Статьи о здоровье и медицине

Лазер – аббревиатура англоязычного происхождения: LASER – "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", что в переводе означает "усиление света вынужденным излучением". Другими словами, лазер – это устройство, способное создавать очень мощный луч монохроматичного света. Поскольку лазерный луч – это просто поток света (пусть и имеющего некоторые особенности), то далее в этой статье он называется лучом света.

Свет – это электромагнитная (ЭМ) волна, которая распространяется в пространстве с огромной скоростью (в вакууме: с = 300 000 км/с). В отличие от акустических и механических волн, ЭМ волны включают в себя две компоненты – электрическую и магнитную, - гармонические колебания которых происходят во взаимно-перпендикулярных направлениях. С другой стороны, можно считать, что поток света состоит из особых частиц (фотонов), энергия которых связана с частотой света ( E=hw, h – постоянная Дирака), а количество – с интенсивностью луча.

 

 

 

Владимир Александрович Цепколенко

д.м.н., профессор, заслуженный врач Украины,
президент Украинского общества эстетической
медицины, генеральный директор Украинского
института пластической хирургии
и эстетической медицины "Виртус"

 

 

Свет и его распространение в однородной среде

Основная характеристика света – его частота w, определяющая переносимую энергию. Свет с разными частотами воспринимается как разные цвета. Например, частота красного цвета меньше частоты желтого, а желтого – меньше, чем синего. Все возможные частоты света объединяют термином спектр.

В видимом свете присутствует не одна, а бесконечное количество волн с разными частотами, которые входят в него в разных пропорциях. Такой набор частот называют спектральным составом света (в повседневной жизни называется цветом). Если же поток света "содержит" волны только одной частоты, то его называют монохроматичным (однако идеально монохроматичного света быть не может).

Второй важной характеристикой светового потока является его интенсивность I, напрямую связанная с переносимой за одну секунду энергией.

Понятие частоты неудобно тем, что ее числовые значения для нас непривычно велики, поэтому чаще применяется другая физическая величина – длина волны λ:


Чем больше частота света, тем меньше длина его волны. При переходе света из одной среды в другую длина его волны меняется, а частота остается неизменной. Обычно этот факт опускают, упоминая длину волны не в рассматриваемой среде, а соответствующую ей в вакууме.


Излучением видимого диапазона называют воспринимаемые глазом человека ЭМ волны, длины которых лежат в диапазоне от 400 до 760 нм (табл. 1).

 

Инфракрасным именуют излучение с длинами волн больше 760 нм (красный), он уже не видим, но ощущаем как тепло, идущее от любого нагретого тела.
К ультрафиолетовому, наоборот, относят излучение в диапазоне 6-400 нм.


Отражение и преломление света на границе раздела сред

В однородной среде луч света всегда образует прямую линию. Свет не меняет направление сам по себе, но, если на пути луча встречается препятствие в виде пылинки, капельки или границы другой среды, он может изменить направление своего движения. Такие процессы называют рассеянием или преломлением.

Каждая среда (будь то жидкость, газ или прозрачное твердое тело) характеризуется некоторой величиной – коэффициентом преломления света n. Чем больше разница между коэффициентами преломления, тем сильнее преломляется свет. Стоит отметить, что падающий под прямым углом к поверхности раздела свет не преломляется, а продолжает двигаться прямолинейно.

Другим эффектом, проявляющимся при прохождении света через границу раздела сред, является его отражение от этой границы. Отражение происходит практически всегда, и оно тем больше, чем меньше угол между лучом и поверхностью раздела сред (луч как бы рикошетит от нее). Если свет попадает в неоднородную среду, то происходит его рассеяние. При рассеянии часть света практически всегда "отражается", меняя направление движения на противоположное.

Эффекты рассеяния и отражения играют, как правило, паразитарную роль, т.к. приводят к потерям энергии и, что хуже, к нецелевому нагреванию.

Рассеяние идет тем интенсивнее, чем больше разница между показателями преломления среды и неоднородностей (либо двух разных сред – кожи и воздуха). Уменьшение разницы между показателями преломления уменьшает отражение и ослабляет рассеяние.


Поглощение света и хромофоры

При поглощении большого количества света происходит нагревание поглотившего вещества, т.е., используя лазер, можно нагревать внутренний слой кожи, не нагревая внешние слои, при этом глубина залегания нагреваемой ткани выбирается подбором частоты света лазера.

