Laser je kratica podrijetla na engleskom jeziku: LASER - "Pojačanje svjetla poticanjem emisije zračenja", što u prijevodu znači "pojačanje svjetla stimuliranim zračenjem". Drugim riječima, laser je uređaj koji može proizvesti vrlo snažan snop monokromatskog svjetla. Budući da je laserska zraka samo mlaz svjetla (čak i ako ima neke posebne značajke), kasnije se u ovom članku naziva zrakom svjetla..
Svjetlost je elektromagnetski (EM) val koji se širi u prostoru ogromnom brzinom (u vakuumu: c = 300.000 km / s). Za razliku od akustičkih i mehaničkih valova, EM valovi uključuju dvije komponente - električne i magnetske - čije se harmonijske oscilacije javljaju u međusobno okomitim smjerovima. S druge strane, možemo pretpostaviti da se tok svjetlosti sastoji od posebnih čestica (fotona) čija je energija povezana s frekvencijom svjetlosti (E = hw, h je Diracova konstanta), a količina se odnosi na intenzitet snopa.
Vladimir Alexandrovich Tsepkolenko
MD, profesor, počasni liječnik Ukrajine,
Predsjednik ukrajinskog društva estetike
medicina, generalni direktor Ukrajine
Institut za plastičnu kirurgiju
i estetska medicina "Virtus"
Svjetlost i njezina distribucija u homogenom okruženju
Glavna karakteristika svjetla je njena frekvencija w, koja određuje prenesenu energiju. Svjetlo s različitim frekvencijama doživljava se kao različite boje. Na primjer, frekvencija crvene boje je manja od frekvencije žute, a žuta je manja od plave. Sve moguće frekvencije svjetla kombiniraju pojam spektra..
U vidljivom svjetlu ne postoji jedan, nego beskonačan broj valova s različitim frekvencijama, koji ulaze u njega u različitim omjerima. Ovaj skup frekvencija naziva se spektralna kompozicija svjetla (u svakodnevnom životu naziva se boja). Ako struja svjetlosti "sadrži" valove samo jedne frekvencije, onda se naziva monokromatska (međutim ne može postojati savršeno monokromatsko svjetlo).
Druga važna karakteristika svjetlosnog toka je njegov intenzitet I, izravno povezan s energijom koja se prenosi u jednoj sekundi.
Pojam frekvencije je nezgodan jer su nam numeričke vrijednosti neuobičajeno velike, pa se često koristi druga fizička veličina - valna duljina λ:
Što je frekvencija svjetlosti veća, njena je valna duljina manja. Kada svjetlo prolazi iz jednog medija u drugi, njegova valna duljina se mijenja, a frekvencija ostaje nepromijenjena. Obično se ta činjenica izostavlja, spominjući valnu duljinu koja se ne nalazi u mediju koji se razmatra, već mu odgovara u vakuumu..
Zračenje vidljivog raspona naziva se EM valovima koje opaža ljudsko oko, čije duljine leže u rasponu od 400 do 760 nm (Tablica 1)..
Zračenje se naziva infracrveno zračenje s valnim duljinama većim od 760 nm (crveno), više nije vidljivo, ali osjećamo se kao toplina koja dolazi iz bilo kojeg grijanog tijela..
Za ultraljubičaste, naprotiv, nose zračenje u rasponu od 6-400 nm.
Refleksija i lom svjetlosti na sučelju
U homogenom mediju snop svjetlosti uvijek oblikuje ravnu liniju. Svjetlost sama po sebi ne mijenja smjer, ali ako postoji prepreka u obliku trunke prašine, kapljica ili granice drugog medija na putu grede, može promijeniti svoj smjer kretanja. Takvi se procesi nazivaju raspršivanje ili lom..
Svaki medij (bilo da je tekućina, plin ili prozirna krutina) karakteriziran je određenom vrijednošću, indeksom loma svjetlosti n. Što je veća razlika između indeksa loma, to se svjetlo više lomi. Važno je napomenuti da se svjetlosni incident pod pravim kutom prema sučelju ne lomi, već se nastavlja kretati ravnom linijom..
Drugi efekt koji nastaje kada svjetlo prolazi kroz sučelje je njegov odraz od te granice. Refleksija se događa gotovo uvijek, i to je veći, manji je kut između grede i sučelja između medija (snop se odbija od njega). Ako svjetlost uđe u neujednačeni medij, tada se raspršuje. Kada se raspršuje, dio svjetla se gotovo uvijek "reflektira", mijenjajući smjer kretanja u suprotno.
