През последния половин век лазерите са били използвани в офталмологията, онкологията, пластичната хирургия и много други области на медицината и биомедицинските изследвания.
Възможността за използване на светлина за лечение на болести е известна от хиляди години. Древните гърци и египтяни са използвали слънчевата радиация в терапията, а двете идеи дори са свързани в митологията – гръцкият бог Аполон е богът на слънцето и лечението.
Едва след изобретяването на кохерентния източник на радиация преди повече от 50 години потенциалът за използване на светлината в медицината беше наистина разкрит.
Поради своите специални свойства, лазерите са много по-ефективни от лъчението от слънцето или други източници. Всеки квантов генератор работи в много тесен диапазон на дължината на вълната и излъчва кохерентна светлина. Също така, лазерите в медицината ви позволяват да създавате високи мощности. Енергийният лъч може да се концентрира в много малка точка, поради което се постига високата му 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 офталмологията и дерматологията. квантовоГенераторът е открит през 1960 г. А година по-късно Леон Голдман демонстрира как рубиненочервеният лазер може да се използва в медицината за премахване на капилярна дисплазия, вид рождено петно и меланом.
Това приложение се основава на способността на кохерентните източници на радиация да работят при определена дължина на вълната. Кохерентните източници на радиация сега се използват широко за премахване на тумори, татуировки, косми и бенки.
Лазерите с различни видове и дължини на вълната се използват в дерматологията, поради различни видове лезии, които се лекуват и основното абсорбиращо вещество вътре в тях. Дължината на вълната също зависи от типа кожа на пациента.
Днес човек не може да практикува дерматология или офталмология, без да има лазери, тъй като те са се превърнали в основния инструмент за лечение на пациенти. Използването на квантови генератори за корекция на зрението и широк спектър от офталмологични приложения нарасна, след като Чарлз Кембъл стана първият лекар, използвал червен лазер в медицината през 1961 г. за лечение на пациент с отлепване на ретината.
По-късно, за тази цел, офталмолозите започнаха да използват аргонови източници на кохерентно излъчване в зелената част на спектъра. Тук свойствата на самото око, особено на неговата леща, бяха използвани за фокусиране на лъча в областта на отлепване на ретината. Силно концентрираната мощност на устройството буквално я заварява.
Пациентите с някои форми на макулна дегенерация могат да се възползват от лазерна хирургия – лазерна фотокоагулация и фотодинамична терапия. При първата процедура лъчът на кохерентнарадиацията се използва за запечатване на кръвоносните съдове и забавяне на техния патологичен растеж под макулата.
Подобни проучвания бяха направени през 40-те години на миналия век със слънчева светлина, но лекарите се нуждаеха от уникалните свойства на квантовите генератори, за да ги завършат успешно. Следващото използване на аргоновия лазер беше за спиране на вътрешното кървене. Селективното поглъщане на зелена светлина от хемоглобина, пигмент в червените кръвни клетки, се използва за блокиране на кървящите кръвоносни съдове. За лечение на рак те унищожават кръвоносните съдове, които влизат в тумора и го доставят с хранителни вещества.
Това не може да се постигне с помощта на слънчева светлина. Медицината е много консервативна, както би трябвало да бъде, но източниците на кохерентно излъчване са придобили признание в различни области. Лазерите в медицината замениха много традиционни инструменти.
Офталмологията и дерматологията също са се възползвали от ексимерните източници на кохерентно UV лъчение. Те са станали широко използвани за оформяне на роговицата (LASIK) за корекция на зрението. Лазерите в естетичната медицина се използват за премахване на петна и бръчки.
Доходоносна козметична хирургия
Подобни технологични разработки са неизбежно популярни сред търговските инвеститори, тъй като имат огромен потенциал за печалба. Аналитичната компания Medtech Insight през 2011 г. оцени размера на пазара за лазерно оборудване за красота на повече от 1 милиард щатски долара. Наистина, въпрекинамаляващо общото търсене на медицински системи по време на глобалния спад, базираните на квантови генератори козметични операции продължават да се радват на силно търсене в Съединените щати, доминиращият пазар за лазерни системи.
Визуализация и диагностика
Лазерите в медицината играят важна роля в ранното откриване на рак, както и на много други заболявания. Например в Тел Авив група учени се интересуват от IR спектроскопия, използвайки инфрачервени източници на кохерентно лъчение. Причината за това е, че ракът и здравата тъкан могат да имат различна инфрачервена пропускливост. Едно от обещаващите приложения на този метод е откриването на меланоми. При рак на кожата ранната диагностика е много важна за оцеляването на пациентите. В момента откриването на меланом се извършва на око, така че остава да разчитаме на уменията на лекаря.
В Израел всеки може да отиде на безплатен скрининг за меланом веднъж годишно. Преди няколко години бяха проведени проучвания в един от големите медицински центрове, в резултат на което стана възможно ясно да се наблюдава разликата в инфрачервения диапазон между потенциални, но не опасни признаци и истински меланом.
