Выбор типа лазера. Расчёт основных параметров

Рисунок 1.1 - Распространение света при облучении биотканей

Некоторые фотоны после многократного рассеяния выходят обратно из ткани под случайными углами. Это так называемый диффузно отражённый свет. Он спектрально зависим. Доля энергии диффузно отражённого света может достигать 30-40% от энергии падающего луча.

Рассеянные фотоны постепенно удаляются о оси пучка, но в среднем они сохраняют её направление и формируют ореол вокруг конуса основного пучка. Размер этого ореола и доля энергии, которая в нём содержится, в значительной степени зависят от оптических свойств биоткани и от поперечного диаметра пучка света. Чем меньше интенсивность пучка, тем большая доля фотонов будет в ореоле. Таким образом, эффективность лазерного облучения зависит не только от оптических свойств ткани, но и от геометрических размеров лазерного пучка. При воздействии на поверхностный слой ткани широким пучком света роль этого эффекта незначительна.

Наиболее важным эффектом, в результате которого лазерная энергия переходит в биоткань, является поглщение. Оно происходит при возбуждении электронных, колебательных, вращательных состояний поглощающих молекул (хромофоров), входящих в состав биотканей.

1.5 Реакция биотканей на тепловое  воздействие

Тепловое воздействие лазерного излучения на биоткани основывается на поглощении излучения и преобразовании его энергии в тепло. Эффект зависит как от температуры, так и от длительности воздействия. В таблице 1.1 приведена классификация реакций биоткани на её нагрев в зависимости от температуры.

При температуре 45 оС не ожидается каких-либо необратимых повреждений ткани (лишь при достаточно длительном нагреве может произойти гибель клеток). Прогрев тканей до температуры 42-45 оС в медицинской практике используется при стимулирующей локальной термотерапии. При температуре 60 оС достаточно быстро наступает денатурация белков. Она может быть полной и астичной, обратимой и необратимой. Во многом степень денатурации белков зависит от времени воздействия. Заметное обезвоживание тканей начинается при температуре около 70 оС. При достижении температуры кипения воды происходит обезвоживание ткани, поскольку внутритканевая вода превращается в пар, при этом создаётся значительное избыточное давление. После ухода воды высушенная ткань быстро нагревается до температуры 150 оС, при которой начинается процесс карбонизации. При карбонизации из органических молекул выходит водород и образуется мелкодисперсный углерод (сажа), то есть происходит обугливание. При температуре свыше 300 оС испаряется органический матрикс ткани. Этот процесс называют лазерной абляцией.

Таблица 1.1 - Лазерное воздействие на биоткань в зависимости от температуры

Температура, оС	Реакция биоткани
37	нет изменений
40-45	активация ферментов, образование отёков, изменение мембран и, в зависимости от времени воздействия, смерть клеток
60	денатурация белков, начало коагуляции и некрозы
80	денатурация коллагена, дефекты мембраны
100	обезвоживание
свыше 150	обугливание
свыше 300	выпаривание, газообразование

Лазерная абляция - это процесс механического разрушения биоткани при достаточно высокой интенсивности лазерного излучения под действием импульса давления, создаваемого паром, и распад ткани на атомы и молекулы под действием высокой температуры (пиролиз). Основной признак ликвидация ткани из зоны обработки непосредственно под действием фотонов лазерного излучения. Следует отличать абляцию биотканей импульсным излучением, при которой испарение всех компонент происходит за время короткого лазерного импульса. При импульсной абляции вместе с перегретым материалом из ткани удаляется и большая часть тепловой энергии, а её незначительный остаток приводит к минимальным термическим повреждениям за пределами абляционного кратера.

Таким образом, процесс лазерной коррекции шрамов основан на быстром (порядка микросекунд) локальном (10-20 мм2) прогреве верхних участков кожи за счёт поглощения лазерного излучения до температуры свыше 300 оС, что приводит к моментальному её испарению, и не приводит (за счёт кратковременности воздействия) к передаче энергии близлежащим участкам кожи, т.е. не приводит к их обезвоживанию, обугливанию и т.п.

1.6 Лазеры, применяемые для шлифовки

Так как кожа на 77% состоит из воды, для шлифовки выбираются те лазеры, излучение которых хорошо поглощается водой и, следовательно, кожей. Энергия и продолжительность лазерных импульсов подбираются таким образом, чтобы излучение полностью поглощалось в верхнем слое кожи. В области поглощения происходит быстрый подъем температуры до нескольких сотен градусов, в результате чего ткань почти мгновенно испаряется. Скорость испарения (вапоризации) настолько высока, что нагретый слой превращается в пар, не успевая отдать тепло в более глубокие слои кожи.

