A lézer működési elve. Lézerek orvosi alkalmazási területei, fény-anyag kölcsönhatás.
Orvosi fizika és statisztika II. Varjú Katalin 2013. április 15.
Alapkérdések • Mi a lézer? Mitől különleges? • A lézersugár jellemző paraméterei. Lézerek típusai. •Mely tulajdonságai teszik a lézert hasznossá az orvostudományban? •Milyen főbb orvosi területeken alkalmazzák a lézereket?
Lézer = speciális tulajdonságú fény c hullámhossz (m)
frekvencia (Hz)
Lézer = speciális tulajdonságú fény •monokromatikus (egyszínű) •koherens (interferenciára képes, rendezett, „fázisa jól viselkedik”) •kollimált, kicsi a divergenciája (közel párhuzamos) •jól fókuszálható, emiatt nagy intenzitású (W/cm2)
Sugárzás– anyag kölcsönhatás elemi folyamatok: kvantumfizika: a sugárzás energiája csak diszkrét értékeket vehet fel (energia-adagok)
abszorpció
spontán emisszió
indukált emisszió
hf Ex E0
Erősítés
-1 +1 +1 Einstein, 1916 indukált emisszió rendezett, koherens folyamat: az új foton azonos irányban, azonos fázisban bocsátódik ki „több fény jön ki, mint ami bement” LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)
Optikai pumpálás
Abszorpció és indukált emisszió versenye
~N0
~Nx populáció inverzió, Nx >N0 fordított betöltöttség
Lézer - alkotóelemei
(1) lézeranyag (gáz, folyadék, szilárdtest) (2) pumpálás, populáció inverzió létrehozása (elektromos kisülés, intenzív megvilágítás) (3 és 4) optikai rezonátor (tükrök), mely a fény visszacsatolását biztosítja
Lézer folyamat lépései
a spontán emiszióval keletkező fény lavinaszerűen felelrősödik a reflexiók miatt kialakul egy önfenntartó sugárzás, speciális tulajdonságokkal
Lézer folyamat lépései
Kiválasztódnak az optikai tengellyel párhuzamosan haladó sugarak.
Kiválasztódnak speciális frekvenciák (hullámhosszak).
Lézersugárzás tulajdonságai •monokromatikus (egyszínű) •koherens (interferenciára képes, rendezett, „fázisa jól viselkedik”) •kollimált, kicsi a divergenciája (közel párhuzamos) •jól fókuszálható, emiatt nagy intenzitású (W/cm2)
Lézerek
Lézerek típusai: gáz Gáz (He-Ne)
A gázkisülésben a fény koherens erősítése lehetséges. Különböző gázok alkalmazása lehetséges, pl. He-Ne keverék, Ar-ion, Kr, CO2
Speciális típus: excimer (excited dimer) – atomból áll, és legalább az egyik gerjesztett állapotban van
elektromos kisülés táplálja
olyan molekula, mely legalább kétféle
amikor a molekula átadja gerjesztési energiáját egy fotonnak, alapállapotba kerül, és disszociál; ez lényegesen csökkenti az alapállapotba levő molekulák számát (populáció- inverzió)
Lézerek típusai: folyadék (festék)
Rh6G
Coumarin
Lézerek típusai: szilárdtest kristályos vagy üveg rúd, melyet olyan ionokkal „szennyeznek” melyek a szükséges energiaszinteket biztosítják
ruby
Ezeket az anyagokat általában optikai úton pumpálják, a lézerműködéshez tartozó hullámhossznál rövidebb hullámhosszon (nagyobb foton energiával), leggyakrabban villanólámpával vagy egy másik lézerrel.
Lézerek típusai: dióda Elektron-lyuk párok rekombinációja hozza létre az optikai erősítést.
Kereskedelmi forgalomban 375 nm-től 1800 nm-ig terjedő tartományban kaphatók lézerdiódák, de a működést már 3 µm felett is demonstrálták. Alacsony teljesítményű lézerdiódákat alkalmaznak lézernyomtatókban illetve CD/DVD lejátszókban. Lézerdiódákat gyakran használnak más lézerek nagy hatásfokú optikai pumpálásához.