Вещество, поглощающее свет, называется хромофором. В роли хромофора может выступать любой компонент человеческого тела: гемоглобин крови, меланин, жир, вода в клетках, инородные включения (опухоли, гематомы), стенки сосудов. Зависимость коэффициента поглощения от длины волны падающего света (спектра поглощения) для большинства компонентов кожи известна (табл. 2, рис. 2.5-1), что позволяет выбрать из доступных длин волн лазера ту, которая будет максимально поглощаться целевым объектом, как можно меньше затрагивая соседей.

 


Рассмотрим подробнее поглощение света с разными длинами волн основными хромофорами, входящими в состав кожи.

Ультрафиолетовый свет (УФ) с длинами волн в диапазоне от 200 до 290 нм неплохо поглощается всеми биологическими объектами (клетками и тканью). При увеличении длины волны от 300 до 400 нм поглощение УФ заметно ослабевает и происходит в основном за счет нуклеиновых кислот и бесцветных участков кожи.

Видимый свет (длины волн от 400 до 760 нм) хорошо поглощается кровью (гемоглобином) и пигментом (меланином). Остальные клетки и вода практически не поглощают в этом диапазоне, поэтому цвет кожи сильно зависит от пигментации ее верхних слоев и притока крови. Также в этом диапазоне могут поглощать внесенные в кожу посторонние вещества (например, татуировочные пигменты).

В инфракрасном (ИК) диапазоне (более 760 нм) возрастает поглощение многих биомолекул, а поглощение меланином и гемоглобином значительно ослабевает. Длины волн более 1200 нм поглощаются преимущественно водой (максимум длины – около 2900 нм), содержащейся в организме практически повсеместно. В диапазоне 1200-1700 нм находятся максимумы поглощения жира. Около 6000-7000 нм резко возрастает коэффициент поглощения света коллагеном, что позволяет нагревать его напрямую, а не путем теплопередачи от молекул воды (как происходит при использовании Er.YAG и CO2 лазеров).

Из всех кожных хромофоров наибольший интерес представляют гемоглобин, меланин и вода, т.к. максимумы их поглощения лежат в разных областях спектра, а сами они хорошо представлены в коже.

Вода является прозрачной во всем видимом диапазоне волн и его окрестности (200-900 нм), но хорошо поглощает свет с длиной волн менее 150 и более 1300 нм. Максимум поглощения находится около 2940 нм, после чего оно плавно спадает, но остается значимым до 12 мкм и более.

Гемоглобин. Максимумы поглощения света окси- и дезоксигемоглобином находятся вблизи 415, 430, 540, 555 нм (рис. 2.5-1). При этом с ростом длины волны интенсивность поглощения в среднем спадает. Интерес представляет диапазон 600-750 нм, в котором очевидным преимуществом обладает именно дезоксигемоглобин. При длинах волн более 1100 нм поглощение гемоглобином теряется на фоне существенно усиливающегося поглощения света водой.

Меланин. Поглощение света меланином довольно быстро спадает при росте длины волны от 300 до 1000 нм. В диапазоне 300-450 нм поглощение максимально, однако эти де длины волн значительно сильнее поглощаются гемоглобином. Свет с длинами волн 450-500 и 600-1000 нм меланин поглощает интенсивнее всех остальных хроматофоров, а при длине волны более 1100 нм теряется на фоне воды.

Углерод. Несмотря на то что он является основой всей известной жизни, в здоровые ткани чистый углерод попадает только извне (например, татуаж), но выделяется в виде графита из органических молекул при их длительном разогреве до температуры в несколько сотен градусов. Из-за очень сильного поглощения в широком диапазоне волн углерод не пропускает свет внутрь кожи, приводя к высокому поверхностному нагреванию.

Различные составляющие кожи (как и любого другого органа) часто поглощают свет с разными длинами волн, что может быть эффективно использовано в медицине. Спектры поглощения и концентрации основных хромофоров в разных участках кожи полностью определяют ее взаимодействие с монохроматическим светом лазера и, соответственно, реакцию на дерматологические процедуры.
Избирательное нагревание отдельных элементов кожи называют селективным фототермолизом, точечный характер нагревания при котором снижает вероятность масштабного термического повреждения тканей. Поскольку области нагрева локализованы, данная методика, по сравнению с другими, обычно уменьшает болезненность.

