ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Τα τελευταία χρόνια η χρήση των ακτίνων Laser έχει επεκταθεί σε ένα ευρύτατο πεδίο εφαρμογών, το οποίο εκτείνεται από τον πόλεμο των άστρων ως το στιγμιαίο τρύπημα ενός διαμαντιού, από τον δείκτη με την κόκκινη δέσμη που χρησιμοποιούμε στις διαλέξεις μας, ως την μεταφορά 80.000 τηλεφωνικών συνδιαλέξεων την ίδια στιγμή μέσα από μια γύαλινη οπτική ίνα.
Ο διάσημος φυσικός Arthur Sehawlow λέει ότι τα Laser είναι ένα μαγικό εργαλείο που μπορεί να θεραπεύσει έναν αποκολημένο αμφιβληστροειδή σε έναν οφθαλμό, να χαράξει μια απόλυτα ευθεία γραμμή σε ένα παρτέρι κήπου, να κάνει μια αναίμακτη χειρουργική τομή στο δέρμα, να θεραπεύσει μια κηλίδα ή έναν σπίλο ή να αντικαταστήσει τις βελόνες στη θεραπεία με βελονισμό.
Είναι ένα φως που γιατρεύει, είναι ένα μαγικό εργαλείο που βρήκε άμεση απήχηση στο χώρο της Ιατρικής. Το μοναδικό εργαλείο το οποίο δεν χρειάζεται να αγγίζει τους ιστούς τους οποίους κόβει.
Η τεράστια αυτή ποικιλία εφαρμογών της χρήσης των ακτίνων Laser οφείλεται στις μοναδικές ιδιότητές τους τις οποίες θα αναπτύξουμε παρακάτω.
ΒΙΟΦΥΣΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΩΝ ΑΚΤΙΝΩΝ LASER
Η λέξη Laser είναι ακρωνύμιο και προέρχεται από τα αρχικά των λέξεων: "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", που σημαίνει: "Ενίσχυση Φωτός με Εξαναγκασμένη Εκπομπή Ακτινοβολίας".
Η ακτινοβολία Laser οφείλεται στο φαινόμενο της "εξαναγκασμένης εκπομπής φωτός".
Η αντίστοιχη θεωρία διατυπώθηκε το 1917 από τον Albert Einstein.
Σύμφωνα με αυτήν:
Οταν ένα άτομο ύλης απορροφήσει μια ποσότητα ενέργειας θεωρείται "διεγερμένο" και τότε μπορεί να συμβεί μετακίνηση ενός ή περισσότερων ηλεκτρονίων του, από την τροχιά στην οποία κινούνται, στην αμέσως επόμενη τροχιά.
Οταν το, ή τα ηλεκτρόνια επιστρέψουν στην αρχική τους τροχιά, τότε το άτομο αποδιεγείρεται και ταυτόχρονα εκπέμπει ακτινοβολία η οποία στην προκειμένη περίπτωση, είναι υπό την μορφή φωτονίων, δηλαδή φως.
Η αποδιέγερση αυτή, γίνεται είτε αυτόματα, π.χ. σε υλικά που φωσφορίζουν, λαμπτήρες φθορισμού κ.τ.λ., είτε εξαναγκασμένα, όπως π.χ. στην ακτινοβολία Laser.
A. Κατά την αυτόματη εκπομπή ακτινοβολίας, ένα διεγερμένο άτομο επανέρχεται αυτόματα και σύντομα στην θεμελιώδη του κατάσταση με ταυτόχρονη εκπομπή ενός φωτονίου ενέργειας ίσης προς εκείνη την οποία απερρόφησε όταν διεγέρθηκε.
B. Κατά την εξαναγκασμένη εκπομπή ακτινοβολίας το διεγερθέν άτομο παρασύρεται σε αποδιέγερση επηρεασμένο από κάποιο άλλο φωτόνιο, (που προέρχεται από κάποιο άλλο αποδιεγερμένο άτομο), με ταυτόχρονη εκπομπή ενός φωτονίου ενέργειας, το οποίο πάλι διεγείρει ένα άλλο άτομο κ.ο.κ.
Και στις δύο περιπτώσεις αποδιεγέρσης, ο αριθμός φωτονίων που παράγονται από την εκπομπή εξαρτάται από το:
α) χρόνο που διαρκεί η αποδιέγερση ή η εκπομπή, από την
β) πυκνότητα ενέργειας που χρησιμοποιήθηκε για την εκπομπή και από το,
γ) πλήθος ηλεκτρονίων που βρίσκονται στην εξωτερική τροχιά του ατόμου.
