Laserji v medicini. Uporaba laserjev v medicini in znanosti

V zadnjih pol stoletja so laserji našli aplikacijo v oftalmologiji, onkologiji, plastični kirurgiji in mnogih drugih področjih medicine in biomedicinskih raziskav.

O možnosti uporabe svetlobe za zdravljenje bolezni je bilo znano na tisoče let nazaj. Starodavni Grki in Egipčani so uporabljali sončno sevanje v terapiji, in ti dve ideji sta bili celo med seboj povezani v mitologiji - grški bog Apolon je bil bog sonca in zdravljenja.

In šele po izumu vira koherentnega sevanja je pred več kot 50 leti dejansko razkril potencial uporabe svetlobe v medicini.

Zaradi posebnih lastnosti so laserji veliko bolj učinkoviti kot sevanje sonca ali drugih virov. Vsak kvantni oscilator deluje v zelo ozkih valovnih dolžinah in oddaja koherentno svetlobo. Tudi laserji v medicini omogočajo ustvarjanje velikih zmogljivosti. Energijski žarek se lahko koncentrira na zelo majhni točki, tako da se doseže visoka gostota. Te lastnosti so pripeljale do dejstva, da so danes laserji uporabljeni na številnih področjih medicinske diagnostike, terapije in kirurgije.

Zdravljenje kože in oči

Uporaba laserjev v medicini se je začela z oftalmologijo in dermatologijo. Kvantni generator je bil odkrit leta 1960. In eno leto kasneje, Leon Goldman je pokazal, kako se laserski rdeči laser v medicini lahko uporabi za odstranjevanje kapilarne displazije, nekakšne rojstne znamke in melanoma.

Ta aplikacija temelji na zmožnosti virov koherentnega sevanja, da delujejo na določeni valovni dolžini. Viri koherentnega sevanja se zdaj pogosto uporabljajo za odstranjevanje tumorjev, tetovaže, las in krtic.

V dermatologiji se uporabljajo laserji različnih tipov in valovnih dolžin, ki jih povzročajo različne vrste zdravilnih lezij in glavna absorpcijska snov v njih. Valovna dolžina odvisno tudi od vrste kože bolnika.

Danes ne moremo izvajati dermatologije ali oftalmologije, ne da bi imeli laserje, saj so postali glavna orodja za zdravljenje bolnikov. Uporaba laserjev za korekcijo vida in različnih očesnih prijav povečalo po Charles Campbell leta 1961 postal prvi zdravnik uporabiti rdeči laser v medicini za zdravljenje bolnika s mrežnice.

Kasneje v ta namen so oftalmologi začeli uporabljati argonske vire koherentnega sevanja v zelenem delu spektra. Pri tem so bile lastnosti očesa, še posebej njegove leče, uporabljene za usmerjanje žarka na območju odmika mrežnice. Visoko koncentrirana moč aparata dobesedno zvarja.

Laserska kirurgija, laserska koagulacija in fotodinamična terapija lahko pomagajo bolnikom z nekaterimi oblikami makularne degeneracije. V prvem postopku se žarek koherentnega sevanje uporablja za zapečatenje krvnih žil in počasen patološko rast pod makulo.

Podobne raziskave so bile izvedene v 1940-ih s sončno svetlobo, vendar so za njihovo uspešno dokončanje zdravniki potrebovali edinstvene lastnosti kvantnih generatorjev. Naslednja uporaba argonskega laserja je bila ustavitev notranje krvavitve. Selektivna absorpcija zelene svetlobe s hemoglobinom - pigment rdečih krvnih celic - je bila uporabljena za blokiranje krvnih žil. Za zdravljenje raka se uničijo krvne žile, ki vstopajo v tumor in mu dajo hranila.

To ni mogoče doseči z uporabo sončne svetlobe. Medicina je zelo konzervativna, kot bi morala biti, vendar so bili na različnih področjih prepoznani viri koherentnega sevanja. Laserji v medicini so nadomestili številne tradicionalne instrumente.

Oftalmologija in dermatologija sta imela koristi tudi iz excimer virov koherentnega sevanja v ultravijoličnem območju. Uporabili so se za spreminjanje oblike roženice (LASIK) za korekcijo vida. Laserji v estetskem zdravilu se uporabljajo za odstranjevanje madežev in gub.

