Лазери в медицині. Застосування лазерів в медицині та науці

За останні півстоліття лазери знайшли застосування в офтальмології, онкології, пластичної хірургії і багатьох інших областях медицини і медико-біологічних дослідженнях.

Про можливості використання світла для лікування хвороб було відомо тисячі років тому. Стародавні греки і єгиптяни застосовували сонячне випромінювання в терапії, і ці дві ідеї навіть були пов`язані один з одним в міфології - грецький бог Аполлон був богом сонця і зцілення.

І тільки після винаходу джерела когерентного випромінювання понад 50 років тому дійсно був виявлений потенціал використання світла в медицині.

Завдяки особливим властивостям, лазери набагато ефективніше, ніж радіація сонця або інших джерел. Кожен квантовий генератор працює в дуже вузькому діапазоні довжин хвиль і випромінює когерентний світло. Також лазери в медицині дозволяють створювати великі потужності. Пучок енергії може бути зосереджений в дуже маленькій точці, завдяки чому досягається її висока щільність. Ці властивості привели до того, що сьогодні лазери використовуються в багатьох областях медичної діагностики, терапії і хірургії.

Лікування шкіри і очей

Застосування лазерів в медицині почалося з офтальмології та дерматології. Квантовий генератор був відкритий в 1960 році. І вже через рік після цього Леон Голдман продемонстрував, як рубіновий червоний лазер в медицині може бути використаний для видалення капілярної дисплазії, різновиди родимих плям, і меланоми.

Таке застосування засноване на здатності джерел когерентного випромінювання працювати на певній довжині хвилі. Джерела когерентного випромінювання в даний час широко використовуються для видалення пухлин, татуювань, волосся і родимок.

У дерматології застосовуються лазери різних типів і довжин хвиль, що обумовлено різними видами виліковуються поразок і основного поглинає речовини всередині них. Довжина хвилі також залежить від типу шкіри пацієнта.

Сьогодні не можна практикувати дерматологію або офтальмологію, не маючи лазерів, так як вони стали основними інструментами лікування пацієнтів. Застосування квантових генераторів для корекції зору і широкого спектра офтальмологічних додатків зросла після того, як Чарльз Кемпбелл в 1961 році став першим лікарем, що використав червоний лазер в медицині для лікування пацієнта з відшаруванням сітківки.

Пізніше для цієї мети офтальмологи стали застосовувати аргонові джерела когерентного випромінювання в зеленій частині спектра. Тут були задіяні властивості самого очі, особливо його лінзи, фокусувати промінь в області відшарування сітківки. Висококонцентрована потужність апарату її буквально приварює.

Відео: Л-МЕД - застосування лазерних технологій в медицині

Хворим з деякими формами макулодистрофії може допомогти лазерна хірургія - лазерна коагуляція і фотодинамічна терапія. У першій процедурі промінь когерентного випромінювання використовується для герметизації кровоносних судин і уповільнення їх патологічного зростання під макулой.

Подібні дослідження були проведені в 1940 роках з сонячним світлом, але для їх успішного завершення лікарям були необхідні унікальні властивості квантових генераторів. Наступним застосуванням аргонового лазера стала зупинка внутрішніх кровотеч. Селективне поглинання зеленого світла гемоглобіном - пігментом червоних кров`яних клітин - використовувалося для блокування кровоточивих кровоносних судин. Для лікування раку руйнують кровоносні судини, що входять в пухлину і постачають її поживними речовинами.

Цього неможливо досягти, використовуючи сонячне світло. Медицина дуже консервативна, як це і повинно бути, але джерела когерентного випромінювання отримали визнання в різних її областях. Лазери в медицині замінили багато традиційні інструменти.

Офтальмологія і дерматологія також отримали вигоду з ексимерних джерел когерентного випромінювання в ультрафіолетовому діапазоні. Вони стали широко використовуватися для зміни форми рогівки (LASIK) для корекції зору. Лазери в естетичній медицині застосовуються для видалення плям і зморшок.