В последнее время все большую популярность приобретает лазерная шлифовка обширных участков кожи с целью коррекции шрамов. Для данной процедуры в клинической практике используются СО2-лазеры и эрбиевые ИАГ-лазеры (твердотельный лазер на алюмоиттриевом гранате с ионами эрбия).

Впервые о положительных результатах шлифовок СО2-лазером сообщил в 1996 г. Фитзпатрик. СО2-лазер имеет длину волны излучения 10,6 мкм, которое поглощается водой с коэффициентом поглощения 800 см-1. При шлифовке СО2-лазером удаляется слой кожи 20 мкм (практически на всю глубину эпидермиса), при этом зона теплового повреждения распространяется в дерму на 150 мкм и более, вызывая коагуляцию коллагена. Это приводит как к желаемому эффекту (сокращение денатурированных коллагеновых волокон, разглаживание кожи), так и к побочным проявлениям. Замедленная реэпителизация, длительная эритема, диспигментация -- основные проблемы, с которыми сталкиваются врач и пациент при использовании этой технологии. Они носят временный характер. Наряду с этим возможны и более серьезные осложнения, такие, как гипер- и атрофические рубцы, а также гипопигментация кожи.

Эрбиевый лазер излучает на длине волны 2,94 мкм. Это излучение поглощается водой с коэффициентом поглощения 12 000 см-1, то есть в 10 раз эффективнее, чем излучение CO2-лазера. В связи с этим излучение эрбиевого лазера проникает на меньшую глубину (порядка 1 мкм), вызывая быструю вапоризацию тонкого слоя практически без термического повреждения окружающих тканей. Поэтому эрбиевый лазер иногда называют «холодным» лазером.

На рисунке 1.2 показана глубина проникновения лазерного излучения СО2- и эрбиевого лазера.

Рисунок 1.2 - Глубина проникновения лазерного излучения

Среди специалистов, проводящих лазерную шлифовку кожи, нет единодушия относительно того, какой из двух вышеназванных лазеров предпочтительнее. Есть мнение, что термическое повреждение волокон коллагена при шлифовке CO2-лазером дает больший омолаживающий эффект, чем «холодная» шлифовка эрбиевым лазером. С другой стороны, растет число врачей, которые отдают предпочтение эрбиевому лазеру как более безопасному. Признано, что после эрбиевой шлифовки наблюдается более быстрая эпителизация и меньший процент осложнений, чем после шлифовки CO2-лазером, что особенно важно, если речь идет о пациентах косметологических клиник, ведь их целью является красота.

2 выбор типа лазера. расчёт основных  параметров

2.1 Тип лазера. Режим работы

На основании вышеизложенного для решения поставленной задачи предлагается использовать метод лазерной дермабразии рубцов. Сравнивая два лазера, излучение которых поглощается биотканью большим коэффициентом поглощения, отдадим предпочтение эрбиевому лазеру, так как часть поглощаемой энергии у него больше по сравнению с СО2-лазером, что позволяет использовать меньшую энергию при обработке поверхности кожи. Также малая глубина проникновения уменьшает термическое повреждение прилежащих к зоне обработки участков кожи. С косметологической точки зрения глубина проникновения порядка нескольких микрометров позволяет с большой точностью скорректировать рубец. Тогда рабочая длина волны:

рабочая частота лазера `уде травна

(2.1)

Для того, чтобы снизить уровень повреждения прилегающих тканей используется импульсный режим с частотой следования импульсов до 10Гц. Такая частота следования обусловлена тем, что биоткань, прилежащая к зоне обработки, поглощает некоторую часть энергии, и ей необходимо её передать в более глубокие участки. Времени в 0,1 секунду (период импульсов) для этого процесса достаточно. Для нашего лазера выберем частоту следования импульсов, равную 5 Гц

Время одного импульса должно быть достаточным для прогрева ткани на температуру свыше 300оС, и одновременно малым для того, чтобы не прогреть прилежащие участки. Таким требованиям удовлетворяет длительность импульса в пределах от 2 мс до 10 мкс. Выберем длительность импульса, равную 100 мкс

Энергия одного импульса может изменяться в пределах от 0,5 Дж до 2 Дж. При выбранной частоте следования импульсов и их длительности целесообразно выбрать энергию одного импульса, равную 1 Дж:

При выбранных условиях толщина снимаемого за один импульс слоя ткани составит 3-4 мкм.

2.2 Расчёт параметров активной  среды

Активной средой лазера является кристалл алюмоиттриевого граната, легированный эрбием.

Рассчитаем необходимое число активных центров для излучения одного импульса. Энергия одного фотона:

(2.2)

где h = 6,63•10-34 Дж•с -- постоянная Планка;

с = 3•108 м/с -- скорость света в вакууме.