Lézerek típusai •folytonos üzemű •impulzus üzemű pl: Nd-YAG lézer (neodímiummal szennyezett ittrium alumínium gránát Y3Al5O12) E2J
0,1 s
20 ns 2 108 s 20×10-9 s
10 Hz
csúcsteljesítmény P
E
108 W
1 s alatt 10 felvillanás, vagyi az átlagteljesítmény: P
10 E 0,1 W 1s
(Paks: 4 × 465 MW = 1,86 GW = 1,86 × 109 W)
A fény és anyag kölcsönhatása I. •fényszóródás: a beeső sugárzás elektromos tere az útjába eső részecskék elektronjait rezgésre kényszeríti, a gyorsuló elektronok fényt bocsátanak ki Rayleigh:
Pszórt
1
4
A fény és anyag kölcsönhatása II. •fényabszorpció: a beeső fénysugár olyan frekvenciájú, mely az anyag elektronjainak saját rezgéseivel megegyezik (a foton energiája megegyezik valamely átmenethez tartozó energiával) a sugárzás energiája az anyagnak átadódik
kémiai energiává alakul hővé alakul
Abszorpció Különböző hullámhosszúságú lézerek fénye különbözőképpen nyelődik el az emberi szövetben. A bőr bizonyos „célterületei” vagyis az ún. kromofórok, adott hullámhosszú lézer energiáját úgy képesek elnyelni, hogy a környező bőrterületek egyáltalán nem károsodnak.
A fény biológiai hatása feltétele, hogy a fény elnyelődjön: 1) eljut az adott helyre (behatolási mélység, szóródás, abszorpció) 2) megfelelő frekvenciájú (gerjesztett állapotba juttatja, ionizálja az anyagot) pl: nukleinsavak, aromás aminosavak abszorbciója UV-C, UV-B, UV-A tartományokban hemoglobin, melanin karotin, bilirubin abszorbciója látható tartományban
Fotonenergia – kémiai kötések energiája hullámhossz
frekvencia energia
Planck állandó
UV: E 3eV nagy energiájú fotonok
E h h
c
h 6,6 1034 Js IR: E 1,6eV kis energiájú
193 nm (ArF) 6,42 eV
Behatolási mélységek a bőrben és szemben
A fény biológiai hatása Az elnyelt energia leadása: 1) fény kibocsátása (fluoreszcencia, foszforeszcencia) 2) hővé alakul 3) fotokémiai reakciót hoz létre pl. timin dimerizációja (DNS szerkezet megváltozás)
A fény biológiai hatása - példák • kék-fény terápia újszülöttkori sárgaság kezelésére (a hemoglobin lebomlása során bilirubin termelődik, mely felhalmozódik, ha a máj nem tudja kellő ütemben eltávolítani) a kék fény hatására a bilirubin cisztransz izomerációja megy végbe a bőrben (vízben oldhatóvá válik) • D-vitamin szintézise: a bőrben UV-B fény hatására fotokémiai reakció révén történik • UV-B hatására az immunrendszer szuppressziója figyelhető meg
• a látható fény a metabolizmust, és az endorkin rendszert kedvezően befolyásolhatja, és segítheti az immunrendszert • a melatonin és a szeratonin termelését is befolyásolja a fény (természetes fény hiánya -> melatonin túltermelés -> téli depresszió)
Szemre és bőrre gyakorolt hatás intenzitás
hullámhossz
Lézerek diagnosztikai alkalmazásai I.
Lézerspektroszkópia
•
kis térfogatba fókuszálható » térbeli feloldás növelése
•
kis sávszélességű, hangolható lézerek » spektrális érzékenység javítása
•
impulzusüzemű lézerek » időbeli feloldás
Élettani mérések: vér-volumen mérése
vér-volumentől függő fény-elnyelés
pletizmográf
Élettani mérések: perfúzió Doppler áramlásmérő a szórt fény frekvenciája a szóró részecskék sebességétől függően eltolódik a lézer keskeny sávszélességű, így a frekvencia-eltolódás mérhető
Élettani mérések: perfúzió Lézeres folt-interferencia – laser speckle koherens fény interferenciája ha a szóró részecskék mozognak, akkor a véges expozíciós idő alatt a kép elmosódik
Lézerek terápiás alkalmazásai monokromatikus (adott szövetben jól elnyelődő hullámhossz) jól fókuszálható (nagy teljesítménysűrűség érhető el)
rövid távon nincs károsodás, biostimuláció (diffúzió és anyagcsere gyorsulása sérülések gyogyulásának gyorsítására) fehérje kicsapódás, sejtpusztulás (vérzéscsillapítás, túlburjánzott erek visszaszorítása)
víz elpárolgása, robbanás (metszés létrehozása, kőzúzás) vágás, koagulált környezettel (vérzéscsillapítás)
