Использование лазерного излучения в хирургии
ЛЕКЦИЯ 8
ЛАЗЕРЫ. ЛАЗЕРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
1. Прохождение монохроматического света через прозрачную среду.
2. Создание инверсной населенности. Способы накачки.
3. Принцип действия лазера. Типы лазеров.
4. Особенности лазерного излучения.
5. Характеристики лазерного излучения, применяемого в медицине.
6. Изменения свойств ткани и ее температуры под действием непрерывного мощного лазерного излучения.
7. Использование лазерного излучения в медицине.
Лазер - устройство, генерирующее когерентные электромагнитные волны за счет вынужденного излучения микрочастиц среды, в которой создана высокая степень возбуждения одного из энергетических уровней.
Рис.31.1. Ослабление света, проходящего через среду, в которой степень возбуждения менее 50 % (N1 > N2)
Инверсная населенность - такое состояние среды, при котором число частиц на одном из верхних уровней больше, чем на нижнем.
Рис.31.2. Усиление света, проходящего через среду с инверсной населенностью (N2 > N1)
Рис. 31.3. Создание инверсной населенности на метастабильном уровне
Рис. 31.4. Схематическое устройство лазера
Особенности лазерного излучения
Лазерное излучение по своим свойствам значительно отличается от излучения обычных источников света. Отметим его характерные особенности.
|
|
1. Когерентность. Излучение является высококогерентным, что обусловлено свойствами вынужденного излучения. При этом имеет место не только временная, но и пространственная когерентность: разность фаз в двух точках плоскости, перпендикулярной направлению распространения, сохраняется постоянной (рис. 31.5, а).
2. Коллимированность. Лазерное излучение является коллимированным, т.е. все лучи в пучке почти параллельны друг другу (рис. 31.5, б). На большом расстоянии лазерный пучок лишь незначительно увеличивается в диаметре. Так как угол расходимости φ мал, то интенсивность лазерного пучка слабо убывает с расстоянием. Это позволяет передавать сигналы на огромные расстояния при малом ослаблении их интенсивности.
3. Монохроматичность. Лазерное излучение является в высокой степени монохроматическим, т.е. содержит волны практически одинаковой частоты (ширина спектральной линии составляет Δλ ≈ 0,01 нм).
4. Высокая мощность. С помощью лазера можно обеспечить очень высокую мощность монохроматического излучения - до 105 Вт в непрерывном режиме. Мощность импульсных лазеров на несколько порядков выше. Так, неодимовый лазер генерирует импульс с энергией Е = 75 Дж, длительность которого t = 3х10-12 с. Мощность в импульсе равна Р = Е/t = 2,5х1013 Вт (для сравнения: мощность ГЭС составляет Р ~109 Вт).
|
|
5. Высокая интенсивность. В импульсных лазерах интенсивность лазерного излучения очень высока и может достигать I = 1014-1016 Вт/см2 (ср. интенсивность солнечного света вблизи земной поверхности I = 0,1 Вт/см2).
6. Высокая яркость. У лазеров, работающих в видимом диапазоне, яркость лазерного излучения (сила света с единицы поверхности) очень велика. Даже самые слабые лазеры имеют яркость 1015 кд/м2 (для сравнения: яркость Солнца L ~ 109 кд/м2).
7. Давление. При падении лазерного луча на поверхность тела создается давление (Д). При полном поглощении лазерного излучения, падающего перпендикулярно поверхности, создается давление Д = I/c, где I -интенсивность излучения, с - скорость света в вакууме. При полном отражении величина давления в два раза больше. Для интенсивности I = 1014 Вт/см2 = 1018 Вт/м2; Д = 3,3х109 Па = 33 000 атм.
8. Поляризованность. Лазерное излучение полностью поляризовано.
Рис. 31.5. Когерентность (а), коллимированность (б), монохроматичность (в) лазерного излучения
31.6. Динамика изменения температуры ткани под воздействием непрерывного лазерного излучения
|
|
1 фаза. Сначала температура ткани повышается от 37 до 100 °С. В этом диапазоне температур термодинамические свойства ткани остаются практически неизменными, и происходит линейный рост температуры со временем (α = const и I = const).
2 фаза. При температуре 100 °С начинается выпаривание тканевой воды, и до окончания этого процесса температура остается постоянной.
3 фаза. После выпаривания воды температура вновь начинает расти, но медленнее, чем на участке 1, так как обезвоженная ткань поглощает энергию слабее нормальной.
4 фаза. По достижении температуры Т ≈ 150 °С начинается процесс обугливания и, следовательно, «почернения» биоткани. При этом коэффициент поглощения α возрастает. Поэтому наблюдается нелинейный, ускоряющийся со временем рост температуры.
5 фаза. По достижении температуры Т ≈ 300 °С начинается процесс испарения обезвоженной обугленной биоткани и рост температуры вновь прекращается. Именно в этот момент лазерный луч рассекает (удаляет) ткань, т.е. становится скальпелем.
Рис. 31.7. Процессы, протекающие в облучаемых тканях на различной глубине: а - в поверхностном слое ткань нагревается до нескольких сотен градусов и испаряется; б - мощность излучения, ослабленного верхним слоем, недостаточна для испарения ткани. Происходит коагуляция ткани (иногда совместно с обугливанием - черная жирная линия); в - происходит нагревание ткани вследствие передачи теплоты из зоны (б)
|
|
Использование лазерного излучения в хирургии
В хирургии высокоинтенсивные лазеры используются для рассечения тканей, удаления патологических участков, остановки кровотечения, сваривания биотканей.
Применение лазерного луча в хирургии обеспечивает избирательное и контролируемое воздействие. Лазерная хирургия имеет ряд преимуществ:
• бесконтактность, дающую абсолютную стерильность;
• селективность, позволяющую выбором длины волны излучения дозированно разрушать патологические ткани, не затрагивая окружающие здоровые ткани;
• бескровность (за счет коагуляции белков);
• возможность микрохирургических воздействий, благодаря высокой степени фокусировки луча.
Дата добавления: 2022-01-22; просмотров: 17; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!