Число необходимых активных центров:

(2.3)

Типичная концентрация ионов эрбия составляет:

тогда объём активной среды с учётом квантового выхода:

(2.4)

что при диметре торца равном:

даст длину кристалла:

(2.5)

3 конструкция установки. кпд

Аппараты, применяемые в медицине, кроме самих лазеров содержат также: задающий генератор для импульсных лазеров; таймер, задающий время работы; индикатор или измеритель мощности излучения (фотометр); инструмент для подведения излучения к объекту (световоды) и др.

Блок-схема установки представлена на рисунке 3.1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3.1 - Блок-схема установки для лазерной коррекции шрамов

Установка включает в себя источник накачки лазера, сам лазер с резонатором, фокусатор - для фокусировки луча до необходимых размеров и ЭВМ, регулирующее согласованную работу всех элементов.

В качестве источника накачки для эрбиевого лазера нецелесообразно использовать лампы накачки, так как КПД передачи энергии возбуждения мал. Для накачки эрбиевого лазера чаще всего используют лазер на алюмоиттриевом гранате с неодимом, так как максимум поглощения приходится на длину волны порядка 1,06 мкм. Тогда КПД установки будет комплексным: произведение КПД неодимового лазера, передачи энергии от неодимового лазера к эрбиевому и КПД собственно эрбиевого лазера.

Излучение от неодимового лазера подаётся к эрбиевому лазеру через волоконный световод. Световод выбирается таким, чтобы его материал имел большой коэффициент пропускания на длине волны 1,06 мкм. Длина световода составляет 1-1,5 м, чтобы поднести эрбиевый лазер к месту обработки. Общий КПД установки найдём тогда по формуле:

(3.1)

где - КПД неодимового лазера;

- эффективность передачи энергии  по световоду;

- часть энергии накачки, поглощаемая  активной средой;

- квантовый выход.

Примем КПД неодимового лазера, равным 1,5%, для эрбиевого лазера коэффициенты соответственно равны: 0,8, 0,5, 0,5.

Тогда КПД установки:

выводы

В данной курсовой работе предложена установка для лазерной коррекции шрамов и, прежде всего, келоидных рубцов. Предложены тип лазера, режим работы, рассчитан объём активной среды и КПД установки.

Полученные результаты:

- тип лазера - твердотельный;

- активная среда - гранат с эрбием;

- рабочая длина волны

- режим работы - импульсный;

- длительность импульса

- частота следования импульсов

- энергия одного импульса

- толщина снимаемого за один  импульс слоя кожи 3-4 мкм;

- объём активной среды

- для обеспечения работы требуются  источник накачки, фокусатор и  ЭВМ;

- в качестве источника накачки  используется лазер на гранате  с неодимом;

- КПД установки 0,3%.

Установка предназначена для коррекции шрамов методом дермабразии.

коррекция шрам лазер излучение

список литературы

1 Инюшин В. М. Лазерный свет и  живой организм. - Алма-Ата, 1970. - 46с.

2 Справочник по лазерной технике  Под ред. Байбородина Ю.В. 1978.-288 с.

3 Справочник по лазерной технике. Под ред. Напартовича А.П. 1991.-543с.

4 Федоров Б. Ф. Лазеры. Основы устройства  и применение. - М.: ДОСААФ, 1988.190с.

5 Вакуленко В.М., Иванов Л.П. Источники  питания лазеров. - М.: Советсое радио, 1980. - 104 с., ил.

6 Самохвалов М.К. Элементы и устройства  оптоэлектроники: учебное пособие - Ульяновск: УлГТУ, 2003. - 125с.

7 Мишура Т. П., Платонов О. Ю. Проектирование  лазерных систем: учебное пособие  Т. П. Мишура, О. Ю. Платонов; ГУАП. -- СПб., 2006. -- 98 с.: ил

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 ЛАЗЕРЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ  В МЕДИЦИНЕ

2 ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ  И ЦЕЛИ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОГО  ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЛАЗЕРОВ

3 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ  ЛАЗЕРОВ В МЕДИЦИНСКОЙ ПРАКТИКЕ

4 МЕРЫ ЗАЩИТЫ ОТ ЛАЗЕРНОГО  ИЗЛУЧЕНИЯ

5 ПРОНИКНОВЕНИЕ ЛАЗЕРНОГО  ИЗЛУЧЕНИЯ В БИОЛОГИЧЕСКИЕ ТКАНИ

6 ПАТОГЕНЕТИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ  ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ  С БИОЛОГИЧЕСКИМИ ТКАНЯМИ

7 МЕХАНИЗМЫ ЛАЗЕРНОЙ БИОСТИМУЛЯЦИИ

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА