Przez ostatnie pół wieku lasery były wykorzystywane w okulistyce, onkologii, chirurgii plastycznej i wielu innych dziedzinach medycyny i badań biomedycznych.
Możliwość wykorzystania światła do leczenia chorób znana jest od tysięcy lat. Starożytni Grecy i Egipcjanie używali promieniowania słonecznego w terapii, a te dwie idee były nawet połączone w mitologii - grecki bóg Apollo był bogiem słońca i uzdrawiania.
Potencjał wykorzystania światła w medycynie został naprawdę ujawniony dopiero po wynalezieniu źródła promieniowania koherentnego ponad 50 lat temu.
Ze względu na swoje specjalne właściwości, lasery są znacznie bardziej wydajne niż promieniowanie słoneczne lub inne źródła. Każdy generator kwantowy działa w bardzo wąskim zakresie długości fal i emituje spójne światło. Również lasery w medycynie pozwalają na tworzenie wysokich mocy. Wiązka energii może być skoncentrowana w bardzo małym punkcie, dzięki czemu uzyskuje się jej dużą gęstość. Właściwości te doprowadziły do tego, że dziś lasery znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach diagnostyki medycznej, terapii i chirurgii.
Zabieg na skórę i oczy
Wykorzystanie laserów w medycynie rozpoczęło się od okulistyki i dermatologii. KwantGenerator został otwarty w 1960 roku. A rok później Leon Goldman zademonstrował, jak rubinowy laser może być wykorzystywany w medycynie do usuwania dysplazji naczyń włosowatych, rodzaju znamion i czerniaka.
Ta aplikacja opiera się na zdolności źródeł promieniowania koherentnego do działania przy określonej długości fali. Źródła promieniowania koherentnego są obecnie szeroko stosowane do usuwania guzów, tatuaży, włosów i pieprzyków.
Lasery o różnych typach i długościach fal są używane w dermatologii, ze względu na różne typy zmian chorobowych, które są leczone i znajduje się w nich główna substancja absorbująca. Długość fali zależy również od typu skóry pacjenta.
Dziś nie można uprawiać dermatologii ani okulistyki bez posiadania laserów, ponieważ stały się one głównymi narzędziami leczenia pacjentów. Zastosowanie generatorów kwantowych do korekcji wzroku i szerokiego zakresu zastosowań okulistycznych wzrosło po tym, jak Charles Campbell jako pierwszy lekarz zastosował w medycynie czerwony laser w 1961 roku do leczenia pacjenta z odwarstwieniem siatkówki.
Później w tym celu okuliści zaczęli używać argonowych źródeł promieniowania koherentnego w zielonej części widma. Tutaj właściwości samego oka, a zwłaszcza jego soczewki, zostały wykorzystane do skupienia wiązki w obszarze odwarstwienia siatkówki. Silnie skoncentrowana moc urządzenia dosłownie ją zgrzewa.
Pacjenci z niektórymi postaciami zwyrodnienia plamki żółtej mogą skorzystać z chirurgii laserowej – fotokoagulacji laserowej i terapii fotodynamicznej. W pierwszej procedurze wiązka koherentnejpromieniowanie służy do uszczelniania naczyń krwionośnych i spowalniania ich patologicznego wzrostu pod plamką.
Podobne badania przeprowadzono w latach 40. XX wieku z użyciem światła słonecznego, ale lekarze potrzebowali unikalnych właściwości generatorów kwantowych, aby je pomyślnie ukończyć. Kolejnym zastosowaniem lasera argonowego było zatrzymanie krwawienia wewnętrznego. Selektywna absorpcja zielonego światła przez hemoglobinę, pigment w czerwonych krwinkach, została wykorzystana do blokowania krwawiących naczyń krwionośnych. W leczeniu raka niszczą naczynia krwionośne, które wchodzą do guza i dostarczają mu składników odżywczych.
Nie można tego osiągnąć przy użyciu światła słonecznego. Medycyna jest bardzo konserwatywna, jak być powinna, ale źródła promieniowania koherentnego zyskały akceptację w różnych dziedzinach. Lasery w medycynie zastąpiły wiele tradycyjnych instrumentów.
Okulistyka i dermatologia również skorzystały na ekscymerowych źródłach spójnego promieniowania UV. Stały się szeroko stosowane do korekcji rogówki (LASIK) w celu korekcji wzroku. Lasery w medycynie estetycznej służą do usuwania przebarwień i zmarszczek.