Dobičkonosna kozmetična kirurgija

Tak tehnološki razvoj je neizogibno priljubljen med komercialnimi vlagatelji, saj imajo velik potencial za dobiček. Analitično podjetje Medtech Insight v letu 2011 je ocenilo obseg trga laserske kozmetične opreme v vrednosti več kot milijardo ameriških dolarjev. Dejansko kljub zmanjšanju celotnega povpraševanja po medicinskih sistemih med globalno recesijo kozmetične operacije, ki temeljijo na uporabi kvantnih generatorjev, še naprej povprašujejo v Združenih državah, ki so prevladujoči trg za laserske sisteme.

Vizualizacija in diagnostika

Laserji v medicini igrajo pomembno vlogo pri zgodnjem odkrivanju raka, pa tudi pri mnogih drugih boleznih. Na primer, v Tel Avivu je bila skupina znanstvenikov zainteresirana za IR spektroskopijo z uporabo infrardečih virov koherentnega sevanja. Razlog za to je, da lahko rak in zdravo tkivo v infrardečem obsegu delujejo drugače. Ena od obetavnih aplikacij te metode je odkrivanje melanoma. Z rakom kože je zgodnja diagnoza zelo pomembna za preživetje bolnikov. Trenutno je odkrivanje melanoma opravljeno z očesom, zato se še vedno zanese na znanje zdravnika.

V Izraelu, enkrat na leto, lahko vsakdo odide za brezplačen pregled melanoma. Pred nekaj leti smo v enem izmed glavnih medicinskih centrov izvedli študije, zaradi česar je bilo mogoče vizualno opazovati razliko v infrardečem razponu med potencialnimi, vendar nenevarnimi znaki in resničnim melanomom.

Katzir, organizator prvi konferenci SPIE biomedicinsko optiko leta 1984, in njegova ekipa v Tel Avivu so razvili tudi optična vlakna, ki so pregledni za infrardečih valovnih dolžin, ki omogoča, da razširi to metodo notranjih diagnostiko. Poleg tega je lahko hitra in neboleča alternativa materničnemu raztrganju v ginekologiji.

Modra polprevodniški laser v medicini je našel aplikacijo v fluorescenčni diagnostiki.

Sistemi, ki temeljijo na kvantnih generatorjih, prav tako začnejo nadomestiti rentgenske žarke, ki se tradicionalno uporabljajo pri mamografiji. X-žarke zdravniki dal težko dilemo: za zanesljivo odkrivanje raka, ki jih potrebujejo, da so visoke intenzivnosti, vendar rast sevanje po sebi povečuje tveganje za nastanek raka. Druga možnost je, da se preučuje možnost uporabe zelo hitrih laserskih impulzov za slikanje prsi in drugih delov telesa, kot so možgani.

ČDO za oči in ne le

Laserji v biologiji in medicini so našli aplikacijo v optični koherentni tomografiji (OCT), ki je povzročila val navdušenja. To slikanje tehnika uporablja maser lastnosti in lahko zelo jasno (po naročilu mikrona), v realnem času tridimenzionalne podobe in navzkrižno biološko tkivo. Oktober že uporabljajo v oftalmologiji in lahko, na primer, omogočajo oftalmologom videti prerez roženice za diagnosticiranje bolezni mrežnice in glavkom. Danes se tehnologija uporablja tudi na drugih področjih medicine.

Eno od največjih območij, ki jih tvori OCT, se ukvarja s pridobivanjem optičnih vlaken arterij. Optična koherentna tomografija se lahko uporablja za oceno stanja nestabilne plošče, ki je nagnjena k zlomu.

Mikroskopija živih organizmov

Laserji v znanosti, tehnologiji, medicini igrajo ključno vlogo tudi pri mnogih vrstah mikroskopije. Na tem področju je prišlo do velikega števila dogodkov, katerih namen je vizualizirati, kaj se dogaja v telesu pacienta brez uporabe skalpela.

Najtežja stvar pri odstranjevanju raka je potreba po nenehni uporabi storitev mikroskopa, tako da lahko kirurg poskrbi, da se vse naredi pravilno. Zmožnost mikroskopije "v živo" in v realnem času je pomemben dosežek.

Nov uporabo laserjev v umetnosti in medicine - skeniranje skoraj visoko optično mikroskopijo, ki lahko ustvari slike z ločljivostjo precej višje od tistih običajnih mikroskopi. Ta metoda temelji na optičnih vlaknih z rezili na koncih, katerih dimenzije so manjše od valovne dolžine svetlobe. To je omogočilo vizualizacijo subwave in postavilo temelje za podobo bioloških celic. Uporaba te tehnologije v IR laserih bo omogočila boljše razumevanje Alzheimerjeve bolezni, raka in drugih sprememb v celicah.

