Vzhledem ke stále se rozšiřujícímu spektru přístrojů a jejich využití v ambulantní péči je publikace velmi vhodnou příručkou jak pro začátečníky, tak i doplňkem pro pracoviště, která fototerapii v praxi již využívají. Je přínosná také pro studenty lékařských fakult zaměřených na výuku fyzioterapeutů.
Leoš Navrátil a kolektiv
Kniha přináší obsáhlý přehled možností současné neinvazivní laserové medicíny. Téma v ní zpracované ještě nebylo podobným způsobem na našem knižním trhu publikováno.
Grada Publishing, a.s., U Průhonu 22, 170 00 Praha 7 tel.: +420 234 264 401, fax: +420 234 264 400 e-mail:
[email protected], www.grada.cz
Nové pohledy na neinvazivní laser
z recenzních posudků prof. MUDr. Ivana Dylevského, DrSc. a MUDr. Davida Slouky, Ph.D.
Leoš Navrátil a kolektiv
Nové pohledy na neinvazivní laser
Leoš Navrátil a kolektiv
Nové pohledy na neinvazivní laser
GRADA Publishing
Upozornění pro čtenáře a uživatele této knihy Všechna práva vyhrazena. Žádná část této tištěné či elektronické knihy nesmí být reprodukována ani šířena v papírové, elektronické či jiné podobě bez předchozího p ísemného souhlasu nakladatele. Neoprávněné užití této knihy bude trestně stíháno.
Prof. MUDr. Leoš Navrátil, CSc., a kolektiv
Nové pohledy na neinvazivní laser Editor: Prof. MUDr. Leoš Navrátil, CSc. Kolektiv autorů: MUDr. Pavla Alexandrová, Ing. Yulia Efremova, prof. MUDr. Jana Hercogová, CSc., MHA, prof. RNDr. Hana Kolářová, CSc., prof. Leonardo Longo, MD, MUDr. Alexandra Mateřanková, prof. MUDr. Leoš Navrátil, CSc., Ing. Václav Navrátil, doc. MUDr. Pavel Poleník, CSc., doc. Ing. et PhDr. Jaroslav Průcha, CSc., MUDr. Eva Remlová, Ph.D., prof. MUDr. Jozef Rosina, Ph.D. Recenze: Prof. MUDr. Ivan Dylevský, DrSc. MUDr. David Slouka, Ph.D. Vydání odborné knihy schválila Vědecká redakce nakladatelství Grada Publishing, a.s. © Grada Publishing, a.s., 2015 Cover Photo © allphoto, 2015 Vydala Grada Publishing, a.s. U Průhonu 22, Praha 7 jako svou 6048. publikaci Odpovědný redaktor Mgr. Luděk Neužil Sazba a zlom Antonín Plicka Obrázky dodali autoři. Počet stran 160 + 12 stran barevné přílohy 1. vydání, Praha 2015 Vytiskly Tiskárny Havlíčkův Brod, a.s. Názvy produktů, firem apod. použité v knize mohou být ochrannými známkami nebo registrovanými ochrannými známkami příslušných vlastníků, což není zvláštním způsobem vyznačeno. Postupy a příklady v této knize, rovněž tak informace o lécích, jejich formách, dávkování a aplikaci jsou sestaveny s nejlepším vědomím autorů. Z jejich praktického uplatnění ale nevyplývají pro autory ani pro nakladatelství žádné právní důsledky.
ISBN 978-80-247-5929-6 (ePUB) ISBN 978-80-247-5928-9 (pdf) ISBN 978-80-247-1651-0 (print)
Obsah
Obsah Seznam zkratek ������������������������������������������������������������������������������������������������������� 9 Úvod ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 11 1 1.1 1.2
Historická cesta k laseru (Leoš Navrátil) ������������������������������������������������� 13 Významné osobnosti ����������������������������������������������������������������������������������������� 13 Historie fototerapie �������������������������������������������������������������������������������������������� 16
2 Fyzikální charakteristika laseru (Jozef Rosina) ��������������������������������������� 19 2.1 Elektromagnetické vlnění ��������������������������������������������������������������������������������� 19 2.2 Laser �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 19 2.2.1 Princip laseru �������������������������������������������������������������������������������������� 21 2.2.2 Příslušenství ����������������������������������������������������������������������������������������� 23 3 Východiska neinvazivní laseroterapie z pohledu biomedicínské technologie (Jaroslav Průcha) ������������������������������������������������������������������� 25 3.1 Ještě několik údajů z historie ���������������������������������������������������������������������������� 25 3.2 Přírodní a umělé zdroje světla ������������������������������������������������������������������������� 28 3.3 Luminiscenční zdroje ���������������������������������������������������������������������������������������� 29 3.4 Základní technické údaje o laserech ��������������������������������������������������������������� 32 3.5 Technické aspekty neinvazivní laserové stimulace ���������������������������������������� 40 3.6 Technické parametry aplikace laseru �������������������������������������������������������������� 42 Mechanismy působení laseru in vivo (Leoš Navrátil, Yulie Efremova) ����� 51 Fotochemická reakce ����������������������������������������������������������������������������������������� 51 Mechanismus účinku terapeutického laseru na organismus ����������������������� 51 Biologické účinky aplikace terapeutického laseru ����������������������������������������� 55 4.3.1 Analgetický účinek laserového záření ���������������������������������������������� 56 4.3.2 Mechanismus stimulačního účinku laseru �������������������������������������� 58 4.4 Protizánětlivý vliv laseru ���������������������������������������������������������������������������������� 59 4.5 Mechanismus účinků laseru na krev jako celek a na jednotlivé krevní buňky ������������������������������������������������������������������������������������������������������ 60 4.6 Ozařování krve laserem ������������������������������������������������������������������������������������ 61
4 4.1 4.2 4.3
5 Možnosti terapeutického využití laserů o vyšších výkonech (Leoš Navrátil) ������������������������������������������������������������������������������������������ 65 5.1 Vysokovýkonný terapeutický laser ������������������������������������������������������������������ 65 5.2 Metodika aplikace ���������������������������������������������������������������������������������������������� 66 5.3 Indikace HPLT ��������������������������������������������������������������������������������������������������� 67 5.4 MLS® laserová terapie ���������������������������������������������������������������������������������������� 68 5.5 Závažné upozornění ������������������������������������������������������������������������������������������ 70 6
Možnosti laseroterapie v dermatologii (Jana Hercogová, Pavla Alexandrová, Alexandra Mateřanková) �������������������������������������������� 73 5
Nové pohledy na neinvazivní laser 6.1
Hojení ran a vředů ��������������������������������������������������������������������������������������������� 6.1.1 Ulcus cruris venosum ������������������������������������������������������������������������� 6.1.2 Ulcus cruris diabeticorum ����������������������������������������������������������������� 6.2 Infekce a záněty �������������������������������������������������������������������������������������������������� 6.2.1 Infekce herpetickými viry ������������������������������������������������������������������ 6.2.2 Folikulitida, furunkl, absces �������������������������������������������������������������� 6.2.3 Acne vulgaris ��������������������������������������������������������������������������������������� 6.2.4 Dermatitis perioralis, rosacea, rhinophyma ������������������������������������ 6.2.5 Eczema atopicum �������������������������������������������������������������������������������� 6.2.6 Pruritus, dermatitis seborrhoica, lichen planus ������������������������������ 6.2.7 Psoriasis ������������������������������������������������������������������������������������������������ 6.2.8 Záněty nehtových lůžek, drobná poranění �������������������������������������� 6.3 Pigmentové léze ������������������������������������������������������������������������������������������������� 6.3.1 Vitiligo �������������������������������������������������������������������������������������������������� 6.4 Terapie alopecie ������������������������������������������������������������������������������������������������� 6.4.1 Alopecia areata ������������������������������������������������������������������������������������ 6.4.2 Alopecia androgenetica ���������������������������������������������������������������������� 6.5 Další indikace ����������������������������������������������������������������������������������������������������� 6.5.1 Jizvy ������������������������������������������������������������������������������������������������������ 6.5.2 Fotorejuvenace ������������������������������������������������������������������������������������ 6.5.3 Lymfedém �������������������������������������������������������������������������������������������� 6.6 Závěr ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
74 74 74 75 75 75 75 76 76 76 77 77 77 77 77 77 78 78 78 78 79 79
7 7.1 7.2
