Lasere în medicină. Aplicarea laserelor în medicină și știință

În ultima jumătate de secol, laserele au găsit aplicații în oftalmologie, oncologie, chirurgie plastică și multe alte domenii ale medicinei și cercetării biomedicale.

Despre posibilitatea utilizării luminii pentru a trata bolile a fost cunoscută cu mii de ani în urmă. Vechii greci și egiptenii foloseau terapia cu radiatii solare, iar aceste două idei au fost chiar și legate între ele în mitologia - zeul grec Apollo a fost zeul soarelui și de vindecare.

Și numai după inventarea unei surse de radiație coerentă cu mai mult de 50 de ani în urmă a fost într-adevăr dezvăluită potențialul utilizării luminii în medicină.

Datorită proprietăților speciale, laserele sunt mult mai eficiente decât radiația soarelui sau a altor surse. Fiecare oscilator cuantic funcționează într-o gamă foarte lungă de undă de undă și emite lumină coerentă. De asemenea, laserele din medicină permit crearea unor capacități mari. Faza de energie poate fi concentrată într-un punct foarte mic, astfel încât densitatea sa ridicată să fie atinsă. Aceste proprietăți au dus la faptul că laserele de astăzi sunt utilizate în multe domenii de diagnosticare medicală, terapie și chirurgie.

Tratamentul pielii și ochilor

Utilizarea laserelor în medicină a început cu oftalmologie și dermatologie. Un generator cuantic a fost descoperit în 1960. Și, la un an după care Leon Goldman a demonstrat cum rubin cu laser roșu în medicină poate fi utilizat pentru a elimina displaziei capilară, varietatea de nevi și melanom.

Această aplicație se bazează pe capacitatea surselor de radiație coerentă de a funcționa la o anumită lungime de undă. Sursele de radiații coerente sunt acum utilizate pe scară largă pentru a elimina tumorile, tatuajele, părul și molii.

În dermatologie sunt utilizate lasere de diferite tipuri și lungimi de undă, care sunt cauzate de diferite tipuri de leziuni de vindecare și de principala substanță absorbantă din interiorul lor. lungime de undă De asemenea, depinde de tipul de piele al pacientului.

Astăzi, nu se poate practica dermatologia sau oftalmologia fără a avea lasere, deoarece acestea au devenit principalele instrumente pentru tratarea pacienților. Utilizarea generatoarelor cuantice pentru corecția vederii și o gamă largă de aplicații oftalmice a crescut după ce Charles Campbell a devenit primul medic în 1961 pentru a folosi un laser roșu în medicină pentru a vindeca un pacient cu detașarea retinei.

Mai târziu, în acest scop, oftalmologii au început să utilizeze surse de argon de radiație coerentă în partea verde a spectrului. Aici, proprietățile ochiului, în special lentilele acestuia, au fost folosite pentru a focaliza raza în zona detașării retinei. Puterea foarte concentrată a aparatului îl sugerează literalmente.

Operația cu laser, coagularea cu laser și terapia fotodinamică pot ajuta pacienții cu anumite forme de degenerare maculară. În prima procedură, un fascicul de radiație coerentă este utilizat pentru a sigila vasele de sânge și pentru a încetini creșterea lor patologică sub macula.

Studii similare au fost efectuate în anii 1940 cu lumina soarelui, dar pentru finalizarea lor cu succes, medicii au nevoie de proprietățile unice ale generatoarelor cuantice. Următoarea aplicare a laserului cu argon a fost oprirea sângerării interne. Absorbția selectivă a luminii verzi de hemoglobină - un pigment de celule roșii din sânge - a fost utilizată pentru a bloca sângerările vaselor de sânge. Pentru tratarea cancerului, vasele de sânge care intră în tumoare și care o furnizează cu substanțe nutritive sunt distruse.

Acest lucru nu poate fi realizat prin utilizarea luminii solare. Medicina este foarte conservatoare, așa cum ar trebui să fie, dar surse de radiație coerentă au fost recunoscute în diferite domenii. Laserele din medicină au înlocuit multe instrumente tradiționale.

Oftalmologie și dermatologie, de asemenea, a beneficiat de surse de excimer de radiații coerente în domeniul ultraviolet. Acestea au devenit utilizate pe scară largă pentru a schimba forma corneei (LASIK) pentru corectarea vederii. Laserele din medicina estetică sunt folosite pentru a elimina petele și ridurile.

