Zastosowania laserów w medycynie stają się coraz bardziej powszechne. Specyficzne właściwości promieniowania laserowego, mające szczególne znaczenie w zastosowaniach medycznych, to jego duża intensywność, monochromatyczność oraz mała rozbieżność wiązki. Dzięki tym właściwościom lasery stworzyły nowe możliwości operacyjne, zwłaszcza w zabiegach endoskopowych i laparoskopowych. Lasery umożliwiły również rozwój wielu nowych technik diagnostycznych.
Ze względu na zastosowania wynikające z charakteru oddziaływania na tkankę, lasery stosowane w urządzeniach medycznych dzieli się umownie na wysokoenergetyczne (chirurgiczne) i niskoenergetyczne (biostymulacyjne). Lasery wysokoenergetyczne są stosowane w zestawach przeznaczonych do destrukcji lub usuwania tkanki (cięcie, odparowanie i koagulacja). Lasery niskoenergetyczne znalazły zastosowanie w terapii bólu, medycynie sportowej, dermatologii, reumatologii i stomatologii. Są również stosowane w diagnostyce i terapii nowotworów metodą fotodynamiczną.
Oddziaływanie promieniowania laserowego na tkankę biologiczną zależy
w dużej mierze od własności (głównie absorpcyjnych) tkanki
biologicznej oraz od charakterystyk promieniowania laserowego, w tym
od długości fali generowanego promieniowania, rodzaju pracy lasera
(ciągła, impulsowa), wartości jego parametrów wyjściowych, takich jak
gęstość mocy i energii, wartość mocy (średniej mocy) i energii, czas
ekspozycji (długość impulsu, częstotliwość jego powtarzania). W
zależności od mocy promieniowania i czasu działania promieniowania
laserowego na tkankę, rozróżnia się następujące mechanizmy
oddziaływania:
1) fotochemiczne (fotostymulacja, metoda fotodynamiczna),
2) termiczne (koagulacja, odparowanie),
3) fotoablacyjne (nietermiczne usuwanie tkanki),
4) elektromechaniczne (fotodestrukcja).
2. Oddziaływania fotochemiczne
Reakcje fotochemiczne są obserwowane przy bardzo małych wartościach gęstości mocy promieniowania laserowego, poniżej 10 mW/cm2. Ten rodzaj oddziaływania promieniowania laserowego na tkankę biologiczną wykorzystuje się w biostymulacji i w metodzie fotodynamicznej.
W procesie biostymulacji laserowej zastosowanie znajdują lasery ciągłego działania\break He-Ne (632,8 nm) i półprzewodnikowe (670 nm, 830 nm) oraz impulsowe lasery półprzewodnikowe (904 nm).
3. Oddziaływanie w procesie terapii fotodynamicznej
Metoda terapii fotodynamicznej (PDT) polega na selektywnym utlenieniu materiału biologicznego tkanki nowotworowej przez tlen singletowy lub formy rodnikowe [1]. Czynniki te generowane są przez rozpuszczony w komórkach tlen molekularny, wprowadzony egzogennie barwnik (fotosensybilizator, fotouczulacz), lepiej akumulujący się w chorych niż w zdrowych tkankach, oraz światło o odpowiedniej mocy i długości fali dopasowanej do pasm absorpcji barwnika. Pozwala to na wybiórcze niszczenie tkanek nowotworowych, chroniąc jednocześnie tkanki zdrowe. Metoda stosowana jest do leczenia nowotworów skóry, dróg moczowo-płciowych, płuc, przełyku, języka, gardła, żołądka, jelit, pęcherza moczowego. Metoda PDT w porównaniu z tradycyjnymi metodami leczenia nowotworów (chirurgia, naświetlanie, chemioterapia) jest bardziej selektywna, ogólnie dobrze tolerowana, daje dobre efekty kosmetyczne, może być wielokrotnie powtarzana i ponadto łączy się z diagnostyką.