Οι ακτίνες Laser είναι ακτίνες φωτός που έχουν ενισχυθεί, όπως ακριβώς ο ήχος που βγαίνει από τον ενισχυτή ενος στερεοφωνικού συγκροτήματος.
Για να έχουμε μια πιο απλουστευμένη σύγκριση, ας υποθέσουμε ότι αντικαθιστούμε 30 δισεκατομμύρια φωτόνια με 30 lit. νερό. Αν αυτή την ποσότητα νερού την ρίξουμε σε ένα τεντωμένο σεντόνι, το σεντόνι απλώς θα βραχεί. Αν την ίδια ποσότητα την εκτοξεύσουμε με δύναμη από έναν πυροσβεστικό σωλήνα τότε το σεντόνι θα κομματιαστεί.
Για αυτό και οι ακτίνες Laser αποκαλούνται και επιταχυντές φωτός.
Για την ιστορία του θέματος αναφέρουμε ότι:
* Το 1ο Laser κατασκευάστηκε από τον Αμερικανό φυσικό Thedore Maiman το 1960 και ήταν Laser ρουμπινίου (ορατού φωτός 694 nm).
* Το Laser μπήκε στο χώρο του Βελονισμού το 1978 από τον Γερμανό γιατρό, φυσικό Dr. Plog και το 1980 από τον Γάλλο γιατρό Βελονιστή Dr. Nogier (υπέρυθρου φάσματος).
Η ακτινοβολία Laser είναι ηλεκτρομαγνητικη ακτινοβολία και διέπεται οπως όλες οι ακτινοβολίες απο ορισμένα χαρακτηριστικά και φυσικές ιδιότητες.
1.Μήκος Κύματος
Μετριέται σε νανόμετρα (nm).
1nm = 10 A = 10-9Μ
2.Πυκνότης της ισχύος της ακτινοβολίας (ένταση φωτός εστιασμένου σε ένα σημείο).
Στα Laser συνεχούς εκπομπής μετριέται η ισχύς της ακτινοβολίας στη μονάδα επιφάνειας.
Watt / CM2 (1 Watt = 1 AM. 1 volt)
3.Καθολικη διαρκεία παλμού (πυκνότης της ισχύος στη μοναδα του χρόνου).
Στα Laser πού λειτουργούν κατά παλμούς μετριέται η διάρκεια της ριπής της ενέργειας.
ζ / cm2 (1 Joule = 1 w . 1 sec)
4.Απόκλιση της δέσμης (το άπλωμα της δεσμης).
Θεωρητικά οι ακτίνες Laser είναι κατευθυντικές, δηλ. παράλληλες σε μεγάλη απόσταση. Αλλά πρακτικά υπάρχει κάποια απόκλιση των ακτίνων από την απόλυτη παραλληλότητα.
5.Ειδος της ακτίνας.
Μπορεί να είναι απλή ή πολλαπλή.
1. Είναι πολυ ισχυρή ακτινοβολία.
Τα Laser μπορούν με την ίδια ευκολία να κοψουν ένα χοντρό ξύλο, να διεισδύσουν αρκετά χιλιοστά μέσα σε συμπαγείς ατσάλινες μάζες και να τμήσουν έναν ζώντα ιστό από απόσταση.
2. Είναι μονοχρωματική.
Δηλαδή καθε εκπομπή έχει ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος, ανάλογα με το ενεργό υλικό από το οποίο αποτελείται. Είναι ομοιογενές φως.
3. Είναι κατευθυντική.
Οι ακτίνες δεν αφίσταντε μεταξύ τους και εξακολουθούν να είναι παραλληλες ακόμα και σε μεγάλη απόσταση από την πηγή εκπομπής.
Σε μιά κοινή φωτιστική εστία, π.χ. μια λάμπα, τα φωτόνια εκπέμπονται προς κάθε κατεύθυνση και ανήκουν σε όλα τα μήκη κύματος του ορατού κυρίως φάσματος ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας.
4. Είναι συμπυκνωμένη.
Η ακτίνα Laser μπορεί να είναι πολύ λεπτή, τόσο ώστε να μπορεί να κάνει μια οπή κατά μήκος μιας ξυριστικής λεπίδος ή όπως λέγεται θα μπορούσε ένας χειρούργος να βάλει με την ακτίνα Laser την υπογραφή του σε ένα κύτταρο.
5. Είναι ακτινοβολία σύμφωνη φωτός με εξαιρετική λαμπρότητα.
1. Από το ενεργό υλικό που δίνει την ακτινοβολία.