Opłacalna chirurgia plastyczna
Takie osiągnięcia technologiczne są nieuchronnie popularne wśród inwestorów komercyjnych, ponieważ mają ogromny potencjał zysku. Firma analityczna Medtech Insight w 2011 roku oszacowała wielkość rynku laserowego sprzętu kosmetycznego na ponad 1 miliard dolarów. Rzeczywiście, pomimozmniejszający się ogólny popyt na systemy medyczne podczas globalnego kryzysu, gabinety kosmetyczne oparte na generatorach kwantowych nadal cieszą się dużym popytem w Stanach Zjednoczonych, dominującym rynku systemów laserowych.
Wizualizacja i diagnostyka
Lasery w medycynie odgrywają ważną rolę we wczesnym wykrywaniu raka, a także wielu innych chorób. Na przykład w Tel Awiwie grupa naukowców zainteresowała się spektroskopią w podczerwieni wykorzystującą podczerwone źródła promieniowania koherentnego. Powodem tego jest to, że rak i zdrowa tkanka mogą mieć różną przepuszczalność podczerwieni. Jednym z obiecujących zastosowań tej metody jest wykrywanie czerniaków. W przypadku raka skóry wczesna diagnoza jest bardzo ważna dla przeżycia pacjenta. Obecnie wykrywanie czerniaka odbywa się wzrokowo, więc pozostaje polegać na umiejętnościach lekarza.
W Izraelu każda osoba może raz w roku wybrać się na bezpłatne badanie przesiewowe w kierunku czerniaka. Kilka lat temu przeprowadzono badania w jednym z większych ośrodków medycznych, w wyniku których udało się wyraźnie zaobserwować różnicę w zakresie podczerwieni między potencjalnymi, ale nie niebezpiecznymi objawami, a prawdziwym czerniakiem.
Katzir, organizator pierwszej konferencji SPIE na temat optyki biomedycznej w 1984 r., i jego grupa w Tel Awiwie opracowali również światłowody, które są przezroczyste dla fal podczerwonych, co pozwala na rozszerzenie metody na diagnostykę wewnętrzną. Ponadto może być szybką i bezbolesną alternatywą dla wymazu szyjki macicy wginekologia.
Niebieski laser półprzewodnikowy w medycynie znalazł zastosowanie w diagnostyce fluorescencyjnej.
Systemy oparte na generatorach kwantowych również zaczynają zastępować promieniowanie rentgenowskie, które tradycyjnie stosowano w mammografii. Promienie rentgenowskie stawiają lekarzy przed trudnym dylematem: potrzebują wysokiej intensywności, aby wiarygodnie wykryć raka, ale sam wzrost promieniowania zwiększa ryzyko zachorowania na raka. Jako alternatywę badana jest możliwość użycia bardzo szybkich impulsów laserowych do obrazowania klatki piersiowej i innych części ciała, takich jak mózg.
OCT dla oczu i nie tylko
Lasery w biologii i medycynie zostały wykorzystane w optycznej tomografii koherentnej (OCT), co wywołało falę entuzjazmu. Ta technika obrazowania wykorzystuje właściwości generatora kwantowego i może zapewnić bardzo wyraźne (rzędu mikrona), przekrojowe i trójwymiarowe obrazy tkanki biologicznej w czasie rzeczywistym. OCT jest już stosowany w okulistyce i może na przykład umożliwić okulisty obejrzenie przekroju rogówki w celu zdiagnozowania chorób siatkówki i jaskry. Dziś technika ta zaczyna być stosowana również w innych dziedzinach medycyny.
Jedną z największych dziedzin wyłaniających się z OCT jest światłowodowe obrazowanie tętnic. Optyczną koherentną tomografię można wykorzystać do oceny pękniętej niestabilnej blaszki miażdżycowej.
Mikroskopia żywych organizmów
Lasery w nauce, technologii, medycynie również grająkluczowa rola w wielu rodzajach mikroskopii. W tym obszarze dokonano wielu opracowań, których celem jest wizualizacja tego, co dzieje się w ciele pacjenta bez użycia skalpela.
Najtrudniejszą częścią usuwania raka jest konieczność ciągłego używania mikroskopu, aby chirurg mógł upewnić się, że wszystko jest zrobione poprawnie. Możliwość wykonywania mikroskopii na żywo i w czasie rzeczywistym to znaczący postęp.