Нагревание поглощающего вещества светом

Каждая среда характеризуется определенным коэффициентом поглощения света m (w)..
Когда монохроматичный луч света попадает в однородную среду с коэффициентом абсорбции m = 1,00 мм-1, количество световой энергии, достигающей глубины h, определяется экспоненциальным законом. Это означает, что глубины в 1 мм достигают только 36% упавшего света (остальные 64% поглотились верхним слоем). На следующем миллиметре поглотятся еще 22% от начального количества энергии, а глубины в 3 мм достигнут только 5% упавшего на поверхность света. Аналогично повышается и температура нагреваемой среды (рис. 2.5-2).

 

Таким образом, по мере проникновения света в глубь поглощающей среды его интенсивность резко спадает.


Виды лазеров: импульсные и непрерывного действия

Главной особенностью излучения лазера, отличающей его от всех других источников света, является монохроматичность (все излучаемые волны имеют одинаковую частоту). Частота (длина волны) – уникальная характеристика каждого лазера – определяется его внутренним устройством (длиной резонатора и излучающим веществом). Кроме частоты устройство лазера определяет и его основной режим работы: импульсный или непрерывный.

Импульсные лазеры излучают свет в виде вспышек света (импульсов) длительностью в тысячные, миллионные и даже миллиардные доли секунды, но передаваемая каждой из них энергия сравнительно велика. Часто несколько таких импульсов объединяют в один макроимпульс, который характеризуется количеством импульсов , их длительностью и паузами между ними. Длительность макроимпульса обычно составляет сотые, тысячные доли секунды, а передаваемая в нем энергия равна произведению количества импульсов и энергии каждого из них. Длительность одного микроимпульса, максимальная частота их следования и максимальная энергия каждого из них определяются конструкцией лазера. Параметрами макроимпульса, напротив, обычно можно управлять в некоторых пределах для достижения поставленной цели.

Из-за очень короткой длительности импульса человеческий глаз не успевает увидеть точку попадания луча такого лазера, поэтому ее часто "подсвечивают" слабым, но непрерывным лучом, создаваемым более простым прибором.

К импульсным лазерам относятся рубиновый, александритовый, неодимовый, Er.YAG и диодные лазеры, а также лазеры на красителях. Большинство из них основано на твердом сердечнике с ламповой накачкой.
Лазеры непрерывного действия, как следует из названия, создают непрерывный световой поток, пятно которого на поверхности кожи видно невооруженным глазом (если длина волны лазера лежит в видимом диапазоне волн: 400-760 нм) в отличие от пятна импульсных лазеров. Мгновенная мощность лазеров непрерывного действия значительно меньше , чем импульсных, однако длительность экспозиции у них принципиально ничем не ограничена. Относительно медленное поступление энергии может быть выгодно в тех случаях, когда быстрое нагревание нежелательно, но, с другой стороны, при обработке широкого класса повреждений такой лазер может приводить к сильным нецелевым термическим повреждениям, т.к. поставляемое им тепло успевает распространяться в глубь кожи и сильно ее нагревать.

Преимуществом лазеров непрерывного действия является то, что практически любой из них можно "превратить" в импульсный при помощи механического или электрооптического прерывателя, который перекрывает поток света с некоторой периодичностью.

Лазеры непрерывного действия используют, как правило, газовый или жидкостный резонатор, способы их накачки могут быть достаточно разнообразными (часто используется тлеющий электрический разряд). К этому типу относятся СО2 и He-Ne лазеры, а также многие лазеры на красителях.

Другой вариант медицинской классификации лазеров основан на основной модели их применения.
К "повреждающим" относят хирургическое и абляционные лазеры (СО2 и Er.YAG), излучение которых поглощается всеми тканями повсеместно (основной хромофор – вода). Поэтому если в кожу было доставлено достаточное количество энергии, то ее полное разрушение гарантировано.

"Неповреждающими" можно назвать те лазеры, которые применяются в основном в соответствии с методикой селективного фототермолиза (дерматологические лазеры), т.е. их излучение поглощается только отдельными элементами ткани, а опасного нагревания большей ее части зачастую не происходит.
К этому "классу" принадлежит большинство лазеров, излучающих в видимом диапазоне и работающих в импульсном режиме: аргоновый, александритовый, Nd.YAG, диодный, лазер на парах меди и лазеры на красителях. Сюда же можно отнести слабые лазеры, стимулирующие биохимические процессы в глубине кожи без какого-либо разрушительного действия (низкоинтенсивная терапия).

