eng
Содержание
Введение 7
Глава 1. Физика и техника лазеров
1.1.
Основные физические принципы работы лазеров 9
1.1.1.
Свет 9
1.1.2.
Спонтанное и вынужденное излучение 10
1.1.3.
Инверсная населенность 13
1.1.4.
Положительная обратная связь. Оптический резонатор 15
1.1.5.
Первые лазеры 16
1.1.6.
Свойства лазерного излучения 18
Контрольные вопросы к разделу 1.1 25
Литература к разделу 1.1 25
1.2.
Оптические резонаторы 26
1.2.1.
Собственные типы колебаний (моды) резонатора 26
1.2.2.
Устойчивые и неустойчивые резонаторы 34
1.2.3.
Влияние активной среды на свойства резонаторов 39
Контрольные вопросы к разделу 1.2 40
Литература к разделу 1.2 41
1.3.
Балансные уравнения [1]. Режимы работы лазеров 41
1.3.1.
Уравнения для инверсной населенности и интенсивности излучения 41
1.3.2.
Режим свободной генерации 46
1.3.3.
Лазеры с накоплением инверсной населенности 51
1.3.4.
Лазеры с пассивными затворами 56
1.3.5.
Режим разгрузки резонатора 60
1.3.6.
Режим синхронизации мод, ультракороткие импульсы излучения 61
Контрольные вопросы к разделу 1.3 66
Литература к разделу 1.3 66
1.4.
Естественная и искусственная анизотропия, электро-,
магнито- и акустооптические эффекты в лазерной технике 67
1.4.1.
Естественное двулучепреломление [1] 67
1.4.2.
Наведенное двулучепреломление. Электрооптический эффект [2] 71
1.4.3.
Вращение плоскости поляризации. Магнитооптический эффект 74
1.4.4.
Акустооптический эффект и его использование
в лазерной технике [2] 77
Контрольные вопросы к разделу 1.4 78
Литература к разделу 1.4 79
1.5.
Эффекты нелинейной оптики и их использование в лазерной технике 79
1.5.1.
Генерация гармоник лазерного излучения. Волновой синхронизм 79
1.5.2.
Параметрические генераторы оптического диапазона 84
1.5.3.
Вынужденное комбинационное рассеяние.
Рамановские лазеры (преобразователи) 89
Контрольные вопросы к разделу 1.5 93
Литература к разделу 1.5 93
4
Содержание
1.6.
Управление пространственными характеристиками лазерного излучения 94
1.6.1.
Формирование пространственного распределения лазерного
излучения 95
1.6.2.
Сканеры и дефлекторы лазерного излучения 101
Контрольные вопросы к разделу 1.6 108
Литература к разделу 1.6 108
1.7.
Основные типы лазерных устройств, используемых
в медицинских аппаратах 109
1.7.1.
Твердотельные лазеры на кристаллах и стеклах.
Ламповая и полупроводниковая накачка 109
1.7.2.
Газовые лазеры. СО2-лазеры. Накачка постоянным током
и СВЧ-накачка. Эксимерные лазеры. Лазеры на парах металлов 116
1.7.3.
Полупроводниковые лазеры (лазерные диоды) 127
1.7.4.
Волоконные лазеры, принцип построения,
их особенности и преимущества 139
Контрольные вопросы к разделу 1.7 149
Литература к разделу 1.7 150
Глава 2. Устройство лазерных медицинских аппаратов,
а также используемых с ними инструментов и приспособлений
2.1.
Состав лазерной медицинской установки 152
2.2.
Устройства доставки лазерного излучения 154
2.2.1.
Зеркально-линзовые световоды 154
2.2.2.
Гибкие волоконные световоды на основе плавленого кварца 156
2.2.3.
Другие виды гибких световодов 159
2.2.4.
Аппликаторы 163
2.2.5.
Аппликаторы лазерных устройств,
обеспечивающие дополнительные функции 170
2.2.6.
Сканирующие выходные устройства для лазерных аппаратов 171
2.2.7.
Устройства для воздействия лазерным излучением в офтальмологии 173
2.3.
Устройства контроля и управления 177
2.4.
