Особенности лазерного излучения. Биологический эффект воздействия излучения эксимерного лазера на роговицу

В начале 60-х годов была открыта способность некоторых веществ, или «активных сред» генерировать под влиянием «накачки» внешним источником энергии (например, мощной импульсной лампы или элект­рического тока) электромагнитное излучение с особыми свойствами. В России такие приборы получили название оптических квантовых гене-76

ЭКСИМЕРНЫЕ ЛАЗЕРЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В РЕФРАКЦИОННОЙ ХИРУРГИИ

раторов, в США — лазеров. Слово «LASER» является аббревиатурой от английского «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation». Это название в настоящее время стало общепринятым во всем мире, в том числе и в нашей стране.

Параметры лазерного излучения (длина волны, или частота, режим работы, мощность) определяются в основном активной средой, в качест­ве которой могут быть использованы кристаллы, газы, растворы и полу­проводники (рис. 4.2). Активная среда чаще всего определяет и название лазера (рубиновый, неодимовый, аргоновый, YAG и т. д.). В активной среде (на рис. 4.2 — в кристалле) под влиянием внешнего источника энергии (в данном случае — импульсной лампы-вспышки) атомы веще­ства переходят в возбужденное состояние, и их электроны занимают бо­лее высокий энергетический уровень. Спонтанно возвращаясь на преж­нюю орбиту, они испускают квант света строго определенной длины волны в зависимости от активной среды — от ближнего ультрафиолета до дальней инфракрасной области. Эти фотоны, в свою очередь, сталки­ваясь с атомами, еще не подвергшимися спонтанной эмиссии, стимули­руют излучение новых фотонов, и все вместе они вызывают цепную ре­акцию эмиссии фотонов остальных возбужденных атомов. При этом все фотоны или кванты света имеют строго одинаковую частоту, определя­ющую цвет излучения, направление и фазу колебания.

.4.

Рис. 4.2. Принципиальная схема устройства лазера: 1 — непрозрачное зеркало; 2 — по­лупрозрачное зеркало; 3 — лампы накачки; 4 — активная среда.

Если кристалл имеет зеркальные поверхности на торцах, то кванты света многократно отражаются от них, излучение усиливается, и если одна из граней сделана в виде полупрозрачного зеркала, то излучение через нее выходит за пределы кристалла в окружающую среду. С по­мощью системы зеркал или гибких световодов оно может быть переда-

глава 4

но на офтальмологический прибор (щелевую лампу, офтальмоскоп, эн-доокулярный наконечник, операционный микроскоп), через который доставляется к тканям глаза.

От обычного полихроматического света лазерное излучение отлича­ется прежде всего монохроматичностью, т. е. имеет одну строго опре­деленную длину волны. Вследствие этого его можно сфокусировать с помощью оптической системы в пятно диаметром всего в 1 мкм и соз­дать таким образом огромную плотность энергии в фокусе излучения, что невозможно в случае полихроматичного света из-за хроматической аберрации, ибо каждая составляющая такого света преломляется по-разному и имеет свою точку фокусировки (рис. 4.3).

 

Рис. 4.3. Схема, поясняющая разницу в характере изображения на сетчатке, даваемого полихроматическим (а) и лазерным (б) источниками излучения: 1 — источник полихро­матического света (лампа накаливания); 2 — источник лазерного излучения; 3 — длинно­волновая часть излучения лампы накаливания; 4 — коротковолновые лучи; 5 — лазерное монохроматическое излучение; F — точка фокуса на сетчатке, в которой сходится излу­чение лазера; fi и F2 — две точки фокуса излучения разных длин волн, образующие круг светорассеяния вместо точки.

Лазеры, созданные к настоящему времени, перекрывают всю гамму оптического диапазона частот — от ближней ультрафиолетовой до дальней инфракрасной области — и по этому признаку разделяются на ультрафиолетовые, инфракрасные и работающие в видимом диапазо­не (рис. 4.4).

В отличие от излучения обычных источников света, лазерное излу­чение имеет направленный характер и распространяется в пространст­ве в виде узкого пучка с малым углом расходимости, что позволяет пе­редавать энергию лазера на большие расстояния. Лазерное излучение когерентно, т.е. все фотоны в пучке излучения синхронно меняют фа­зу волны с определенной регулярностью.

Лазеры в зависимости от характера активной среды и конструктив­ных особенностей генерируют излучение в различных временных ре­жимах. Если лазерный луч генерируется непрерывно в течение всего времени, пока лазер находится во включенном состоянии, то он назы­вается лазером непрерывного излучения.

