Механические эффекты

Давление отдачи продуктов разрушения на мишень.Этот эффект был продемонстрирован экспериментально при действии импульса излучения Er:YAG лазера (λ = 2,98 мкм, τ = 200 мкс) на кусочек предварительно высушенной кости. Высушивали ее для того, чтобы избежать погрешностей в определении массы за счет усыхания в ходе эксперимента. С помощью специальных устройств определяли силу отдачи и изменение массы в процессе воздействия. Выяснилось, что и то, и другое линейно возрастало с увеличением энергии лазерного излучения, причем давление отдачи совпадало по времени с импульсом излучения. Расчеты показали, что скорость выноса продуктов абляции может приближаться к звуковой.

Ударные волны. Ударные волны, возникающие при действии лазерного излучения на биоткань, исследовались при облучении образца как на воздухе, так и в водной среде. При этом оказалось, что при облучении в водной среде существует несколько пиков ударной волны. Первый из пиков, совпадающий по времени с импульсом излучения, является следствием возникновения плазмы. Считают, что ударная волна рождается в тот момент, когда изначально сверхзвуковая скорость расширения плазмы, снижаясь, переходит звуковой барьер. Второй и последующие пики ударной волны вызваны схлопыванием кавитационных пузырьков, размером до 4 мм, образующихся на поверхности объекта. Основными параметрами, определяющими величину и временные характеристики пиков ударных волн, являются продолжительность и энергия импульса излучения.

При коротких импульсах мощность первого пика увеличивается по сравнению с мощностью последующих пиков. При облучении на воздухе образуется единственная ударная волна, вызванная расширением плазмы. Эксперименты по исследованию ударных волн проводились с различными типами лазеров: Nd:YAG, на красителе, Ho:YAG, УФ лазерами. В частности, было определено, что ударные волны, возникающие при действии эксимерных лазеров (ArF, l = 193 нм, KrF, l = 284 нм), могут летально повреждать клетки биоткани, причем опухолевые в большей степени, чем нормальные. Одной из причин повреждения является разрушение барьера проницаемости плазматических мембран клетки под действием ударной волны.

При обработке твердых тканей (зуба, кости) необходимо избегать возникновения ударных волн, так как при этом может возникнуть разрушение ткани за пределами зоны абляции. Для этого производится подбор энергии таким образом, чтобы возникало быстрое плавление минералов вокруг абляционного кратера, в котором происходит гашение ударной волны.

Роль механических эффектов в клинической практике.

Роль импульса отдачи ограничивается случаями работы на твердых объектах с малой массой, резкое смещение которых может вызвать повреждение тканей. Например, обработка импульсным лазером миниатюрных костей среднего уха. Их сдвиг может привести к повреждениям образований внутреннего уха, которые исключительно чувствительны к акустическим волнам. Для исключения таких повреждений используют импульсы излучения с малой плотностью энергии (меньше 10 Дж/см²).

Ударные волны успешно используются для разрушения камней в желчном пузыре и в мочевыводящих путях (лоханки почки, мочеточники, мочевой пузырь). Обычно, в случае большого числа камней, прибегают к оперативному вмешательству или используют литотрипсию (разрушение) с помощью ультразвука или электрогидравлического удара. В последние годы стали применять импульсные лазеры (на красителе, на александрите λ = 755 нм, Nd:YAG λ = 1,06 мкм, Cr-Tu-Ho:YAG λ = 2,15 мкм). Для проведения таких операций больному вводят зонд к месту расположения камня, через него подводят световод, торец которого вводят в контакт с камнем. Затем, под рентгеновским контролем, подают энергию. Здесь очень важно не превышать определенных значений энергии, чтобы не допустить разрушения торца световода, что является очень серьезным осложнением операции и требует инструментального удаления осколков, которые могут впиваться в ткань.

Ударные волны могут применяться для разрушения хрусталика при катаракте (Er:YAG лазер) и обработки роговицы. Для предотвращения чрезмерного теплового повреждения роговицы используются сверхкороткие импульсы – пикосекундные и фемтосекундные.

Импульсные лазеры, излучающие в видимой части спектра, широко используются в дерматологии для устранения татуировок. Полагают, что эффект достигается благодаря размельчению частиц красителей, входящих в состав татуировки, под действием ударных волн.

