная мощность для хирургии находится в диапазоне  от 15 до 60 Вт в зависимости от длины  волны лазерного излучения и области применения.

3.Применение в медицине и биологии

     В настоящее время лазерное излучение  с большим или меньшим успехом  применяется в различных областях науки. Уникальные свойства излучения лазеров, такие, как монохроматичность, когерентность, малая расходимость и возможность при фокусировке получать очень высокую плотность мощности на облучаемой поверхности обеспечили широкое применение лазеров. Использование квантовой электроники оказалось, в частности, очень полезным для клинической медицины. В медицинских целях используются, в основном, твердотельные и газовые лазеры. Импульсные твердотельные лазеры применяют преимущественно в офтальмологии для операций по устранению отслоения сетчатки глаза и при лечении глаукомы. Для этих целей была разработана специальная аппаратура с использованием неодимовых и рубиновых лазеров. Для операций с рассечением тканей импульсные лазеры оказались непригодны, поэтому для этих целей применяют лазеры непрерывного действия. В Советском Союзе была создана хирургическая аппаратура на СО₂ лазерах. Такие хирургические установки применяют в общей хирургии, онкологии и других областях.

     Установками на основе аргоновых лазеров непрерывного действия с использованием специальных световодов пользуются медики при внутриполостных операциях.

     В терапии разных болезней широко применяются  газовые гелий-неоновые лазеры. Например, положительные результаты получены при лечении трофических язв, ран, воспалительных процессов, некоторых сосудистых заболеваний и в кардиологии. Не вызывает сомнения стимулирующее действие излучения гелий-неоновых лазеров при регенерации и улучшении обменных процессов.

4. Лазерные  методы диагностики

     Современные направления медико-биологического применения лазеров могут быть разделены  на две основные группы :

     К первому типу отнесено воздействие  на ткани патологического очага импульсным или непрерывным лазерным излучением при плотности мощности, недостаточной для глубокого обезвоживания, испарения тканей и возникновения в них дефекта. Этому типу воздействия соответствует применение лазеров в дерматологии и онкологии для облучения патологических тканевых образований, которое приводит к их коагуляции. Второй тип - рассечение тканей, когда под влиянием излучения лазера непрерывного или частотно-периодического действия часть ткани испаряется и в ней возникает дефект. В этом случае плотность мощности излучения может превосходить используемую при коагуляции на два порядка и более. Этому типу воздействия соответствует хирургическое применение лазеров. К третьему типу можно отнести влияние на ткани и органы низкоэнергетического излучения, обычно не вызывающего явных морфологических изменений, но приводящего к определенным биохимическим и физиологическим сдвигам в организме, т.е. воздействие типа физиотерапевтического. Сюда же следует включить применение гелий-неонового лазера в целях биостимуляции при вяло текущих раневых процессах, трофических язв и др.

5. Лазерная  диагностика в  офтальмологии

     Исследование  сосудистой системы и гемодинамики глазного дна является одним из важнейших  средств ранней диагностики тяжелых  патологических изменений органа зрения и, в конечном счете, профилактики преждевременной слепоты.

     Наибольшее  распространение для исследования гемодинамики в настоящее время  получили флюоресцентная ангиография  и ангиоскопия глазного дна. Эти  методы обладают большой информационной емкостью.

     Флюоресцентная  ангиография (ФАГ) с фоторегистрацией позволяет зафиксировать результаты исследования, но нарушает целостность  динамической картины кровообращения.

     Перед исследователем, который работает над  усовершенствованием и разработкой аппаратуры для исследования гемодинамики глазного дна, встают следующие задачи:

     1) выбор фотоприемника, имеющего  достаточно высокую чувствительность  как в видимом, так и в  ближнем инфракрасном диапазоне  и дающего возможность оперативно  регистрировать и воспроизводить в реальном времени динамическую картину кровообращения глазного дна

     2) выбор соответствующего источника  освещения глазного дна, который  излучает в диапазоне возбуждения  применяемых контрастирующих красителей  и позволяет достаточно простым способом изменять длину волны излучения.

     Желательно, чтобы источник освещения в нужном диапазоне излучения имел возможно более узкую ширину спектра, лучше всего излучение на одной линии максимального поглощения соответствующего красителя. Применение источника освещения с такой характеристикой исключает высокую общую засветку глаза.

     Выбранный фотоприемник должен обладать как можно  большей чувствительностью в  рабочем диапазоне, что даст возможность  снизить уровень освещенности глазного дна.

