Transcript Techniki laserowe w medycynie

Elektroniczna aparatura medyczna
cz. 13
1
Metody laserowe w diagnostyce i terapii
medycznej
Laser – urządzenie emitujące promieniowanie
elektromagnetyczne z zakresu światła widzialnego, ultrafioletu
lub podczerwieni, wykorzystujące zjawisko emisji wymuszonej.
Nazwa od angielskiego: Light Amplification by Stimulated
Emission of Radiation: wzmocnienie światła poprzez wymuszoną
emisję promieniowania.
Promieniowanie lasera jest spójne, zazwyczaj spolaryzowane i ma
postać wiązki o bardzo małej rozbieżności. W laserze łatwo jest
otrzymać promieniowanie o bardzo małej szerokości linii
emisyjnej, co jest równoważne bardzo dużej mocy w wybranym,
wąskim obszarze widma.
2
Historia
W 1957 Gordon Gould ogłosił pomysł (jak też i nazwę) lasera,
równolegle z niezależnymi pracami nad maserami optycznymi
(Arthur Leonard Schawlow, Charles Townes).
Pierwszy laser (rubinowy) zbudował i uruchomił 16 maja 1960
roku Theodore Maiman, ośrodkiem czynnym był kryształ korundu
domieszkowany chromem - rubin.
Pierwszy laser gazowy helowo-neonowy zbudowano w 1961.
Nagroda Nobla z fizyki - 1964 - N. G. Basow i A. M. Prochorow
(ZSRR) oraz C. H. Townes (USA) za prace będące podstawą
działania laserów i maserów
Pierwszy polski laser powstał w Wojskowej Akademii Technicznej
w 1963 (laser gazowy He-Ne, generujący promieniowanie
3
podczerwone).
Promieniowanie optyczne charakteryzuje się energią zawartą w
każdym fotonie, która zwiększa się z częstotliwością fali:
E f  h  f  En  En 1 
Przy przejściu z wyższego poziomu
hc

En na niższy En1
to utrata energii En  En1
Stąd długość fali jaka może być wygenerowana w wyniku
takiego procesu:
hc

En  En 1
4
Z powyższej zależności wynika, że:
• długość fali promieniowania generowanego zależy tylko od
różnicy energii;
• jeżeli poziomy energetyczne są znacznie od siebie odległe
to generowane będzie promieniowanie o krótszej długości
fali;
• jeżeli poziomy energetyczne są blisko siebie to generowana
fala będzie dłuższa.
5
Ilustracja procesu wzbudzania poprzez absorpcję:
Ilustracja procesu emisji spontanicznej:
6
Ilustracja procesu emisji wymuszonej i wzmocnienia
promieniowania:
Schemat ilustrujący zasadę wzbudzania ośrodka oraz generację
promieniowania laserowego:
7
Sposoby pracy laserów:
8
Promieniowanie
optyczne (100 nm ÷1
mm) i jego właściwości
wykorzystane w
medycynie.
Naturalnym źródłem
promieniowania
optycznego jest słońce.
9
Przykładowe średnice wiązki laserowej i odpowiadające im
wartości gęstości mocy:
10
Kształty wiązki laserowej:
11
Generowane widmo:
Schemat fal światła:
12
Charakterystyka absorpcji promieniowania
laserowego:
13
Ilustracja wpływu
temperatury wywołanej
działaniem promieniowania
laserowego na tkanki
biologiczne
14
Rodzaje laserów:
15
16
17
Lasery w medycynie:
Lasery są wykorzystywane w medycynie do takich celów jak:
•
diagnostyka (lasery diagnostyczne);
•
terapia schorzeń (lasery stymulacyjne i chirurgiczne);
•
oświetlanie pola operacji.
Lasera używa się w medycynie przede wszystkim dla "twardej"
obróbki tkanek:
•
cięcia,
•
koagulacji,
•
odparowania (fotoablacji oraz ablacji stymulowanej plazmą)
•
obróbki mechanicznej (rozrywania, fragmentacji czy kawitacji).