PDT in drugih zdravljenj

Razvoj na področju optičnih vlaken pripomore k razširitvi možnosti uporabe laserjev v drugih sferah. Poleg tega, da omogočajo diagnostiko v telesu, se lahko energija koherentnega sevanja prenese v tisto, kjer je to potrebno. Uporablja se lahko pri zdravljenju. Fiber Lasers postali veliko naprednejši. Korenito bodo spremenili zdravilo prihodnosti.

Področje Photomedicine, s pomočjo svetlobe občutljive kemikalije, ki delujejo v telesu na poseben način, se lahko zatekajo k uporabi laserji tako za diagnosticiranje in zdravljenje bolnikov. V fotodinamične terapije (PDT), na primer, laser in svetlobno občutljivi zdravilo lahko obnovi vid pri bolnikih z "mokro" oblike starostne degeneracije makule, ki je glavni vzrok slepote pri ljudeh, starejših od 50 let.

V onkologiji se nekateri porfirini kopičijo v rakavih celicah in fluorescirajo, ko osvetljujejo z določeno valovno dolžino, kar kaže na lokacijo tumorja. Če te iste spojine nato osvetlijo druga valovna dolžina, postanejo strupene in uničijo poškodovane celice.

Rdeča plin lasersko helij-neonski se uporabljajo v medicini za zdravljenje osteoporoze, psoriaze, venski ulkusi, itd, kot je ta frekvenca dobro absorbira hemoglobina in encimov. Sevanje zavira vnetje, edem in hiperemija namenjen preprečevanju, izboljšuje prekrvavitev.

Personalizirano zdravljenje

Še dve področji, na katerih je aplikacija za laserje - genetika in epigenetika.

V prihodnosti se bo na nanometru vse zgodilo, kar nam bo omogočilo prakticiranje medicine v celični lestvici. Laserji, ki lahko ustvarjajo femtosekundne impulze in se prilagajajo specifični valovni dolžini, so idealni partnerji za zdravnike.

To bo odprlo vrata osebnemu zdravljenju, ki temelji na posameznem genomu pacienta.

Leon Goldman - ustanovitelj laserske medicine

Ko govorimo o uporabi kvantnih generatorjev pri zdravljenju ljudi, je nemogoče omeniti Leon Goldman. Poznan je kot "oče" laserske medicine.

Leto dni po izumu viru koherentnega sevanja je Goldman postal prvi raziskovalec, ki ga uporablja za zdravljenje kožne bolezni. Tehnika, ki jo je uporabil znanstvenik, je utrla pot za kasnejši razvoj laserske dermatologije.

Njegovo raziskovalno sredi 1960 privedla do uporabe rubinasto Maser pri operacijah mrežnice in takih odkritij, kot možnost usklajenega sevanja hkrati prestregla kožo in pečat krvne žile, omejevanje krvavitev.

Goldman, ki je delal za večino svoje kariere, dermatologu na univerzi v Cincinnatiju, ustanovil American Society of Laser v medicino in kirurgijo, in pomagali postaviti temelje za lasersko varnost. Umrl je leta 1997.

Miniaturizacija

Prvi 2-mikronski kvantni generatorji so bili velikosti zakonske postelje in ohlajeni s tekočim dušikom. Danes so diode, se prilegajo dlani in še bolj miniaturni laserski vlakni. Takšna sprememba utira pot novim aplikacijam in razvojem. Prihodnja medicina bo imela drobne laserje za operacijo možganov.

Zahvaljujoč tehnološkemu napredku stalno zmanjšujemo stroške. Tako kot so se laserski znali v gospodinjskih aparatih, so začeli igrati ključno vlogo v bolnišnični opremi.

Pred tem so bili laserji v medicini zelo veliki in zapleteni, danes pa je njihova proizvodnja iz optičnih vlaken bistveno zmanjšala stroške, prehod na nanometer pa bo še dodatno zmanjšal stroške.

Druge aplikacije

Z uporabo laserjev lahko urologi zdravijo zrezek za ustroze, benigne bradavice, urinske kamne, kontrakcijo mehurja in povečanje prostate.

Uporaba laserskega zdravila v medicini je omogočila nevrokirurgom, da natančno zarezejo in izvedejo endoskopsko kontrolo možganov in hrbtenjače.

Veterinarji uporabljajo laser za endoskopske postopke, koagulacijo tumorjev, kosi in fotodinamično terapijo.

Zobozdravniki uporabljajo koherentno sevanje za izdelavo lukenj, operacijo dlesni za izvajanje protibakterijskih postopkov, desenzitizacijo zoba in roto-obrazno diagnostiko.