Вспомогательные приспособления, используемые для операций
с использованием лазерного излучения 181
Контрольные вопросы к главе 2 186
Литература к главе 2 187
Глава 3. Лазерная аппаратура, выпускаемая для хирургии и силовой терапии
3.1.
Аппараты на основе CO2-лазеров, = 10,6 мкм 189
3.2.
Аппараты с длиной волны излучения 0,8–1,1 мкм 192
3.3.
Аппараты, работающие в видимом спектре 201
3.4.
Аппараты, работающие в диапазоне = 1,3…1,7 мкм 206
3.5.
Диапазон 2 мкм 209
3.6.
Диапазон 3 мкм — максимальное поглощение в воде 214
3.7.
Аппараты, работающие в УФ-диапазоне 218
3.8.
Диапазон 6,1–6,5 мкм — новые возможности 219
3.9.
Многоволновые аппараты 220
Содержание 5
Контрольные вопросы к главе 3 224
Литература к главе 3 224
Глава 4. Особенности воздействия лазерного излучения на биоткани
и использование их в медицинских технологиях
4.1.
Свет и лазерное излучение в медицине.
Классификация медицинских применений лазеров 225
Контрольные вопросы к разделу 4.1 241
Литература к разделу 4.1 241
4.2.
Распространение света в биотканях 242
4.2.1.
Роль поглощения и рассеяния излучения 242
4.2.2.
Зависимость коэффициентов поглощения и эффективного
ослабления от длины волны излучения 245
4.2.3.
Изменение оптических свойств биоткани под действием
лазерного излучения 249
Контрольные вопросы к разделу 4.2 252
Литература к разделу 4.2 252
4.3.
Особенности воздействия лазерного излучения на биоткани
и их использование для лечения различных заболеваний 253
4.3.1.
Низкоинтенсивная лазерная терапия 253
4.3.2.
Фотодинамическая терапия 257
4.3.3.
Результат теплового воздействия лазерного излучения на биоткани 267
4.3.4.
Явление лазерно-индуцированной релаксации напряжений
в хряще. Лазерная термопластика хряща 269
4.3.5.
Лазерно-индуцированная интерстициальная термотерапия (ЛИТТ) 275
4.3.6.
Использование фиброзной трансформации при лечении
варикозно расширенных вен и кист различной локализации
и сосудистых мальформаций 279
4.3.7.
Селективный фототермолиз и его использование в медицине 287
4.3.8.
Биостимуляция биоткани локальным воздействием лазерного
излучения. Фракционный фототермолиз 295
4.3.9.
Использование лазерного излучения для рассечения
и удаления тканей (газовая среда) 301
4.3.10.
Особенности использования лазерного излучения в жидкой среде 313
4.3.11.
Использование лазерного излучения для препарирования
твердой зубной ткани 340
4.3.12.
Лазерные внутритканевые пункционные методики лечения 342
4.3.13.
Использование чрескожной лазерной остеоперфорации для
лечения воспалительных, травматических и дегенеративно-
дистрофических заболеваний костей, а также критической
ишемии конечностей 350
4.3.14.
Особенности использования воздействия лазерного излучения
на структуры глаза 354
Контрольные вопросы к разделу 4.3 364
Литература к разделу 4.3 366
6
Содержание
Глава 5. Оптические методы диагностики
Контрольные вопросы к главе 5 387
Литература к главе 5 388
Глава 6. Лазерная биоинженерия
6.1.
Лазерные методы изготовления имплантатов и их моделей 389
6.2.
Тканевая инженерия 391
6.2.1.
Использование скаффолдов для регенерации тканей 391
6.2.2.
Поверхностно-селективное лазерное спекание (ПСЛС) 395
6.2.3.
Лазерная стереолитография и двухфотонная
микростереолитография 400
6.3.
Лазерная биопечать 405
Контрольные вопросы к главе 6 414
Литература к главе 6 415
Глава 7. Лазерные технологии в медицинской промышленности
7.1.
Изготовление интраокулярных рефракционно-дифракционных линз 417
7.2.
Лазерные технологии в изготовлении стентов, пайке и микросварке
медицинских изделий 420
7.3.
Лазерное упрочнение поверхности изделий медицинского назначения 421
7.4.