Profitabil chirurgie cosmetică

Aceste evoluții tehnologice sunt în mod inevitabil populare în rândul investitorilor comerciali, având în vedere că au un imens potențial de profit. Compania analitică Medtech Insight în 2011 a estimat volumul pieței echipamentelor cosmetice cu laser în valoare de peste 1 miliard de dolari SUA. Într-adevăr, în ciuda scăderii cererii globale a sistemelor medicale în timpul recesiunii globale, operațiunile cosmetice bazate pe utilizarea generatoarelor cuantice continuă să fie în cerere în Statele Unite, piața dominantă a sistemelor cu laser.

Vizualizare și diagnosticare

Laserele din medicină joacă un rol important în detectarea timpurie a cancerului, precum și multe alte boli. De exemplu, în Tel Aviv un grup de oameni de știință a fost interesat de spectroscopia IR utilizând surse infraroșii de radiație coerentă. Motivul pentru aceasta este că cancerul și țesutul sănătos pot avea o patență diferită în domeniul infraroșu. Una dintre aplicațiile promițătoare ale acestei metode este detectarea melanomului. Cu cancer de piele, diagnosticul precoce este foarte important pentru supraviețuirea pacienților. În prezent, detectarea melanomului se face prin ochi, deci rămâne să se bazeze pe priceperea medicului.

În Israel, o dată pe an, fiecare persoană poate merge pentru o examinare gratuită a melanomului. Cu câțiva ani în urmă, în unul dintre cele mai importante centre medicale a efectuat studiul, care a avut ca rezultat o oportunitate de a observa în mod clar diferența în domeniul infraroșu al diferenței dintre potențialul, dar nu caracteristici periculoase, iar prezenta melanomul.

Katsir, organizatorul primei conferințe SPIE privind optica biomedicală din 1984, și echipa sa din Tel Aviv au dezvoltat și fibre optice care sunt transparente pentru lungimi de undă în infraroșu, ceea ce a permis extinderea acestei metode la diagnosticarea internă. În plus, poate fi o alternativă rapidă și nedureroasă la un frotiu cervical în ginecologie.

albastru semiconductor cu laser în medicină a găsit aplicații în diagnosticarea fluorescentă.

Sistemele bazate pe generatoare cuantice încep de asemenea să înlocuiască raze X, care în mod tradițional au fost utilizate în mamografie. raze X medicii încearcă o dilemă dificilă: pentru detectarea fiabilă a cancerelor care au nevoie sa fie de intensitate mare, dar creșterea de radiații de la sine creste riscul de cancer. Alternativ, se studiază posibilitatea utilizării impulsurilor laser foarte rapide pentru imagistica sânului și a altor părți ale corpului, cum ar fi creierul.

OCT pentru ochi și nu numai

Laserele din biologie și medicină au găsit aplicații în tomografia coerenței optice (OCT), care a provocat un val de entuziasm. Această metodă de vizualizare utilizează proprietățile unui generator cuantic și poate furniza imagini foarte precise (microni), transversale și tridimensionale ale țesutului biologic în timp real. OCT este deja utilizat în oftalmologie și poate, de exemplu, permite oftalmologului să vadă secțiunea transversală a corneei pentru diagnosticul bolilor retinian și glaucom. Astăzi, tehnologia este folosită și în alte domenii ale medicinei.

Una dintre cele mai mari zone formate de OCT este angajată în obținerea de imagini cu fibră optică ale arterelor. Tomografia coerenței optice poate fi utilizat pentru a evalua starea unei plăci instabile predispuse la rupere.

Microscopia organismelor vii

Laserele din știință, tehnologie, medicină joacă, de asemenea, un rol-cheie în multe tipuri de microscopie. În acest domeniu, au fost făcute un număr mare de dezvoltări, al căror scop este de a vizualiza ceea ce se întâmplă în interiorul corpului pacientului fără a utiliza un bisturiu.

Cel mai dificil lucru în îndepărtarea cancerului este necesitatea de a folosi în mod constant serviciile unui microscop, astfel încât chirurgul să se asigure că totul se face corect. Abilitatea de a face microscopia "în direct" și în timp real este o realizare semnificativă.

O nouă aplicație de lasere în inginerie și medicină este scanarea în zona apropiată a microscopiei optice, care poate produce imagini cu o rezoluție mult mai mare decât cea a microscoapelor standard. Această metodă se bazează pe fibrele optice cu incizii la capete, dimensiunile cărora sunt mai mici decât lungimea de undă a luminii. Acest lucru a permis vizualizarea subwave și a pus bazele pentru imaginea celulelor biologice. Utilizarea acestei tehnologii în laserele IR va face posibilă o mai bună înțelegere a bolii Alzheimer, a cancerului și a altor modificări ale celulelor.