Экспериментально показано, что ударные волны от лазера на красителе (λ = 504 нм, τ = 1,5 мкс) способны подавлять рост экспериментальной злокачественной опухоли. В опытах под основание опухоли вводили иглу с изогнутым концом, а в нее – световод. Наконечник световода упирался в стенку иглы. Благодаря этому при облучении возникали ударные волны, которые распространялись от иглы в массу опухоли. Возможно, этот эффект найдет применение в клинической практике.

Негативное действие ударных волн.

Ударные волны от эксимерного лазера (XeCl 308 нм), способствующие разрушению атеросклеротических бляшек, могут сильно повредить, расслоить и даже прорвать стенку кровеносного сосуда. Уровень повреждений может быть существенно снижен, если в момент воздействия излучения кровь в сосуде сильно разбавляют водой. Это связано с тем, что пиковое давление ударной волны в воде много меньше, чем в крови.

Негативное влияние ударных волн может проявляться при работе с эксимерными лазерами на коже и Ho:YAG (2,12 мкм) на мягких тканях. Ударная волна по различным волокнистым образованиям может распространяться далеко за пределы области абляции, вызывая негативное влияние на структуры, значительно удаленные от зоны воздействия излучения.

Ударные волны способны изменять проницаемость клеточной мембраны. Это может быть негативным фактором – вызывать гибель клетки, и положительным фактором – введение некоторых лекарств, которые не проникают в цитоплазму обычным путем.

Ударная волна, генерируемая под слоем жидкости, потенциально опасна из-за того, что в момент схлопывания пузырьков могут образовываться свободные радикалы.

Обычно на практике бывает сложно разделить разрушение ткани под действием ударных волн – механическую абляцию – от собственно абляции, вызванной действием фотонов излучения на ткань. Однако на практике при правильном подборе параметров режимов воздействия, это не очень существенно.

Лучевые эффекты

При взаимодействии лазерного излучения с мишенью возникает несколько видов излучения, совокупность которых называют вторичным излучением. Полнее всего эти виды излучения изучены для эксимерных лазеров. Различают следующие основные виды вторичного излучения (для XeCl лазера).

1. Отраженное от объекта лазерное излучение в виде зеркального отражения и диффузного рассеяния.

2. Флюоресценция, возникающая при возбуждении электронов молекул биоткани.

3. Флюоресценция плазмы, генерируемой при плотности мощности излучения выше пороговой.

4. Люминесценция парообразных продуктов абляции.

5. Люминесценция продуктов абляции в виде плотных частиц.

Приведем краткую характеристику видов вторичного излучения

Отраженное излучение монохроматично и совпадает по времени с импульсом. Оно более интенсивно по сравнению с остальными.

Флюоресценция за счет возбуждения электронов может наблюдаться в различных режимах, в том числе субабляционных.

Флюоресценция плазмы наблюдается при высоких значениях плотности мощности излучения. Она кратковременна.

Люминесценция парообразных продуктов возникает в начале абляции и, как и сама абляция, отстает по времени от начала импульса. Продолжается она около 10 нс.

Люминесценция частиц также возникает в начале абляции, но отличается большей длительностью (порядка микросекунды), то есть длится довольно долго после окончания импульса.

Клиническое значение имеют преимущественно первый и последний виды излучения. Рассеяние излучения за пределы операционного поля может представлять опасность для медицинского персонала и больного. Поэтому при операциях с открытым доступом используются очки, а для больного – различные защитные приспособления в области глаз, лучше металлические.

Свечение частиц, извергаемых из абляционного кратера, может использоваться для спектроскопического анализа. При этом возможно различать составные компоненты удаляемого материала, в частности, ионы кальция, магния, липиды. Это используется, например, при ликвидации атеросклеротических бляшек в сосудах для контроля хода операции. Спектрограммы вторичного излучения здорового и кариозного дентина значительно отличаются друг от друга. Это может быть использовано в диагностике при лазерной обработке зуба. Значительная доля вторичного излучения приходится на УФ часть спектра. Это излучение активно поглощается неводными компонентами клеток, особенно ДНК. Это потенциально опасно из-за возможности раковой трансформации клеток. Это обстоятельство нужно принимать во внимание при обработке кожи и кариозных зубов. Поэтому ограничено применение ArF лазера (193 нм): на коже его применять не рекомендуется, а при обработке зубов необходима разработка методов надежной защиты мягких тканей полости рта от вторичного излучения. Для работы на коже более приемлемым и безопасным оказывается XeCl лазер ( = 308 нм). Длина его волны и вторичное излучение находятся за пределами области биологического риска для кожных покровов.