2. Από την πηγή ενέργειας που λέγεται και "αντλία" η οποία θα διεγείρει τα άτομα του ενεργού υλικού.
3. Από δύο παράλληλα κάτοπτρα εκατέρωθεν των 2 άκρων του ενεργού υλικού, τα οποία δίνουν την οπτική κοιλότητα και συγκεντρώνουν τη δέσμη της ακτινοβολιας, που τελικά βγαίνει από το ένα άκρο της συσκευής.
Το ένα από τα δυο κάτοπτρα είναι ημιδιαπερατό.
Σε μια σταθερή λειτουργία, φωτόνια αντανακλώνται μεταξύ των δύο κατόπτρων διεγείροντας τα άτομα του μέσου που περιέχεται μεταξύ τους, (στερεού - υγρού - αερίου) παράγοντας με αυτόν τον τρόπο ακόμα περισσότερα φωτόνια τα οποία εξέρχονται με την μορφή ακτίνας από το ημιδιαπερατό κάτοπτρο.
Α. Ανάλογα με το Ενεργό Υλικό
1. Laser Στερεών.
Σε αυτά τα Laser, το ενεργό υλικό είναι ένα στερεό σώμα π.χ. ή NdM-YAG (Νεοντίμιο - ύτριο, αργίλιο, γρανίτης-Garnet), ρουμπίνι κλπ.
2. Laser Αερίων
Σε αυτά το ενεργό υλικό είναι αέριο π.χ. He-ne, Ar, Kr C02, κτλ.
3. Laser Υγρών
Σε αυτά το ενεργό υλικό είναι έγχρωμες οργανικές ενώσεις δηλ. χρώματα σε υγρή μορφή (κουμαρίνη, ροδαμίνη κλπ).
4. Ημιαγωγών Σε αυτή την περίπτωση, το ενεργό υλικό αποτελείται από δύο επί μέρους υλικά, εκ των οποίων το ένα έχει έλλειμα, και το άλλο περίσσεια ηλεκτρονίων π.χ. Ga-As.
Β. Αναλογα με τον Τρόπο Εκπομπής.
1. Laser συνεχούς εκπομπής.
Σε αυτά τα Laser η ισχύς της δέσμης μετρείται σε Watt.
2. Laser με εκπομπή κατά παλμούς.
Σε αυτά η ισχύς της δέσμης μετρείται σε J/cm2.
Το μήκος κύματος αμφότερων των συσκευών μετρείται σε νανόμετρα (nm).
1nm=10Ao=10-9m.
Γ. Ανάλογα με την Ισχύ της Δέσμης.
Δ. Ανάλογα με τα Παραδεκτά Επίπεδα Εκπομπής για Ειρηνικές Εφαρμογές.
Τάξις 1η: Είναι Laser πολύ χαμηλής ενέργειας και απολύτως ασφαλή (soft Laser) (0,4 mW) και είναι Laser συνεχούς εκπομπής στο ορατό φάσμα.
Τάξις 2η : Eίναι soft Laser ορατού φωτός (400-700 nm) με μέγιστη ισχύ 1mWatt. Η ακτινοβολία τους είναι επικίνδυνη για τα μάτια, όχι αν είναι στιγμιαία, αλλά μόνον όταν είναι παρατεταμένη, και επίσης είναι κατά τον ίδιο τρόπο επικίνδυνη η αντανάκλαση της ακτίνας μέσα από καθρέφτη. Αλλα από αυτά λειτουργούν συνεχώς και άλλα κατά παλμούς.
Τάξις 3α: Είναι επίσης soft Laser φωτός με μέγιστη ισχύ 1-5 mWatt. Η ακτινοβολία τους είναι επικίνδυνη για τα μάτια ακόμα και σε στιγμιαία έκθεση. Αλλα λειτουργούν συνεχώς και άλλα κατά παλμούς.
Τάξις 3β: Eίναι power Laser και έχουν μέγιστη ισχύ σε συνεχή λειτουργία 500mW (0,5 Watt) και όταν λειτουργούν κατά παλμούς 10ζ- / cm2. Είναι πολύ πιο επικίνδυνα από τα 3α. Υπάρχει αυξημένος κίνδυνος πυρκαγιάς και καταστροφής του δέρματος. Είναι επικίνδυνες ακόμα και διάχυτες αντανακλάσεις τους. Για αυτό απαιτείται ειδική κατασκευή του χώρου. Από την κατηγορία αυτή, πολύ μεγάλη προσοχή χρειάζονται οι συσκευές που εκπέμπουν αόρατη δέσμη (υπεριώδη ή υπέρυθρη).
