Як працює лазер: фізичні основи взаємодії світла з тканиною

Лазер - абревіатура англомовного походження: LASER - "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", Що в перекладі означає "посилення світла вимушеним випромінюванням". Іншими словами, лазер - це пристрій, здатний створювати дуже потужний промінь монохроматичного світла. Оскільки лазерний промінь - це просто потік світла (нехай і має деякі особливості), то далі в цій статті він називається променем світла.

Світло - це електромагнітна (ЕМ) хвиля, яка поширюється в просторі з величезною швидкістю (в вакуумі: з = 300 000 км / с). На відміну від акустичних і механічних хвиль, ЕМ хвилі включають в себе два компоненти - електричну і магнітну, - гармонійні коливання яких відбуваються у взаємно-перпендикулярних напрямках. З іншого боку, можна вважати, що потік світла складається з особливих частинок (фотонів), енергія яких пов`язана з частотою світла (E = hw, h - постійна Дірака), а кількість - з інтенсивністю променя.

Володимир Олександрович Цепколенко

д.м.н., професор, заслужений лікар України,
президент Українського товариства естетичної
медицини, генеральний директор Українського
інституту пластичної хірургії
і естетичної медицини "Віртус"

Відео: SCP-001 Kalinin # 39; s Proposal "Past and Future" | Object Class Keter | hostile scp | sapient SCP

Світло і його поширення в однорідному середовищі

Основна характеристика світла - його частота w, яка визначає переноситься енергію. Світло з різними частотами сприймається як різні кольори. Наприклад, частота червоного кольору менше частоти жовтого, а жовтого - менше, ніж синього. Всі можливі частоти світла об`єднують терміном спектр.

У видимому світлі присутні не одна, а нескінченну кількість хвиль з різними частотами, які входять в нього в різних пропорціях. Такий набір частот називають спектральним складом світла (в повсякденному житті називається кольором). Якщо ж потік світла "містить" хвилі тільки однієї частоти, то його називають монохроматично (проте ідеально монохроматичного світла бути не може).

Другою важливою характеристикою світлового потоку є його інтенсивність I, безпосередньо пов`язана з яку переносять за одну секунду енергією.

Поняття частоти незручно тим, що її числові значення для нас незвично великі, тому частіше застосовується інша фізична величина - довжина хвилі :

Чим більше частота світла, тим менше довжина його хвилі. При переході світла з одного середовища в іншу довжина його хвилі змінюється, а частота залишається незмінною. Зазвичай цей факт опускають, згадуючи довжину хвилі не в розглянутій середовищі, а відповідну їй в вакуумі.

Випромінюванням видимого діапазону називають сприймаються оком людини ЕМ хвилі, довжини яких лежать в діапазоні від 400 до 760 нм (табл. 1).

Інфрачервоним називають випромінювання з довжинами хвиль більше 760 нм (червоний), він уже не бачимо, але відчуваємо як тепло, що йде від будь-якого нагрітого тіла.
До ультрафіолетового, навпаки, відносять випромінювання в діапазоні 6-400 нм.

Віддзеркалення і заломлення світла на межі поділу середовищ

В однорідному середовищі промінь світла завжди утворює пряму лінію. Світло не змінює напрямок сам по собі, але, якщо на шляху променя зустрічається перешкода у вигляді порошинки, краплинки або кордону іншої середовища, він може змінити напрямок свого руху. Такі процеси називають розсіюванням або заломленням.

Щосереди (будь то рідина, газ або прозоре тверде тіло) характеризується деякою величиною - коефіцієнтом заломлення світла n. Чим більше різниця між коефіцієнтами заломлення, тим сильніше заломлюється світло. Варто відзначити, що падає під прямим кутом до поверхні розділу світло не заломлюється, а продовжує рухатися прямолінійно.

Іншим ефектом, що проявляється при проходженні світла через границю поділу середовищ, є його відображення від цієї межі. Відображення відбувається практично завжди, і воно тим більше, чим менше кут між променем і поверхнею розділу середовищ (промінь як би рикошетом від неї). Якщо світло потрапляє в неоднорідне середовище, то відбувається його розсіювання. При розсіянні частина світла практично завжди "віддзеркалюється", Змінюючи напрямок руху на протилежне.