Лазерное структурирование поверхностей зубных имплантатов [6] 423
Контрольные вопросы к главе 7 426
Литература к главе 7 426
Глава 8. Обеспечение безопасной работы с лазерными установками
8.1.
Глаза — слабое звено в лазерной безопасности 427
8.2.
Воздействие лазерного излучения на кожу 430
8.3.
Средства защиты 431
8.4.
Вторичные факторы воздействия лазерного излучения 434
8.5.
Нормативные документы по лазерной безопасности 435
Контрольные вопросы к главе 8 438
Литература к главе 8 438
Глава 9. Общие вопросы разработки и эксплуатации лазерного медицинского
оборудования
9.1.
Основные этапы разработки и внедрения медицинской техники 439
9.2.
О методиках медицинского применения лазерного излучения 446
Контрольные вопросы к главе 9 451
Литература к главе 9 451
Заключение 452
Cведения об авторах 454
Введение
Лазерная техника является одним из наиболее ярких порождений научно-
технической революции ХХ века. За 60 лет, прошедшие с создания первого
лазера, были достигнуты колоссальные успехи в развитии лазерной науки
и техники как с точки зрения достижения разнообразных характеристик
излучения, так и с точки зрения расширения областей, внедрение в которые
лазеров оказалось чрезвычайно эффективным.
Одной из таких областей стала медицина, первые попытки использо-
вания лазерного излучения в которой произошли на следующий год после
создания лазера. Лазерное излучение оказалось уникальным инструментом,
позволившим расширить возможности врачей в части диагностики и лече-
ния различных заболеваний. Лазерная медицинская аппаратура прошла
путь от уникальных громоздких, нуждающихся в постоянном инженерном
обслуживании установок, доступных только крупным медицинским цен-
трам, до недорогих малогабаритных надежных и удобных в использовании
аппаратов. Большой выбор рабочих длин волн излучения и временных ре-
жимов работы позволяет в широких пределах менять характер воздействия
лазерного излучения на биологические объекты, выбирая оптимальные для
решения конкретных медицинских задач. Вместе с тем необходимым усло-
вием успешной разработки и использования лазерной медицинской аппа-
ратуры является знание физических процессов, происходящих в лазерах,
понимание технических особенностей различных типов лазеров, принци-
пов построения лазерных медицинских аппаратов, используемого с ними
инструментария. Эффективное использование лазерного излучения в ка-
честве инструмента врача, создание новых методов лечения невозможно
без понимания физических и физиологических процессов, происходящих
при взаимодействии лазерного излучения с биообъектами и после такого
воздействия.
В связи с этим возникает проблема подготовки квалифицированных
кадров, способных обеспечивать разработку и эксплуатацию аппарату-
ры, совместно с врачами разрабатывать новые методы лечения, основан-
ные на использовании лазерного излучения. В настоящее время накоплен
большой объем информации по различным видам лазеров и медицинским
аппаратам на их основе, режимам их работы, используемым в медицине,
особенностям взаимодействия лазерного излучения с биотканями и меди-
цинским технологиям, основанным на использовании лазерного излучения.
Издано и издается большое количество монографий по этой тематике, глу-
боко и подробно излагающих имеющуюся информацию по лазерной физике,
8 Введение
вопросам воздействия лазерного излучения на биообъекты и физиологиче-
ских последствий такого воздействия, а также использованию в различных
областях медицины методов лечения, основанных на использовании лазер-
ного излучения.
Вместе с тем, на взгляд авторов, существует потребность в учебной ли-
тературе, просто излагающей основные вопросы физики и техники лазеров
в приближении, использующем минимальный набор формул, в которых фи-
зический смысл процессов не подавляется их громоздкостью.
Не менее актуально познакомить читателя с тем, как особенности воз-
действия лазерного излучения на биологические объекты используются
врачами в различных областях медицины. При описании использования
воздействия лазерного излучения в медицинских технологиях изложение
материала в настоящем пособии структурировано не по областям медици-
ны, а по описанию процессов, происходящих при разных способах воздей-
ствия и позволяющих добиться желаемого результата.
Вместе с тем авторы постарались представить читателям информацию
об источниках информации, позволяющих более глубоко изучить интере-
сующие их аспекты.