Τάξις 4η: Είναι Laser υψηλής ισχύος > 500 mW και είναι επικίνδυνα για την όραση.
E. Αναλογα με το Μήκος Κύματος.
1. Υπάρχουν Laser υπεριώδους ακτινοβολίας (uv) με μήκος κύματος 150-400 nm.
2. Laser ορατού (v) με μήκος κύματος 400-700 nm.
3. Laser υπέρυθρα (IR) με μήκος κύματος >700 nm.
Για μηκή κύματος από 400 - 1400 nm (δηλ. περιοχή ορατού και υπέρυθρου που είναι πιο επικίνδυνη) έχουν καθοριστεί ανάλογα με τη συσκευή Laser τα επιτρεπτά όρια έκθεσης για τους οφθαλμούς και το δέρμα.
1. Χρήση ειδικών προφυλακτικών γυαλiών για τους οφθαλμούς του γιατρού και του ασθενούς.
Ο μεγαλύτερος κίνδυνος γαι τους οφθαλμούς προέρχεται από μήκη κύματος του ερυθρού και του εγγύς υπέρυθρου (400-1400 nm).
H βλάβη των οφθαλμών μπορεί να είναι είτε θερμική, είτε φωτοχημική, είτε και αμφότερα και ίσως όχι αναστρέψιμη.
Το σημείο που πρέπει να προσεχθεί είναι ότι συνήθως δεν παρουσιάζεται πόνος ή άλλη ενόχληση στο μάτι μέχρι να συμβεί σοβαρό έγκαυμα στον αμφιβληστροειδή.
Τα standards για την προστασία ματιών έχουν δοθεί από το ANSI, "American National Standards Institute", υπό την οδηγία "Safe use of Laser".
Επίσης, πρέπει να αποφεύγεται η εφαρμογή των Laser στην περιοχή των ματιών.
2. Χρήση ειδικών εργαλείων με αδρή επιφάνεια ώστε να μην αντανακλούν την ακτίνα, και επίσης χρήση θερμοάντοχων υλικών.
3. Χρήση ειδικών υλικών δαπέδου ώστε να μηδενίζεται ο κίνδυνος ηλεκτροπληξίας.
4. Αποφυγή εύκλεκτων υλικών δαπέδου στο χειρουργικό πεδίο.
5. Καθορισμό ζώνης επικινδυνότητας εντός της οποίας πρέπει να τηρούνται αυστηρότητα όλες οι προδιαγραφές. (Αυτό αφορά τα power Laser κυρίως).
6. Αποφυγή της χρήσης τους σε εγγύους.
7. Αποφυγή της χρήσης τους σε πάσχοντες από σοβαρά προβλήματα νεφρών (διότι έχουμε αποβολή τοξινών μέσω των νεφρών με έντονη διούρηση).
8. Απαγορεύται επίσης η χρήση των Lasers σε ασθενείς που φέρουν βηματοδότη της καρδιάς και σε ασθενείς που έχουν μεταλλικές ορθοπεδικές αποκαταστάσεις ή έχουν υποστεί πρόσφατα έμφραγμα
ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ ΥΛΗΣ-ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ
Οταν η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία έρχεται σε επαφή με την ύλη, αλληλοεπιδρά βιολογικά με αυτήν σύμφωνα με τις εξής παραμέτρους που έχουν σχέση και με την ακτινοβολία και με την ύλη.
1. ΟΣΟΝ ΑΦΟΡΑ ΤΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ.
2. ΟΣΟΝ ΑΦΟΡΑ ΤΑ XΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΙΣΤΟΥ.
ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ
Οταν η ακτίνα Laser προσπέσει σε έναν ιστό μπορούν να συμβούν τέσσερα (4) φαινόμενα που αφορούν την ακτίνα:
1. Ανάκλαση: (refraction) Πράγμα που ενδιαφέρει τον ασθενή και τον γιατρό γιατί μπορεί να αποβεί επικίνδυνη.
2. Σκέδαση: Δηλαδή διασκορπισμός μέσα στον ιστό.
3. Μετάδοση: (Transmission) Κατ'ευθείαν μέσα στον ιστό, πράγμα που εκμεταλευόμαστε στον Βελονισμό.
4. Aπορρόφηση: (Absorbsion) Oσο αυξάνεται η κατηγορία της συσκευής, τόσο αυξάνεται και η απορρόφηση από το σώμα.
Η βιολογική απάντηση ενός ζώντος ιστού μετά την απορρόφηση της ακτίνας Laser μπορεί να πάρει διάφορες μορφές, διαφορα βιολογικά αποτελέσματα.
ΒΙΟΛΟΓΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ
Υπάρχουν 3 είδη βιολογικού αποτελέσματος:
1. Φωτοερεθισμός (Photostimulation).
2. Εξαέρωση (Vaporisation).
3. Πήξη (Coagulation).
1. Φωτοερεθισμός (Photostimulation) Φωτοενεργοποίση:
Συμβαίνει όταν μια χαμηλής ενέργειας ακτίνα (600mW), προκαλεί κάποια κυτταρική αντίδραση. Η αντίδραση αυτή μπορεί να πάρει τη μορφή διαφόρων επιθυμητών μεταβολών, όπως η καταστροφή καρκινικών κυττάρων, επούλωση τραυμάτων, αναλγησία.
2. Εξαέρωση: (Vaporisation) Εξάτμιση:
Oταν ένα υλικό απορροφά ενέργεια αναπτύσεται σε αυτό θερμότητα. Στην περίπτωση της ακτινοβολίας Laser που μπορεί να εστιαστεί σε πολύ μικρή περιοχή, το αποτέλεσμα είναι ανάπτυξη τοπικά πολύ υψηλής θερμοκρασίας.
Οταν η θερμοκρασία φθάσει 100 C το περιεχόμενο ύδωρ, των κυττάρων βράζει γίνεται ατμός και το κύτταρο εκρήγνυται, ελευθερώνοντας καπνό και υδρατμούς. Σε υψηλότερες θερμοκρασίες 400 C μένουν υπολλείματα άνθρακος.
Χρησιμοποιείται για την πρόκληση τομών.
Η θερμαντική δράση εξαρτάται από το μήκος κύματος των Laser, από το χρώμα τους, από τον συντελεστή απορρόφησης ενέργειας, από τοπικούς ψυκτικούς παράγοντες (ροή αίματος στα τριχοειδή έκχυση, ορού κλπ.) και από την θερμαντική παύση για τα pulses Laser.
3. Πήξη (Coagulation).
Οταν η θερμοκρασία φθάσει στους 60 C οι πρωτείνες του κυττάρου επηρεάζονται και στους 65 C συρρικνούνται και πήζουν. Αυτό ονομάζεται "φωτοπηκτική νέκρωσις" και μοιάζει με τα εγκαύματα της ηλεκτροπληξίας. Χρησιμεύει για την αντιμετώπιση αιμοραγιών.
H ένταση όλων αυτών των βιολογικών αποτελεσμάτων της ακτινοβολίας εξαρτάται από:
α. Την ισχύ της πηγής (watt) soft L=50mw, p=>50mw.
β. Το μέγεθος της επιφανείας που ακτινοβολείται και,
γ. Το χρόνο εκθέσεων.
Για τα Laser που λειτουργούν κατά παλμούς έχει βρεθεί ότι ο βαθμός καταστροφής είναι ανάλογος της πυκνότητος ισχύος της ενέργειας (J/cm2) και αντιστρόφως ανάλογος της διάρκειας παλμού.
Εξ άλλου, όσο μικρότερο είναι το σημείο προσβολής τόσο οι ακτίνες είναι πιο συγκεντρωμένες και φυσικά πιο ισχυρές. Το λεγόμενο "SPOT" (επιφάνεια ακτινοβολίας) μετρείται σε cm2.
Επίσης, όσο πιο μακροχρόνια είναι η προσβολή, τόσο μεγαλύτερη είναι η απορρόφηση από τους ιστούς με τα αντίστοιχα αποτελέσματα.
ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΥ ΤΟΥ ΠΕΔΙΟΥ ΚΥΜΑΤΟΣ
Οταν η ακτίνα Laser έλθει σε επαφή με ένα Ζώντα ιστό συμβαίνει το εξής φαινόμενο:
Τα φωτόνια της ακτινοβολίας Laser μεταφέρουν μια ποσότητα ενέργειας την οποία μεταδίδουν στα άτομα του ιστού που άπτονται, τα οποία με την σειρά τους παράγουν πάλι φωτόνια και τα μεταδίδουν στα επόμενα άτομα κ.ο.κ. όταν οι εξωτερικές στοιβάδες ηλεκτρονίων τους συμπλέκονται.
Το φαινόμενο αυτό, έχει την μεγαλύτερη εφαρμογή του στη θεραπεία με Βελονισμό, διότι ακτινοβολώντας τα βελονιστικά σημεία του σώματος από ένα σημείο, μπορούμε να ρυθμίσουμε όλο τον μεσημβρινό και κατα επέκταση το νοσούν όργανο, με αποτέλεσμα γενική εξισορρόπιση του οργανισμού.