Ефекти розсіювання і відображення грають, як правило, паразитарну роль, тому що призводять до втрат енергії і, що гірше, до нецільового нагрівання.

Розсіювання йде тим інтенсивніше, чим більше різниця між показниками заломлення середовища і неоднорідностей (або двох різних середовищ - шкіри і повітря). Зменшення різниці між показниками заломлення зменшує відображення і послаблює розсіювання.

Поглинання світла і Хромофор

При поглинанні великої кількості світла відбувається нагрівання поглинув речовини, тобто, використовуючи лазер, можна нагрівати внутрішній шар шкіри, не нагріваючи зовнішні шари, при цьому глибина залягання нагрівається тканини вибирається підбором частоти світла лазера.

Речовина, що поглинає світло, називається хромофором. У ролі хромофора може виступати будь-який компонент людського тіла: гемоглобін крові, меланін, жир, вода в клітинах, сторонні включення (пухлини, гематоми), стінки судин. Залежність коефіцієнта поглинання від довжини хвилі падаючого світла (спектра поглинання) для більшості компонентів шкіри відома (табл. 2, рис. 2.5-1), що дозволяє вибрати з доступних довжин хвиль лазера ту, яка буде максимально поглинатися цільовим об`єктом, як можна менше зачіпаючи сусідів.

Розглянемо докладніше поглинання світла з різними довжинами хвиль основними хромофорами, що входять до складу шкіри.

Ультрафіолетове світло (УФ) з довжинами хвиль в діапазоні від 200 до 290 нм непогано поглинається всіма біологічними об`єктами (клітинами і тканиною). При збільшенні довжини хвилі від 300 до 400 нм поглинання УФ помітно слабшає і відбувається в основному за рахунок нуклеїнових кислот і безбарвних ділянок шкіри.

Видиме світло (довжини хвиль від 400 до 760 нм) добре поглинається кров`ю (гемоглобіном) і пігментом (меланіном). Решта клітини і вода практично не поглинають в цьому діапазоні, тому колір шкіри сильно залежить від пігментації її верхніх шарів і припливу крові. Також в цьому діапазоні можуть поглинати внесені в шкіру сторонні речовини (наприклад, татуіровочние пігменти).

Відео: The Simulation Hypothesis - FULL PROGRAM - HD (Original)

В інфрачервоному (ІК) діапазоні (понад 760 нм) зростає поглинання багатьох біомолекул, а поглинання меланіном і гемоглобіном значно слабшає. Довжини хвиль понад 1200 нм поглинаються переважно водою (максимум довжини - близько 2900 нм), що міститься в організмі практично повсюдно. У діапазоні 1200-1700 нм знаходяться максимуми поглинання жиру. Близько 6000-7000 нм різко зростає коефіцієнт поглинання світла колагеном, що дозволяє нагрівати його безпосередньо, а не шляхом теплопередачі від молекул води (як відбувається при використанні Er.YAG і CO2 лазерів).

З усіх шкірних хромофоров найбільший інтерес представляють гемоглобін, меланін і вода, тому що максимуми їх поглинання лежать в різних областях спектру, а самі вони добре представлені в шкірі.

вода є прозорою у всьому видимому діапазоні хвиль і його околиці (200-900 нм), але добре поглинає світло з довжиною хвиль менше 150 і більше 1300 нм. Максимум поглинання знаходиться близько 2940 нм, після чого воно плавно спадає, але залишається значимим до 12 мкм і більше.

гемоглобін. Максимуми поглинання світла окси- і дезоксигемоглобином знаходяться поблизу 415, 430, 540, 555 нм (рис. 2.5-1). При цьому з ростом довжини хвилі інтенсивність поглинання в середньому спадає. Інтерес представляє діапазон 600-750 нм, в якому очевидною перевагою володіє саме дезоксігемоглобін. При довжинах хвиль понад 1100 нм поглинання гемоглобіном втрачається на тлі істотно посилюється поглинання світла водою.

Відео: Лазерні випромінювачі. Класифікація. Основні ..

меланін. Поглинання світла меланіном досить швидко спадає при зростанні довжини хвилі від 300 до 1000 нм. У діапазоні 300-450 нм поглинання максимально, проте ці де довжини хвиль значно сильніше поглинаються гемоглобіном. Світло з довжинами хвиль 450-500 і 600-1000 нм меланін поглинає інтенсивніше всіх інших хроматофорів, а при довжині хвилі понад 1100 нм втрачається на тлі води.