Настоящее пособие преследует следующие цели:
1) познакомить с историей развития лазеров и основными принципами
их работы;
2) познакомить с основными типами лазеров и лазерных устройств,
используемых в современной медицинской аппаратуре, происходя-
щими при их работе процессами и характерными для этих устройств
параметрами;
3) познакомить с принципами построения лазерной медицинской аппа-
ратуры, устройствами транспортировки лазерного излучения и ин-
струментами, обеспечивающими различные способы воздействия
на объекты;
4) дать представление о физических и биофизических процессах, про-
исходящих при взаимодействии лазерного излучения с биообъектами
и после этого взаимодействия, показать, как, изменяя характеристики
лазерного излучения, можно влиять на результат такого воздействия;
5) показать, каким образом возможности лазерного излучения реализу-
ются конкретными медицинскими технологиями в различных обла-
стях медицины;
6) познакомить с принципами и нормативной базой организации без-
опасной работы с лазерным оборудованием, порядком внедрения но-
вой аппаратуры и методов лечения в массовое здравоохранение.
1.1.1. Свет
Первые упоминания о свойствах света содержатся в приписываемом Евкли-
ду (300 лет до нашей эры) сочинении, в котором описывается закон прямоли-
нейного распространения света. Более того, явление преломления света было
известно Аристотелю (350 лет до нашей эры), а Птолемей (120 г. до нашей эры)
предпринял первые измерения в целях определения количественных соот-
ношений этого закона. Корректную формулировку закону преломления дал
Снеллиус (1591–1626). К XVII же веку относится теория Ньютона о корпуску-
лярной природе света. Появление этой теории следовало не только из пря-
молинейности распространения света, но и из закона его отражения, упо-
добляемого отражению упругого шарика при ударе о твердую поверхность.
В 1676 г. Рёмер определил скорость распространения света в межпланетном
пространстве. Эти измерения дали величину с 300 000 км/с. Вместе с этим
Ньютон понимал противоречие этой теории некоторым фактам, в частности
явлению интерференции (кольца Ньютона). В XIX столетии Фарадеем было
открыто явление вращения плоскости поляризации света в магнитном поле,
что дало начало исследованиям, приведшим к выявлению электромагнит-
ной природы световых волн, подтвержденной Герцем в 1888 г. [1]. Интересно,
что утверждают, будто на заданный во время лекции Герцу вопрос: «А каким
образом электромагнитные волны могут быть использованы?» — Герц, по-
жав плечами, ответил: «По-видимому никаким».
Лазерная техника является одним из наиболее ярких порождений научно-
технической революции ХХ века. За 60 лет, прошедшие с создания первого
лазера, были достигнуты колоссальные успехи в развитии лазерной науки
и техники как с точки зрения достижения разнообразных характеристик
излучения, так и с точки зрения расширения областей, внедрение в которые
лазеров оказалось чрезвычайно эффективным.
Одной из таких областей стала медицина, первые попытки использо-
вания лазерного излучения в которой произошли на следующий год после
создания лазера. Лазерное излучение оказалось уникальным инструментом,
позволившим расширить возможности врачей в части диагностики и лече-
ния различных заболеваний. Лазерная медицинская аппаратура прошла
путь от уникальных громоздких, нуждающихся в постоянном инженерном
обслуживании установок, доступных только крупным медицинским цен-
трам, до недорогих малогабаритных надежных и удобных в использовании
аппаратов. Большой выбор рабочих длин волн излучения и временных ре-
жимов работы позволяет в широких пределах менять характер воздействия
лазерного излучения на биологические объекты, выбирая оптимальные для
решения конкретных медицинских задач. Вместе с тем необходимым усло-
вием успешной разработки и использования лазерной медицинской аппа-
ратуры является знание физических процессов, происходящих в лазерах,
понимание технических особенностей различных типов лазеров, принци-
пов построения лазерных медицинских аппаратов, используемого с ними
инструментария. Эффективное использование лазерного излучения в ка-
честве инструмента врача, создание новых методов лечения невозможно
без понимания физических и физиологических процессов, происходящих
при взаимодействии лазерного излучения с биообъектами и после такого
воздействия.