Кацир, организаторът на първата SPIE конференция за биомедицинска оптика през 1984 г., и неговата група в Тел Авив също разработиха оптични влакна, които са прозрачни за инфрачервените дължини на вълната, което позволява методът да бъде разширен до вътрешна диагностика. В допълнение, това може да бъде бърза и безболезнена алтернатива на цитонамазкатагинекология.
Синият полупроводников лазер в медицината намери приложение във флуоресцентната диагностика.
Системите, базирани на квантови генератори, също започват да заменят рентгеновите лъчи, които традиционно се използват в мамографията. Рентгеновите лъчи поставят лекарите пред трудна дилема: те се нуждаят от висок интензитет за надеждно откриване на рак, но самото увеличение на радиацията увеличава риска от рак. Като алтернатива се проучва възможността за използване на много бързи лазерни импулси за изобразяване на гръдния кош и други части на тялото, като мозъка.
OCT за очи и още
Лазерите в биологията и медицината се използват в оптичната кохерентна томография (OCT), което предизвика вълна от ентусиазъм. Тази техника за изобразяване използва свойствата на квантов генератор и може да осигури много ясни (от порядъка на микрон), напречни и триизмерни изображения на биологична тъкан в реално време. OCT вече се използва в офталмологията и може например да позволи на офталмолог да види напречно сечение на роговицата за диагностициране на заболявания на ретината и глаукома. Днес техниката започва да се използва и в други области на медицината.
Едно от най-големите полета, възникващи от OCT, е оптичното изобразяване на артериите. Оптичната кохерентна томография може да се използва за оценка на спукана нестабилна плака.
Микроскопия на живи организми
Лазерите в науката, технологиите, медицината също играятключова 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 използване на скалпел.
Най-трудната част при отстраняването на рак е необходимостта от постоянно използване на микроскоп, за да може хирургът да се увери, че всичко е направено правилно. Възможността да се прави микроскопия на живо и в реално време е значителен напредък.
Ново приложение на лазерите в инженерството и медицината е сканирането в близко поле на оптичната микроскопия, която може да произвежда изображения с резолюция, много по-висока от тази на стандартните микроскопи. Този метод се основава на оптични влакна с прорези в краищата, чиито размери са по-малки от дължината на вълната на светлината. Това даде възможност за изобразяване на подвълновата дължина и положи основата за изобразяване на биологични клетки. Използването на тази технология в IR лазерите ще позволи по-добро разбиране на болестта на Алцхаймер, рака и други промени в клетките.
PDT и други лечения
Разработките в областта на оптичните влакна спомагат за разширяване на възможностите за използване на лазери в други области. В допълнение към факта, че позволяват диагностика вътре в тялото, енергията на кохерентното излъчване може да се пренесе там, където е необходима. Може да се използва при лечение. Фибрите лазери стават много по-напреднали. Те ще променят радикално медицината на бъдещето.
Област на фотомедицината, използваща фоточувствителен химикалвещества, които взаимодействат с тялото по определен начин, могат да използват квантови генератори както за диагностициране, така и за лечение на пациенти. При фотодинамичната терапия (PDT), например, лазер и фоточувствително лекарство могат да възстановят зрението при пациенти с „мократа“форма на свързана с възрастта дегенерация на макулата, водеща причина за слепота при хора на възраст над 50 години.
В онкологията определени порфирини се натрупват в раковите клетки и флуоресцират, когато са осветени с определена дължина на вълната, което показва местоположението на тумора. Ако същите тези съединения след това бъдат осветени с различна дължина на вълната, те стават токсични и убиват увредените клетки.
Хелий-неоновият лазер с червен газ се използва в медицината при лечение на остеопороза, псориазис, трофични язви и др., тъй като тази честота се абсорбира добре от хемоглобина и ензимите. Радиацията забавя възпалението, предотвратява хиперемията и подуването и подобрява кръвообращението.
Персонализирано лечение
Генетиката и епигенетиката са две други области, където могат да се използват лазери.
В бъдеще всичко ще се случва в наномащаб, което ще ни позволи да правим медицина в мащаба на клетката. Лазерите, които могат да генерират фемтосекундни импулси и да се настройват на специфични дължини на вълната, са идеални партньори за медицински специалисти.
Това ще отвори вратата към персонализирано лечение въз основа на индивидуалния геном на пациента.
Леон Голдман - основателятлазерна медицина
Говорейки за използването на квантови генератори при лечението на хора, не може да не се спомене Леон Голдман. Той е известен като "бащата" на лазерната медицина.
Вече година след изобретяването на кохерентния източник на радиация, Голдман стана първият изследовател, който го използва за лечение на кожни заболявания. Техниката, която ученият използва, проправи пътя за последващото развитие на лазерната дерматология.
Неговите изследвания в средата на 60-те години на миналия век доведоха до използването на рубиновия квантов генератор в хирургията на ретината и открития като способността на кохерентната радиация едновременно да разрязва кожата и да запечатва кръвоносните съдове, ограничавайки кървенето.
Голдман, дерматолог в университета в Синсинати през по-голямата част от кариерата си, основа Американското дружество за лазери в медицината и хирургията и помогна за поставянето на основите на лазерната безопасност. Умира през 1997 г.