Možnosti laseroterapie v léčbě pohybového aparátu (Leoš Navrátil) ����� 83 Základní principy ���������������������������������������������������������������������������������������������� 83 Indikace při léčbě pohybového aparátu ���������������������������������������������������������� 84 7.2.1 Vertebrogenní algický syndrom �������������������������������������������������������� 84 7.2.2 Artrózy ������������������������������������������������������������������������������������������������� 86 7.2.3 Distorze a svalové kontuze ���������������������������������������������������������������� 86 7.2.4 Achillodynie ���������������������������������������������������������������������������������������� 87 7.2.5 Entezopatie ������������������������������������������������������������������������������������������ 87 7.2.6 Humeroskapulární periartropatie ���������������������������������������������������� 88 7.2.7 Zmrzlé rameno ������������������������������������������������������������������������������������ 88 7.2.8 Chondropatie pately ��������������������������������������������������������������������������� 88 7.2.9 Syndrom karpálního tunelu �������������������������������������������������������������� 88 7.2.10 Dupuytrenova kontraktura ���������������������������������������������������������������� 89 7.2.11 Další indikace �������������������������������������������������������������������������������������� 89 7.3 Závěr �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 90 8 Lasery v estetické medicíně (Leonardo Longo) ���������������������������������������� 91 8.1 Materiál a metody ���������������������������������������������������������������������������������������������� 91 8.2 Přehled laserové kosmetické chirurgie ����������������������������������������������������������� 95 8.3 Závěr �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 96 9 9.1
6
Možnosti laseroterapie ve stomatologii (Pavel Poleník) �������������������������� 97 Stimulační fototerapie ��������������������������������������������������������������������������������������� 97 9.1.1 Ošetření měkkých tkání po chirurgických zákrocích �������������������� 98 9.1.2 Aplikace u extrakčních ran a alveolitidy ������������������������������������������ 98 9.1.3 Podpůrná léčba u parodontopatií ����������������������������������������������������� 98
Obsah
9.2 9.3
9.1.4 Některé choroby ústní sliznice (zejména recidivující afty) ����������� 99 9.1.5 Mukozitida jako komplikace léčby cytostatiky ����������������������������� 100 9.1.6 Urychlení regenerace poškozené nervové tkáně �������������������������� 100 9.1.7 Stimulace oseointegrace a kostní regenerace �������������������������������� 100 9.1.8 Urychlení pohybu zubu během ortodontické léčby ��������������������� 100 9.1.9 Aplikace u chorob temporomandibulárního kloubu ������������������� 101 9.1.10 Redukce bolesti ��������������������������������������������������������������������������������� 101 9.1.11 Snížení citlivosti zubních krčků ������������������������������������������������������ 102 Antimikrobiální fototerapie ��������������������������������������������������������������������������� 103 9.2.1 Antimikrobiální fototerapie v kořenovém kanálku zubu ������������ 103 9.2.2 Antimikrobiální fototerapie v parodontologii ������������������������������ 104 Fotodynamická terapie (PDT) ����������������������������������������������������������������������� 105 9.3.1 Fotodynamická terapie v parodontologii ��������������������������������������� 106 9.3.2 Fotodynamická terapie v endodoncii ��������������������������������������������� 106
10 Možnosti využití laseru v chirurgii a v porodnictví (Eva Remlová) ����� 111 10.1 Cévní změny ����������������������������������������������������������������������������������������������������� 113 10.2 Pigmentové změny ������������������������������������������������������������������������������������������ 113 10.3 Tetováže ������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 113 10.4 Epilace ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 113 10.5 Ablace kůže – vyhlazení nerovností kožního povrchu ������������������������������� 114 10.6 Komplikace laserové terapie v chirurgických oborech ������������������������������� 114 10.7 Využití LLLT v chirurgii ��������������������������������������������������������������������������������� 114 10.8 Kombinovaná laserová terapie jizev po popálení u dětí ����������������������������� 114 10.9 Jizvy ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 115 10.10 Léčba vysokovýkonným laserem a její vedlejší účinky ������������������������������� 116 10.11 Indikace neinvazivního laseru v porodnictví ���������������������������������������������� 116 10.12 Závěr ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 117 11 11.1 11.2 11.3
Kontraindikace laseroterapie (Leoš Navrátil) ���������������������������������������� 119 Relativně oprávněné kontraindikace ������������������������������������������������������������� 119 Kontraindikace platné za určitých podmínek ���������������������������������������������� 121 Kontraindikace chybně uváděné ������������������������������������������������������������������� 122
12 12.1 12.2 12.3 12.4
Principy fotodynamické terapie (Hana Kolářová) ��������������������������������� 125 Základní principy fotodynamické terapie ���������������������������������������������������� 125 Fotodynamický jev ������������������������������������������������������������������������������������������ 126 Typy senzitizérů ����������������������������������������������������������������������������������������������� 127 Zdroje záření používané pro PDT ����������������������������������������������������������������� 129
13 13.1
Ochrana zdraví při práci s lasery (Václav Navrátil) ������������������������������� 133 Přehled citovaných legislativních dokumentů ��������������������������������������������� 137
Appendix 1: Přehled fyzikálních pojmů a veličin (Leoš Navrátil, Hana Kolářová, Jaroslav Průcha) �������������������������������������������������������������������������� 139 A1.1 Důležité pojmy ve vztahu ke světelnému záření ���������������������������������������������� 139 A1.2 Důležité veličiny ve vztahu ke světelnému záření �������������������������������������������� 139 A1.3 Radiometrické veličiny ���������������������������������������������������������������������������������������� 140 A1.4 Rozdělení laserů ��������������������������������������������������������������������������������������������������� 141 7
Nové pohledy na neinvazivní laser Appendix 2: Stručné curriculum vitae autorského kolektivu ���������������������������� 143 Rejstřík ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 149 Souhrn ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 153 Summary ������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 155
8
Seznam zkratek
Seznam zkratek ALA kyselina 5-aminolevulová (5-aminolevulinic acid) aPDT antimikrobiální fotodynamická terapie CCO cytochrom-C-oxidáza CMS Centers for Medicare and Medicaid Services ČLS JEP Česká lékařská společnost Jana Evangelisty Purkyně DCD dynamic cooling device systeme DFB rozprostřená zpětná vazba (distributed feed back) DH dvojitá heterostruktura (double heterostructure) EPR paramagnetická rezonance (electron paramagnetic resonance) FDA Úřad pro kontrolu potravin a léčiv (The Food And Drug Administration) FGF fibroblastový růstový faktor (fibroblast growth factor) HILT® terapie stimulačním laserem s vysokou intenzitou (high intensity laser therapy) HPD deriváty hematoporfyrinů (hematoporphyrin derivative) HPLT terapie vysokovýkonným stimulačním laserem (high-power laser therapy) HSV herpes simplex virus IALMS Mezinárodní akademie pro laserovou medicínu a chirurgii (International Academy for Laser Medicine and Surgery) ICNIRP Mezinárodní komise pro ochranu před neionizujícím zářením (International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection) IFN interferon IL interleukin IPL intenzivní pulzní světlo (intense pulsed light) ISLSM Mezinárodní společnost pro laserovou chirurgii a medicínu (International Society for Laser Surgery and Medicine) KTP kaliumtitanylfosfát laser light amplification by stimulated emission of radiation LASIK laser-assisted in situ keratomileusis LED luminiscenční dioda (light-emitting diode) LLLT terapie nízkovýkonným stimulačním laserem (low level laser therapy) MMP metaloproteáza MPE maximální přípustná dávka (maximum permissible exposure) NIR blízké infračervené oblasti (neer infrared) PDGF destičkový růstový faktor (platelet-derived growth factor) PDL pulzní barvivový laser (pulsed dye laser) PDT fotodynamická terapie prostaglandin E2 PGE2 Pp protoporfyrin QW kvantová jáma (quantum well) ROS reaktivní kyslíkové radikály (reactive oxygen species) RSI poškození z opakovaného namáhání (repetition strain injury) TGF transformující růstový faktor (transforming growth factor) TIMP tkáňový inhibitor metaloproteináz (tissue inhibitor of metalloproteinase) TNF faktor nádorové nekrózy (tumor necrosis factor) 9
Nové pohledy na neinvazivní laser TPPS mezo-tera-(para-sulfofenyl)-porfyrin VCSEL vertical-cavity surface emitting lasers VIS viditelné světlo WFSLMS Světová federace společností pro laserovou medicínu a chirurgii (World Federation of Societies for Laser Medicine and Surgery)