18
Lasery w okulistyce wykorzystywane są m.in. do przyklejenia
siatkówki do dna oka, która może się odkleić na skutek uderzenia
w tył głowy. Obie tkanki są punktowo łączone za pomocą
koagulacji. Wiązkę lasera nakierowuje się na miejsce, gdzie ma
być wytworzony punkt koagulacji. Impuls świetlny skleja w tym
miejscu odwarstwioną siatkówkę.
http://www.mdt.pl/
19
Koagulator laserowy stosuje się także do leczenia zmian
naczyniowych i krwotoków do wnętrza gałki ocznej. Laser
stosuje się także do przecinania cyst powiek i spojówek, naczyń
wrastających w spojówkę, zrostów tęczówkowo – rogówkowych.
Stosuje się przy korekcji wad refrakcji (krótkowzroczność,
dalekowzroczność, astygmatyzm) oraz zabiegów
przeciwjaskrowych i przeciwzaćmowych.
Jedną z metod korekcji wad refrakcji jest LASIK (Laser Assised
In Situ Keratomileusis). Lasery działające z dokładnością do 0,25
μm odparowują nierówności w głębszych warstwach rogówki.
Dzięki tej metodzie można skorygować wadę wzroku w zakresie
+ 6 do - 13 dioptrii.
20
Laser femtosekundowy należy do najnowszej generacji laserów
stosowanych w okulistyce. Długość fali lasera femtosekundowego
zawiera się w przedziale od 1040 do 1053 nm i zależy od
zastosowanego przez producenta rozwiązania.
W przeciwieństwie do konwencjonalnych systemów laserowych,
dla chirurgii rogówkowej i refrakcyjnej laser femtosekundowy
emituje wiązkę w podczerwieni o średnicy kilku mikronów, a
długość impulsów lasera (od 250 do 800 fs), jest kilka rzędów
wielkości krótsza niż ta emitowana przez laser excimerowy (ok. 10
ns).
W połączeniu z dużą częstotliwością pracy, wiązka lasera stanowi
bardzo precyzyjne i szybkie narzędzie, znajdujące coraz szersze
zastosowanie.
21
W dermatologii laserów używa się do usuwania niektórych
nowotworów i naczyniaków powstałych np. po odmrożeniach.
W leczeniu nowotworów wykorzystuje się lasery o dużej
gęstości mocy i małych rozmiarach wiązki laserowej. Wiązką
można zniszczyć chore komórki nie naruszając zdrowych.
Skalpel laserowy pomocny jest przy leczeniu oparzeń. Przy jego
pomocy można zdejmować naskórek lub warstwę spalonej skóry
i odsłonić zdrową aby mogła się zagoić.
Laser pomocny jest też przy usuwaniu tatuaży i włosów,
rozjaśnianiu skóry, przywracaniu jej gładkości i sprężystości.
22
Lasery stosowane w medycynie estetycznej:
• Erbium-YAG-Laser jest stosowany do usuwania blizn,
niewielkich brodawek oraz znamion (YAG granat
syntetyczny)
• Laser CO2 jest stosowany do niwelowania
powierzchownych zmarszczek na skórze oraz blizn po
trądziku
• Laser KTP (potasowo-tytanowo-fosforanowy) jest
stosowany do usuwania naczyń krwionośnych
• dzięki laserowi można również usunąć plamy starcze,
przebarwienia oraz tatuaże.
23
Stosowanie laserów CO2 w trakcie zabiegu, umożliwia
wykonanie operacji bez wystąpienia krwawienia, dzięki temu,
że emituje impulsowo wiązkę światła o długości fali 10 600 nm,
która pochłaniana jest przez wewnątrz- i zewnątrzkomórkową
wodę.
W trakcie pochłaniania energii przez uwodnioną tkankę,
dochodzi do odparowania wody i wytworzenia w tym miejscu
strefy koagulacji, dzięki czemu w trakcie zabiegu nie uszkadza
termiczne otaczających tkanek, a proces gojenia jest niemal
bezbliznowy.
Ogromną zaletą jest bezkontaktowa praca lasera gwarantująca
całkowitą czystość pola operacyjnego.
24
Laser chirurgiczny CO2 typu BTL UML25
http://www.btlnet.pl/catalogue/chirurgia/laserCO2/
Źródło lasera
CO2 z zamkniętą rurą laserową
Długość fali
10.600nm
Rozkład energii
Gaussa TEMoo
Wielkość plamki
0.3mm
Moc lasera
Tryb Ciągły(CW) 0.5- 25W
Tryb Super Pulse 0.5- 10W
Tryby pracy lasera
- Tryb Ciągły (CW)
- Tryb Super Pulse
- Pojedyncze impulsy - długość impulsu 0.01/0.05/0.1/0.5s
- Seria impulsów - długość impulsu 0.01/0.05/0.1/0.5s, czas
przerwy od 0.01 do 2.0s
Wiązka celująca
Laser diodowy o mocy 3mW, regulacja jasności 0-100%
System chłodzenia
Obieg zamknięty wody
Wymiary (wys. x
szer. x głęb.)
Waga
940 mm x 400 mm x 400 mm
20 kg
25
Focus XP-2
Najwszechstronniejszy Laser Chirurgiczny
http://www.btlnet.pl/catalogue/chirurgia/fotona-xp-2/
Laserowa lipoliza:
dzięki wysokiej mocy i zaawansowanym systemom
bezpieczeństwa laser Focus XP-2 pozwala rozpuścić nawet
sześć litrów tłuszczu podczas zabiegu.
Zabiegi endożylne:
wewnątrzżylne usuwanie żylaków
Leczenie nadpotliwości:
Trwałe efekty bez konieczności powtarzania zabiegów.
Zabiegi medycyny estetycznej:
Usuwanie owłosienia, zewnętrzne zamykanie naczynek,
fotoodmładzanie, leczenie grzybicy paznokci, redukowanie
trądziku.
26
Laser Dynamis SP (XS)
http://www.btlnet.pl/catalogue/medycyna_estetyczna/fotona--lasery/fotona-sp-plus/
Źródło lasera długość fali
Nd:YAG - 1064 nm (tryb LP i QCW)
Er:YAG - 2940 nm
Gęstość energii;
energia impuslu
Do 600 J/cm2; 50 J
Do 96 J/cm²; 3000 mJ;
Długośc impulsu
0,1 - 300 ms
MSP (100 µs), SP (300 µs), LP (600 µs),
VLP (1000 µs), XLP (1500 µs), SMOOTH
(250 ms), V SMOOTH (100, 200, 300, 400
lub 500 ms)
Moc średnia
65 W; moc max dla trybu QCW - 80 W
20 W
Światłowód: 200, 300, 400, 600 1000 µm Głowica: 0,45 - 12 mm
Głowica: 2 - 10 mm
Skaner F-22: 250 µm
Skaner S11: 3, 6, 9 mm
Skaner S-22: 4 mm
Skaner
42 cm2
1,7 cm², 16 cm²
Maksymalna
częstotliwość
75 Hz, tryb QCW 100 Hz
50 Hz
Sposób
dostarczania
promienia
Światłowód
7-mio przegubowe remię
Rozmiar plamki
27
Biostymulacja laserowa
http://ctl.com.pl/
28
W diagnostyce wykorzystuje się metodę laserowo
indukowanej fluorescencji.
Promienie lasera naświetlają tkanki powodując ich
fluorescencję.
Tkanki emitują światło, które przy pomocy światłowodu trafia
do komputera, gdzie jego widmo jest analizowane.
