Наука и технологии, основанные на свете, развивались на протяжении всей истории. Одним из наиболее значительных достижений световой науки и техники является лазер. В начале своего развития лазер обладал уникальными физическими и привлекательными характеристиками с большим потенциалом для решения медицинских и хирургических задач, открывая множество возможностей для применения лазера благодаря исследованиям известных врачей. В сотрудничестве с врачами медицинская промышленность продолжала совершенствовать и совершенствовать технологические достижения. В настоящее время лазер стал одним из самых передовых медицинских решений для различных клинических случаев. Более того, есть некоторые процедуры, для которых лазер сейчас является обязательным. Несмотря на множество проблем, которые еще предстоит решить, как практикующие, так и пациенты рады видеть еще более захватывающий прогресс в быстро расширяющейся области лазерной медицины и хирургии.
Вступление
Эта наука, лежащая в основе лазера, была основана на простой идее и постоянно развивалась многими учеными и физиками. Многочисленные неудачи в испытаниях никогда не могли помешать прогрессу в клиническом применении лазерной энергии. В настоящее время лазеры используются во многих областях медицины и хирургии.
Рождение лазера
Термин «лазер» является аббревиатурой от «Усиление света за счет вынужденного излучения». Технология излучает свет посредством процесса оптического усиления, основанного на вынужденном излучении спонтанного электромагнитного излучения в форме фотонов. Лазеры используются для резки металлов в промышленном производстве, для сканирования штрих-кодов в коммерческих магазинах, для маркировки целей и измерения дальности и скорости в военных и правоохранительных устройствах, для излучения световых дисплеев в развлекательных целях, для записи и воспроизведения универсальных цифровых дисков (DVD) и для лечения все большего числа заболеваний и состояний. Лазеры, показанные в современной медицине и хирургии, используются во многих областях, включая ангиопластику, диагностику рака, лечение рака, френэктомию, литотрипсию, лазерную маммографию, медицинскую визуализацию, микроскопию, офтальмологию, оптическую когерентную томографию, простатэктомию, пластическую хирургию, лазерную липосакцию, хирургические и косметические процедуры, такие как ревизия рубцов, шлифовка кожи, лечение сосудистых поражений, лазерная эпиляция, удаление татуировок и многое другое.
Теоретическая концепция, лежащая в основе лазера, была первоначально установлена Альбертом Эйнштейном (1879–1955) в 1917 году. Эйнштейн предложил концепции и принципы спонтанного и стимулированного излучения после экспериментов, которые идентифицировали внезапную вспышку когерентного света как атомы, разряжающиеся в быстрой цепочке реакции, называемой «вынужденное излучение». Первый рабочий лазер был построен в 1960 году Теодором Х. Майманом (1927–2007) в исследовательских лабораториях Hughes. Лазер состоял из спиральной лампы-вспышки высокого напряжения, окружавшей небольшой трубчатый кристалл синтетического рубина, покрытый серебром на двух торцах с небольшой царапиной на излучающей грани. Майман измерил ширину спектральной линии, излучаемой миллисекундными импульсами когерентного темно-красного света с длиной волны 694,3 нм, и родился рубиновый лазер, первое создание когерентного света человечеством. Вскоре после этого в 1961 году были разработаны гелий-неоновый (HeNe) лазер (632,8 нм) и лазер на неодим-иттрий-алюминиевом гранате (Nd: YAG) (1064 нм), за ними последовал аргоновый лазер (488 нм, 514,5 нм) и близкий к нему инфракрасный (ближний ИК) диодный лазер в 1962 году, углекислый (CO2) лазер в 1964 году (10600 нм), перестраиваемый импульсный лазер на красителях в 1969 году (580–595 нм) и эксимерный лазер в 1970 году (172 нм).
Основы лазерной медицины и хирургии
Пионером в области лазерной медицины и хирургии был доктор Леон Гольдман (1906–1997), американский дерматолог и хирург. Гольдман изучал взаимодействие лазерного света с биологическими системами, включая ранние клинические исследования на людях. В 1961 году Гольдман стал первым исследователем, применившим лазер для лечения кожного заболевания человека, меланомы. В 1966 году Голдман руководил первой лазерной операцией по удалению опухоли без кровоизлияния. Голдман был одним из основателей Американского общества лазерной медицины и хирургии (ASLMS) в 1979 году, а в 1981 году он стал первым президентом ASLMS.