Učinci raspršenja i refleksije u pravilu igraju parazitsku ulogu, jer dovode do gubitaka energije i, još gore, do neciljanog grijanja.
Raspršivanje je intenzivnije, veća je razlika između indeksa loma medija i heterogenosti (ili dva različita medija - kože i zraka). Smanjenje razlike između indeksa loma smanjuje refleksiju i smanjuje rasipanje..
Apsorpcija svjetlosti i kromofori
Kada se apsorbira velika količina svjetlosti, apsorbirana tvar se zagrijava, tj. Pomoću lasera možete zagrijati unutarnji sloj kože bez zagrijavanja vanjskih slojeva, a dubina zagrijanog tkiva odabire se odabirom frekvencije laserskog svjetla..
Tvar koja apsorbira svjetlo naziva se kromofor. U ulozi kromofora može biti bilo koja komponenta ljudskog tijela: krvni hemoglobin, melanin, masti, voda u stanicama, strana tvar (tumori, hematomi), zidovi krvnih žila. Poznata je ovisnost koeficijenta apsorpcije o valnoj duljini upadne svjetlosti (apsorpcijskog spektra) za većinu komponenti kože (tablica 2, slika 2.5-1), koja omogućava da se iz dostupnih valnih duljina lasera izabere onaj koji će biti maksimalno apsorbiran od strane ciljnog objekta, što će utjecati na što manje mogućnosti susjedi.
Razmotrimo detaljnije apsorpciju svjetlosti s različitim valnim duljinama od glavnih kromofora koji čine kožu..
Ultraljubičasto svjetlo (UV) s valnim duljinama u rasponu od 200 do 290 nm dobro se apsorbira u svim biološkim objektima (stanice i tkivo). Pri povećanju valne duljine od 300 do 400 nm, UV apsorpcija je osjetno oslabljena i javlja se uglavnom zbog nukleinskih kiselina i bezbojnih područja kože..
Vidljiva svjetlost (valne duljine od 400 do 760 nm) dobro se apsorbira u krvi (hemoglobin) i pigmentu (melanin). Preostale stanice i voda praktički se ne apsorbiraju u ovom rasponu, stoga boja kože jako ovisi o pigmentaciji njezinih gornjih slojeva i protoku krvi. Također u ovom rasponu može apsorbirati strane tvari koje se unose u kožu (na primjer, tetoviranje pigmenata)..
U infracrvenom (IR) području (više od 760 nm) apsorpcija mnogih biomolekula se povećava, a apsorpcija melanina i hemoglobina značajno se smanjuje. Valne duljine veće od 1200 nm apsorbiraju se pretežno vodom (maksimalna duljina oko 2900 nm) sadržana u tijelu gotovo svugdje. U rasponu od 1200-1700 nm je maksimalna apsorpcija masti. Na oko 6000-7000 nm, koeficijent apsorpcije svjetla kolagenom dramatično se povećava, što mu omogućuje da se izravno zagrijava, a ne prijenos topline iz molekula vode (kao što se događa pri korištenju Er.YAG i CO2 lasera)..
Od svih kromofora kože, hemoglobin, melanin i voda su od najvećeg interesa njihovi apsorpcijski maksimumi leže u različitim područjima spektra i dobro su zastupljeni u koži.
Voda je prozirna u cijelom vidljivom rasponu valnih duljina i njegovoj okolini (200-900 nm), ali upija svjetlosni izvor s valnim duljinama manjim od 150 i više od 1300 nm. Maksimalna apsorpcija je oko 2940 nm, nakon čega se postupno smanjuje, ali ostaje značajna do 12 mikrona i više..
Hemoglobin. Maksimumi apsorpcije svjetlosti oksi- i desoksihemoglobina nalaze se u blizini 415, 430, 540, 555 nm (Slika 2.5-1). U isto vrijeme, s povećanjem valne duljine, intenzitet apsorpcije se u prosjeku smanjuje. Od interesa je raspon od 600-750 nm, u kojem deoksihemoglobin ima očiglednu prednost. Na valnim duljinama većim od 1100 nm, apsorpcija hemoglobina se gubi na pozadini značajno povećane apsorpcije svjetla vodom..
Melanin. Apsorpcija svjetlosti melaninom vrlo brzo opada s povećanjem valne duljine od 300 do 1000 nm. U rasponu od 300–450 nm apsorpcija je maksimalna, međutim, hemoglobin mnogo više apsorbira te valne duljine. Svjetlo s valnim duljinama od 450-500 i 600-1000 nm melanin apsorbira intenzivnije od svih ostalih kromatofora, a na valnoj duljini većoj od 1100 nm gubi se na pozadini vode.