вуглець. Незважаючи на те що він є основою всієї відомої життя, в здорові тканини чистим вуглецем потрапляє тільки ззовні (наприклад, татуаж), але виділяється у вигляді графіту з органічних молекул при їх тривалому розігріві до температури в кілька сотень градусів. Через дуже сильного поглинання в широкому діапазоні хвиль вуглець не пропускає світло всередину шкіри, приводячи до високого поверхневого нагрівання.

Різні складові шкіри (як і будь-якого іншого органу) часто поглинають світло з різними довжинами хвиль, що може бути ефективно використано в медицині. Спектри поглинання і концентрації основних хромофоров в різних ділянках шкіри повністю визначають її взаємодію з монохроматичним світлом лазера і, відповідно, реакцію на дерматологічні процедури.
Виборче нагрівання окремих елементів шкіри називають селективним фототермолизом, точковий характер нагрівання при якому знижує ймовірність масштабного термічного пошкодження тканин. Оскільки області нагріву локалізовані, дана методика, в порівнянні з іншими, зазвичай зменшує болючість.

Нагрівання поглинає речовини світлом

Кожна середовище характеризується певним коефіцієнтом поглинання світла m (w) ..
Коли монохроматично промінь світла потрапляє в однорідне середовище з коефіцієнтом абсорбції m = 1,00 мм-1, кількість світлової енергії, що досягає глибини h, визначається експоненціальним законом. Це означає, що глибини в 1 мм досягають тільки 36% світла, що впало (решта 64% поглинулися верхнім шаром). На наступному міліметрі поглинуться ще 22% від початкової кількості енергії, а глибини в 3 мм досягнутий тільки 5% впав на поверхню світла. Аналогічно підвищується і температура води, що нагрівається середовища (рис. 2.5-2).

Таким чином, у міру проникнення світла в глиб поглинає середовища його інтенсивність різко спадає.

Види лазерів: імпульсні і безперервного дії

Головною особливістю випромінювання лазера, що відрізняє його від всіх інших джерел світла, є монохроматичность (всі випромінюються хвилі мають однакову частоту). Частота (довжина хвилі) - унікальна характеристика кожного лазера - визначається його внутрішньою будовою (довжиною резонатора і випромінюючих речовиною). Крім частоти пристрій лазера визначає і його основний режим роботи: імпульсний або безперервний.

Імпульсні лазери випромінюють світло у вигляді спалахів світла (імпульсів) тривалістю в тисячні, мільйонні і навіть мільярдні частки секунди, але передана кожній з них енергія порівняно велика. Часто кілька таких імпульсів об`єднують в один макроімпульс, який характеризується кількістю імпульсів, їх тривалістю і паузами між ними. Тривалість макроімпульса зазвичай складає соті, тисячні частки секунди, а передана в ньому енергія дорівнює добутку кількості імпульсів і енергії кожного з них. Тривалість одного мікроімпульси, максимальна частота їх проходження і максимальна енергія кожного з них визначаються конструкцією лазера. Параметрами макроімпульса, навпаки, зазвичай можна керувати в деяких межах для досягнення поставленої мети.

Через дуже короткою тривалістю імпульсу людське око не встигає побачити точку попадання променя такого лазера, тому її часто "підсвічують" слабким, але безперервним променем, створюваним простішим приладом.

До імпульсним лазерів відносяться рубіновий, олександритовий, неодимовий, Er.YAG і діодні лазери, а також лазери на барвниках. Більшість з них базується на твердому осерді з ламповим накачуванням.
Лазери безперервної дії, як випливає з назви, створюють безперервний світловий потік, пляма якого на поверхні шкіри видно неозброєним оком (якщо довжина хвилі лазера лежить у видимому діапазоні хвиль: 400-760 нм) на відміну від плями імпульсних лазерів. Миттєва потужність лазерів безперервної дії значно менше, ніж імпульсних, проте тривалість експозиції у них принципово нічим не обмежена. Щодо повільне надходження енергії може бути вигідно в тих випадках, коли швидке нагрівання небажано, але, з іншого боку, при обробці широкого класу ушкоджень такий лазер може призводити до сильних нецільовим термічним ушкодженням, тому що поставляється їм тепло встигає поширюватися в глиб шкіри і сильно її нагрівати.