Прибуткова косметична хірургія

Такі технологічні розробки неминуче популярні серед комерційних інвесторів, так як мають величезний потенціал отримання прибутку. Аналітична компанія Medtech Insight в 2011 р оцінила обсяг ринку лазерного косметичного обладнання на суму понад 1 млрд доларів США. Дійсно, незважаючи на зниження загального попиту на медичні системи під час глобального спаду, косметичні операції, засновані на використанні квантових генераторів, продовжують користуватися постійним попитом в Сполучених Штатах - домінуючому ринку лазерних систем.

Візуалізація і діагностика

Лазери в медицині грають важливу роль в ранньому виявленні раку, а також багатьох інших захворювань. Наприклад, в Тель-Авіві група вчених зацікавилася ІК-спектроскопією з використанням інфрачервоних джерел когерентного випромінювання. Причиною цього є те, що рак і здорова тканина можуть мати різну прохідність в інфрачервоному діапазоні. Одним з перспективних застосувань цього методу є виявлення меланом. При раку шкіри рання діагностика дуже важлива для виживання пацієнтів. В даний час виявлення меланоми робиться на око, тому залишається покладатися на майстерність лікаря.

Відео: Лазер в медицині

В Ізраїлі раз на рік кожна людина може піти на безкоштовний скринінг меланоми. Кілька років тому в одному з великих медичних центрів проводилися дослідження, в результаті яких з`явилася можливість наочно спостерігати різницю в ІК-діапазоні різницю між потенційними, але безпечними ознаками, і справжньою меланомою.

Кацір, організатор першої конференції SPIE з біомедичної оптики в 1984 році, і його група в Тель-Авіві також розробили оптичні волокна, прозорі для інфрачервоних довжин хвиль, що дозволило поширити цей метод на внутрішню діагностику. Крім того, це може стати швидкою і безболісною альтернативою цервікальному мазку в гінекології.

блакитний напівпровідниковий лазер в медицині знайшов застосування в флюоресцентной діагностиці.

Системи на основі квантових генераторів також починають замінювати рентген, який традиційно використовувався в мамографії. Рентгенівські промені ставлять лікарів перед складною дилемою: для достовірного виявлення ракових утворень необхідна їх висока інтенсивність, але зростання радіації сам по собі збільшує ризик захворювання на рак. В якості альтернативи вивчається можливість використання дуже швидких лазерних імпульсів для знімка грудей і інших частин тіла, наприклад, мозку.

ОКТ для очей і не тільки

Лазери в біології та медицині знайшли застосування в оптичної когерентної томографії (ОКТ), що викликало хвилю ентузіазму. Цей метод візуалізації використовує властивості квантового генератора і може дати дуже чіткі (близько мікрона), поперечні і тривимірні зображення біологічної тканини в режимі реального часу. ОКТ вже застосовується в офтальмології, і може, наприклад, дозволити офтальмолога побачити поперечний переріз рогівки для діагностики захворювань сітківки і глаукоми. Сьогодні техніка починає використовуватися також і в інших областях медицини.

Одна з найбільших областей, що формуються завдяки ОКТ, займається отриманням волоконно-оптичних зображень артерій. Оптична когерентна томографія може бути застосована для оцінки стану схильної до розриву нестабільної бляшки.

Мікроскопія живих організмів

Лазери в науці, техніці, медицині також грають ключову роль у багатьох видах мікроскопії. У цій області було зроблено велику кількість розробок, метою яких є візуалізація того, що відбувається всередині тіла пацієнта без використання скальпеля.

Найскладнішим у видаленні раку є необхідність постійно вдаватися до послуг мікроскопа, щоб хірург міг переконатися, що все зроблено правильно. Можливість робити мікроскопію «вживу» і в реальному часі є значним досягненням.

Нове застосування лазерів в техніці і медицині - сканування в ближній зоні оптичної мікроскопії, яка може виробляти зображення з роздільною здатністю набагато більшим, ніж у стандартних мікроскопів. Цей метод заснований на оптичних волокнах з насічками на торцях, розміри яких менше довжини хвилі світла. Це дозволило субволновую візуалізацію і заклало основу для отримання зображення біологічних клітин. Використання даної технології в ІК-лазерах дозволить краще зрозуміти хвороба Альцгеймера, рак та інші зміни в клітинах.

ФДТ і інші методи лікування

Розробки в області оптичних волокон допомагають розширити можливості застосування лазерів і в інших сферах. Крім того, що вони дозволяють проводити діагностику всередині організму, енергія когерентного випромінювання може бути передана туди, де в цьому є необхідність. Це може бути використано в лікуванні. волоконні лазери стають набагато більш просунутими. Вони кардинально змінять медицину майбутнього.

Область фотомедицини, що використовує світлочутливі хімічні речовини, які взаємодіють з тілом особливим чином, може вдатися до допомоги квантових генераторів як для діагностики, так і для лікування пацієнтів. У фотодинамічної терапії (ФДТ), наприклад, лазер і фоточутливість лікарський засіб може відновити зір у хворих з «вологої» формою вікової макулярної дегенерації, основною причиною сліпоти у людей у віці старше 50 років.

В онкології деякі порфіріни накопичуються в ракових клітинах і флуоресцируют при висвітленні певною довжиною хвилі, вказуючи на місце розташування пухлини. Якщо ці ж самі сполуки потім висвітлити інший довжиною хвилі, вони стають токсичними і вбивають пошкоджені клітини.

Червоний газовий гелій-неоновий лазер в медицині застосовується в лікуванні остеопорозу, псоріазу, трофічних виразок та ін., Так як дана частота добре поглинається гемоглобіном і ферментами. Випромінювання уповільнює запальні процеси, запобігає гіперемію і набряки, покращує кровопостачання.

персоналізоване лікування

Ще дві області, в яких знайдеться застосування для лазерів - генетика і епігенетика.

У майбутньому все буде відбуватися на нанорівні, що дозволить займатися медициною в масштабах клітини. Лазери, які можуть генерувати Фемтосекундний імпульси і налаштовуватися на певну довжину хвилі, є ідеальними партнерами для медиків.

Це відкриє двері для персоналізованого лікування, заснованого на індивідуальному геномі пацієнта.

Леон Голдман - родоначальник лазерної медицини

Говорячи про використання квантових генераторів в лікуванні людей, не можна не згадати Леона Голдмана. Він відомий як «батько» лазерної медицини.

Вже через рік після винаходу джерела когерентного випромінювання Голдман став першим дослідником, який застосував його для лікування захворювання шкіри. Техніка, яку застосував вчений, проклала шлях подальшому розвитку лазерної дерматології.

Його дослідження в середині 1960 років привели до використання рубінового квантового генератора в хірургії сітківки ока і до таких відкриттів, як можливість когерентного випромінювання одночасно розрізати шкіру і запечатувати кровоносні судини, обмежуючи кровотеча.

Голдман, який працював протягом більшої частини своєї кар`єри дерматологом в університеті Цинциннаті, заснував Американське суспільство лазерів в медицині і хірургії і допоміг закласти основи безпеки лазерів. Помер в 1997 р

мініатюризація

Перші 2-мікронні квантові генератори були розміром з двоспальне ліжко і охолоджувалися рідким азотом. Сьогодні з`явилися діодні, що уміщаються в долоні, і ще більш мініатюрні волоконні лазери. Такого роду зміни прокладають шлях для нових сфер застосування і розробок. Медицина майбутнього буде мати у своєму розпорядженні крихітними лазерами для хірургії головного мозку.

Завдяки технологічному прогресу відбувається постійне зниження витрат. Подібно до того як лазери стали звичними в побутовій техніці, вони почали грати ключову роль в лікарняному обладнанні.

Якщо раніше лазери в медицині були дуже великими і складними, то сьогоднішнє їх виробництво з оптичного волокна значно знизило вартість, а перехід на наноуровень дозволить ще більше скоротити витрати.

інші застосування

За допомогою лазерів урологи можуть лікувати стриктуру уретри, доброякісні бородавки, сечові камені, контрактуру сечового міхура і збільшення простати.

Використання лазера в медицині дозволило нейрохірургів робити точні розрізи і виробляти ендоскопічний контроль головного і спинного мозку.

Ветеринари застосовують лазери для ендоскопічних процедур, коагуляції пухлин, виконання розрізів і фотодинамічної терапії.

Стоматологи використовують когерентне випромінювання для того різання отворів, в хірургії ясен, для проведення антибактеріальних процедур, зубної десенсибілізації і рото-лицевої діагностики.