Wiele ośrodków badawczych wykorzystuje metodę laserowo indukowanej fluorescencji (LIF) do analizowania stanu tkanek biologicznych w diagnostyce miażdżycy, kamicy nerkowej i moczowej, a przede wszystkim wczesnych faz nowotworów. Optyczne metody spektralne (metody optycznej biopsji) w przeciwie¤stwie do bada¤ histopatologicznych są nieinwazyjne, nie wymagają pobierania materiału poprzez biopsję cienkoigłową, ilość analizowanego materiału jest nielimitowana, promieniowanie doprowadzane i odbierane jest światłowodami, sygnały są mierzone w czasie rzeczywistym, te same obszary można analizować wielokrotnie. Detekcja nowotworów metodą LIF polega na rejestracji obszarów o różnej fluorescencji pod wpływem padającego promieniowania pobudzającego odpowiednie barwniki fluoryzujące (fluorofory) zawarte w materiale biologicznym.
4. Oddziaływanie termiczne
Oddziaływanie termiczne obserwuje się dla gęstości mocy o wartościach powyżej 1 W/cm2. Efekty oddziaływania zależą od temperatury, jaką możemy wywołać w tkance, oświetlając ją laserem. Promieniowanie laserów niskoenergetycznych wywołuje podwyższenie temperatury tkanki nie więcej niż o 0,1-0,5oC. W przypadku laserów wysokoenergetycznych (do 100 W) możliwe jest uzyskanie temperatury > 150oC.
Spośród wielu wykorzystywanych tu laserów wymienić należy laser molekularny na dwutlenku węgla CO2, laser argonowy Ar i laser na ciele stałym Nd:YAG. Laser argonowy koaguluje naczynia włoskowate, H = 25-570 J/cm2, t = 0,5 s (mała głębokość penetracji 0,5-2,5 mm), zaś laser Nd:YAG naczynia o większych średnicach, H=600-2000 J/cm2, t=2 s (głębokość penetracji 2-8 mm).
5. Oddziaływanie ablacyjne
Efekty ablacyjne występują w przypadku oddziaływania krótkich impulsów o wartości gęstości mocy powyżej 1 MW/cm2 na tkankę charakteryzującą się dużą wartością współczynnika absorpcji. W wyniku oddziaływania lasera, w tkance na bardzo małej głębokości wnikania (kilka mm) zachodzą procesy dysocjacji molekuł, następuje gwałtowne rozerwanie struktur komórkowych i ich wyrzucenie. Pozostała część tkanki nie jest podgrzana.
Metodą ablacji odparowuje się tkankę nowotworową, przeprowadza rekanalizację naczy¤ krwionośnych, usuwa skrzepy naczyniowe, a także wykonuje niektóre zabiegi w oftalmologii [7]. Wykorzystuje się tu lasery TEA-CO2, Er:YAG (2,9 (mikro)m), Ho:YAG (2,1 (mikro)m) oraz Nd:YAG (1,06 (mikro)m), a także lasery z zakresu 450-500 nm (barwnikowe), 308 nm (ekscymerowy XeCl) i ok. 200 nm (193 nm - ekscymerowy ArF oraz 213 nm - piąta harmoniczna Nd:YAG).
6. Oddziaływanie elektromechaniczne
Oddziaływanie elektromechaniczne, nazywane również fotodestrukcją, występuje przy bardzo dużych wartościach gęstości mocy promieniowania laserowego, powyżej 100 MW/cm2, i nie zależy od wartości współczynnika absorpcji tkanki. Wykorzystuje się je w przypadku tkanek o dużej wartości transmisji dla promieniowania laserowego.
Impuls laserowy o bardzo dużej mocy zostaje skupiony na małej powierzchni. W miejscu skupienia występuje bardzo silne pole elektryczne, rzędu 109 V/cm, które powoduje jonizację tkanki. Opisany wyżej efekt mechanicznego działania wiązki laserowej w mikroobszarze wykorzystywany jest głównie w mikrochirurgii przedniego odcinka oka.
Literatura
[1] Fotodynamiczna metoda rozpoznawania i leczenia nowotworów, praca
zbiorowa pod red. A. Graczyk (Dom Wydawniczy BELLONA, Warszawa 1999).