Lézerek terápiás alkalmazásai
fotodinamikus diagnosztika / terápia
Lézerek sebészeti alkalmazásai nagy előnye, hogy az alkalmazott teljesítmény és az expozíciós idő pontosan állítható a fókuszban levő terület kezelése lehetséges a környező területek károsítása nélkül tökéletes irányíthatóság transzparens rétegek mögötti műtétek (szemfenék) klasszikus sebészeti lézerek: CO2, rubin, Nd:YAG, Ar-ion, excimer koaguláció (nem a szövet eltávolítsa, csak hegszövet kialakítása) • hemangiómák (elburjánzott kapillárisok) eltüntetése • vérzéscsillapítás (lézerszike hasznos mellékhatása) • szemfenéki érburjánzás • retinaleválás • zöldhályog (trabekuláris hálózat koagulációja: csarnokvíz elvezetése)
Lézerek sebészeti alkalmazásai vaporizáció, karbonizáció • lézerszike (akár mm méret), behatolási mélység 0,03 – 4 mm • belső szervi műtéthez a fény bevezetése: merev falú tükrös, optikai szál • előnyei: • éles sebszélek (gyors, fájdalommentes gyógyulás) • kisebb szöveti roncsolódás • érelzárás, vérzéscsillapítás • sterilizálás (lokális hőhatás) • kőzúzás (vese, epe)
Lézerek alkalmazásai: Bőrgyógyászat szoft-lézer terápia:
érkezelés
övsömör, herpesz, fekélyek, nehezen gyógyuló hámhiányos sebek gyógyítása pikkelysömör
fekély gyógyulása
Lézerek alkalmazásai: Bőrgyógyászat szőrtelenítés
bőrfiatalítás
Lézerek alkalmazásai: Bőrgyógyászat tetoválás-eltávolítás
sebészeti beavatkozás
Lézerek alkalmazásai: szemészet transzparens közeg mögötti beavatkozás
diabéteszes retinopátia kezelése levált retina rögzítése
refraktív szemsebészet a cornea lézeres alakformálása a szem törőerősségének javítása céljából
D
n2 n1 R
rövidlátás
távollátás korrekciója
refraktív szemsebészet LASer In-situ Keratomileusis
IntraLASIK: mechanikus mikrokeratom kiváltása, femtoszekundumos impulzussorozattal 100 µm mélyen légbuborékokat hoznak létre (vaporizáció)
Fogászat Tömőanyagok polimerizációja
Fogbarázdák elsimítása Gyökérkezelés: tökéletes fertőtlenítése a dentintubulusok elzárása (későbbi gyulladások megelőzése) a komplikáltabb gyökércsatornák legmélyére is eljuttatható Szájsebészet: pontos alkalmazhatóság, minimális szövetkárosodás minimális vérzés (pl.: ajakfék műtét, retineált fog feltárása) kisebb posztoperatív fájdalom Fogfehérítés: speciális fehérítőszer aktiválása 3-4 színárnyalatnyi fehérítés
Kő fragmentáció
Lézer-szike
Lézer - biztonság Theodore Maiman az első lézer teljesítményét 1 "Gillette„-ként jellemezte, mivel keresztül tudott égetni egy borotva pengét (veszélyes lehet).
Lézeres biztonsági osztályok: Class I/1 biztonságos, általában azért, mert a lézer zárt térben helyezkedik el (pl. CD-lejátszó). Class II/2 normál hazsnálat során biztonságos; a szem pislogási relfexe megakadályozza a komolyabb károsodást. Általában 1 mW teljesítményig, gyengébb lézeres mutatópálcák. Class IIIa/3R lézerek teljesítménye 5 mW-ig terjed, és a pislogási reflex ideje alatt is szemkárosodást okoz. Ilyen nyalábba nézve a retina néhány másodperc alatt károsodik. Class IIIb/3B a szemnek azonnali károsodást okoz. Class IV/4 lézerek megégetik a bőrt, már szórt fény is okozhat szemilletve bőr-károsodást. Az ipari és tudományos kísérleteket szolgáló lézerek általában ebbe az osztályba tartoznak.
Vizsgára készüléshez ajánlott: • Damjanovich – Fidy – Szöllősi: Orvosi biofizika (3. kiadás) – II/2. Nem-ionizáló sugárzás (fény) – IX/1. Lézerek terápiás alkalmazása
• Előadás (intézeti honlap, CooSpace)
• Hopp Béla: Biológiai anyagok, szövetek lézeres megmunkálása, orvostudományi alkalmazások (intézeti honlap) • Optika tankönyvek • Internet… – pl. http://euromedica.hu/index.php?id=11
Alapkérdések • Mi a lézer? Mitől különleges? • A lézersugár jellemző paraméterei. Lézerek típusai. •Mely tulajdonságai teszik a lézert hasznossá az orvostudományban? •Milyen főbb orvosi területeken alkalmazzák a lézereket?