лазерний пінцет

Біомедичні дослідники в усьому світі застосовують оптичні пінцети, клітинні сортувальники, а також безліч інших інструментів. Лазерні пінцети обіцяють кращу і більш швидку діагностику раку та використовувалися для захоплення вірусів, бактерій, дрібних металевих частинок і ниток ДНК.

В оптичному пінцеті пучок когерентного випромінювання застосовується для утримання і обертання мікроскопічних об`єктів, аналогічно тому, як металевий або пластиковий пінцет здатний підібрати маленькі і тендітні предмети. Окремими молекулами можна маніпулювати, прикріплюючи їх до скельця мікронного розміру або кулькам з полістиролу. Коли промінь потрапляє в кульку, він викривляється і надає невеликий вплив, підштовхуючи кульку прямо в центр променя.

Це створює «оптичну пастку», яка здатна утримувати невелику частку в пучку світла.

Лазер в медицині: плюси і мінуси

Енергія когерентного випромінювання, інтенсивність якої можна модулювати, використовується для розтину, знищення або зміни клітинної або позаклітинної структури біологічних тканин. Крім того, застосування лазерів в медицині, коротко кажучи, зменшує ризик інфікування і стимулює загоєння. Застосування квантових генераторів в хірургії збільшує точність розтину, проте, вони становлять небезпеку для вагітних і є протипоказання щодо вживання фотосенсибилизирующих ліків.

Складна структура тканин не дозволяє зробити однозначну інтерпретацію результатів класичних біологічних аналізів. Лазери в медицині (фото) є ефективним інструментом для знищення ракових клітин. Однак потужні джерела когерентного випромінювання діють без розбору і руйнують не тільки уражені, але і навколишні тканини. Це властивість - важливий інструмент методу мікродіссекціі, використовуваний для проведення молекулярного аналізу в сюжеті місці з можливістю вибіркового руйнування зайвих клітин. Мета даної технології полягає в подоланні гетерогенності, яка присутня у всіх біологічних тканинах, для полегшення їх дослідження за чітко визначеною популяції. У цьому сенсі, лазерна мікродіссекціі внесла значний вклад в розвиток досліджень, в розуміння фізіологічних механізмів, які сьогодні можна чітко продемонструвати на рівні популяції і навіть однієї клітини.

Функціонал тканинної інженерії сьогодні став основним фактором у розвитку біології. Що станеться, якщо розрізати актинові волокна під час ділення? Чи буде ембріон дрозофіли стабільним, якщо зруйнувати клітину при фолдінг? Які параметри, які беруть участь в меристемних зоні рослини? Всі ці питання можна вирішити за допомогою лазерів.

наномедицина

Останнім часом з`явилося безліч наноструктур, що володіють властивостями, придатними для цілого ряду біологічних застосувань. Найважливішими з них є:

• квантові точки - крихітні светоизлучающие частки нанометрових розмірів, які використовуються в високочутливої клітинної візуалізації;
• магнітні наночастинки, які знайшли застосування в медичній практиці;
• полімерні частинки для інкапсульованих терапевтичних молекул;
• металеві наночастинки.

Розвиток нанотехнологій і застосування лазерів в медицині, коротко кажучи, революціонізіровал спосіб введення лікарських засобів. Суспензії з наночастинок, що містять лікарські препарати, можуть підвищити терапевтичний індекс багатьох з`єднань (збільшити розчинність і ефективність, знизити токсичність) шляхом селективного впливу на уражені тканини і клітини. Вони доставляють діюча речовина, а також регулюють вивільнення активного інгредієнта у відповідь на зовнішню стимуляцію. Нанотераностіка є подальшим експериментальним підходом, що забезпечує подвійне використання наночасток, з`єднання лікарський засіб, терапію і засоби діагностичної обробки зображень, що відкриває шлях до персоналізованого лікування.

Застосування лазерів в медицині та біології для мікродіссекціі і фотоаблаціі дозволило на різних рівнях зрозуміти фізіологічні механізми розвитку хвороби. Результати допоможуть визначити кращі методи діагностики і лікування кожного пацієнта. Розвиток нанотехнологій в тісному зв`язку з досягненнями в області візуалізації також будуть незамінні. Наномедицина є перспективною новою формою лікування деяких видів раку, інфекційних захворювань або діагностики.