Za posledné polstoročie sa lasery používali v oftalmológii, onkológii, plastickej chirurgii a mnohých ďalších oblastiach medicíny a biomedicínskeho výskumu.
Možnosť využitia svetla na liečbu chorôb je známa už tisíce rokov. Starovekí Gréci a Egypťania využívali slnečné žiarenie v terapii a tieto dve myšlienky boli dokonca spojené v mytológii - grécky boh Apollo bol bohom slnka a liečiteľstva.
Až po vynáleze zdroja koherentného žiarenia pred viac ako 50 rokmi sa skutočne odhalil potenciál využitia svetla v medicíne.
Vďaka svojim špeciálnym vlastnostiam sú lasery oveľa účinnejšie ako žiarenie zo slnka alebo iných zdrojov. Každý kvantový generátor pracuje vo veľmi úzkom rozsahu vlnových dĺžok a vyžaruje koherentné svetlo. Lasery v medicíne vám tiež umožňujú vytvárať vysoké sily. Lúč energie môže byť sústredený vo veľmi malom bode, vďaka čomu je dosiahnutá jeho vysoká hustota. Tieto vlastnosti viedli k tomu, že dnes sa lasery používajú v mnohých oblastiach lekárskej diagnostiky, terapie a chirurgie.
Ošetrenie pleti a očí
Použitie laserov v medicíne začalo oftalmológiou a dermatológiou. KvantovéGenerátor bol otvorený v roku 1960. A o rok neskôr Leon Goldman ukázal, ako by sa rubínový laser mohol použiť v medicíne na odstránenie kapilárnej dysplázie, typu materského znamienka a melanómu.
Táto aplikácia je založená na schopnosti koherentných zdrojov žiarenia pracovať pri určitej vlnovej dĺžke. Koherentné zdroje žiarenia sa teraz široko používajú na odstraňovanie nádorov, tetovaní, vlasov a materských znamienok.
Lasery rôznych typov a vlnových dĺžok sa používajú v dermatológii kvôli rôznym typom lézií, ktoré sa liečia a hlavnej absorpčnej látke v nich. Vlnová dĺžka závisí aj od typu pokožky pacienta.
Dnes sa nedá praktizovať dermatológia alebo oftalmológia bez laserov, pretože sa stali hlavnými nástrojmi liečby pacientov. Používanie kvantových generátorov na korekciu zraku a široké spektrum oftalmologických aplikácií vzrástlo po tom, čo sa Charles Campbell v roku 1961 stal prvým lekárom, ktorý v medicíne použil červený laser na liečbu pacienta s oddelením sietnice.
Neskôr na tento účel začali oftalmológovia využívať argónové zdroje koherentného žiarenia v zelenej časti spektra. Tu sa na zaostrenie lúča v oblasti odlúčenia sietnice použili vlastnosti samotného oka, najmä jeho šošovky. Vysoko koncentrovaná sila zariadenia ju doslova zvára.
Pacienti s niektorými formami makulárnej degenerácie môžu profitovať z laserovej chirurgie – laserovej fotokoagulácie a fotodynamickej terapie. V prvom postupe lúč koherentžiarenie sa používa na utesnenie krvných ciev a spomalenie ich patologického rastu pod makulou.
Podobné štúdie sa robili v 40. rokoch 20. storočia so slnečným žiarením, ale lekári potrebovali jedinečné vlastnosti kvantových generátorov, aby ich úspešne dokončili. Ďalším použitím argónového lasera bolo zastavenie vnútorného krvácania. Selektívna absorpcia zeleného svetla hemoglobínom, pigmentom v červených krvinkách, sa používa na blokovanie krvácajúcich krvných ciev. Na liečbu rakoviny ničia krvné cievy, ktoré vstupujú do nádoru a dodávajú mu živiny.
To sa nedá dosiahnuť pomocou slnečného svetla. Medicína je veľmi konzervatívna, ako by mala byť, ale zdroje koherentného žiarenia si získali uznanie v rôznych oblastiach. Lasery v medicíne nahradili mnohé tradičné prístroje.
Očné lekárstvo a dermatológia tiež využili excimerové zdroje koherentného UV žiarenia. Stali sa široko používanými na pretvarovanie rohovky (LASIK) na korekciu zraku. Lasery v estetickej medicíne sa používajú na odstránenie škvŕn a vrások.
Zisková kozmetická chirurgia
Takýto technologický vývoj je u komerčných investorov nevyhnutne obľúbený, pretože má obrovský potenciál zisku. Analytická spoločnosť Medtech Insight v roku 2011 odhadla veľkosť trhu s laserovými kozmetickými zariadeniami na viac ako 1 miliardu amerických dolárov. Naozaj, napriekklesajúci celkový dopyt po lekárskych systémoch počas globálneho poklesu, kozmetické operácie založené na kvantových generátoroch sa naďalej tešia silnému dopytu v Spojených štátoch, ktoré sú dominantným trhom pre laserové systémy.