С 1980-х годов стали доступны более мощные и компактные лазеры для использования в медицине и хирургии: лазеры CO2 использовались для разреза и иссечения тканей; аргоновые лазеры применялись в офтальмохирургии и дерматологии; Nd: YAG-лазеры без и с удвоением частоты с использованием кристалла титанилфосфата калия использовались для дерматологической и лапароскопической хирургии. Все эти лазеры второго поколения были разработаны на основе непрерывной доставки волн, и, таким образом, они были ограничены индукцией неселективных фототермических повреждений, вызывающих нежелательные осложнения. Соответственно, они требовали длительного обучения и правильного использования опытными лазерными хирургами. Тем не менее, многие прорывные результаты были достигнуты с этими системами врачами-лазерниками, которые понимали тонкости взаимодействия лазера и ткани.
Следующее по значимости клиническое продвижение в лазерной терапии было достигнуто с применением принципа, предложенного доктором Ричардом Роксом Андерсоном (1960-) и Джоном А. Пэрришем в 1983 году, теории селективного фототермолиза, которая предписывала использование специфичных для пигментов, короткоимпульсные лазеры. Это способствовало гистологически селективному и сильно ограниченному термическому повреждению для лечения сосудистых и пигментных поражений с минимальным рубцеванием или даже без него. В исследовании Андерсона и Пэриша пигментированные структуры, клетки и органеллы облучались in vivo подходящими короткими импульсами, чтобы вызвать избирательное повреждение пигментированных мишеней при сохранении окружающих нормальных тканей. Точного прицеливания не требовалось, поскольку присущие оптические и тепловые свойства обеспечивали селективность цели. Избирательное повреждение кожных микрососудов и меланосом внутри меланоцитов можно постоянно наблюдать после облучения. Первым лазером, полностью использовавшим эту теорию, был импульсный желтый лазер на красителе для обработки винных пятен. Этот принцип непрерывно развивался, и за ним последовал первый лазер с модуляцией добротности для удаления татуировок и пигментов: модуляция добротности позволила лазерам доставлять еще более короткие импульсы в наносекундной области. Чем короче ширина импульса, тем выше селективность и тем больше повреждений было в целевом пигменте.
Другим важным достижением стало внедрение в начале 1990-х годов технологии «сканирования» для лазеров на CO2 и Er: YAG, что позволило обеспечить точное компьютеризированное управление лазерными лучами. Затем сканирование было объединено с фракционированием лазерного луча на мириады микропучков, в результате чего между микроколонками поврежденной ткани оставались участки необработанной ткани. Однако, комбинируя охлаждение кожи с лазером в клинической практике, исследователи обнаружили, что более низкая температура кожи, связанная с использованием охлаждения, вызвала уменьшение диаметров и степени внутрикожного термического повреждения так называемых «микроскопических зон обработки» (MTZ)». Считалось, что это может помешать достижению стойких результатов лечения. Поэтому возникла потребность в новой передовой технологии, которая могла бы обеспечить компьютеризированный контроль соответствующей плотности энергии лазера и ширины импульса, которые автоматически регулируются в соответствии с изменениями температуры на поверхности кожи, чтобы MTZ создавались единообразно. Производитель лазеров решил эту проблему, включив свою запатентованную технологию под названием «динамическая термическая оптимизация (DTO)» в коммерческий продукт, который измеряет температуру кожи и автоматически изменяет плотность энергии и ширину импульса, чтобы гарантировать, что лазер всегда настроен на желаемые параметры лечения.
Эти недавние достижения в технологиях лазерной пульсации, сканирования и фракционирования помогли произвести революцию в клинических применениях лазерной медицины и хирургии. Теперь последовательные клинические результаты могут быть получены с меньшим количеством осложнений и более коротким временем простоя пациента, а также с повышением осведомленности общественности о доступности этих новых достижений в лазерных технологиях. Ожидается, что рост индустрии медицинских лазеров будет экспоненциально расти, и, согласно последнему отчету Grand View Research, к 2022 году ожидается, что мировой рынок медицинских лазеров достигнет 12,5 млрд долларов США.