10
Úvod
Úvod Jako začínající lékař jsem záviděl svým učitelům, když vzpomínali, jak byli na začátku některých, v té době všeobecně uznávaných vyšetřovacích technik či terapeutických postupů, kdy stáli na začátku tunelu a netušili, zda na konci bude světlo. Měl jsem to štěstí, že i mně profesní život umožnil v bezprostředním kontaktu sledovat rozvoj neinvazivní laseroterapie v Československé, respektive v České republice. Vzpomínám, jak jsme byli nadšeni, když se nám dostávaly do rukou lasery s výkonem 5 mW, potom 10 mW a co teprve 50 mW. Jak jsme po výrobcích, z dnešního pohledu zcela zbytečně, chtěli stále vyšší a vyšší frekvence, hledali, jaké jsou vhodné vlnové délky na různé indikace, jak zoufale málo existovalo prací z experimentální medicíny. Vycházeli jsme především z klinických zkušeností. Jedno je však jisté. Určitě jsme nebyli pozadu proti vývoji v zahraničí. Naopak, nadšení našich lékařů pro tuto metodu bylo obrovské, jeden čas jsme počtem přístrojů na počet obyvatel byli na třetím místě na světě. Sám jsem měl možnost se poprvé setkat s využitím nízkovýkonných laserů v terapii v roce 1984 v tehdejším Onkologickém vědeckém centru Akademie lékařských věd v Moskvě. Přiznávám se, že jsem k nadšeným poznatkům tamních kolegů přistupoval nedůvěřivě. Jak jsem se mýlil! Myslím, že všichni pamětníci mně potvrdí, že o rozvoj neinvazivní laseroterapie v České republice se nejvíce zasloužil prof. MUDr. Jiří Hubáček, DrSc. Jeho nadšení pro tuto metodiku přetrvává do dnešních dnů. Nechci jmenovat nikoho dalšího, nerad bych na někoho zapomněl. Jsem rád, že jsem se mohl osobně seznámit s celosvětově uznávanými odborníky v laseroterapii. Na prvním místě bych zde rád vzpomenul prof. Isaaca Kaplana, MD., PhD., který se podílel na vývoji CO2 laseru. Rád připomenu i řadu dalších. Prof. J. J. Anderse, BiD, PhD z USA, prof. A. Baruchina, MD, PhD z Izraele, G. D. Baxtera, TD, BSc, DPhil, MCSP z Nového Zélandu, K. Khatriho, MD z USA, prof. G. Lynn-Powella, DDS, PhD z USA, prof. T. Ohshira, MD, PhD z Japonska, prof. M. D’Ovidia, MD z Itálie, prof. M. L. Pascu, PhSc, PhD z Rumunska, prof. K. A. Samojlovou, PhD z Ruské federace, prof. S. Svanberga, PhD, prof. M. A. Trellese, MD ze Španělska, J. Tunera, MD ze Švédska, doc. A. Vaitkuvienovou, MD, PhD z Litvy, prof. W. Waidelicha, MD, PhD z Německa a tento výčet není určitě úplný. Snad nejvíce se o rozvoj laseroterapie zasloužil v posledních letech prof. Leonardo Longo, MD, prezident Mezinárodní akademie pro laserovou medicínu a chirurgii, který je autorem jedné z kapitol této monografie. Studium účinku laseru na tkáň zaznamenalo v posledním desetiletí významný pokrok. Od empirických studií, kdy byly hodnoceny možnosti využití terapeutického laseru v jednotlivých indikacích spíše metodou úspěchu a omylu, po dnešní dobu, kdy každým dnem přibývají výsledky popisující metabolické změny navozené aplikací laseru. Tyto poznatky je pak možné promítnout cíleně do klinických postupů. Není možné opominout technický rozvoj. Revoluci pro neinvazivní laseroterapii znamenají diodové lasery. Dnes výrobci nabízí diody o výkonech do 12 W a o širokém spektru vlnových délek. A co je nejdůležitější – jejich cena je přijatelná pro většinu zdravotnických zařízení. Pro zkrácení délky aplikace prošly vývojem i samotné aplikátory. Zvyšující se výkony laserových diod umožnily rozvoj vysokovýkonné laserové terapie (PLT) s aplikací 11
Nové pohledy na neinvazivní laser hustot energie, které jsme ještě před 2 lety popírali jako nemožné. Je zajímavé, že v poslední době se objevují pozitivní výsledky i z „druhého pólu“. Tuto formu označujeme jako ultranízkou laserovou terapii (ULLLT). Rozsah textu, který vám předkládáme, nedovoluje vyčerpávajícím způsobem shrnout dosavadní poznatky, týkající se využití terapeutického laseru v jednotlivých klinických oborech. Věříme však, že bude pro mnohé inspirací k jeho širšímu využití. Praha, říjen 2015
12
prof. MUDr. Leoš Navrátil, CSc.
Historická cesta k laseru
1
Historická cesta k laseru Leoš Navrátil
1.1
Významné osobnosti
Jan Marek Marků (obr. 1.1), Čech, rektor Univerzity Karlovy a osobní lékař císaře Leopolda I., již v roce 1648 vyslovil myšlenku, že bílé světlo je světlem složeným a vysvětlil podstatu duhy. V roce 1672 se podařilo Isaacu Newtonovi (obr. 1.2) prokázat, že bílé světlo je možné hranolem rozložit na barevné složky. Prokázal, že bílé světlo se skládá ze spektra barev. Newton si představoval, že světlo se skládá z rychle letících částic (korpuskulí) nepatrných rozměrů, přičemž Obr. 1.1 Jan Marek každá barva je zastoupena čás- Marků (13. 6. 1595 – ticemi s rozdílnou velikostí. Se 10. 4. 1667) svou „korpuskulární teorií“ dokázal vysvětlit tehdy známé „částicové“ vlastnosti světla, jako je odraz, lom a další. Korpuskulární model vysvětluje také fotoefekt. Ve stejném století definoval vlnovou teorii světla Christian Huygens (obr. 1.3). Jeho podstatu viděl ve vlnění, které Obr. 1.2 Isaac Newton se šíří prostorem stejnou rychlostí všemi směry z každého (4. 1. 1643 – 31. 3. 1727) bodu na povrchu svítícího tělesa. Dokázal pomocí své teorie vysvětlit většinu tehdy známých vlnových vlastností světla. Navodil spor, zda je světlo částice nebo vlna. Počátkem 19. století Thomas Young (obr. 1.4) vyslovil myšlenku interference světla, která je typickým příkladem čistě vlnových vlastností světla. Jde o vzájemné působení dvou stejných světelných vln o stejné frekvenci a amplitudě v daném okamžiku a místě. Vlnové rozruchy se vzájemně Obr. 1.3 Christian sčítají. Setkají-li se ve fázi, vý- Huygens (14. 4. 1629 – sledkem je jejich zesílení, po- 8. 7. 1695) kud se nesetkají ve fázi, zeslabení. V 19. století převládla vlnová teorie světla. Zbývalo však vyřešit otázku „co se vlní“. Na tuto otázku odpověděl na přelomu padesátých a šeObr. 1.4 Thomas Young desátých let 19. století James Clerk Maxwell (obr. 1.5) (13. 6. 1773 – 10. 5. svou teorií elektromagnetického pole. V roce 1865 mate1829) maticky odvodil, že existují elektromagnetické vlny, které 13
1
1
Nové pohledy na neinvazivní laser se šíří rychlostí světla. Výsledky své práce shrnul do rovnic, které se staly základem teorie elektromagnetického pole. Rovnice vysvětlovaly všechny známé zákonitosti elektrických a magnetických polí. Na základě řešení těchto rovnic Maxwell předpověděl existenci příčných elektromagnetických vln, které se mohou šířit ve vakuu, a tím prokázal, že viditelné světlo není nic jiného než příčné vlnění elektromagnetického pole v určitém intervalu frekvencí. Maxwell ukázal, že elektrické, magnetické a optické jevy mají stejnou podstatu. Předpověděl existenci dalšího elektromagnetic- Obr. 1.5 James Clerk kého záření. Toto záření však Maxwell (13. 1. 1831 – už není světlem, které může 5. 11. 1879) člověk vnímat zrakem. Max Planck (obr. 1.6) v roce 1900 vyslovil předpoklad, že světlo je tvořeno malými částečkami energie – „kvanty“. Energie každého kvanta je úměrná frekvenci záření. Tak byly položeny základy kvantové fyziky. Podle ní má světlo dvojaký charakter; vlnový a korpuskulární. Kvanta energie byla později označena jako fotony. Mezi sebou fotony interferují jako vlny. Obr. 1.6 Max Karl Ernst Principy vyzařování a pohlcování záření atomy vysvětLudwig Planck (23. 4. lil v letech 1912–1913 dánský fyzik Niels Bohr (obr. 1.7). 1858 – 3. 10. 1947) Podle jeho modelu obíhají elektrony kolem jádra po vymezených drahách (hladinách). Přeskočí-li elektron z jedné hladiny na druhou, může atom získat energii v podobě elektromagnetického záření v případě, že elektron přeskočí na vyšší energetickou hladinu, nebo ji ztratit v případě, že se dostane na nižší energetickou hladinu. Energie atomu se změní právě o vyzářené nebo pohlcené kvantum. Albert Einstein (obr. 1.8). V době vzniku kvantové teorie na počátku století byl v těsném kontaktu s Maxem Planckem. Byl jedním z prvních, kdo pochopil význam kvantové teorie a sám přispěl k jejímu dalšímu rozvoji. Ukázal, že neexistují pouze dva procesy při vzájemném působení látky a záření (ab- Obr. 1.7 Niels Henrik sorpce a emise energie), ale tři David Bohr (7. 10. 1885 (k výše uvedeným ještě stimu- – 18. 11. 1962) lovaná emise). Setká-li se další kvantum energie s atomem, který je již na vyšší energetické hladině a odmítá tuto hladinu přechodně opustit, lze ho donutit vyzářit další kvantum energie (elektromagnetického záření) a přejít na nižší hladinu. Původní dopadající kvantum se ale nepohltí. Výsledkem jsou dvě kvanta světelné energie, světlo o dvojnásobné energii. Hovoříme o vynucené (neboli indukované) emisi Obr. 1.8 Albert Einstein záření, tedy o fyzikálním jevu, na kterém je činnost laserů (14. 3. 1879 – 18. 4. 1955) založena. Tento jev Einstein předpověděl již v roce 1916. 14