Carbon. Unatoč činjenici da je osnova svih poznatih života, čisti ugljik ulazi u zdrava tkiva samo izvana (na primjer, tetovaža), ali se emitira u obliku grafita iz organskih molekula kada se dugo zagrijavaju na temperaturu od nekoliko stotina stupnjeva. Zbog vrlo jake apsorpcije u širokom rasponu valnih duljina, ugljik ne prenosi svjetlost u kožu, što dovodi do visokog površinskog grijanja..
Različite komponente kože (kao i svaki drugi organ) često apsorbiraju svjetlost s različitim valnim duljinama, koje se mogu učinkovito koristiti u medicini. Spektri apsorpcije i koncentracije glavnih kromofora u različitim dijelovima kože u potpunosti određuju njegovu interakciju s monokromatskim laserskim svjetlom i, shodno tome, odgovor na dermatološke postupke..
Selektivno zagrijavanje pojedinih elemenata kože naziva se selektivna fototermoliza, točka prirode zagrijavanja koja smanjuje vjerojatnost oštećenja toplinskog tkiva velikih razmjera. Budući da su područja grijanja lokalizirana, ova tehnika, u usporedbi s drugima, obično smanjuje bol.
Zagrijavanje apsorbirajuće tvari svjetlom
Svaki medij karakteriziran je određenim koeficijentom apsorpcije svjetlosti m (w) ...
Kada monokromatski snop svjetlosti prodre u homogeni medij s koeficijentom apsorpcije m = 1,00 mm - 1, količina svjetlosne energije koja dostiže dubinu h određena je eksponencijalnim zakonom. To znači da dubine od 1 mm dosežu samo 36% pale svjetlosti (preostalih 64% apsorbira gornji sloj). Na sljedećem milimetru apsorbirat će se još 22% početne količine energije, a samo 5% svjetlosti koja pada na površinu će doseći dubinu od 3 mm. Na isti se način povećava i temperatura grijanog medija (slika 2.5-2)..
Dakle, kako svjetlo prodire duboko u upijajući medij, njegov intenzitet naglo opada.
Tipovi lasera: pulsni i kontinuirani
Glavno obilježje laserskog zračenja, koje ga razlikuje od svih drugih izvora svjetlosti, je monokromatska (svi emitirani valovi imaju istu frekvenciju). Frekvencija (valna duljina) - jedinstvena karakteristika svakog lasera - određena je njegovim unutarnjim uređajem (duljina šupljine i zračeća tvar). Osim frekvencije, laserski uređaj također određuje svoj glavni način rada: pulsni ili kontinuirani.
Impulsni laseri emitiraju svjetlost u obliku bljeskova svjetlosti (pulseva) koji traju u tisućinkama, milijunima i milijardama dijelova sekunde, ali energija koja se prenosi na svaku od njih relativno je visoka. Često se nekoliko takvih impulsa kombinira u jedan makro-puls, koji se odlikuje brojem impulsa, njihovim trajanjem i pauzama između njih. Trajanje makro-pulsa je obično stotinki, tisućinki sekunde, a energija prenesena u njoj jednaka je proizvodu broja impulsa i energije svake od njih. Trajanje jednog mikropulsa, maksimalna učestalost njihovog ponavljanja i maksimalna energija svakog od njih određuju se laserskim dizajnom. Nasuprot tome, parametri makro impulsa se obično mogu kontrolirati unutar određenih granica kako bi se postigao cilj..
Zbog vrlo kratkog trajanja impulsa, ljudsko oko nema vremena vidjeti točku udarca snopa takvog lasera, stoga je često "osvijetljeno" slabim, ali kontinuiranim snopom stvorenim jednostavnijim uređajem..
Pulsirajući laseri uključuju rubin, aleksandrit, neodimij, Er.YAG i diode laser, kao i laserske boje. Većina ih se temelji na čvrstoj jezgri s pumpanjem svjetiljke..
Kontinuirani laseri, kao što i sam naziv implicira, stvaraju kontinuirani svjetlosni tok čija je točka na površini kože vidljiva golim okom (ako je valna duljina lasera u vidljivom rasponu valne duljine: 400-760 nm) za razliku od točke pulsirajućih lasera. Trenutačna snaga kontinuiranih lasera je znatno manja od impulsnih lasera, ali njihovo vrijeme ekspozicije je u osnovi neograničeno. Relativno spora opskrba energijom može biti korisna u slučajevima kada je brzo zagrijavanje nepoželjno, ali, s druge strane, kod obrade široke klase oštećenja, takav laser može dovesti do snažnog neciljnog toplinskog oštećenja, jer toplina koja im se isporučuje uspijeva se proširiti duboko u kožu i jako je zagrijati.