Будущее лазеров
Лазеры продолжают находить все более широкое применение в медицине и хирургии, а исследования проводятся благодаря многостороннему сотрудничеству практиков и новаторов в промышленности, науке и медицине. В последнее время многие ученые и врачи пытаются использовать лазеры как в ближнем, так и в среднем инфракрасном диапазоне для измерения уровня глюкозы в крови как безвредным, так и неинвазивным способом. Диабет - это заболевание, которым страдают миллионы людей, которые ежедневно страдают от стресса, связанного с необходимостью измерения уровня глюкозы в крови, что связано не только с некоторой болью, но и с риском заражения. Новая технология, использующая лазеры в качестве инструмента измерения, потенциально может позволить безболезненное и недорогое измерение уровня глюкозы в крови. Однако результаты испытаний показывают, что точное измерение с минимальной погрешностью будет проблемой для этого нового приложения. Тем не менее, начало положено.
Офтальмология также является клинической областью, в которой преимущественно используются лазеры. Хотя интенсивный импульсный свет (IPL), строго говоря, не является лазером, многие офтальмологи пробуют эту технологию для лечения синдрома сухого глаза. Общественность внимательно следит за этим новым подходом к IPL, поскольку изначально IPL был разработан для дерматологических процедур, таких как уменьшение пигментных и сосудистых поражений или нежелательных волос. Считается, что нанесение IPL от угла глазной щели до угла глазной щели стимулирует мейбомиевые железы, чтобы они вернулись к своей нормальной функции. В результате сухой липидный слой вернется к естественному потоку липидов, что уменьшит испарение слез. Клиническая эффективность этого подхода была продемонстрирована и опубликована в 2015 году в журнале Photomedicine and Laser Surgery. Еще один новый подход, который, как ожидается, скоро появится в продаже, - это усовершенствованный подход к лечению диабетического макулярного отека с использованием нового лазера, который предусматривает целенаправленное воздействие на пигмент сетчатки, не повреждая вышележащие слои сетчатки, чтобы вызвать восстановление за счет миграции и пролиферации клеток с использованием лазера с высокой селективностью к пигментам с длиной волны 527 нм. В исследовании, опубликованном в Архиве клинической и экспериментальной офтальмологии Грефе в 2015 году, исследователи отметили значительное улучшение остроты зрения с наилучшей коррекцией зрения.
В области стоматологии один производитель лазеров представил и коммерциализировал фотоакустический поток с усиленным излучением ударных волн (SWEEPS). В этой технологии используется лазер Er: YAG для создания нетепловых фотоакустических ударных волн в растворах для очистки и удаления дефектов, вводимых в зубной канал. Согласно статье, опубликованной в 2017 году в Journal of the Laser and Health Academy, технология обеспечивает точную концентрацию ударных волн в очищающих жидкостях, проникая глубоко в боковые каналы и микроскопические канальцы для удаления тканей, мусора, биопленки и бактерий. Таким образом, он обещает значительно повысить эффективность стандартных процедур ирригации, индуцированных фотонами, фотоакустическими струйными потоками, индуцированными лазером.
Наконец, в области дерматологии одной из последних инноваций является новая технология, которая использует производство ультразвуковых импульсов при передаче света через прямой контакт с кожей. Эта новая технология, получившая название «so-noillumination», была представлена ??Полом Дж. Д. Уайтсайдом на ежегодной конференции Американского общества лазерной медицины и хирургии 2017 года. По словам Уайтсайда, новая технология использует ультразвуковую пульсацию в сочетании с контактной передачей от лазера для изменения свойств кожной ткани во время процедуры. Лазер не будет работать, если он на самом деле не соприкасается с кожей пациента. Это может помочь снизить опасения по поводу безопасности, связанные с потенциальным повреждением глаз во время лазерных процедур, а также улучшить точность и прохождение лазера через поверхностные слои кожа. Будущее лазера во всех аспектах медицины и хирургии продолжает становиться все ярче и ярче.