Vizualizácia a diagnostika
Lasery v medicíne zohrávajú dôležitú úlohu pri včasnom odhalení rakoviny, ako aj mnohých iných chorôb. Napríklad v Tel Avive sa skupina vedcov začala zaujímať o IR spektroskopiu využívajúcu infračervené zdroje koherentného žiarenia. Dôvodom je, že rakovina a zdravé tkanivo môžu mať rozdielnu priepustnosť infračerveného žiarenia. Jednou zo sľubných aplikácií tejto metódy je detekcia melanómov. Pri rakovine kože je pre prežitie pacienta veľmi dôležitá včasná diagnostika. V súčasnosti sa detekcia melanómu vykonáva okom, takže zostáva spoľahnúť sa na šikovnosť lekára.
V Izraeli môže každý človek raz ročne absolvovať bezplatný skríning melanómu. Pred niekoľkými rokmi sa v jednom z veľkých medicínskych centier uskutočnili štúdie, v dôsledku ktorých bolo možné jasne pozorovať rozdiel v infračervenom rozsahu medzi potenciálnymi, ale nie nebezpečnými príznakmi a skutočným melanómom.
Katzir, organizátor prvej konferencie SPIE o biomedicínskej optike v roku 1984, a jeho skupina v Tel Avive tiež vyvinuli optické vlákna, ktoré sú transparentné pre infračervené vlnové dĺžky, čo umožňuje rozšírenie metódy na internú diagnostiku. Okrem toho môže byť rýchlou a bezbolestnou alternatívou ster z krčka maternice ingynekológia.
Modrý polovodičový laser v medicíne našiel uplatnenie vo fluorescenčnej diagnostike.
Röntgenové žiarenie, ktoré sa tradične používa v mamografii, začínajú nahrádzať aj systémy založené na kvantových generátoroch. Röntgenové lúče stavajú lekárov pred ťažkú dilemu: potrebujú vysokú intenzitu, aby spoľahlivo odhalili rakovinu, ale samotné zvýšenie radiácie zvyšuje riziko rakoviny. Ako alternatíva sa skúma možnosť použitia veľmi rýchlych laserových impulzov na zobrazenie hrudníka a iných častí tela, ako je mozog.
OCT pre oči a viac
Lasery v biológii a medicíne sa používajú v optickej koherentnej tomografii (OCT), čo vyvolalo vlnu nadšenia. Táto zobrazovacia technika využíva vlastnosti kvantového generátora a môže poskytnúť veľmi jasné (rádovo mikrón), prierezové a trojrozmerné obrazy biologického tkaniva v reálnom čase. OCT sa už používa v oftalmológii a môže napríklad umožniť oftalmológovi vidieť prierez rohovky na diagnostiku ochorení sietnice a glaukómu. Dnes sa táto technika začína používať aj v iných oblastiach medicíny.
Jednou z najväčších oblastí vznikajúcich v rámci OCT je zobrazovanie tepien optickými vláknami. Optická koherentná tomografia sa môže použiť na vyhodnotenie prasknutého nestabilného plaku.
Mikroskopia živých organizmov
Lasery vo vede, technike, medicíne tiež hrajúkľúčovú úlohu v mnohých typoch mikroskopie. V tejto oblasti sa urobilo veľké množstvo pokrokov, ktorých účelom je vizualizovať, čo sa deje vo vnútri tela pacienta bez použitia skalpelu.
Najťažšou časťou pri odstraňovaní rakoviny je potreba neustáleho používania mikroskopu, aby sa chirurg mohol uistiť, že je všetko vykonané správne. Schopnosť robiť mikroskopiu naživo a v reálnom čase predstavuje významný pokrok.
Novou aplikáciou laserov v strojárstve a medicíne je skenovanie v blízkom poli optickej mikroskopie, ktorá dokáže produkovať obrazy s oveľa vyšším rozlíšením ako štandardné mikroskopy. Táto metóda je založená na optických vláknach so zárezmi na koncoch, ktorých rozmery sú menšie ako vlnová dĺžka svetla. To umožnilo zobrazovanie pod vlnovou dĺžkou a položilo základ pre zobrazovanie biologických buniek. Použitie tejto technológie v IR laseroch umožní lepšie pochopenie Alzheimerovej choroby, rakoviny a iných zmien v bunkách.