     Фотоприемник  должен иметь разрешающую способность, достаточную для передачи мелких деталей глазного дна, и высокое отношение сигнал-шум для воспроизведения изображения глазного дна с необходимым контрастом.

     Проведенные эксперименты показали, что оптимальным  с точки зрения всех требований, предъявляемых к фотоприемнику, является использование в качестве такового телевизионной передающей трубки. Телевизионный фотоприемник преобразует оптическое изображение на его мишени в последовательность электрических импульсов— телевизионный видеосигнал. Видеосигнал передается на устройства отображения - телевизионные мониторы с экранами различного размера для непосредственной визуализации, и записывается на магнитную ленту с помощью видеомагнитофона. В видеосигнал чисто электронными методами может быть введена дополнительная информация. Наблюдение гемодинамической картины производилось в реальном масштабе времени, а регистрация сигнала на видеомагнитофоне позволяла многократно просматривать сделанную запись для детального диагностического анализа. При использовании соответствующего видеомагнитофона можно просматривать запись с пониженной скоростью воспроизведения и в обратном движении, а также возможна остановка изображения.

     Необходимая разрешающая способность телевизионной  трубки определяется величиной самых мелких деталей глазного дна, которые необходимо передать, и увеличением оптического канала, формирующего изображение. Если принять размер самых мелких деталей в 50 мкм, то для фундус-камеры "Opton" с увеличением фотоканала 2.5 получим необходимую разрешающую способность телевизионного фотоприемника 8 мм. Изображение участка глазного дна, создаваемое фундус-камерой, представляет собой круг диаметром 20 мм. Следовательно, если изображение занимает всю поверхность мишени, то требуется не более 200 строк разложения, чтобы обеспечить требуемое разрешение. Таким образом, стандартная телевизионная развертка позволит передавать детали мельче 50 мкм.

     Проведенные исследования позволили выбрать следующую структурную схему телевизионной системы для ангиографических исследований. В качестве источника освещения глазного дна используется перестраиваемый лазер, длина волны которого выбирается в полосе максимального поглощения используемого красителя. При помощи специального электронного блока оптимальным образом связаны модуляция лазерного луча и параметры развертки телевизионной системы. Вид зависимости выбирается исходя из необходимости обеспечить минимальную паразитную засветку глазного дна, то есть так, чтобы получить максимальное отношение сигнал-шум в тракте телесигнала. При этом на экране телевизионного дисплея получается наиболее контрастное изображение. Применение в качестве источника света лазера позволяет получить максимальную спектральную плотность излучения в нужном участке спектра и исключить засветку глазного дна на других длинах волн, при этом отпадает необходимость в применении узкополосного фильтра с низким коэффициентом пропускания. Для регистрации видеосигнал записывается на магнитную ленту. Параллельно видеосигнал поступает на спецвычислитель, при помощи которого непосредственно во время исследования или во время воспроизведения ранее сделанной записи могут быть определены следующие параметры: калибр сосудов в некотором выбранном сечении глазного дна; площадь занимаемая сосудами на глазном дне; доля сосудов определенного заданного калибра; распределение сосудов по калибрам; скорость распространения красителя и др.

6. Диагностические возможности голографии

     Особый  интерес для голографической  диагностики представляет орган  зрения. Глаз является органом, позволяющим  получать изображение его внутренних сред обычным освещением извне, так  как преломляющие среды глаза  являются прозрачными для излучения видимого и ближнего инфракрасного диапазона.

     Наибольший  подъем исследований и разработок систем объемного отображения в офтальмологии  связан с появлением лазеров, когда  появились потенциальные возможности широкого использования голографического метода.

     Для голографической записи изображения глазного дна использовалась стандартная фотографическая фундус-камера Цейса, в которой ксеноновый источник света был заменен лазерным источником излучения.

     Недостатком являются низкое (100 мкм) разрешение и  невысокий (2:1) контраст получаемых изображений.

     Традиционные  методы оптической голографии сталкиваются с принципиальными трудностями  их практической реализации в офтальмологии , в первую очередь из-за низкого  качества получаемых объемных изображений.

     Существенного повышения качества объемных изображений можно ожидать лишь в случае использования однопроходной голографической регистрации, каковой является регистрация прозрачных микрообъектов методами голографии.