Chora tkanka ma zmienione widmo emisyjne. Dzięki temu
można dokładnie stwierdzić jakie związki zawiera dana tkanka
i które z nich nie są jej naturalnymi składnikami, a które
efektami zmian chorobowych.
29
Fotodynamiczna terapia laserowa w stomatologii:
W wyniku działania preparatu i lasera diodowego np. 810 nm
powstają cząstki ozonu oraz wolne rodniki tlenowe, które działają
antybakteryjnie na tkanki miękkie jamy ustnej.
Preparat eliminuje więc wszystkie niechciane bakterie z jamy
ustnej pacjenta.
Zastosowanie kliniczne:
• leczenie parodontozy
• redukcja bakterii w jamie ustnej
• periimplantitis (zapalenie tkanek wokół implantu )
• endodoncja (dezynfekcja kanałów korzeniowych)
• sterylizacja głębokich ubytków bez ryzyka uszkodzenia miazgi
30
zęba.
Terapia fotodynamiczna nowotworów skóry
(Photodynamic Therapy - PDT):
PDT to metoda leczenia, podczas której zmienione chorobowo
komórki (komórki rakowe i przedrakowe), zostają uczulone na
światło, dzięki czemu mogą zostać zniszczone poprzez ich
naświetlanie.
Skuteczność terapii fotodynamicznej jest porównywalna z
klasycznymi metodami, takimi jak krioterapia czy chirurgia.
Jest jednocześnie najmniej inwazyjną metodą leczenia i daje
bardzo dobre efekty kosmetyczne.
31
Zmianę nowotworową pokrywa się środkiem zawierającym
aminolewulinian metylu.
Środek ten penetruje obszar nowotworu i jest wchłaniany
przez komórki nowotworowe. Następuje wzmożona synteza
porfiryn, które są naturalnym i endogennym środkiem
fotouczulającym. Porfiryny akumulują się w komórkach
nowotworowych w stężeniach znacznie większych niż w
otaczających je zdrowych tkankach.
Po naświetleniu komórek nowotworowych czerwonym
światłem (długość fali około 630 nm) następuje reakcja
fotochemiczna, w rezultacie której wybiórczo giną tylko
komórki nowotworowe, a zdrowe komórki pozostają
nienaruszone.
32
Świecenie substancji zaabsorbowanej
przez zmienione komórki w świetle
ultrafioletowym.
Ma to znaczenie diagnostyczne, pozwala
określić rozległość chorej zmiany, jak i
oceniające terapię.
33
Fotouczulacze najczęściej stosowane w badaniach klinicznych
FOTOUCZULACZ
NAZWA HANDLOWA
DŁUGOŚĆ ŚWIATŁA
AKTYWUJĄCEGO
Porfimer sodu
Photofrin
630 nm
BPD - MA
Verteporfin
689 nm
m - THPC
Foscan
652 nm
5 - ALA
Levulan
635 nm
Ester metylowy 5 - ALA
Metvix
635 nm
Ester benzylowy 5 - ALA
Benzvix
635 nm
Ester heksylowy 5 - ALA
Hexvix
635 nm
SnET2
Purlytin
664 nm
Boronowane protoporyfiryny
BOPP
630 nm
HPPH
Photochlor
665 nm
Teksapiryna lutetu
Lutex
732 nm
Ftalocyjanina - 4
Pc4
670 nm
Taporfina sodu
Talaporfin
664 nm
34
Zatwierdzone zastosowania terapii fotodynamicznej nowotworów u ludzi
NOWOTWORY
FOTOUCZULACZ
KRAJE
Rak podstawnokomórkowy
Metvix
Kraje Unii Europejskiej
Rak szyjki macicy
Photofrin
Japonia
Rak oskrzela
Photofrin
Kanada, Dania, Finlandia, Francja, Irlandia,
Japonia, Niemcy, Holandia, W. Brytania,
USA
Rak przełyku
Photofrin
Kanada, Dania, Finlandia, Francja, Irlandia,
Japonia, Holandia, W. Brytania, USA
Rak żołądka
Photofrin
Japonia
Raki głowy i szyi
Foscan
Kraje Unii Europejskiej
Rak pęcherza moczowego
Photofrin
Kanada
35
Laser diodowy Ceralas PDT
Różne długości fali dla poszczególnych fotouczulaczy
Laser półprzewodnikowy 630nm (Photofrin/Photosan)
Laser półprzewodnikowy 633nm (Photofrin/Photosan/ALA)
Laser półprzewodnikowy 635nm (ALA)
Laser półprzewodnikowy 652nm (Foscan)
Laser półprzewodnikowy 670nm (Phthalocyanin)
Laser półprzewodnikowy 692nm (BPD)
Laser półprzewodnikowy 732nm (Lu-Tex)
Inne długości fali na zamówienie
36
Moc: regulowana do 1, 2 lub 3W
Wszystkie urządzenia wyposażone są w aktywne układy do
stabilizacji długości fali (przeciwdziałanie dryftowi
temperaturowemu).