PDT a iné ošetrenia
Vývoj v oblasti optických vlákien pomáha rozširovať možnosti využitia laserov v iných oblastiach. Okrem toho, že umožňujú diagnostiku vo vnútri tela, energiu koherentného žiarenia možno preniesť tam, kde je to potrebné. Môže sa použiť pri liečbe. Vláknové lasery sú čoraz pokročilejšie. Radikálne zmenia medicínu budúcnosti.
Oblasť fotomedicíny s použitím fotosenzitívnej chemikálielátky, ktoré interagujú s telom konkrétnym spôsobom, môžu využívať kvantové generátory na diagnostiku aj liečbu pacientov. Vo fotodynamickej terapii (PDT) môžu napríklad laser a fotosenzitívne liečivo obnoviť zrak u pacientov s „vlhkou“formou vekom podmienenej makulárnej degenerácie, ktorá je hlavnou príčinou slepoty u ľudí starších ako 50 rokov.
V onkológii sa určité porfyríny hromadia v rakovinových bunkách a fluoreskujú, keď sú osvetlené určitou vlnovou dĺžkou, čo naznačuje umiestnenie nádoru. Ak sa potom tie isté zlúčeniny osvetlia inou vlnovou dĺžkou, stanú sa toxickými a zabíjajú poškodené bunky.
Červený plynový héliovo-neónový laser sa používa v medicíne pri liečbe osteoporózy, psoriázy, trofických vredov atď., keďže túto frekvenciu dobre absorbuje hemoglobín a enzýmy. Žiarenie spomaľuje zápal, zabraňuje hyperémii a opuchu a zlepšuje krvný obeh.
Prispôsobené zaobchádzanie
Genetika a epigenetika sú dve ďalšie oblasti, kde možno použiť lasery.
V budúcnosti sa všetko bude diať na úrovni nanometrov, čo nám umožní robiť medicínu na úrovni bunky. Lasery, ktoré dokážu generovať femtosekundové impulzy a naladiť sa na špecifické vlnové dĺžky, sú ideálnymi partnermi pre zdravotníkov.
To otvorí dvere personalizovanej liečbe na základe individuálneho genómu pacienta.
Leon Goldman – zakladateľlaserová medicína
Keď už hovoríme o využití kvantových generátorov pri liečbe ľudí, nemožno nespomenúť Leona Goldmana. Je známy ako „otec“laserovej medicíny.
Už rok po vynájdení koherentného zdroja žiarenia sa Goldman stal prvým výskumníkom, ktorý ho použil na liečbu kožných chorôb. Technika, ktorú vedec použil, pripravila pôdu pre ďalší rozvoj laserovej dermatológie.
Jeho výskum v polovici 60. rokov viedol k použitiu rubínového kvantového generátora pri chirurgii sietnice a objavom, ako je schopnosť koherentného žiarenia súčasne prerezať kožu a utesniť krvné cievy, čím sa obmedzí krvácanie.
Goldman, väčšinu svojej kariéry dermatológ na University of Cincinnati, založil Americkú spoločnosť pre lasery v medicíne a chirurgii a pomohol položiť základy bezpečnosti laserov. Zomrel 1997
Miniaturizácia
Prvé 2-mikrónové kvantové generátory mali veľkosť dvojitého lôžka a boli chladené tekutým dusíkom. Dnes sa objavili diódové lasery veľkosti dlane a ešte menšie vláknové lasery. Tieto zmeny pripravujú pôdu pre nové aplikácie a vývoj. Medicína budúcnosti bude mať malé lasery na operáciu mozgu.
Vďaka technologickému pokroku dochádza k neustálemu znižovaniu nákladov. Tak ako sa lasery stali samozrejmosťou v domácich spotrebičoch, začali hrať kľúčovú úlohu aj v nemocničnom vybavení.
Ak by predchádzajúce lasery v medicíne boli veľmi veľké akomplexná, dnešná výroba z optických vlákien výrazne znížila náklady a prechod na nanorozmery zníži náklady ešte viac.
Iné použitia
Urológovia dokážu laserom liečiť striktúru močovej rúry, nezhubné bradavice, močové kamene, kontraktúru močového mechúra a zväčšenie prostaty.
Použitie lasera v medicíne umožnilo neurochirurgom robiť presné rezy a endoskopické vyšetrenia mozgu a miechy.
Veterinári používajú lasery na endoskopické zákroky, koaguláciu nádorov, rezy a fotodynamickú terapiu.
Zubní lekári používajú koherentné žiarenie na vytváranie otvorov, operácie ďasien, antibakteriálne zákroky, dentálnu desenzibilizáciu a orofaciálnu diagnostiku.
