Лазери в медицината. Прилагане 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 специалните 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. Енергийният лъч може да се концентрира в много малка точка, за 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. И една година по-късно Леон Голдман демонстрира как рубинен червен лазер в медицината може да се използва за отстраняване на капилярна дисплазия, някакъв рожден ден и меланом.

Това приложение се основава на способността на източниците 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, които се причиняват от различни видове лечебни лезии и от основната абсорбираща субстанция в тях. дължина на вълната също зависи от вида на кожата на пациента.

Днес е невъзможно да се практикува дерматология и офталмологията без лазери, тъй като те са се превърнали в основни инструменти на грижите за пациента. Използването на лазери за корекция на зрението и голямо разнообразие от приложения очни увеличили след Чарлс Кембъл през 1961 г. стана първият лекар да използва червен лазер в медицината за лечение на пациента с отлепване на ретината.

По-късно за тази цел офталмолозите започнаха да използват аргонови източници на кохерентна радиация в зелената част на спектъра. Тук свойствата на окото, особено неговите лещи, се използват за фокусиране на лъча 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 кохерентно лъчение 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 нуждаят от уникалните свойства на квантовите генератори. Следващото приложение на аргонов лазер е спирането на вътрешното кървене. Селективната абсорбция на зелената 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, са унищожени.

Това не може да бъде постигнато чрез използване на слънчева светлина. Медицината е много консервативна, както трябва, но в различни области са признати източници на кохерентна радиация. 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. изчисли обема на пазара на лазерно козметично оборудване на стойност повече от 1 млрд. Долара. Наистина, въпреки спада в общото търсене на медицински системи по време на глобалната рецесия, козметичните операции, основаващи се на употребата на квантови генератори, продължават да се търсят 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 IR спектроскопия, използвайки инфрачервени източници на кохерентна радиация. Причината за това е, че ракът и здравата тъкан могат да имат различна проходимост в инфрачервения диапазон. Едно от обещаващите приложения 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 неопасни признаци и истинския меланом.

Katzir, организатор на първата конференция на SPIE биомедицинските оптика през 1984 г., и отбора си в Тел Авив също са разработили оптични влакна, които са прозрачни за инфрачервени вълни, което позволява да се разшири този метод към вътрешните диагностика. В допълнение, тя може да бъде бърза и безболезнена алтернатива на шийката на матката петна в гинекологията.

син полупроводников лазер в медицината е намерил приложение при флуоресцентна диагностика.

Системи, 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 гърдите и други части на тялото, като 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 (микронареден), напречни и триизмерни изображения на биологична тъкан в реално време. Октомври вече се прилага в офталмологията, и може, например, позволява на офталмолог да видим 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 зони, образувани от ОСТ, се занимава с получаване на оптични изображения на артериите. Оптична 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 нуждата 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 заявление на лазери в техниката и медицината - сканиране на близък обхват оптична микроскопия, която може да произвежда изображения с резолюция много по-високи от тези на конвенционалните 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 да се подложи на визуализация и да се положат основите за образа на биологичните 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 кохерентно излъчване може да бъде пренесена там, където е необходимо. Може да се използва при лечение. Оптични лазери стават много по-напреднали. Те ще променят радикално лекарството за бъдещето.

Област на Photomedicine, като се използва светлочувствителни химикали, които взаимодействат с тялото по специален начин, може да прибегне до помощта на лазери за диагностика, така и за лечение на пациенти. В фотодинамична терапия (PDT), например, лазерно и светлочувствителността на лекарството може да възстанови зрението при пациенти с "мокър" форма на свързана с възрастта дегенерация на макулата, основна причина за слепота при хората 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.

Червена лазерна газ хелий-неонов се използва в медицината за лечение на остеопороза, псориазис, венозни язви и т.н., както тази честота се абсорбира добре от хемоглобина и ензими. Радиация забавя възпаление, оток и хиперемия предотвратява, подобрява кръвоснабдяването.

Персонализирано лечение

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

В бъдеще всичко ще се случи на 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 въз основа на индивидуалния геном на пациента.

Леон Голдман - основателят на лазерната медицина

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

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

Неговите изследвания в средата на 1960 доведе до използването на рубин мазер по хирургия на ретината и на такива открития като възможност за последователна радиация в същото време намаляване на кожата и запечата кръвоносните съдове, което ограничава кървене.

Goldman, който е работил за голяма част от кариерата си, дерматолог в университета в Синсинати, основана на Американското дружество на лазерите в медицината и хирургията, и помогна да постави основите на лазерна безопасност. Умира през 1997 г.

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.

По-рано 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

Използването на лазери уролози може да лекува уретрата стриктура, доброкачествени брадавици, пикочните камъни, контрактура на пикочния мехур, и разширяването 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.

Зъболекарски използват кохерентна светлина за получаване на дупки в хирургията смола за антибактериални процедури, дентална десенсибилизация и рото-челюстна диагноза.

Лазерни пинсети

Биомедицински изследователи по света използват оптични пинсети, сортовете за клетки и много други инструменти. Лазерни пинсети обещават по-добри и по-бързо диагностициране на рак и се използват за улавяне на вируси, бактерии, фини метални частици и ДНК вериги.

Най-оптични пинсети съгласуван лъч на радиация се използва да държи и да се върти микроскопични обекти по същия начин, както и метални или пластмасови пинсета могат да улавят малки и чупливи предмети. Отделните молекули могат да бъдат манипулирани от тях се придържа към парче стъкло или микрона по размер гранули полистирол. Когато лъч удари топката, тя е извита и има малък ефект, бутане на топката право в центъра на лъча.

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

Лазер в медицината: плюсовете и минусите

Енергията от кохерентно излъчване, чиято интензивност може да бъде модулирана, се използва за дисекция, унищожаване или промяна на клетъчната или извънклетъчната структура на биологичните тъкани. Освен това употребата на лазери в медицината, накратко, намалява риска от инфекция и стимулира заздравяването. 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.

Сложната структура на тъканите не позволява еднозначно тълкуване на резултатите от класическите биологични анализи. Лазерите в медицината (снимка) са ефективен инструмент за унищожаване на раковите клетки. Въпреки това, мощни източници на кохерентна радиация са безразборно и да унищожи не само са засегнати, но и околните тъкани. Това свойство - важен инструмент за метод Микродисекция използва за молекулярен анализ в места от интерес с възможност за селективно унищожаване на излишни клетки. Целта на тази технология е да се преодолее хетерогенността присъства във всички биологични тъкани, за да се улесни тяхното изследване на добре 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 режете 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 са се появили много наноструктури, които притежават свойства, подходящи за различни биологични приложения. Най-важните от тях са:

• квантовите точки са малки частици наномащаби, излъчващи светлина, използвани във високочувствителни клетъчни изображения;
• 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 микродиагенерация и фотоаблация дава възможност да се разберат на различни нива физиологичните механизми на развитието на болестта. Резултатите ще помогнат да се определят най-добрите методи за диагностика и лечение за всеки пациент. Развитието на нанотехнологията в тясна връзка с постиженията в областта на визуализацията също ще бъде незаменима. Наномедицината е обещаваща нова форма на лечение за някои видове рак, инфекциозни заболявания или диагностика.