Historická cesta k laseru Anglický fyzik Paul Adrien Maurice Dirac (obr. 1.9) provedl koncem dvacátých let 20. století detailnější matematickou analýzu kvantové teorie záření a dále rozvinul Einsteinovy myšlenky. Einstein i Dirac si byli vědomi vlastností, jaké by vynucené záření mělo mít. Na rozdíl od chaotické spontánní emise musí být vyzařování při vynucené emisi mnohem uspořádanější. Dopadající i vyzářené kvantum budou mít stejnou vlnovou délku a stejnou fázi a budou vzájemně koherentní. Světlo vyzářené při vynucené emisi nebude pouze zesíleno, zachová si i charakter sinusové vlny, u níž je možné Obr. 1.9 Paul Adrien v každém okamžiku a v každém Maurice Dirac (8. 8. místě určit, zda právě prochází 1902 – 20. 10. 1984) vrcholem či jinou fází. První funkční LASER (pojem složený z počátečních písmen anglického názvu Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) demonstroval 16. května 1960 Theodore Harold Maiman (obr. 1.10). Jako aktivní prostředí používal krystal rubínu, do kterého promítal záblesky obyčejného světla. Není bez zajímavosti, že byl dvakrát navržen na Nobelovu cenu, nikdy ji však nedostal. Obr. 1.10 Theodore Za objevy v oblasti kvantové elektroniky zaměřené na Harold Maiman (11. 7. oblasti teorie a aplikace laseru se v roce 1964 však podělili 1927 – 5. 5. 2007) o Nobelovu cenu americký fyzik Charles Hard Townes a dva ruští fyzici, Alexandr Michajlovič Prochorov a Nikolaj Genadijevič Basov. Charles Hard Townes (obr. 1.11) je znám za svou práci v oblasti teorie a aplikace maseru, který patentoval, a publikacemi v oblasti kvantové elektroniky spojené jak s mase rem, tak s laserem. Byl členem Papežské akademie věd a Národní akademie věd Spojených států. Alexandr Michajlovič Pro- Obr. 1.11 Charles Hard chorov (obr. 1.12) se narodil Townes (28. 7. 1915 – v roce 1916 v Athertonu (Aus- 27. 1. 2015) trálie). V roce 1923 se rodina vrátila do Sovětského svazu. V roce 1939 absolvoval s vyznamenáním Leningradskou státní univerzitu a začal pracovat v Lebeděvově fyzikálním institutu v Moskvě. Zkoumal šíření radiových vln v ionosféře. V červnu 1941 se stal příslušníkem Rudé armády. V roce 1947 začal zkoumat radiaci vydávanou elektrony obíhajícími v synchrotronu. Obr. 1.12 Alexander Prokázal, že radiace je většinou v rozsahu mikrovln. V roce Michajlovič Prochorov 1957 ho při zkoumání rubínu napadlo, že by se tento prvek (11. 6. 1916 – 8. 1. 2002) mohl použít jako aktivní prostředí laseru. V roce 1959 se 15
1
1
Nové pohledy na neinvazivní laser stal profesorem na Moskevské státní univerzitě a v témže roce získal Leninovu cenu. O rok později se stal členem Akademie věd SSSR. Nikolaj Genadijevič Basov (obr. 1.13) se narodil v městečku Usmaň v Tambovské gubernii v Sovětském svazu. Od roku 1943 sloužil v 1. ukrajinském frontu a účastnil se druhé světové války. Po válce absolvoval Moskevský inženýrsko-fyzikální institut. Poté pracoval ve Lebeděvově fyzikálním institutu Akademie věd v kolektivu akademika Prochorova. Zaměřil se na oblast kvantové radiofyziky, prováděl experimenty, navrhoval a stavěl oscilátory. Zabýval Obr. 1.13 Nikolaj Ge se vlivy, které působily na frekvenci oscilátoru, a snažil se nadijevič Basov (14. 12. zvýšit jejich stabilitu. Popsal princip zařízení, které dokáže 1922 – 1. 7. 2001) generovat a zesilovat mikrovlny pomocí stimulované emise záření. V roce 1963 založil Laboratoře kvantové radiofyziky a v jejich vedení byl po zbytek života. Jisté období zastával funkci ředitele. Byl členem Akademie věd SSSR a čestným členem Mezinárodní akademie věd. I když první poznatky týkající se laseru byly využity především v armádním výzkumu, byla jeho cesta k využití v medicíně rychlá. Umožnil rozvoj nových léčebných metod, které souhrnně označujeme jako fototerapie.
1.2
Historie fototerapie
Léčebné využití světla v medicíně zaznamenáváme teprve koncem 19. století. Do lékařských ordinací vrátil světlo po období několika století, kdy zejména katolická církev odmítala pohled na obnažené lidské tělo (a tím i možnosti využití fototerapie v té nejpřirozenější podobě, tj. v podobě ošetřování člověka přirozenými slunečními paprsky), dánský lékař prof. Niels Ryberg Finsen (obr. 1.14). Za výsledky v terapii pacientů s nejrůznějšími kožními chorobami mu byla v roce 1903 udělena Nobelova cena. Na začátku 20. století jsou v celém civilizovaném světě, a Čechy nebyly výjimkou, zakládány „světloléčebné ústavy“ užívající lampy emitující světlo v nejrůznějších vlnových délkách. A to jak viditelné, tak i infračervené a ultrafialové. Rozvoj fototerapie podnítil rozvoj lázeňství, budování známých letovisek v Řecku, v Itálii nebo na francouzské Riviéře. Protože se prokázal klíčový význam fototerapie v boji proti plicní tuberkulóze, zaznamenáváme intenzivní budování lázeňských míst ve vysokohorském prostředí, která poskytovala nemocným dlouhodobé pobyty na horském vzduchu spojené se sluněním (helioterapie, případně klimatoterapie), kvalitní stravou a s dostatkem odpočinku. V předcházející kapitole jsme stručně nastínili vývoj laserů. Do medicíny začaly pronikat od konce roku 1961 a to nejdříve jako invazivní lasery v oftalmologii. Charles Campbell a Charles Koester odstranili nádor sítnice poObr. 1.14 Niels Ryberg mocí rubínového laseru. Elias Snitzer popsal první operaci Finsen (15. 12. 1860 – s neodymovým laserem. Pro zajímavost, tento laser se stal 24. 9. 1904) prvním, který byl použit jako laserová zbraň. 16
Historická cesta k laseru Od poloviny šedesátých let 20. století se věnoval možnostem využití neinvazivního laseru v medicíně profesor chirurgie Semmelweisovy univerzity v Budapešti Endre Mester (obr. 1.15). Právem ho považujeme za otce zakladatele této formy léčby. Své první práce věnoval studiu působení laseru na melanom. Záhy si také všiml stimulačních vlastností laseru a svou pozornost přenesl tímto směrem. V roce 1974 zakládá Laserové výzkumné centrum, které se věnuje biologickým účinkům paprsků laseru na živou Obr. 1.15 Endre Mester (20. 11. 1903 – tkáň v celé šíři. V roce 1923 Alexandr Gavrilovič Gurvič (obr. 1.16), 30. 3. 1984) profesor histologie a embryologie Moskevské státní univerzity a později ředitel Ústavu experimentální medicíny v tehdejším Leningradu, jako první na světě pozoroval, že buňky emitují ultrafialové světlo jako důsledek mezibuněčné komunikace. Popisuje jej jako mitogenní záření a předpokládá, že stimuluje dělení buněk aktivací nitrobuněčných chemických (enzymatických) reakcí. Mezi nejvýraznější osobnosti v oblasti laserové medicíny patří profesor plastické chirurgie Isaac Kaplan (obr. 1.17), zakladatel a první předseda Mezinárodní společnosti pro laserovou chirurgii a medicínu. Profesor Kaplan byl jedním z prvních, kteří již začátkem šedesátých let Obr. 1.16 Alexandr pochopili přínos laseru pro medicínu a zejména chirurgii. Gavrilovič Gurvič (26. 9. Zároveň si uvědomil nutnost 1874 – 27. 7. 1954) vývoje takového zařízení, které by umožnilo dostat paprsek laseru nad operační stůl, aby jej chirurg mohl ovládat podobně jako skalpel. Nezbytností muselo být jeho spolehlivé napájení, volná kloubová ramena a přesná zrcadla k přenosu paprsku. Násadec, se kterým by měl operatér pracovat, musel být dostatečně malý, lehce ovladatelný a bez problémů sterilizovatelný. Výsledkem byl první CO2 laser SHARPLAN, který zkonstruoval společně se Sharonem Obr. 1.17 Isaac Kaplan v roce 1972. Ten přinesl malou revoluci v některých dosa- (1919 – 4. 8. 2012) vadních chirurgických přístupech. Zde je na místě připomenout některé další významné odborníky, jejichž jména zná každý, kdo se o danou problematikou zajímá a pravidelně sleduje zahraniční literaturu. Jedním z nich je prof. Tina I. Karu, vedoucí Laboratoře laserové biologie a medicíny Institutu laserových a informačních technologií Akademie lékařských věd Ruské federace. Je autorkou několika monografií, věnovaných především studiu působení laseru na celulární a subcelulární úrovni. Dalším, světově uznávaným odborníkem v oblasti laserové medicíny se zaměřením na dermatologii a estetickou chirurgii je absolvent Lékařské fakulty Národní univerzity v Barceloně, profesor Katolické univerzity Nejsvětějšího Srdce Ježíšova v Římě a hostující profesor Lékařské fakulty Masarykovy univerzity v Brně dr. Mario A. Trelles. Dalším světově uznávaným odborníkem zejména v oblasti využití laseru v plastické a rekonstrukční chirurgii je rodák 17
1
1
Nové pohledy na neinvazivní laser *
z Okinawy, absolvent lékařské fakulty univerzity Keio, současný přednosta Ohshiro kliniky v Keio a ředitel Japonské lékařské laserové laboratoře prof. Toshio Ohshiro. V roce 1988 byl zvolen prvním prezidentem Mezinárodní asociace laserové terapie. Na místě je rovněž připomenout ředitele Ústavu lékařské optiky Mnichovské univerzity prof. Wilhelma Waidelicha, dr. Jana Tunéra, zubního lékaře ze Stockholmu, který má ve svém osobním archivu obrovské množství informací týkající se neinvazivní laseroterapie ze všech lékařských oborů za posledních 25 let či spoluautora převážné většiny jeho učebnic prof. Larse Hodeho, prezidenta a zakladatele Švédské laserové lékařské společnosti. Samozřejmě, tím výčet uznávaných specialistů nekončí. Je třeba připomenout prof. Juanitu Anders z Bethesdy, profesora stomatologie Univerzity Utah G. Lynn-Powella, vynikajícího rumunského fyzika prof. Mihaila Luciana Pascu z Bukurešti, doc. Aurelii Vaitkuvieneovou z Vilnijuské univerzity nebo prof. Kiru Aleksandrovnu Samojlovovou z Cytologického ústavu Akademie věd Ruské federace v Sankt Peterburgu.
