Принципы и механизмы работы лазеров применяемых в хирургии
Лазеры применяются в хирургии гортани с 1970-х годов. Если первоначально операции с их помощью проводились лишь в условиях операционной, то в наши дни многие лазерные вмешательства на гортани выполняются амбулаторно. Оригинальный хирургический лазер на диоксиде углерода, СО2-лазер соединялся с операционным микроскопом при помощи шарнирной ручки, а управлялся микроманипулятором.
Относительно недавно, после прорыва в лазерных и волоконных технологиях, стало возможным доставлять лазерную энергию через волокна, встроенные в гибкий ларингоскоп. Эти открытия произвели настоящую революцию в ларингологии, поскольку проводить операции с применением лазеров теперь можно не только в операционной, но и амбулаторно без общей анестезии.
При проведении операций под наркозом в условиях операционной можно добиться крайне высокой точности всех манипуляций, т.к. операционное поле стабильно и неподвижно. Тем не менее, вследствие упомянутых выше технологических инноваций, многие операции столь же эффективно выполняются амбулаторно.
За счет этого удается избежать общей анестезии, сократить стоимость лечения и для пациента, и для системы здравоохранения, уменьшить продолжительность операции и число осложнений. Амбулаторные операции являются хорошей альтернативой для тех пациентов, которым из-за природы их заболевания приходилось проводить неоднократные повторные операции.
Тем не менее, несмотря на любой технологический прогресс, остаются ситуации, в которых проведение манипуляции в операционной является предпочтительным. К таким ситуациям относится удаление злокачественных новообразований, случаи с прогнозируемым кровотечением, а также крупные образования или распространенный процесс, при которых провести операцию без общей анестезии было бы затруднительным.
Термин «LASER» является акронимом «light amplification by stimulated emission of radiation» или «усиление света посредством вынужденного излучения». Для того, чтобы понять, как работает лазер, и чем лазер одного типа отличается от другого, необходимо разобраться в некоторых терминах и фундаментальных физических принципах работы лазеров. Действие лазеров основано на фотонах, базовых единицах света и излучения. Фотоны не имеют массы и проявляют свойства как волны, так и частицы.
Атомы могут излучать и поглощать фотоны. Фотон является основной единицей лазерного излучения, следовательно, мы может описывать действие лазеров в терминах, принятых для описания волн: частота, амплитуда, длина волны. Частота определяет количество повторений волны в одну секунду, измеряется она в герцах (Гц). Амплитуда представляет собой высоту волны. Длина волны характеризует расстояние между волнами, от нее зависит цвет лазера.
В основе лазеров лежит использование возбудимости атомов, а точнее, их электронов, для создания фотонов. Когда атом поглощает энергию, его электроны переходят в возбужденное состояние. После того, как электрон возвращается в свое исходное состояние, энергия высвобождается в форме фотона (данный процесс называется спонтанным излучением).
Когда возбужденный электрон взаимодействует с фотоном, с энергией, равной разнице между исходным и возбужденным состоянием электрона, фотон переводит данный электрон в исходное состояние, в результате чего происходит выделение еще одного фотона, который по своим свойствам (длина волны, частота, фаза) будет аналогичен первому фотону. Поскольку исходный фотон атомом поглощен не был, к этому моменту существует уже два идентичных фотона. Этот процесс и называется «вынужденным излучением» («stimulated emission»). За счет этого принципа и лазеры обеспечивают создание множества фотонов с одинаковыми свойствами.
Во время операции с применением лазера происходят процессы поглощения, вынужденного излучения и спонтанного излучения. Первоначально атомы получают энергию и переходят из исходного состояния в возбужденное. Этот процесс называется «накачкой» («bumping»).Затем атомы подвергаются вынужденному излучению и продуцируют фотоны, которые отражаются обратно в активную среду лазера.
Некоторые фотоны поглощаются атомами, которые находятся в основном состоянии, некоторые же сталкиваются с возбужденными атомами. Когда фотон сталкивается с возбужденным атомом, происходит процесс вынужденного излучения, в результате чего общее число фотонов увеличивается. Состояние, при котором количество испускаемых фотонов превышает число поглощаемых, называется оптическим усилением. Следствием его является нарастание количества фотонов.
Для того, чтобы добиться оптического усиления, атомов в возбужденном состоянии должно быть больше, чем в исходном, поскольку в противном случае испущенные фотоны будут просто поглощаться другими атомами. Этот принцип критической массы носит название «инверсия электронных населенностей».
Внешний источник энергии, который возбуждает атомы, находящиеся в основном состоянии, называется генератором накачки. Источник атомов, которые подвергаются накачке, называют активной средой, от которой зависит длина волны (т.е. цвет) лазера. Активная среда располагается в пространстве, которое называется оптическим пространством. В зависимости от типа лазера, активная среда может быть газообразной, твердой или полупроводником.
Изменения тканей в зависимости от их расстояния от места случайного попадания лазера.
Изначально образующиеся фотоны распространяются сразу во многих направлениях. Для того, чтобы заставить их двигаться в одном направлении, фотоны отражаются в системе зеркал, или оптическом резонаторе, который расположен внутри оптического пространства. Зеркало позволяет фотонам покидать оптическое пространство в виде пучка лазера или электромагнитного излучения. Испускаемая энергия может иметь вид непрерывной волны или вид импульса.
У большинства лазеров можно настраивать мощность, интервал включения-выключения, длительность импульса, размер и форму лазерного пятна. Мощность определяет количество энергии, которое испускает лазер, измеряется она в ваттах (Вт). Количество излученной или поглощенной энергии называется энергией излучения, которая измеряется в джоулях (Дж) и отображает передаваемую мощность за единицу времени.
При рассмотрении значения передаваемой мощности имеет значение площадь, на которую происходит воздействие (размер пятна). Изменить размер пятна углекислотного лазера можно либо напрямую, либо изменением фокусного расстояния операционного микроскопа. При использовании гибкого лазера размер пятна увеличивается по мере приближении к ткани. Интенсивность излучения — энергия, уносимая полем от источника в единицу времени. Соответственно, плотность энергии, т.е. общее количество энергии, поглощенное площадью поперечного сечения, определяет распределение энергии над определенной областью.
Следовательно, при приближении волокна к ткани радиус действия уменьшается, а интенсивность и поток энергии значительно возрастают. В конечном итоге, все эти принципы важны потому, что энергия света трансформируется в тепло, которое воздействует на клеточные структуры. Степень нагревания тканей определяет выраженность их повреждения.
Наконец, на степень воздействия лазера на ткани можно влиять не только изменением мощности и размера пятна, но также изменяя ширину пучка или продолжительность воздействия. Работа лазера в непрерывном режиме означает, что в любой момент времени количество выдаваемой им энергии одинаково. Для того, чтобы минимизировать воздействие на окружающие ткани, энергия может доставляться в виде отдельных импульсов. Длительность импульса при этом должна быть меньше, чем время, которое необходимо для передачи тепла на окружающие ткани. Период, необходимый для рассеивания тепловой энергии, называется временем тепловой релаксации.
Период тепловой диффузии, т.е. время, за которое тепло проникает в ткань, определяется свойствами конкретной ткани: плотностью, содержанием воды, особенностями теплового излучения. Если ширина импульса меньше, чем период диффузии или релаксации, происходит удержание тепла. Для уменьшения зоны некроза и повреждения окружающих тканей ширина импульса должна быть меньше чем период диффузии или релаксации.