Стоит подчеркнуть, что при чрезмерной установленной мощности любой лазер может привести к тяжелой травме как пациента, так и медицинского персонала.


Основные характеристики лазерного импульса

Распространение световой волны всегда связано с переносом энергии. Источник излучения характеризуется мощностью Р – количеством излучаемой за одну секунду энергии. Мощность, измеряемая в ваттах: 1 Вт = 1 Дж/с.

Однако мощность не всегда является наиболее удобной характеристикой: один и тот же источник тепла может греть по-разному, в зависимости от того, какое количество вещества им нагревается. Другими словами, чем большую площадь поверхности мы "пытаемся" нагреть, тем слабее будет нагревание. Поэтому вместо мощности источника удобнее использовать плотность мощности падающего на поверхность излучения:


Чем больше плотность мощности, тем сильнее проявляется действие источника. Именно по этому параметру лазеры многократно превосходят другие источники света.
Происходящие в нагреваемом участке процессы определяются плотностью энергии излучения (e), переданной единице поверхности кожи. Плотность энергии (передаваемая одним импульсом) может быть найдена двумя способами:


  • Отношение энергии импульса к площади пятна лазера;

  • Как произведение длительности импульса и плотности мощности излучения.


При одной и той же мощности импульса плотность энергии сильно зависит от площади пятна: с уменьшением площади повышается плотность энергии на освещаемой поверхности, соответственно растет и ее нагревание.
Кроме длины волны, длительности импульса и его энергии характеристика лазера включает и другие, более тонкие, параметры (определяющиеся конструкцией): профиль импульса (для импульсных лазеров) и профиль луча.

Пространственный профиль луча

Радиальное распределение плотности мощности луча лазера называют его пространственным профилем, у большинства лазеров он относится к одному из следующих видов:
Гауссовский (колоколообразный, "родной" для лазеров) – в центр пятна лазера поставляется больше энергии, чем на его края (рис. 2.5-3); при обработке больших по сравнению с площадью пятна участков эту неоднородность учитывают при помощи некоторого (15-20%) перекрытия соседних пятен (рис. 2.5-5);

 

плоский – плотность мощности луча равномерно распределена по всей площади пятна (рис. 2.5-4); обычен для лазеров с оптоволоконным световодом.

 

Методика селективного фототермолиза

Методика селективного фототермолиза основана на монохроматичности лазерного излучения, инерционности распространения тепла и знании спектров поглощения кожных хромофоров. Она позволяет одной вспышкой света нагреть огромное количество небольших, но контрастных элементов кожи до высокой температуры, практически не нагревая остальные ткани.

Источник estet-portal.com

Добавьте в закладки чтобы не потерять / поделитесь с друзьями:


Мероприятия PRO

Коуч-сессия "Идеальный ...

Приглашаем всех желающих на коуч-сессию: ...

III ЕВРОПЕЙСКИЙ КОНГРЕСС ...

Компания «Эстет M.D.» и Школа профессора ...

Обучающий курс "Лазерные ...

Министерство здравоохранения Украины и Украинское ...

Семинар и вебинар ...

Компания Medicare приглашает всех желающих ...

Estet-portal рекомендует!

Экспертное мнение

01.12.2016

Техника 3Lift для введения филлеров в

Носогубные складки представляют собой две продольных борозды, которые отходят от крыльев носа к уголкам рта.

+ View

30.11.2016

Методы идентификации и борьбы с

Проблема нелегальной продукции, предназначенной для применения в области эстетической медицины, чрезвычайно

+ View

28.11.2016

Вехи большого пути «Мартинекса»: в начале

Для любой крупной компании, особенно если она работает в сфере медицинских и косметологических услуг, однажды

+ View

О рубрике «Эксперты»

Врачам, а также их пациентам будет интересно ознакомиться с мнением экспертов в области медицины в разделе «Эксперты» научно-популярного портала estet-portal.com. Специалисты из различных отраслей медицины делятся своими уникальными подходами к лечению пациентов, делятся советами по сохранению красоты и молодости кожи, подробно рассказывают о проблемах увеличения груди, сопутствующих рисках и методиках, позволяющих их минимизировать и т.д. Эксперты в области медицины помогут разобраться в интересующих Вас вопросах и эффективно решить ту или иную медицинскую проблему.

Подписка на новости


Кто вы:

 

Scroll to top