Импульсные лазеры в режиме свободной генерации излучают ко­роткие импульсы света длительностью от одной до нескольких милли­секунд с различной частотой. Если частота выхода импульсов очень ве-78

ЭКСИМЕРНЫЕ ЛАЗЕРЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В РЕФРАКЦИОННОЙ ХИРУРГИИ

1 23 4 5 6789 10

0, 1 0, 2 0, 3 0, 4 0, 5 0, 6 0, 7 0, 8 0, 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 ^мкм
| УФ [ Видимый |_______________ ИК_________________ |

Рис. 4.4. Ддины волн излучений наиболее часто применяемых в офтальмологии лазеров: 1 — эксимерный, X = 0, 193 мкм; 2 — аргоновый, X = 0, 488 и 0, 514 мкм; 3 — YAG-лазер с удвоением частоты, X = 0, 532 мкм; 4 — гелий-неоновый лазер, X = 0, 64 мкм; 5 — диод­ный лазер, X = 0, 81 мкм; 6 — неодимовый лазер, X = 1, 06 мкм; 7 — иттербий-эрбиевый ла­зер, X = 1, 54 мкм; 8 — гольмиевый лазер, X = 2, 09 мкм; 9 — эрбиевый лазер, X = 2, 94 мкм; 10 — утлекислотный лазер, X = 10, 6 мкм.

лика, то излучение воспринимается глазом как непрерывное, и такой лазер называют квазинепрерывным. С помощью специальных фото-тропных затворов можно укоротить длительность излучения импульс­ного лазера до нескольких нано- и даже пикосекунд. Эти режимы на­зывают соответственно режимами модулированной добротности и синхронизации мод.

Энергия импульсного излучения лазеров измеряется и выражается в джоулях (Дж) или их тысячных долях — миллиджоулях (мДж). Энер­гетическая эффективность лазеров непрерывного излучения выража­ется единицей мощности или потока излучения — ватт (Вт) или мВт, что соответствует излучению в 1 Дж в течение секунды (Дж/с). Соот­ветственно плотность энергии или лучистая экспозиция на поверхно­сти объекта воздействия выражается в Дж/м² или мДж/см², а поверх­ностная плотность мощности — в Вт/см² или мВт/см².

В соответствии с мощностью лазеры по принятым в России правилам делят на 4 класса. К I классу относят лазеры, прямое излучение которых не опасно для глаз и кожи. Прямое или зеркально отраженное излучение лазеров II класса опасно для глаз, а к III классу относят лазеры, диффуз-но отраженное излучение которых способно вызвать поражение глаз на расстоянии 10 см от отражающей поверхности. К самым мощным лазе­рам IV класса относят приборы, диффузно отраженное излучение кото­рых опасно не только для глаз, но и для кожи на том же расстоянии. Большинство офтальмологических лазеров относятся к I—II классам.

Лазерное излучение, взаимодействуя с тканями глаза, может отра­жаться, поглощаться или проходить через них. Эффект воздействия на ткань определяется только поглощенной (абсорбированной) частью из­лучения. Спектр же поглощения каждой ткани индивидуален и опреде­ляется типом основных поглощающих элементов или хроматофоров, а

б Заказ № 386 79

глава 4

также, для некоторых длин волн, — количеством содержащейся в ткани воды. Так, роговая оболочка поглощает излучение ультрафиолетовой части спектра за счет аминокислот белков и нуклеиновых кислот, кото­рые служат в данном случае хроматофорами, и инфракрасное излуче­ние с длиной волны 1, 5 мкм и более, но для него хроматофором служит содержащаяся в роговице вода.

Таким образом, именно излучения этих длин волн могут быть ис­пользованы для повреждения или лечения роговой оболочки. В то же время она не содержит хроматофоров для видимой и ближней инфра­красной части спектра, поэтому такое излучение свободно пропускает­ся ею и достигает глубжележащих структур вплоть до глазного дна, на структуры которого можно воздействовать для повреждения или лече­ния излучениями именно этого диапазона.

100%

< 280 нм

300 нм

360 нм

Роговица, однако, по-разному по­глощает излучение и в пределах ульт­рафиолетового диапазона. Только из­лучение с длиной волны менее 0, 28 мкм полностью поглощается ее тка­нями, с увеличением же длины волны все большая доля излучения пропус­кается в водянистую влагу передней

камеры, хрусталик и даже на глазное

' Рис. 4.5. Процент поглощения излучении

дно (рис. 4.5). Эта закономерностьяв- _уф__{части спектраразных} д^ _волн

ЛЯется ОДНОЙ ИЗ главных причин ТОГО, в различных структурах глазного яблока.