PDT și alte tratamente

Dezvoltările în domeniul fibrelor optice ajută la extinderea posibilităților de utilizare a laserelor în alte sfere. În plus, pentru a permite diagnosticarea în organism, energia radiației coerente poate fi transferată acolo unde este necesar. Acesta poate fi utilizat în tratament. Fiber Lasere să devină mult mai avansate. Ei vor schimba radical medicamentul viitorului.

Câmpul fotomedicinei, care utilizează substanțe chimice sensibile la lumină care interacționează cu corpul într-un mod special, poate recurge la ajutorul generatoarelor cuantice atât pentru diagnostic, cât și pentru tratamentul pacienților. În terapia fotodinamică (PDT), de exemplu, un laser și un medicament fotosensibil pot restabili viziunea la pacienții cu o formă "umedă" de degenerare maculară legată de vârstă, principala cauză de orbire la persoanele de peste 50 de ani.

În oncologie, unele porfirine se acumulează în celulele canceroase și fluorescente atunci când sunt iluminate cu o anumită lungime de undă, indicând localizarea tumorii. Dacă aceiași compuși sunt apoi iluminați de o altă lungime de undă, devin toxici și ucid celulele deteriorate.

Laserul de heliu-neon de gaze roșii din medicină este utilizat în tratamentul osteoporozei, psoriazisului, ulcerului trofic etc., deoarece această frecvență este bine absorbită de hemoglobină și enzime. Radiația încetinește inflamația, împiedică înroșirea și umflarea, îmbunătățește curgerea sângelui.

Tratament personalizat

Alte două domenii în care există o aplicație pentru lasere - genetică și epigenetică.

În viitor, totul se va întâmpla la scară nanometrică, ceea ce ne va permite să practicăm medicina la scară celulară. Lasere care pot genera impulsuri femtosecunde și pot fi reglate la o anumită lungime de undă sunt parteneri ideali pentru medici.

Aceasta va deschide usa pentru un tratament personalizat pe baza genomului individual al pacientului.

Leon Goldman - fondatorul medicinei laser

Vorbind despre utilizarea generatoarelor cuantice în tratamentul oamenilor, este imposibil să nu mai vorbim de Leon Goldman. El este cunoscut ca "tatăl" medicinii cu laser.

La un an de la inventarea sursei de radiații coerente, Goldman a devenit primul cercetător care a aplicat-o pentru tratamentul bolilor de piele. Tehnica aplicată de om de știință a pregătit calea dezvoltării ulterioare a dermatologiei laser.

Cercetarile sale la mijlocul anilor 1960 a condus la utilizarea unui maser rubin in chirurgia retinei si la astfel de descoperiri ca posibilitatea de radiație coerentă în același timp, taie pielea și sigila vasele de sânge, limitarea sângerare.

Goldman, care a lucrat pentru cea mai mare parte a carierei sale, un dermatolog de la Universitatea din Cincinnati, a fondat Societatea Americana de Laseri in Medicina si Chirurgie, si a ajutat pune bazele pentru siguranta cu laser. A murit în 1997.

miniaturizarea

Primele generatoare cuantice de 2 microni au fost de dimensiunea unui pat dublu și au fost răcite cu azot lichid. Astăzi există o diodă, se potrivește în palma mâinii tale și chiar mai multe lasere cu fibră miniaturală. Acest tip de schimbare deschide calea pentru noi aplicații și evoluții. Viitorul medicament va avea lasere mici pentru chirurgia creierului.

Datorită progresului tehnologic, există o reducere constantă a costurilor. La fel ca laserele au devenit familiare în aparatele de uz casnic, ele au început să joace un rol-cheie în echipamentul spitalicesc.

Anterior, laserele din medicină au fost foarte mari și complexe, astăzi producția lor din fibră optică a redus semnificativ costul, iar tranziția către scara nanometrică va reduce și mai mult costurile.

Alte aplicații

Folosind lasere, urologii pot trata strictura uretrala, verucile benigne, pietrele urinare, contractia vezicii urinare si extinderea prostatei.

Utilizarea laserului în medicină a permis neurochirurgilor să facă incizii precise și să efectueze controlul endoscopic al creierului și măduvei spinării.

Veterinarii folosesc lasere pentru proceduri endoscopice, coagularea tumorilor, taieturi si terapia fotodinamica.

Stomatologii folosesc radiații coerente pentru a face găuri, în chirurgia gingiilor, pentru a efectua proceduri antibacteriene, desensibilizarea dinților și diagnosticarea roto-facială.