     Метод флюоресцентной ангиографии, состоящий  в возбужждении люминесценции красителя, введенного в кровь, и одновременной фото-регистрации изображения глазного дна.

     В результате проведенных исследований был разработан способ получения  однопроходной голограммы глазного дна. Данный способ позволяет существенно улучшить качество восстановленных изображений в результате устранения когерентного шума и паразитных бликов.

     Термография

     В человеческом организме вследствие экзотермических биохимических  процессов в клетках и тканях, а также за счет высвобождения энергии, связанной с синтезом ДНК и РНК, вырабатывается большое количество тепла-50-100 ккал/грамм. Это тепло распределяется внутри организма с помощью циркулирующей крови и лимфы. Кровообращение выравнивает температурные градиенты. Кровь благодаря высокой теплопроводности, не изменяющейся от характера движения, способна осуществлять интенсивный теплообмен между центральными и периферическими областями организма. Наиболее теплой является смешанная венозная кровь. Она мало охлаждается в легких и, распространяясь по большому кругу кровообращения, поддерживает оптимальную температуру тканей, органов и систем. Температура крови, проходящей по кожным сосудам, снижается на 2-3°. При патологии система кровообращения нарушается. Изменения возникают уже потому, что повышенный метаболизм, например, в очаге воспаления увеличивает перфузию крови и, следовательно, теплопроводность, что отражается на термограмме появлением очага гипертермии.

     Температура кожи имеет свою вполне определенную топографию. Правда, у новорожденных, как показала И.А.Архангельская, термотопография кожи отсутствует. Самую низкую температуру (23-30°) имеют дистальные отделы конечностей, кончик носа, ушные раковины. Самая высокая температура подмышечной области, в промежности, области шеи, эпигастрия, губ, щек. Остальные участки имеют температуру 31-33,5°С. Суточные колебания температуры кожи в среднем составляют 0,3-0,1°С и зависят от физической и психической нагрузок, а также других факторов.

     При прочих равных условиях минимальные  изменения температуры кожи наблюдаются в области шеи и лба, максимальные—в дистальных отделах конечностей, что объясняется влиянием высших отделов нервной системы. У женщин часто кожная температура ниже, чем у мужчин. С возрастом эта температура снижается и уменьшается ее изменчивость под воздействием температуры окружающей среды. При всяком изменении постоянства соотношения температуры внутренних областей тела включаются терморегуляторные процессы, которые устанавливают новый уровень равновесия температуры тела с окружающей средой.

     У здорового человека распределение температур симметрично относительно средней линии тела. Нарушение этой симметрии и служит основным критерием тепловизионной диагностики заболеваний. Количественным выражением термоасимметрии служит величина перепада температуры. Перечислим основные причины возникновения температурной асимметрии:

• Врожденная сосудистая патология, включая сосудистые опухоли.
• Вегетативные расстройства, приводящие к нарушению регуляции сосудистого тонуса.
• Нарушения кровообращения в связи с травмой, тромбозом, эмболией, склерозом сосудов.
• Венозный застой, ретроградный ток крови при недостаточности клапанов вен.
• Воспалительные процессы, опухоли, вызывающие местное усиление обменных процессов.
• Изменения теплопроводности тканей в связи с отеком, увеличением или уменьшением слоя подкожной жировой клетчатки.

     Существует  так называемая физиологическая  термоасимметрия, которая отличается от патологической меньшей величиной перепада температуры для каждой отдельной части тела. Для груди, живота и спины величина перепада температуры не превышает 1,0°С.

     Терморегуляторные реакции в человеческом организме  управляются гипоталамусом.

     Кроме центральных, существуют и местные механизмы терморегуляции. Кожа благодаря густой сети капилляров, находящихся под контролем вегетативной нервной системы и способных значительно расширить или полностью закрыть просвет сосудов, менять свой калибр в широких пределах, -прекрасный теплообменный орган и регулятор температуры тела.

     Температура кожи и подлежащих тканей может иметь  мозаичный характер вследствие неоднородности температур внутренних органов или  даже отдельных участков того или иного органа. Следует обратить внимание на высокие термоизолирующие свойства кожного покрова, который благодаря разветвленной подкожной сосудистой сети, препятствует контактной передаче термических воздействий вглубь тела и в обратном направлении. Все эти общие и местные механизмы терморегуляции оказывают влияние на физические и физиологические факторы, обусловливающие в конечном счете особенности теплоизлучения кожи, а следовательно, и характер тепловизионной картины.