Nowym zastosowaniem laserów w inżynierii i medycynie jest skanowanie bliskiego pola mikroskopii optycznej, która może wytwarzać obrazy o rozdzielczości znacznie wyższej niż w przypadku standardowych mikroskopów. Metoda ta opiera się na światłowodach z nacięciami na końcach, których wymiary są mniejsze niż długość fali światła. Umożliwiło to obrazowanie subfalowe i położyło podwaliny pod obrazowanie komórek biologicznych. Zastosowanie tej technologii w laserach IR pozwoli na lepsze zrozumienie choroby Alzheimera, raka i innych zmian w komórkach.
PDT i inne zabiegi
Rozwój w dziedzinie światłowodów pozwala rozszerzyć możliwości wykorzystania laserów w innych obszarach. Oprócz tego, że umożliwiają diagnostykę wewnątrz organizmu, energia promieniowania koherentnego może być przekazywana tam, gdzie jest potrzebna. Może być stosowany w leczeniu. Lasery światłowodowe stają się coraz bardziej zaawansowane. Zmienią radykalnie medycynę przyszłości.
Dziedzina fotomedycyny wykorzystująca światłoczułe substancje chemicznesubstancje, które oddziałują z ciałem w określony sposób, mogą wykorzystywać generatory kwantowe zarówno do diagnozowania, jak i leczenia pacjentów. Na przykład w terapii fotodynamicznej (PDT) laser i lek światłoczuły mogą przywrócić wzrok u pacjentów z „mokrą” postacią zwyrodnienia plamki żółtej związanego z wiekiem, która jest główną przyczyną ślepoty u osób w wieku powyżej 50 lat.
W onkologii pewne porfiryny gromadzą się w komórkach rakowych i fluoryzują po oświetleniu o określonej długości fali, wskazując lokalizację guza. Jeśli te same związki są następnie oświetlane inną długością fali, stają się toksyczne i zabijają uszkodzone komórki.
Laser helowo-neonowy z czerwonym gazem jest używany w medycynie w leczeniu osteoporozy, łuszczycy, owrzodzeń troficznych itp., ponieważ częstotliwość ta jest dobrze absorbowana przez hemoglobinę i enzymy. Promieniowanie spowalnia stany zapalne, zapobiega przekrwieniu i obrzękom oraz poprawia krążenie krwi.
Spersonalizowane leczenie
Genetyka i epigenetyka to dwa inne obszary, w których można stosować lasery.
W przyszłości wszystko będzie się działo w nanoskali, co pozwoli nam robić lekarstwa na skalę komórki. Lasery, które mogą generować impulsy femtosekundowe i dostrajać się do określonych długości fal, są idealnymi partnerami dla lekarzy.
Otworzy to drzwi do spersonalizowanego leczenia opartego na indywidualnym genomie pacjenta.
Leon Goldman - założycielmedycyna laserowa
Mówiąc o wykorzystaniu generatorów kwantowych w leczeniu ludzi, nie można nie wspomnieć o Leonie Goldmanie. Jest znany jako „ojciec” medycyny laserowej.
Już rok po wynalezieniu źródła promieniowania koherentnego Goldman został pierwszym naukowcem, który wykorzystał je do leczenia chorób skóry. Technika zastosowana przez naukowca utorowała drogę do dalszego rozwoju dermatologii laserowej.
Jego badania w połowie lat 60. doprowadziły do zastosowania rubinowego generatora kwantowego w chirurgii siatkówki i odkryć, takich jak zdolność promieniowania koherentnego do jednoczesnego cięcia skóry i uszczelniania naczyń krwionośnych, ograniczając krwawienie.
Goldman, dermatolog z University of Cincinnati przez większość swojej kariery, założył Amerykańskie Towarzystwo Laserów w Medycynie i Chirurgii i pomógł położyć podwaliny pod bezpieczeństwo lasera. Zmarł 1997
Miniaturyzacja
Pierwsze 2-mikronowe generatory kwantowe miały wielkość podwójnego złoża i były chłodzone ciekłym azotem. Dziś pojawiły się lasery diodowe wielkości dłoni, a nawet mniejsze lasery światłowodowe. Zmiany te torują drogę nowym aplikacjom i rozwojowi. Medycyna przyszłości będzie miała maleńkie lasery do operacji mózgu.
Ze względu na postęp technologiczny następuje ciągła redukcja kosztów. Tak jak lasery stały się powszechne w urządzeniach domowych, zaczęły odgrywać kluczową rolę w sprzęcie szpitalnym.