Laserové pinzety
Biomedicínski výskumníci na celom svete používajú optické pinzety, triediče buniek a mnoho ďalších nástrojov. Laserové pinzety sľubujú lepšiu a rýchlejšiu diagnostiku rakoviny a používajú sa na zachytávanie vírusov, baktérií, malých kovových častíc a reťazcov DNA.
V optických pinzetách sa lúč koherentného žiarenia používa na držanie a otáčanie mikroskopických predmetov, podobne ako kovové alebo plastové pinzety dokážu zachytiť malé a krehké predmety. S jednotlivými molekulami je možné manipulovať ich pripojením na mikrónové sklíčka alebo polystyrénové guľôčky. Keď lúč zasiahne loptu, tozakrivuje a má mierny dopad, tlačí loptu priamo do stredu lúča.
Vytvorí sa „optická pasca“, ktorá je schopná zachytiť malú časticu v lúči svetla.
Laser v medicíne: výhody a nevýhody
Energia koherentného žiarenia, ktorej intenzitu je možné modulovať, sa využíva na rezanie, ničenie alebo zmenu bunkovej alebo extracelulárnej štruktúry biologických tkanív. Navyše používanie laserov v medicíne skrátka znižuje riziko infekcie a stimuluje hojenie. Použitie kvantových generátorov v chirurgii zvyšuje presnosť pitvy, sú však nebezpečné pre tehotné ženy a existujú kontraindikácie pre použitie fotosenzibilizačných liekov.
Komplexná štruktúra tkanív neumožňuje jednoznačnú interpretáciu výsledkov klasických biologických analýz. Lasery v medicíne (foto) sú účinným nástrojom na ničenie rakovinových buniek. Silné zdroje koherentného žiarenia však pôsobia bez rozdielu a ničia nielen postihnuté, ale aj okolité tkanivá. Táto vlastnosť je dôležitým nástrojom v technike mikrodisekcie používanej na vykonávanie molekulárnej analýzy v mieste záujmu so schopnosťou selektívne ničiť nadbytočné bunky. Cieľom tejto technológie je prekonať heterogenitu prítomnú vo všetkých biologických tkanivách s cieľom uľahčiť ich štúdium v dobre definovanej populácii. V tomto zmysle laserová mikrodisekcia významne prispela k rozvoju výskumu, k porozumeniufyziologické mechanizmy, ktoré sa dnes dajú jasne demonštrovať na úrovni populácie a dokonca aj jednej bunky.
Funkčnosť tkanivového inžinierstva sa dnes stala hlavným faktorom rozvoja biológie. Čo sa stane, ak sa aktínové vlákna počas delenia prerežú? Bude embryo Drosophila stabilné, ak sa bunka zničí počas skladania? Aké parametre sú zahrnuté v meristémovej zóne rastliny? Všetky tieto problémy možno vyriešiť pomocou laserov.
Nanomedicína
V poslednej dobe sa objavilo mnoho nanoštruktúr s vlastnosťami vhodnými pre celý rad biologických aplikácií. Najdôležitejšie z nich sú:
- kvantové bodky sú malé častice vyžarujúce svetlo o veľkosti nanometrov používané pri vysoko citlivom bunkovom zobrazovaní;
- magnetické nanočastice, ktoré našli uplatnenie v lekárskej praxi;
- polymérové častice pre enkapsulované terapeutické molekuly;
- kovové nanočastice.
Vývoj nanotechnológie a používanie laserov v medicíne skrátka spôsobili revolúciu v spôsobe podávania liekov. Suspenzie liečiv obsahujúcich nanočastice môžu zvýšiť terapeutický index mnohých zlúčenín (zvýšiť rozpustnosť a účinnosť, znížiť toxicitu) selektívnym ovplyvnením postihnutých tkanív a buniek. Dodávajú účinnú látku a tiež regulujú uvoľňovanie účinnej látky v reakcii na vonkajšiu stimuláciu. Nanoteranostika je ďalejexperimentálny prístup, ktorý umožňuje duálne použitie nanočastíc, liečivých zlúčenín, terapie a diagnostických zobrazovacích nástrojov, čím sa otvára cesta k personalizovanej liečbe.
Použitie laserov v medicíne a biológii na mikrodisekciu a fotoabláciu umožnilo pochopiť fyziologické mechanizmy vývoja chorôb na rôznych úrovniach. Výsledky pomôžu určiť najlepšie metódy diagnostiky a liečby pre každého pacienta. Nevyhnutný bude aj rozvoj nanotechnológie v úzkom spojení s pokrokom v zobrazovaní. Nanomedicína je sľubná nová forma liečby niektorých druhov rakoviny, infekčných chorôb alebo diagnostiky.