Mezinárodní akademie pro využití laseru v medicíně a v chirurgii Významné postavení mezi mezinárodními odbornými společnostmi, které se věnují problematice možnosti využití laseru v medicíně má Mezinárodní akademie pro využití laseru v medicíně a v chirurgii, jejímž zakladatelem a dlouholetým prezidentem je prof. Leonardo Longo z Florencie, který je také autorem jedné z kapitol této monografie. Akademie každoročně organizuje vysoce hodnocenou mezinárodní konferenci Laserflorence, v roce 2015 se koná její 28. ročník. Fotografie demonstruje, že i vědečtí pracovníci se umí bavit (obr. 1.18).
Obr. 1.18 Závěrečný banket na konferenci Laserflorence 2009 18
Fyzikální charakteristika laseru
2
Fyzikální charakteristika laseru Jozef Rosina
2.1
Elektromagnetické vlnění
Elektromagnetické vlnění je jednou z forem přenosu energie prostorem. Je možné jej vysvětlit i jako zvláštní prostoročasové rozložení elektrického a magnetického pole. Představuje navzájem svázané periodické kmity elektrického pole (na obrázku 2.1 jsou znázorněny jeho vektory E) a na něj kolmého magnetického pole (na obrázku jsou znázorněny vektory magnetické indukce B). Šíření energie prostorem probíhá jako postupné „přelévání“ energie od magnetického k elektrickému poli a naopak (vodorovnou šipkou je znázorněn směr šíření elektromagnetické vlny – je zřejmé, že oba vektory E a B jsou vždy kolmé na směr šíření). Elektromagnetické vlnění reálných zdrojů (například slunečního záření, nebo světla žárovky apod.) je složeno z velkého množství elektromagnetických vln, které se navzájem liší frekvencí, polarizací, amplitudou, fází, rozbíhavostí apod., ve výsledku pak vzniká neuspořádané elektromagnetické pole, které má charakter náhodných „šumů“ (fluktuací).
E
B
Obr. 2.1 Schematické znázornění elektromagnetické vlny (viz text)
2.2
Laser
Elektromagnetické vlnění, vycházející z laseru, má proti vlnění reálných zdrojů (například již popsaného slunečního záření nebo světla žárovky) vlastnosti výrazně odlišné. Právě pro tyto vlastnosti našel laser široké uplatnění v různých oborech. Jeho elektromagnetické vlnění je vždy časově orientované tak, že fáze všech vln je stejná (obr. 2.2), nazýváme je proto vlněním koherentním (je to vlnění o stejné frekvenci, stejného směru kmitání a se stejnou fází nebo fázovým rozdílem). Často je pojem koherence svazován s pojmem interference (skládání vlnění), díky tomu má vycházející vlnění 19
2
2
Nové pohledy na neinvazivní laser y
x
Obr. 2.2 Koherentní elektromagnetické vlnění (fáze všech vln je stejná, tučná křivka) a vlnění nekoherentní (z reálných zdrojů, tenké křivky)
Obr. 2.3 Polarizované elektromagnetické vlnění vysokou hustotu přenášeného výkonu (energie, intenzity). Laserové vlnění je polarizované, to znamená, že je prostorově orientované (obr. 2.3) na definované ploše (vektor intenzity elektrického pole E je vždy kolmý na směr šíření světla a kmitá neustále pouze v jedné rovině), monochromatické (vlnění kmitá pouze na jediné frekvenci) (obr. 2.4), s malou divergencí (vycházející vlnění je málo rozbíhavé) a vzhledem ke své fyzikální podstatě se na něj vztahují veškeré zákonitosti o šíření elektromagnetických polí. Laser může pracovat v režimu kontinuálním (nedochází k žádným změnám parametrů laseru v čase), pulzním (z laseru vystupují impulzy pravidelně a opakovaně). Vystupuje-li z laseru jeden osamocený impulz, mluvíme o laseru impulzním. Lasery mohou být klasifikovány podle různých hledisek, například podle typu aktivního prostředí; vlnových délek elektromagnetického vlnění, které vysílají; podle energetických hladin, zúčastněných při laserovém kvantovém přechodu; časového režimu provozu laseru; podle délky trvání generovaného impulzu; podle typu buzení. Z definice slova laser vyplývá, že zařízení přeměňuje dodávanou energii na elektromagnetické vlnění o vysoké intenzitě pomocí procesu stimulované emise. Stimulovaná 20
Fyzikální charakteristika laseru
polychromatické světlo
LASER
monochromatické světlo
Obr. 2.4 Monochromatické laserové vlnění a vlnění polychromatické (kmitá v širokém spektru vlnových délek, např. světlo vycházející ze žárovky): a – polychromatické světlo, b – monochromatické světlo emise může nastat při interakci excitovaného atomu (iontu, molekuly) s fotonem, jehož energie odpovídá energetickému rozdílu mezi excitovaným a některým níže položeným stavem kvantového systému. Energii můžeme do zařízení dodávat různým způsobem, například opticky, chemicky, elektricky atd. Nejenom energie emitovaného fotonu, ale i jeho ostatní vlastnosti jsou stejné, jako u fotonu, který emisi stimuloval. Zjednodušeně můžeme napsat, že laser je realizován umístěním dostatečně intenzivně buzeného aktivního prostředí do optického rezonátoru a zesilování světla je vlastně kopírování fotonů pomocí stimulované emise.