Pensetă cu laser

Cercetătorii biomedicali din întreaga lume folosesc pensetă optică, sortatori de celule și multe alte instrumente. Pensetă laser promite diagnosticul mai bun și mai rapid al cancerului și au fost folosite pentru a capta virusuri, bacterii, particule mici de metal și fire de ADN.

Penseta optice fascicul coerent de radiații este utilizat pentru a păstra și roti obiecte microscopice în același mod ca și din metal sau plastic pensetă capabile de a ridica obiecte mici și fragile. Moleculele individuale pot fi manipulate prin atașarea acestora la particule de sticlă de dimensiune micronică sau polistiren. Când fasciculul lovește mingea, acesta se îndoaie și are un efect redus, împingând mingea direct în centrul razei.

Acest lucru creează o "capcană optică" care poate menține o particulă mică într-un fascicul de lumină.

Laser în medicină: argumente pro și contra

Energia radiației coerente, a cărei intensitate poate fi modulată, este utilizată pentru a diseca, distruge sau altera structura celulară sau extracelulară a țesuturilor biologice. În plus, utilizarea laserelor în medicină, pe scurt, reduce riscul de infecție și stimulează vindecarea. Utilizarea generatoarelor cuantice în chirurgie mărește acuratețea disecției, dar acestea reprezintă un pericol pentru femeile gravide și există contraindicații pentru utilizarea medicamentelor fotosensibilizante.

Structura complexă a țesuturilor nu permite interpretarea fără echivoc a rezultatelor analizelor biologice clasice. Laserele din medicină (foto) reprezintă un instrument eficient pentru distrugerea celulelor canceroase. Cu toate acestea, sursele puternice de radiație coerentă acționează fără discriminare și distrug nu numai țesuturile afectate, dar și cele din jur. Această proprietate este un instrument important al metodei de microdisecție, folosit pentru a efectua analize moleculare într-o locație de interes, cu posibilitatea de distrugere selectivă a celulelor în exces. Scopul acestei tehnologii este de a depăși eterogenitatea prezentă în toate țesuturile biologice, pentru a facilita cercetarea lor pe o populație bine definită. În acest sens, microdisecția cu laser a avut o contribuție semnificativă la dezvoltarea cercetării, la o înțelegere a mecanismelor fiziologice care pot fi acum demonstrate clar la nivelul populației și chiar al unei celule.

Ingineria tisulară funcțională astăzi a devenit un factor major în dezvoltarea biologiei. Ce se întâmplă dacă tăiați fibrele actinei în timpul divizării? Va rămâne embrionul Drosophila dacă celulele sunt distruse în pliere? Care sunt parametrii implicați în zona meristemului plantei? Toate aceste întrebări pot fi rezolvate cu ajutorul laserelor.

nanomedicina

Recent, au apărut multe nanostructuri care au proprietăți potrivite pentru o varietate de aplicații biologice. Cele mai importante dintre acestea sunt:

• punctele cuantice sunt mici particule de nanometrie care emit lumina, utilizate în imagistica celulară foarte sensibilă;
• nanoparticule magnetice, care s-au găsit aplicații în practica medicală;
• particule polimerice pentru molecule terapeutice încapsulate;
• nanoparticule metalice.

Dezvoltarea nanotehnologiei și utilizarea laserelor în medicină, pentru scurt timp, au revoluționat modul în care medicamentele au fost introduse. Suspensiile de nanoparticule care conțin medicamente pot crește indicele terapeutic al multor compuși (creșterea solubilității și eficacității, reducerea toxicității) prin afectarea selectivă a țesuturilor și celulelor afectate. Ei livrează substanța activă, precum și reglează eliberarea ingredientului activ ca răspuns la stimularea externă. Nanoterapia este o altă abordare experimentală care oferă dublă utilizare a nanoparticulelor, a compușilor de medicamente, a terapiei și a instrumentelor de diagnosticare a imaginii, care deschide calea către un tratament personalizat.

Utilizarea laserelor în medicină și biologie pentru microdisecție și fotoablație a făcut posibilă înțelegerea la diferite niveluri a mecanismelor fiziologice ale dezvoltării bolii. Rezultatele vor ajuta la determinarea celor mai bune metode de diagnosticare și tratament pentru fiecare pacient. Dezvoltarea nanotehnologiei în strânsă legătură cu realizările din domeniul vizualizării va fi, de asemenea, de neînlocuit. Nanomedicina este o nouă formă promițătoare de tratament pentru anumite tipuri de cancer, boli infecțioase sau diagnostice.