Prednost kontinuiranih lasera je u tome što se gotovo svaki od njih može "transformirati" u impulsni pomoću mehaničkog ili elektrooptičkog prekidača, koji blokira protok svjetlosti s određenom frekvencijom.
Kontinuirani laseri, u pravilu, koriste plin ili tekući rezonator, metode pumpanja mogu biti vrlo različite (često koristeći električno pražnjenje žara). Ovaj tip uključuje CO2 i He-Ne laser, kao i mnoge laserske boje.
Druga varijanta medicinske klasifikacije lasera temelji se na osnovnom modelu njihove primjene..
Kirurški i ablativni laseri (CO2 i Er.YAG) nazivaju se "štetnim", čije se zračenje apsorbira u svim tkivima posvuda (glavni kromofor je voda). Stoga, ako se dostavi dovoljno energije koži, njezino potpuno uništenje je zajamčeno..
"Neškodljivi" mogu se zvati oni laseri koji se uglavnom koriste u skladu s metodom selektivne fototermolize (dermatološki laseri), tj. njihovo zračenje se apsorbira samo od strane pojedinih elemenata tkanine, a često se ne događa opasno zagrijavanje većine.
Ova "klasa" uključuje većinu lasera koji emitiraju u vidljivom rasponu i rade u pulsnom modu: argon, alexandrite, Nd.YAG, dioda, laserski parni bakar i laseri za bojenje. To može uključivati i slabe lasere, stimulirajući biokemijske procese u dubini kože bez ikakvog destruktivnog djelovanja (terapija niskog intenziteta)..
Važno je naglasiti da uz prekomjernu instaliranu snagu, bilo koji laser može uzrokovati ozbiljne ozljede i za pacijenta i za medicinsko osoblje..
Glavne značajke laserskog impulsa
Širenje svjetlosnog vala uvijek je povezano s prijenosom energije. Izvor zračenja karakterizira snaga P - količina energije koja se emitira u jednoj sekundi. Snaga izmjerena u vatima: 1 W = 1 J / s.
Međutim, snaga nije uvijek najpogodnija karakteristika: jedan i isti izvor topline može se zagrijavati različito, ovisno o tome koliko se materija zagrijava njime. Drugim riječima, što više površine „pokušavamo“ zagrijati, to će biti slabije. Stoga je, umjesto snage izvora, prikladnije koristiti gustoću snage zračenja koja se pojavljuje na površini:
Što je veća gustoća snage, to je jači učinak izvora. Zbog tog parametra laseri su mnogo puta bolji od drugih izvora svjetlosti..
Procesi koji se odvijaju u zagrijanom području određeni su gustoćom energije zračenja (e) koja se prenosi na jedinicu površine kože. Gustoća energije (koja se prenosi jednim impulsom) može se pronaći na dva načina:
Omjer energije impulsa prema području laserske točke;
Kao produkt trajanja impulsa i gustoće snage zračenja.
Pri istoj impulsnoj snazi gustoća energije snažno ovisi o površini točke: kako se područje smanjuje, gustoća energije na osvijetljenoj površini raste, a njezino zagrijavanje se sukladno tome povećava..
Osim valne duljine, trajanja impulsa i njegove energije, karakteristika lasera uključuje i druge, suptilnije, parametre (određene dizajnom): profil impulsa (za pulsne lasere) i profil grede..
Profil prostorne zrake
Radijalna raspodjela gustoće snage laserske zrake naziva se njezin prostorni profil, za većinu lasera se odnosi na jedan od sljedećih tipova:
Gaussov (zvonast, "nativan" za lasere) - više energije se dovodi do središta laserske točke nego do njezinih rubova (Slika 2.5-3); pri obradi velikih u usporedbi s površinskim točkama ploha, ova heterogenost se uzima u obzir uz pomoć nekih (15-20%) preklapanja susjednih mjesta (Sl. 2.5-5);
ravna - gustoća snage snopa je ravnomjerno raspoređena po cijelom području točke (Sl. 2.5-4); zajednički za laserske optičke vlakne.
Tehnika selektivne fototermolize
Tehnika selektivne fototermolize temelji se na monokromatnosti laserskog zračenja, inerciji širenja topline i poznavanju apsorpcijskih spektara kromofora kože. Omogućuje da jedan bljesak svjetla zagrije veliki broj malih, ali kontrastnih elemenata kože na visoku temperaturu, gotovo bez zagrijavanja ostatka tkanine..