2.2.1 Princip laseru Co potřebujeme pro vznik elektromagnetického vlnění výše popsaných vlastností? I když existuje velké množství různých typů laserů, každý musí obsahovat tři základní součásti (obr. 2.5). výstupní polopropustné zrcadlo
vysoce odrazivé zrcadlo
rezonátor s aktivním prostředím výstupní laserový paprsek
zdroj budící energie
Obr. 2.5 Schematické znázornění hlavních součástí laseru 21
2
2
Nové pohledy na neinvazivní laser
energie atomu vyšší energetický stav atomu
metastabilní stav
absorpce emise „zářivý přechod“ (foton 1)
budící foton elektromagnetického záření
spontánní emise „nezářivý přechod“
stimulovaná emise (foton 2)
základní energetický stav atomu
Obr. 2.6 Schematické znázornění procesu laserového elektromagnetického vlnění 1. aktivní prostředí: Jde o systém kvantových soustav, schopných pod vlivem budící (excitační) energie absorbovat kvanta této energie, přejít poté do excitovaného stavu a setrvat tam dostatečně dlouho tak, aby bylo možné tuto energii uvolnit najednou pomocí stimulované emise vlnění. Stimulovaná emise je obecně (na rozdíl od spontánní emise) uspořádaná emise fotonů koherentního elektromagnetického záření z látky, vyvolaná dopadajícím zářením za současného přechodu části kvantové soustavy z excitovaného stavu do stavu základního. K této emisi dojde ve chvíli, kdy kolem proletí foton o energii rovné rozdílu energie metastabilní hladiny a základní hladiny. Stimulovaná emise nám u laseru slouží k zesilování světla (obr. 2.6). Při přesunu elektronů z metastabilní hladiny na základní hladiny jsou vypuštěny fotony, které letí stejným směrem. Tyto fotony mají jak částicový, tak vlnový charakter, tudíž se vlnění spojí v jednu vlnu, která bude mít ovšem větší amplitudu. Aktivním prostředím se myslí látka (plynná, kapalná nebo pevná), u které se dá dosáhnout vyšší četnosti atomů na vyšších energetických hladinách než na hladinách nižších tj. obsahuje oddělené kvantové energetické hladiny elektronů. Musíme zdůraznit, že ne každá látka má schopnost uvolňovat energii pomocí stimulované emise vlnění. Umí to některé atomy, ionty, molekuly, plyny, polovodiče či krystalické izolanty, kapaliny a pevné amorfní látky – sklo i keramika); 2. buzení: Jak dostaneme elektrony aktivního prostředí z nižších do vyšších energetických stavů? Jedinou možností je dodat jim energii z vnějšího prostředí. Jak již bylo uvedeno, energie může být dodána nekoherentním, nebo koherentním elektromagnetickým vlněním (výbojka, laserové diody, slunce), elektrickým výbojem, elektronovým svazkem, nebo může pocházet z chemických reakcí, expanze plynu apod. Po dodání energie se elektrony atomů vybudí do vyšší energetické hladiny. Uvažujme pro názornost, že elektrony atomu aktivního prostředí jsou na počátku na základní energetické hladině H0 a do aktivního prostředí dodáváme energii ve formě nekoherentního světla. Elektron atomu aktivního prostředí tuto energii přijme a „přejde“ poté na vyšší ener22
Fyzikální charakteristika laseru getickou hladinu H1. Říkáme, že elektron se dostal do excitovaného stavu. Vzhledem k tomu, že excitovaný stav není pro elektron optimální, vrací se po určité době na svoji původní (základní) energetickou hladinu H0. Přímý seskok z hladiny H1 na hladinu H0 není povolen, protože v takovém případě by fotony budící nekoherentní světelné energie samy způsobovaly návrat elektronů na základní hladinu H0. I při silném buzení by se nanejvýš dosáhlo toho, že by se počet vybuzených (excitovaných) elektronů blížil počtu nevybuzených (neexcitovaných). V takovém případě nemůže k zesilování světla dojít. K takové (spontánní) emisi dochází při nízkém stupni elektronového obsazení vyšší energetické hladiny. Elektrony musí proto sestoupit nejdříve na „metastabilní“ hladinu H2 nezářivým přechodem (nevzniká světlo, ale část své energie vyzáří ve formě tepla). Aby se co nejvíce elektronů mohlo nacházet na excitované hladině H2, musí být doba, po kterou se elektrony udrží na této hladině, ve srovnání s dobou excitace (z H0 na H1) relativně dlouhá. Po „nahromadění“ určitého počtu (spíše energie) elektronů na hladině H2 naráz všechny přestupují na základní energetickou hladinu H0 již zářivým přechodem, při kterém se vyzařuje elektromagnetické vlnění ve formě vlnění koherentního (se stejnou fází). Tento popsaný jev se nazývá inverzní populace a znamená, že vyšší hladina je obsazena více elektrony než nižší. Právě přísun energie pro jev excitace aktivního prostředí zajišťuje vznik inverze populace hladin v aktivním prostředí, díky které je stimulovaná emise pravděpodobnější než absorpce; 3. rezonátor: Optickým rezonátorem se rozumí zařízení, které je schopné hromadit, nebo na určitou dobu udržet optické záření v omezené oblasti prostoru. Nejčastěji je rezonátor tvořen dvěma zrcadly, z nichž je jedno zcela odrazivé (nepropustné) pro odpovídající vlnovou délku a druhé částečně propustné. To umožňuje elektromagnetickému vlnění vznikajícímu v laseru unikat ven z přístroje jako laserové vlnění. Jako nepropustné zrcadlo se používá například dielektrické zrcadlo, nebo leštěný kov, např. zlato nebo měď. Některé typy laserů v aktivním prostředí rezonátor nepotřebují a pracují v režimu zesílené spontánní emise – to znamená, že záření stačí jediný průchod k získání dostatečné intenzity. Zrcadla v rezonátoru zdaleka nemusí být rovinná. Naopak, v řadě případů je výhodné použít nejen konkávní, ale i konvexní zrcadla. Jak již bylo napsáno, při zářivém přechodu se z vyšší energetické hladiny aktivního prostředí (z hladiny H2 na H0) vyzařuje elektromagnetické vlnění. Vlnění obvykle opakovaně prochází optickou dutinou vymezenou zrcadly, až narazí na některé ze zrcadel. Když vlnění dopadá na rovinu zrcadla kolmo, tak se od něj odrazí zpět do aktivního prostředí, kde je vlastně toto vlnění budící energií pro další a další elektrony. Potom doputují na druhé zrcadlo, kde se opět odrazí a opět excitují nové elektrony. Toto se děje, dokud fotony nemají dostatečnou energii na to, aby prošly ven polopropustným zrcadlem. Fotony, které nedopadají kolmo na rovinu zrcadla, se sice také odrážejí, ale po několikátém odrazu opouštějí bez užitku aktivní prostředí. Hlavním úkolem rezonátoru je zajištění akumulace energie a kladné zpětné vazby mezi zářením a aktivním prostředím. Ta vede ke vzniku laserových oscilací.
2.2.2 Příslušenství Dalším příslušenstvím laseru je chladič, měřič výkonu, kalibrace zařízení, případně nelineární krystal měnící vlnovou délku. 23
2
2
Nové pohledy na neinvazivní laser
Literatura 1. ROSINA, J., VRÁNOVÁ, J., KOLÁŘOVÁ, H., STANEK, J. Biofyzika pro zdravotnic ké a biomedicínské obory. Praha: Grada Publishing, 2013. ISBN 978-80-247-4237-3. 2. NAVRÁTIL, L., ROSINA, J., et al. Medicínská biofyzika. Praha: Grada Publishing, 2005. ISBN 978-80-247-1152-2. 3. VRBOVÁ, M. Lasery a moderní optika. Praha: Prometheus, 1994. ISBN 80-8584956-9.
24
Východiska neinvazivní laseroterapie z pohledu biomedicínské technologie
3
V ýchodiska neinvazivní laseroterapie z pohledu biomedicínské technologie Jaroslav Průcha
3.1
Ještě několik údajů z historie
Ačkoliv je historii samotného laseru věnována zvláštní kapitola, jistě neuškodí malý exkurz do širších souvislostí technicky chápaného pojetí světla. Světlo totiž, jako jeden ze základních fenoménů univerza, provází člověka od samého počátku lidských dějin. Základním a přirozeným zdrojem světelného záření na Zemi je Slunce. Solární radiace vzniká kvantově tunelovou termonukleární fúzí jader vodíku při teplotě až 1,5 ∙ 107 K v jádře Slunce. Právě pravděpodobnostní tunelový charakter této fúze na Slunci zabezpečuje, že vyčerpání zásob vodíku je očekáváno až v řádu miliard let. Příkon slunečního záření dopadajícího na povrch zemské atmosféry činí přitom 1373 W/m2 (tzv. solární konstanta). Množství slunečního záření dopadajícího až na povrch Země, a tedy interagujícího s živými tvory, je závislé na řadě faktorů přispívajících k útlumu tohoto záření, ale i tak se během dne pohybuje v řádu stovek W/m2. Přes obrovský význam světla bylo odhalování jeho fyzikální podstaty pro lidstvo po dlouhou dobu těžko řešitelnou hádankou. Antický filozof Démokritos (asi 460–370 př. n. l.) byl přesvědčen, že světlo je proud částic, které neustále vysílá každý viditelný předmět. Ovšem základní autorita starověku i středověku Aristotelés (384–322 př. n. l.) tento názor odmítal a světlo bylo pro něj „něco průhledného, co není ani tělesem, ani výronem nějakého tělesa, nýbrž něco, co se prostorem šíří jako vlnky na vodní hladině“. Z pohledu dnešního poznání vidíme, že oba filozofové měli v něčem pravdu a v něčem se mýlili. Spor