что именно коротковолновое излуче­ние эксимерного лазера (длина волны 0, 193 мкм), безопасное для глубже­лежащих тканей, нашло применение в рефракционной хирургии рогови­цы. Выше указывалось, однако, что и инфракрасное излучение с длиной волны 1, 5 мкм не пропускается роговицей, и тем не менее оно не исполь­зуется для фотоабляции, а только для коагуляции ее ткани, например, для устранения гиперметропии, о чем сказано выше.

Ключ к пониманию причины этого лежит в свойствах самого излуче­ния. Чем больше его частота (или чем меньше длина волны), тем большей энергией обладает каждый квант излучения. Благодаря малой энергии кванта, инфракрасное излучение способно вызывать нагревание содер­жащейся в ткани воды, которая служит для него хроматофором, и вызы­вать вторичный нагрев ткани, вызывая коагуляцию ее белков, испаре­ние или обугливание ткани. Другими словами, инфракрасное излучение обладает выраженным тепловым воздействием на ткани, в том числе на роговицу, которая отвечает помутнением на тепловое воздействие.

Напротив, излучение эксимерного лазера обладает высокой энерги­ей кванта (6, 4 eV), достаточной для разрыва межмолекулярных связей органической ткани роговицы, энергия которых находится в пределах 80

ЭКСИМЕРНЫЕ ЛАЗЕРЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В РЕФРАКЦИОННОЙ ХИРУРГИИ

2—6 eV, не вызывая существенного нагревания и коагуляции ее ткани. При воздействии излучения эксимерного лазера на роговицу разруша­ются межмолекулярные связи ее белковых молекул, образуется плазма из ионизированного вещества, которое переходит в газообразную фа­зу и разлетается из зоны воздействия со сверхзвуковой скоростью, на­поминая микроскопический ядерный взрыв (рис. 4.6). Тем не менее мощность этого «взрыва» не столь велика, чтобы вызвать повреждение эндотелия роговицы или глубжележащих слоев стромы [135].

Рис. 4.6. Эффект воздействия излучения эксимерного лазера на роговицу: а — широким пучком; б — узким пучком («flying spot»).

Исследования, проведенные А.Д.Семеновым и сотрудниками его от­дела, показали, что толщина испаряемого слоя роговицы зависит от по­верхностной плотности энергии в импульсе. Порог абляции составил 80 мДж/см², и затем толщина испаряемого слоя увеличивается с воз­растанием этого параметра до величины плотности энергии в 600 мДж/см². Дальнейшее увеличение плотности энергии уже не при­водит к пропорциональному увеличению толщины испаряемого слоя роговицы. Было выяснено также, что при такой высокой плотности энергии (более 550 мДж/см²) возникает опасность фрагментации кол-лагеновых фибрилл в прилегающих к зоне абляции соседних участках роговицы.

Оптимальной для ФРК плотностью энергии оказался диапазон от 175 до 270 мДж/см² [136]. Оптимальной частотой следования импуль­сов оказалась 20 импульсов в 1 секунду (20 Гц). Увеличение этой час­тоты сверх данного значения приводит к опасному повышению тем­пературы в зоне воздействия и нарушению структуры соседних слоев роговицы. При оптимальном сочетании частоты и плотности

глава 4

энергии за один импульс испаряется слой в 1 мкм, а для коррекции 1 дптр миопии достаточно испарить 5 мкм ткани [116]. В современ­ных эксимерных лазерах с малым пятном воздействия («flying spot») частота импульсов может быть гораздо больше и превышать 200 Гц, так как нагрев соседних с местом воздействия участков роговицы крайне мал.

⇐ Предыдущая567891011121314Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. CEМEЙНOE КОНСУЛЬТИРОВАНИЕ, ЕГО ОСОБЕННОСТИ
2. I. ОСОБЕННОСТИ ДЕЛОВОГО И ЛИЧНОСТНОГО ОБЩЕНИЯ В СОВМЕСТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
3. I. Особенности постановки цели труда.
4. I. Особенности учета в строительстве
5. II. Особенности технологии баз и банков данных.
6. II. Перепишите следующие предложения и переведите их, обращая внимание на особенности перевода на русский язык определений, выраженных именем существительным (см. образец выполнения 2).
7. V этап. Сестринский анализ эффективности проводимого сестринского процесса.
8. V. Экономическая эффективность.
9. XIX. Особенности приёма и обучения иностранных граждан и лиц без гражданства в ОО ВПО «ГИИЯ»
10. Абсолютная монархия в России (признаки, особенности, идеалогия, условия возникновения, реформы Петра первого)
11. Авторитет преподавателя и эффективность общения
12. АДМИНИСТРАТИВНЫЙ НАДЗОР: ПОНЯТИЕ, ОСОБЕННОСТИ, МЕТОДЫ, СУБЪЕКТЫ, ПОЛНОМОЧИЯ.