В связи с этим возникает проблема подготовки квалифицированных
кадров, способных обеспечивать разработку и эксплуатацию аппарату-
ры, совместно с врачами разрабатывать новые методы лечения, основан-
ные на использовании лазерного излучения. В настоящее время накоплен
большой объем информации по различным видам лазеров и медицинским
аппаратам на их основе, режимам их работы, используемым в медицине,
особенностям взаимодействия лазерного излучения с биотканями и меди-
цинским технологиям, основанным на использовании лазерного излучения.
Издано и издается большое количество монографий по этой тематике, глу-
боко и подробно излагающих имеющуюся информацию по лазерной физике,
8 Введение
вопросам воздействия лазерного излучения на биообъекты и физиологиче-
ских последствий такого воздействия, а также использованию в различных
областях медицины методов лечения, основанных на использовании лазер-
ного излучения.
Вместе с тем, на взгляд авторов, существует потребность в учебной ли-
тературе, просто излагающей основные вопросы физики и техники лазеров
в приближении, использующем минимальный набор формул, в которых фи-
зический смысл процессов не подавляется их громоздкостью.
Не менее актуально познакомить читателя с тем, как особенности воз-
действия лазерного излучения на биологические объекты используются
врачами в различных областях медицины. При описании использования
воздействия лазерного излучения в медицинских технологиях изложение
материала в настоящем пособии структурировано не по областям медици-
ны, а по описанию процессов, происходящих при разных способах воздей-
ствия и позволяющих добиться желаемого результата.
Вместе с тем авторы постарались представить читателям информацию
об источниках информации, позволяющих более глубоко изучить интере-
сующие их аспекты.
Настоящее пособие преследует следующие цели:
1) познакомить с историей развития лазеров и основными принципами
их работы;
2) познакомить с основными типами лазеров и лазерных устройств,
используемых в современной медицинской аппаратуре, происходя-
щими при их работе процессами и характерными для этих устройств
параметрами;
3) познакомить с принципами построения лазерной медицинской аппа-
ратуры, устройствами транспортировки лазерного излучения и ин-
струментами, обеспечивающими различные способы воздействия
на объекты;
4) дать представление о физических и биофизических процессах, про-
исходящих при взаимодействии лазерного излучения с биообъектами
и после этого взаимодействия, показать, как, изменяя характеристики
лазерного излучения, можно влиять на результат такого воздействия;
5) показать, каким образом возможности лазерного излучения реализу-
ются конкретными медицинскими технологиями в различных обла-
стях медицины;
6) познакомить с принципами и нормативной базой организации без-
опасной работы с лазерным оборудованием, порядком внедрения но-
вой аппаратуры и методов лечения в массовое здравоохранение.
1.1.1. Свет
Первые упоминания о свойствах света содержатся в приписываемом Евкли-
ду (300 лет до нашей эры) сочинении, в котором описывается закон прямоли-
нейного распространения света. Более того, явление преломления света было
известно Аристотелю (350 лет до нашей эры), а Птолемей (120 г. до нашей эры)
предпринял первые измерения в целях определения количественных соот-
ношений этого закона. Корректную формулировку закону преломления дал
Снеллиус (1591–1626). К XVII же веку относится теория Ньютона о корпуску-
лярной природе света. Появление этой теории следовало не только из пря-
молинейности распространения света, но и из закона его отражения, упо-
добляемого отражению упругого шарика при ударе о твердую поверхность.
В 1676 г. Рёмер определил скорость распространения света в межпланетном
пространстве. Эти измерения дали величину с 300 000 км/с. Вместе с этим
Ньютон понимал противоречие этой теории некоторым фактам, в частности
явлению интерференции (кольца Ньютона). В XIX столетии Фарадеем было
открыто явление вращения плоскости поляризации света в магнитном поле,
что дало начало исследованиям, приведшим к выявлению электромагнит-
ной природы световых волн, подтвержденной Герцем в 1888 г. [1]. Интересно,
что утверждают, будто на заданный во время лекции Герцу вопрос: «А каким
образом электромагнитные волны могут быть использованы?» — Герц, по-
жав плечами, ответил: «По-видимому никаким».