o povaze světla provázel i moderní rozvoj přírodovědy. „Částicovou“ teorii počátkem novověku obhajoval francouzský fyzik Pierre Gassendi (1592–1655), zatímco jiný světoznámý Francouz, který se navždy nesmazatelně zapsal do filozofického i přírodovědného poznání, René Descartes (1596–1650), se domníval, že světlo je podivuhodná látka vyplňující vesmír a schopná vyvíjet tlak specifický zvláště pro oční receptory, umožňující tak vidění. Ovšem s rázným odporem proti Gassendiho částicové teorii vystoupil až holandský učenec Christian Huygens (1629–1695), který pomocí své precizně formulované vlnové teorie vysvětlil většinu specifických projevů světla (například lom a ohyb). Světlo Huygens považuje za vlnící se neviditelnou a nezvažitelnou látku prostupující celý prostor, přičemž periodické zhušťování a zřeďování tohoto prostředí je teprve tím samotným vnímatelným a měřitelným optickým projevem. Jiný velikán dějin fyziky, Angličan Isaac Newton (1642–1727), však Huygensovu teorii nepřijímá a ve svém díle Optice (Optics, or a treatise of the reflexions, inflexions and colour of light) z roku 1704 vyjadřuje předpoklad, že světlo je něco, co se různým způsobem šíří ze svítících těles. Newton rovněž jako první publikoval spektrální teorii barev. Ovšem jiný anglický vědec, Robert Hook (1635–1703), objevitel difrakce (ohybu) světla, se plně postavil za Huygensovu vlnovou teorii a Hooka, mimo jiné např. objevitele buňky, fungování plic, barometru, helioskopu aj., respektoval i samotný Newton, i když právě jeho korpuskulární teorie světla dobře vysvětlovala vizuálně vnímané barvy. Na druhé straně teorie proudu jakýchsi částic se nemohla vypořádat 25
3
3
Nové pohledy na neinvazivní laser s různými rychlostmi šíření světla v různých prostředích, s ohybem světelných paprsků kolem malých překážek a dalšími problémy. Přesto si v následujících více než 100 letech korpuskulární teorie světla podpíraná Newtonovu autoritou udržovala převahu, ačkoliv tu a tam některý z badatelů zapochyboval o její platnosti, zvláště v souvislosti s difrakčními jevy. Nositeli těchto pochybností nebyli nikdo menší než např. Leonard Euler (1707–1783) nebo Johann Wolfgang Goethe (1749–1832). Avšak až roku 1801 uskutečňuje anglický fyzik Thomas Young (1773–1829) důmyslný pokus s průchodem světla dvěma blízkými úzkými štěrbinami, což rezultuje ve vznik světlých a tmavých pruhů na stínítku za štěrbinami. Tento pokus v precizním provedení a s brilantním matematickým zdůvodněním vlnové teorie světla předkládá o 14 let později Francouzské akademii věd mladý inženýr Jean Fresnel (1788–1827). Vlnová teorie světla tedy vítězí, ovšem opět přináší staronový problém: co vlastně za prostředí se to vlní. Tak vzniká dost utilitaristický koncept „světového éteru“ jako nekonečně jemného média (prostředku) pronikajícího všechny látky a současně vyplňujícího veškerý prostor. Světelné vlny v tomto prostředí nejsou podélné (jako vlny zvukové), ale naopak příčné. S využitím této myšlenkové konstrukce se pak podařilo vysvětlit prakticky všechny tehdy známé optické jevy. Trvající potíže však působily protichůdné požadavky na fyzikálně a matematicky zcela neuchopitelný „éter“. Do řešení problému podstaty světla se počátkem šedesátých let 19. století nesmazatelným a zásadním způsobem zapisuje skotský fyzik James Clark Maxwell (1831–1879). Pouhými čtyřmi geniálními diferenciálními rovnicemi vyjadřuje základní vlastnosti elektřiny i magnetismu zároveň. Studiem těchto rovnic dále dospívá k závěru, že světlo je elektromagnetický vzruch, který se šíří prostorem – polem – podle právě odhalených elektromagnetických zákonů. Maxwellova teorie vysvětluje všechny optické jevy (přímočaré šíření světla, lom, odraz, ohyb, interferenci i disperzi – spektrální rozklad světla). Ukazuje, že světlo je jen úzkým výsekem intervalu vlnových délek nesmírně širokého rozsahu délek šířících se vln elektromagnetismu a že k fyzikálně-matematickému uchopení tohoto jevu není třeba žádného „éteru“. Kolem elektricky nabitých těles existuje elektrické pole vždy. Pokud se tato tělesa začnou pohybovat, pak změny elektrického náboje vždy vyvolají vznik elektromagnetického pole a jeho šíření prostorem v podobě elektromagnetických vln. Roku 1887 německý fyzik Heinrich Herz (1857–1894) šíření elektromagnetických vln experimentálně dokázal a téhož roku americký fyzik Albert Abraham Michelson (1852–1931) s definitivní platností změřil jím zkonstruovaným přístrojem zvaným interferometr rychlost světla. Zjistil, že je vždy táž a činí přibližně 300 000 km/s (299 792, 458 km/s). To byl konečný důkaz toho, že žádný „světelný éter“ neexistuje. Herzovými slovy: „Všechno světlo – sluneční jas, záře svíčky i světélko, které vydává světluška, je elektrický jev. Kdyby ze světa zmizela elektřina, bude všude tma.“ Barvy světla jsou tedy představovány elektromagnetickým vlněním, které má rozličnou, ale vždy charakteristickou vlnovou délku. Vlnová délka světla, které svým lidským okem vidíme, leží v intervalu zhruba od 400 nm (fialová barva) do 760 nm (červená barva). Ovšem jiné organismy nebo jejich buňky či buněčné organely mohou „vnímat“, přesněji řečeno mohou interagovat též s elektromagnetickými vlnami sousedních kratších vlnových délek (ultrafialové světlo), nebo naopak delších vlnových délek (infračervené světlo). Světlo tudíž můžeme definovat v užším slova smyslu jako velmi úzký interval elektromagnetického vlnění vnímatelného (viditelného) lidským okem, nebo jako poněkud širší interval zahrnující též ultrafialovou (UV) a infračervenou (IR) oblast. 26
Východiska neinvazivní laseroterapie z pohledu biomedicínské technologie Radost vědců z konečného vyřešení otázky světla však neměla dlouhého trvání. Již Herz objevil, že dopadající paprsky z „fialové“ strany spektra poměrně snadno uvolní elektrony z povrchu kovů (fotoelektrický jev), zatímco paprskům červené barvy se to nepodaří. Klasická fyzika marně hledala odpověď na tuto novou otázku. Až v roce 1905 dosud neznámý Albert Einstein (1879–1955) vysvětlil fotoelektrický jev, ovšem na základě zavržené korpuskulární (částicové) teorie světla. V novém pojetí částicové teorie světla jsou však světelné částice – tzv. fotony – vyzařovány i pohlcovány jen v podobě diskrétních kvant energie, přičemž tato energie je proporcionální příslušné frekvenci elektromagnetického vlnění, tedy barvě světla. Kratší vlnová délka, tudíž vyšší frekvence fialového světla, poskytuje tak již dost velké energetické kvantum schopné vyražení elektronu z kovu. Foton, částice světla, obecně částice každého elektromagnetického záření, je podivuhodná částice schopná existence jen v neustálém pohybu, přičemž se v souladu s postulátem speciální teorie relativity pohybuje právě rychlostí světla ve vakuu. Má klidovou nulovou hmotnost, avšak důsledkem neustálého pohybu má nenulovou energii, definovanou vztahem:
[3.1]
kde h je Planckova kvantová konstanta (6,626 ∙ 10−34 Js = 4,14 ∙ 10−15 eV), f je frekvence elektromagnetického vlnění (někdy označovaná též řeckým písmenem ν (hf = hν), λ jeho vlnová délka a c je rychlost světla ve vakuu. Na základě známého relativistického vztahu ekvivalence energie a hmotnosti: [3.2]
formulovaného rovněž A. Einsteinem, lze i fotonu přiřadit určitou hmotnost, avšak nikoli klidovou, nýbrž pohybovou, která se projevuje výlučně setrvačnými a gravitačními vlastnostmi. Tato energie, a tedy i hmotnost, způsobuje, že na foton, tudíž na světlo, působí podle obecné teorie relativity gravitace a světlo samo gravitačně působí na okolí. Ve vesmírných dimenzích byly tyto jevy skutečně pozorovány (ohyb záření kolem kosmických těles). Na světlo, jakož i na veškeré elektromagnetické vlnění, tudíž z pozice současné přírodovědy hledíme jako na ryze hmotný jev, který má svoji povahu vlnovou i povahu korpuskulární zároveň. Obě tyto stránky téže věci lze spojit právě vztahem [3.1], kde energie je vázána na pohyb částice, fotonu, zatímco vlnová délka je vázána na vlnovou povahu světla. Tuto myšlenku zobecnil francouzský fyzik Luis Victor de Broglie (1892–1987) v tzv. principu duality částice a vlnění. Podle tohoto principu lze na základě vztahu
[3.3]
kde λ je vlnová délka, h Planckova konstanta (německý fyzik Max Planck, 1858– 1947) a p hybnost částice (p = m ∙ v, kde m je hmotnost částice a v rychlost jejího pohybu), přiřadit jakékoliv vlně pohybující se částici a jakákoliv pohybující se částice se může projevovat jako vlna. Toto východisko umožnilo rakouskému fyzikovi Ervinu 27
3
3
Nové pohledy na neinvazivní laser Schrödingerovi (1887–1961) vypracovat základní tzv. Schrödingerovu rovnici kvantové mechaniky.