Wbudowany miernik do kalibracji mocy wyjściowej światłowodu
lub dyfuzora.
http://www.shar-pol.pl/2,produkty,117,produkt,85,117.html?ln=pl
37
Zasady bezpieczeństwa pracy z laserami:
38
Zasady bezpieczeństwa cd.
Ponieważ promieniowanie laserowe o tej samej mocy lecz o
różnych długościach fal może wywołać różne skutki podczas
oddziaływania z tkanką biologiczną, lasery podzielono na klasy.
Zasady bezpiecznej pracy z urządzeniami laserowymi podano w
Polskiej Normie PN-EN 60825-1:2005 (Bezpieczeństwo
urządzeń laserowych -- Część 1: Klasyfikacja sprzętu,
wymagania i przewodnik użytkownika).
Nowy podział na siedem klas (1, 1M, 2, 2M, 3R, 3B, 4)
39
Zasady bezpieczeństwa cd.
1 - Lasery które są bezpieczne w racjonalnych warunkach pracy
1M - Lasery emitujące promieniowanie w zakresie długości fal od
302,5 nm do 4000 nm, które są bezpieczne w racjonalnych
warunkach pracy, ale mogą być niebezpieczne podczas
patrzenia w wiązkę przez przyrządy optyczne.
2 - Lasery emitujące promieniowanie widzialne w przedziale
długości fal od 400 do 700 nm. Ochrona oka jest zapewniona
w sposób naturalny przez instynktowne reakcje obronne
2M - Lasery emitujące promieniowanie widzialne w przedziale
długości fal od 400 do 700 nm. Ochrona oka jest zapewniona
w sposób naturalny przez instynktowne reakcje obronne, ale
mogą być niebezpieczne podczas patrzenia w wiązkę przez
przyrządy optyczne.
40
Zasady bezpieczeństwa cd.
3A - Lasery emitujące promieniowanie w zakresie długości fal od
302,5 nm do 106 nm, dla których bezpośrednie patrzenie w
wiązkę jest potencjalnie niebezpieczne.
3B - Lasery, które są niebezpieczne podczas bezpośredniej
ekspozycji promieniowania. Patrzenie na odbicia rozproszone
jest zwykle bezpieczne.
4 - Lasery, które wytwarzają niebezpieczne odbicia rozproszone.
Mogą one powodować uszkodzenie skóry oraz stwarzają
zagrożenie pożarem. Podczas obsługi laserów klasy 4 należy
zachować szczególną ostrożność.
41
Zasady bezpieczeństwa cd.
Jednym z najważniejszych elementów oznakowania urządzeń
laserowych są etykiety informujące o klasie lasera. Tekst na tych
etykietach powinien być napisany czarnymi literami na żółtym tle.
Piktogram stosowany
także przy laserach
bezpiecznych
42