Миниатюризация
Първите 2-микронови квантови генератори бяха с размерите на двойно легло и бяха охладени с течен азот. Днес се появиха диодни лазери с размер на дланта и дори по-малки оптични лазери. Тези промени проправят пътя за нови приложения и разработки. Лекарството на бъдещето ще има малки лазери за мозъчна хирургия.
Поради технологичния прогрес има постоянно намаляване на разходите. Точно както лазерите станаха обичайно в домакинските уреди, те започнаха да играят ключова роля в болничното оборудване.
Ако по-ранните лазери в медицината бяха много големи исложно, днешното производство от оптични влакна значително намали разходите, а преходът към наномащаб ще намали разходите още повече.
Други употреби
Уролозите могат да лекуват стриктура на уретрата, доброкачествени брадавици, пикочни камъни, контрактура на пикочния мехур и уголемяване на простатата с лазери.
Използването на лазера в медицината позволи на неврохирурзите да правят прецизни разрези и ендоскопски изследвания на мозъка и гръбначния мозък.
Ветеринарните лекари използват лазери за ендоскопски процедури, туморна коагулация, разрези и фотодинамична терапия.
Зъболекарите използват кохерентно лъчение за изработване на дупки, хирургия на венците, антибактериални процедури, дентална десенсибилизация и оро-лицева диагностика.
Лазерни пинсети
Биомедицинските изследователи по целия свят използват оптични пинсети, сортери за клетки и много други инструменти. Лазерните пинсети обещават по-добра и по-бърза диагностика на рак и са били използвани за улавяне на вируси, бактерии, малки метални частици и ДНК нишки.
В оптичните пинсети лъчът на кохерентно излъчване се използва за задържане и завъртане на микроскопични обекти, подобно на това как металните или пластмасови пинсети могат да улавят малки и крехки предмети. Отделни молекули могат да бъдат манипулирани, като се прикрепят към стъкла с микронен размер или полистиролови перли. Когато гредата удари топката, тяизвива и има лек удар, избутвайки топката право в центъра на гредата.
Това създава "оптичен капан", който е в състояние да улови малка частица в лъч светлина.
Лазер в медицината: плюсове и минуси
Енергията на кохерентното излъчване, чийто интензитет може да бъде модулиран, се използва за рязане, унищожаване или промяна на клетъчната или извънклетъчната структура на биологичните тъкани. Освен това използването на лазери в медицината, накратко, намалява риска от инфекция и стимулира заздравяването. Използването на квантови генератори в хирургията повишава точността на дисекцията, но те са опасни за бременни жени и има противопоказания за употребата на фотосенсибилизиращи лекарства.
Сложната структура на тъканите не позволява еднозначно тълкуване на резултатите от класическите биологични анализи. Лазерите в медицината (снимка) са ефективно средство за унищожаване на раковите клетки. Мощните източници на кохерентна радиация обаче действат безразборно и унищожават не само засегнатите, но и околните тъкани. Това свойство е важен инструмент в техниката за микродисекция, използвана за извършване на молекулен анализ на място от интерес със способността селективно да унищожава излишните клетки. Целта на тази технология е да се преодолее хетерогенността, присъстваща във всички биологични тъкани, за да се улесни тяхното изследване в добре дефинирана популация. В този смисъл лазерната микродисекция има значителен принос за развитието на изследванията, за разбиранетофизиологични механизми, които днес могат да бъдат ясно демонстрирани на ниво популация и дори една клетка.
Функционалността на тъканното инженерство днес се превърна в основен фактор в развитието на биологията. Какво се случва, ако актиновите влакна се отрежат по време на деленето? Ще бъде ли стабилен ембрионът на Drosophila, ако клетката бъде унищожена по време на сгъване? Какви са параметрите, включени в меристемната зона на растението? Всички тези проблеми могат да бъдат решени с лазери.
Наномедицина
Напоследък се появиха много наноструктури със свойства, подходящи за редица биологични приложения. Най-важните от тях са:
- квантовите точки са малки нанометрови светлинни частици, използвани при 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, накратко, направи революция в начина, по който се прилагат лекарствата. Суспензиите от наночастици, съдържащи лекарства, могат да увеличат терапевтичния индекс на много съединения (увеличаване на разтворимостта и ефикасността, намаляване на токсичността) чрез селективно въздействие върху засегнатите тъкани и клетки. Те доставят активната съставка и също така регулират освобождаването на активната съставка в отговор на външна стимулация. Нанотераностиката е по-нататъкекспериментален подход, който позволява двойно използване на наночастици, лекарствени съединения, терапия и диагностични образни инструменти, отваряйки пътя към персонализирано лечение.
Използването на лазери в медицината и биологията за микродисекция и фотоаблация направи възможно разбирането на физиологичните механизми на развитие на болестта на различни нива. Резултатите ще помогнат да се определят най-добрите методи за диагностика и лечение за всеки пациент. Развитието на нанотехнологиите в тясна връзка с напредъка в изображенията също ще бъде необходимо. Наномедицината е обещаваща нова форма на лечение на някои видове рак, инфекциозни заболявания или диагностика.