Laserski pinceti

Biomedicinski raziskovalci po svetu uporabljajo optične pincete, celične sortirke in številna druga orodja. Laserska pinceta obljubljajo boljšo in hitrejšo diagnozo raka in so bila uporabljena za zajemanje virusov, bakterij, majhnih kovinskih delcev in DNA drog.

Optičnem pincete koherentna snopa sevanja se uporablja za vodenje in vrtenje mikroskopske predmete na enak način kot kovinske ali plastične pincete lahko prime malih in ranljivosti elementov. Posamezne molekule je mogoče manipulirati tako, da jih pritrdimo na mikronske steklene ali polistirenske kroglice. Ko žarek udari žogo, je ukrivljena in ima majhen učinek, potiska žogo naravnost v središču žarka.

To ustvarja "optično past", ki lahko drži majhen delec v svetlobnem žarku.

Laser v medicini: prednosti in slabosti

Energijo koherentnega sevanja, katere intenzivnost se lahko modulira, se uporablja za razsekanje, uničenje ali spreminjanje celične ali zunajcelične strukture bioloških tkiv. Poleg tega uporaba laserjev v medicini, na kratko, zmanjšuje tveganje okužbe in spodbuja zdravljenje. Uporaba kvantnih generatorjev v kirurgiji povečuje natančnost disekcij, vendar predstavljajo nevarnost za nosečnice in obstajajo kontraindikacije za uporabo fotosenzitivnih zdravil.

Kompleksna struktura tkiv ne omogoča nedvoumne interpretacije rezultatov klasičnih bioloških analiz. Laserji v medicini (fotografija) so učinkovito orodje za uničenje rakavih celic. Vendar močni viri koherentnega sevanja delujejo brez razlikovanja in uničijo ne le prizadeta, temveč tudi okoliška tkiva. Ta lastnost je pomembno orodje metode microdissection, ki se uporablja za izvedbo molekularne analize v zanimivi lokaciji z možnostjo selektivnega uničenja odvečnih celic. Namen te tehnologije je premagati heterogenost, ki je prisotna v vseh bioloških tkivih, da bi olajšala njihovo raziskovanje na jasno opredeljeni populaciji. V tem smislu je laserska microdissekcija pomembno prispevala k razvoju raziskav, razumevanju fizioloških mehanizmov, ki jih je sedaj mogoče jasno dokazati na ravni populacije in celo ene celice.

Danes je funkcionalno tkivno inženirstvo postal glavni dejavnik razvoja biologije. Kaj se zgodi, če med razdelitvijo cutite aktina vlakna? Ali bo zarodek Drosophila stabilen, če bo celica uničena v zložljivem? Kakšni so parametri, vključeni v meristemsko cono v obratu? Vsa ta vprašanja se lahko rešijo s pomočjo laserjev.

Nanomedicin

V zadnjem času se je pojavilo veliko nanostruktur, ki imajo lastnosti, primerne za različne biološke aplikacije. Najpomembnejši med njimi so:

• kvantne pike so majhni delci nanodelcev, ki delujejo na svetlobo, ki se uporabljajo pri zelo občutljivem celičnem slikanju;
• magnetne nanodelce, ki so ugotovile uporabo v medicinski praksi;
• polimerni delci za inkapsulirane terapevtske molekule;
• kovinski nanodelci.

Razvoj nanotehnologije in uporaba laserjev v medicini je na kratko spremenil način uvedbe zdravil. Prekinitve nanodelcev, ki vsebujejo drog lahko poveča terapevtski indeks mnoge spojine (učinkovitost in povečajo topnost, nižja toksičnost) s selektivnim delovanjem na prizadetih tkivih in celicah. Zagotavljajo aktivno sestavino, kot tudi kontrolirano sproščanje učinkovine kot odziv na zunanje dražljaje. Nanoteranostika eksperimentalni pristop nadalje zagotavlja dvojno uporabo nanodelcev, zdravilne spojine, terapije in diagnostično slikanje agenti, ki odpira pot prilagojeno zdravljenje.

Uporaba laserjev v medicini in biologiji za microdissection in photoablation je omogočila razumevanje fizioloških mehanizmov razvoja bolezni na različnih ravneh. Rezultati bodo pomagali določiti najboljše metode diagnosticiranja in zdravljenja za vsakega bolnika. Razvoj nanotehnologije v tesni povezavi z dosežki na področju vizualizacije bo tudi nenadomestljiv. Nanomedicin je obetavna nova oblika zdravljenja nekaterih vrst raka, nalezljivih bolezni ali diagnostike.