Перевагою лазерів безперервної дії є те, що практично будь-який з них можна "перетворити" в імпульсний за допомогою механічного або електрооптичних переривника, який перекриває потік світла з певною періодичністю.

Лазери безперервної дії використовують, як правило, газовий або рідинний резонатор, способи їх накачування можуть бути досить різноманітними (часто використовується тліючий електричний розряд). До цього типу належать СО2 і He-Ne лазери, а також багато лазери на барвниках.

Інший варіант медичною класифікацією лазерів заснований на основний моделі їх застосування.
До "ушкоджувальним" відносять хірургічне та абляціонний лазери (СО2 і Er.YAG), випромінювання яких поглинається всіма тканинами повсюдно (основний хромофор - вода). Тому якщо в шкіру було доставлено достатню кількість енергії, то її повне руйнування гарантовано.

"Неповреждающімі" можна назвати ті лазери, які застосовуються в основному відповідно до методики селективного фототермоліза (дерматологічні лазери), тобто їх випромінювання поглинається тільки окремими елементами тканини, а небезпечного нагрівання більшої її частини часто не відбувається.
До цього "класу" належить більшість лазерів, що випромінюють у видимому діапазоні і працюють в імпульсному режимі: аргоновий, александритовий, Nd.YAG, діодний, лазер на парах міді і лазери на барвниках. Сюди ж можна віднести слабкі лазери, що стимулюють біохімічні процеси в глибині шкіри без будь-якого руйнівної дії (низкоинтенсивная терапія).

Варто підкреслити, що при надмірній встановленої потужності будь-лазер може привести до важкої травми як пацієнта, так і медичного персоналу.

Основні характеристики лазерного імпульсу

Поширення світлової хвилі завжди пов`язане з перенесенням енергії. Джерело випромінювання характеризується потужністю Р - кількістю випромінюваної за одну секунду енергії. Потужність, яка вимірюється в ватах: 1 Вт = 1 Дж / с.

Однак потужність не завжди є найбільш зручною характеристикою: один і той же джерело тепла може гріти по-різному, в залежності від того, яка кількість речовини їм нагрівається. Іншими словами, чим більшу площу поверхні ми "намагаємося" нагріти, то менше буде нагрівання. Тому замість потужності джерела зручніше використовувати щільність потужності падаючого на поверхню випромінювання:

Чим більше щільність потужності, тим сильніше виявляється дія джерела. Саме за цим параметром лазери багаторазово перевершують інші джерела світла.
Відбуваються в нагрівається ділянці процеси визначаються щільністю енергії випромінювання (e), переданої одиниці поверхні шкіри. Щільність енергії (передана одним імпульсом) може бути знайдена двома способами:

• 
  Відношення енергії імпульсу до площі плями лазера;
• 
  Як твір тривалості імпульсу і щільності потужності випромінювання.

При одній і тій же потужності імпульсу щільність енергії сильно залежить від площі плями: зі зменшенням площі підвищується щільність енергії на освітлюваної поверхні, відповідно зростає і її нагрівання.
Крім довжини хвилі, тривалості імпульсу і його енергії характеристика лазера включає і інші, більш тонкі, параметри (визначаються конструкцією): профіль імпульсу (для імпульсних лазерів) і профіль променя.

Радіальний розподіл щільності потужності променя лазера називають його просторовим профілем, у більшості лазерів він відноситься до одного з наступних видів:
Гауссовский (колоколообразний, "рідний" для лазерів) - в центр плями лазера поставляється більше енергії, ніж на його краю (рис. 2.5-3) - при обробці великих в порівнянні з площею плями ділянок цю неоднорідність враховують за допомогою деякого (15-20%) перекриття сусідніх плям (рис . 2.5-5);

плоский - щільність потужності променя рівномірно розподілена по всій площі плями (рис. 2.5-4) - звичайний для лазерів з оптоволоконним световодом.

Методика селективного фототермолиза

Методика селективного фототермолиза заснована на монохроматичности лазерного випромінювання, інерційності поширення тепла і знанні спектрів поглинання шкірних хромофоров. Вона дозволяє одній спалахом світла нагріти величезну кількість невеликих, але контрастних елементів шкіри до високої температури, практично не нагріваючи інші тканини.