3.2
Přírodní a umělé zdroje světla
Fotony vznikají mnoha způsoby. Pomineme-li anihilaci částic, je nejčastějším způsobem vzniku fotonu – kvanta elektromagnetické energie – jeho vyzáření při přechodu elektronu v látce z energeticky vyšší kvantové hladiny na hladinu nižší. Přesně určitá, nespojitá, čili diskrétní velikost tohoto energetického rozdílu hladin elektronů v orbitech atomu látky je pak právě tou přesně diskrétní, čili kvantovanou hodnotou energie fotonu. Slunce jako zdroj světla nám poskytuje fotony z širokého intervalu vlnových délek a s vlnami v různých fázích, tedy nezačínajících v jediném místě a v jediném okamžiku. Toto světlo není primárně ani nikterak polarizované, tzn. že koncové body vektorů elektrické i magnetické indukce tohoto elektromagnetického záření se nepohybují v jediné rovině (lineární polarizace) nebo po nějakých pevných a stálých uzavřených křivkách (obvykle kruh nebo elipsa – tudíž kruhová nebo eliptická polarizace). Podobně je tomu se světlem drtivé většiny umělých zdrojů světla (oheň, plamen svíčky, plamen hořícího plynu, rozžhavená pevná látka, žárovka). Zmíněné umělé zdroje světla jsou zdroje teplotní, tzv. inkandescentní, kde je vyzařování světla způsobeno tepelným buzením. Převažující vlnové délky světla těchto zdrojů závisí na teplotě a spektrum těchto zdrojů je primárně vždy spojité. Takovými zdroji záření jsou v principu všechna tělesa, jejichž teplota je vyšší než 0 K (kelvinů). Viditelné světlo vlnových délek 400–700 nm však produkují tělesa zahřátá již na poměrně značné teploty stovek až tisíců K. Skutečnost, že s rostoucí termodynamickou teplotou tělesa klesá vlnová délka vyzařovaného elektromagnetického vlnění (světla), vystihuje Wienův posunovací zákon (rakouský fyzik Wilhem Wien, 1864–1928). Tento zákon dobře odpovídá známé skutečnosti, že s rostoucí teplotou rozžhavené těleso mění svoji barvu od rudě červené až po modře fialovou. Wienova formule nepřímé úměrnosti mezi teplotou tělesa a vlnovou délkou jeho vyzařování platí. Týká se však pouze jediné vlnové délky maxima spektrální hustoty vyzařování, nikoliv celého spojitého vyzářeného spektra. Celkovou intenzitu záření absolutně černého tělesa sice popisoval již dřívější Stefanův-Boltzmannův zákon (Ludwig Boltzmann, 1844–1906, Josef Stefan, 1835–1893), který ovšem vůbec neřešil spektrální rozložení tohoto záření. Novější Wienův zákon sice tuto potíž částečně překonával, ale zaměřoval se výlučně na otázku, jak se bude s měnící se termodynamickou teplotou posouvat vlnová délka, na níž se bude nacházet maximum spektra vyzařování. Teprve britští fyzikové John William Rayleigh (1842–1919) a James Jeans (1877–1946) se pokusili tento problém komplexně vyřešit a formulovali „svůj“ spektrální vyzařovací zákon, týkající se celého spojitého vyzařovaného spektra, tedy všech tělesem vyzařovaných vlnových délek. Rayleighův-Jeansův zákon však poskytoval pro krátkovlnné ultrafialové záření zcela nesmyslné výsledky tím, že udával nekonečně velký podíl vysokoenergetického UV záření. Tato diskrepance se vžila pod označením „ultrafialová katastrofa“. Problém dokázal vyřešit až německý fyzik Max Planck (1858–1947, Planckův vyzařovací zákon, 1900), jeden ze zakladatelů kvantové teorie, tím, že při výpočtu intenzity záření zcela eliminoval její, do té doby zcela přirozeně chápanou spojitost. Naopak předpokládal striktní diskretizaci této veličiny, tedy možnost jejího růstu či poklesu jen o konstantní, nenulové a nikoliv infinitisimální hodnoty – kvanta. Toto 28
Východiska neinvazivní laseroterapie z pohledu biomedicínské technologie kvantové pojetí se stalo východiskem A. Einsteina k zavedení pojmu foton a vyřešení již zmíněného problému výkladu fotoelektrického jevu. To, že si až do té doby nikdo z přírodovědců nepovšiml, že se energie mění po diskrétních krocích a nikoliv spojitě, bylo především důsledkem velice malé hodnoty kvantové Planckovy konstanty h, jejíž velikost činí 6,626.10–34 Js, takže se při makroskopických dějích vůbec neuplatní.
3.3
Luminiscenční zdroje
Luminiscence je samovolné záření pevných, případně kapalných látek, které nesouvisí s jejich teplotou, ale s návratem energeticky excitovaného atomu látky do jeho základního stavu a s tím spojeným vyzářením fotonu. K excitaci přitom dochází vlivem jiného elektromagnetického záření o kratší vlnové délce (např. UV) – pak hovoříme o fotoluminiscenci, nebo působením dopadu proudu elektronů urychlovaných přiloženým elektrickým polem (pak hovoříme o katodoluminiscenci), nebo protékajícím elektrickým proudem (pak se jedná o elektroluminiscenci), popřípadě ionizujícím jaderným zářením (radioluminiscence), mechanickým tlakem (triboluminiscence) nebo chemickou reakcí (chemoluminiscence). Chemoluminiscence je též principem bioluminiscence, kdy je emise světelného záření vytvořena živým organismem. Na luminiscenci jsou založeny takové umělé zdroje světla jako zářivky, výbojky i doutnavky. Luminiscence, která odezní prakticky okamžitě po skončení vyvolávajícího podnětu (řádově během nanosekund), se označuje jako fluorescence. Energeticky je v pevné látce (respektive kapalině) spojena s přechodem orbitálního elektronu mezi povolenými kvantovými stavy, čímž je právě dosažen efekt téměř okamžitý. Luminiscence, která přetrvává po delší (někdy i velmi dlouhou) dobu po skončení působení excitačního podnětu, je tzv. fosforescence. Je spojena s energeticky zakázanými přechody kvantových stavů atomů látky, kterým podle Schrödingerovy vlnové funkce přísluší jen malá pravděpodobnost. Zakázanému přechodu odpovídá malý součinitel absorpce elektromagnetického záření i malá intenzita emitovaného záření spojená ovšem s dlouhou dobou života (rozdíl oproti dovoleným, tzv. velmi pravděpodobným přechodům bývá v poměru 3 až 7 řádů). Luminiscenčními zdroji světla jsou v současnosti především luminiscenční diody (LED, light-emitting diode). Luminiscenční dioda je polovodičová elektronická součástka obsahující přechod typu PN, tedy miniaturní rozhraní mezi příměsovým polovodičem typu P (kde je nedostatek volných elektronů, čili přebytek kladných děr) a polovodičem typ N (kde je naopak přebytek volných elektronů). Spojením těchto dvou příměsových polovodičů zaniknou prostřednictvím rekombinace elektronů a děr na jejich rozhraní určité šířky volné nosiče náboje a takto vzniklá, tzv. vyprázdněná – depletiční oblast zapříčiní vznik elektrického pole bránícího zbylým volným nosičům náboje pronikat přes toto rozhraní. Pokud k takto vzniklému přechodu typu PN přiložíme vnější elektrické napětí v jednom směru (kladný pól zdroje připojen k polovodiči typu N, záporný k polovodiči typu P), způsobíme zesílení vzniklého elektrického pole, čímž dále znesnadníme přechod volných nosičů elektrického náboje přes PN přechod, který je tedy polarizován v závěrném směru. Pokud však přiložíme vnější elektrické napětí ve směru opačném (kladný pól zdroje připojen k polovodiči typu P, záporný k polovodiči typu N), dojde k zeslabení inherentního elektrického pole PN přechodu, případně k jeho úplnému zrušení a volné nosiče elektrického náboje bez problémů 29
3
3
Nové pohledy na neinvazivní laser přes takto „propustně“ polarizovaný přechod PN protékají. Průtok elektronů a děr přes propustně polarizovaný přechod PN je doprovázen rekombinací těchto nosičů náboje, čili přechodem elektronů z vodivostní kvantově energetické hladiny WC do valenční kvantově energetické hladiny WV, spojený se zánikem páru elektron-díra. Přechodu elektronu z vyšší do nižší energetické hladiny ovšem odpovídá určitá energie, která se přitom uvolní ve formě fotonu o energii: [3.4]
kde h je Planckova konstanta a ν (někdy označováno též f) je obvyklý symbol pro frekvenci elektromagnetického záření odpovídající energii fotonu (přirozeně rovnost E = W je jen otázkou použité symboliky). Pokud se tato frekvence nachází v intervalu viditelného světla, je přechod PN zdrojem luminiscenčního záření v zásadě právě jediné vlnové délky λ (obr. 3.1). V praxi je situace ovšem složitější. Musíme totiž navíc zahrnout vliv a význam vlnového vektoru, který souvisí se směrem šíření vlny (změn fáze šířící se vlny). Zahrneme-li vliv této veličiny, pak se na předchozí obrázek díváme vlastně z další dimenze, jaksi „z boku“ (obr. 3.2). Dno vodivostního pásu a vrchol valenčního pásu musí být proti sobě (viz pravá část obrázku ilustrující GaAs, tzv. přímý polovodič), nikoliv mimo horizontálu (viz levá část obrázku ilustrující Si, tzv. nepřímý polovodič). Jen tak je pravděpodobnost zářivé rekombinace o mnoho řádů vyšší. Elektron však nemusí rekombinovat jen s dírou odpovídající přechodu s minimální energií, viz obr. 3.3, tedy energeticky mezi vrcholem valenčního a dnem vodivostního pásu. Tím ovšem nezískáváme striktně jen jedinou ideální vlnovou délku, ale úzký interval vlnových délek připomínající svým tvarem silně pokřivené Gaussovo rozložení (obr. 3.3). Luminiscenční dioda nám poskytuje umělý luminiscenční zdroj záření, který má oproti tepelným umělým zdrojům světla (např. žárovce) zhruba o řád vyšší účinnost
0,4
P WC
0,2
energie (eV)
0,0
hν
hν"
−0,2
hν
hν'
−0,4 N
−0,6 −0,8
WV
−1,0 0
5
10
15
20
x (µm)
Obr. 3.1 Průtok elektronů a děr přechodem PN a uvolňování fotonů s energií hv 30