Jeśli wcześniejsze lasery w medycynie były bardzo duże iskomplikowane, dzisiejsza produkcja ze światłowodów znacznie obniżyła koszty, a przejście na nanoskal obniży koszty jeszcze bardziej.
Inne zastosowania
Urolodzy mogą leczyć laserowo zwężenie cewki moczowej, łagodne brodawki, kamienie moczowe, przykurcze pęcherza i powiększenie prostaty.
Zastosowanie lasera w medycynie umożliwiło neurochirurgom wykonywanie precyzyjnych nacięć i endoskopowych badań mózgu i rdzenia kręgowego.
Weterynarze używają laserów do zabiegów endoskopowych, koagulacji guzów, nacięć i terapii fotodynamicznej.
Dentyści używają promieniowania koherentnego do wykonywania otworów, chirurgii dziąseł, zabiegów antybakteryjnych, odczulania zębów i diagnostyki ustno-twarzowej.
Pęseta laserowa
Naukowcy biomedyczni na całym świecie używają pęsety optycznej, sortowników komórek i wielu innych narzędzi. Pęsety laserowe obiecują lepszą i szybszą diagnostykę raka i są używane do wychwytywania wirusów, bakterii, małych cząstek metalu i nici DNA.
W szczypcach optycznych wiązka promieniowania koherentnego jest wykorzystywana do przytrzymywania i obracania mikroskopijnych obiektów, podobnie jak szczypce metalowe lub plastikowe mogą chwytać małe i delikatne przedmioty. Poszczególnymi cząsteczkami można manipulować, przyczepiając je do mikronowych szkiełek lub kulek polistyrenowych. Kiedy promień uderza w piłkę, tozakrzywia się i ma niewielki wpływ, popychając piłkę prosto do środka belki.
To tworzy "pułapkę optyczną", która jest w stanie uwięzić małą cząsteczkę w wiązce światła.
Laser w medycynie: plusy i minusy
Energia promieniowania koherentnego, którego intensywność można modulować, jest wykorzystywana do cięcia, niszczenia lub zmiany struktury komórkowej lub pozakomórkowej tkanek biologicznych. Dodatkowo zastosowanie laserów w medycynie, jednym słowem, zmniejsza ryzyko infekcji i stymuluje gojenie. Zastosowanie generatorów kwantowych w chirurgii zwiększa dokładność preparacji, są one jednak niebezpieczne dla kobiet w ciąży i istnieją przeciwwskazania do stosowania leków fotouczulających.
Złożona struktura tkanek nie pozwala na jednoznaczną interpretację wyników klasycznych analiz biologicznych. Lasery w medycynie (zdjęcie) są skutecznym narzędziem do niszczenia komórek nowotworowych. Jednak silne źródła spójnego promieniowania działają bezkrytycznie i niszczą nie tylko dotknięte chorobą, ale także otaczające tkanki. Ta właściwość jest ważnym narzędziem w technice mikrodysekcji stosowanej do przeprowadzania analizy molekularnej w interesującym miejscu, z możliwością selektywnego niszczenia nadmiaru komórek. Celem tej technologii jest przezwyciężenie niejednorodności obecnej we wszystkich tkankach biologicznych, aby ułatwić ich badanie w dobrze zdefiniowanej populacji. W tym sensie mikrodysekcja laserowa wniosła znaczący wkład w rozwój badań, w zrozumieniemechanizmy fizjologiczne, które dziś można jednoznacznie zademonstrować na poziomie populacji, a nawet pojedynczej komórki.
Dzisiejsza funkcjonalność inżynierii tkankowej stała się głównym czynnikiem rozwoju biologii. Co się stanie, jeśli włókna aktynowe zostaną przecięte podczas podziału? Czy zarodek Drosophila będzie stabilny, jeśli komórka zostanie zniszczona podczas fałdowania? Jakie są parametry związane ze strefą merystemu rośliny? Wszystkie te problemy można rozwiązać za pomocą laserów.
Nanomedycyna
Ostatnio pojawiło się wiele nanostruktur o właściwościach odpowiednich do szeregu zastosowań biologicznych. Najważniejsze z nich to:
- kropki kwantowe to maleńkie cząsteczki emitujące światło o rozmiarach nanometrów używane w wysoce czułym obrazowaniu komórkowym;
- magnetyczne nanocząstki, które znalazły zastosowanie w praktyce medycznej;
- cząsteczki polimeru do kapsułkowanych cząsteczek terapeutycznych;
- nanocząsteczki metali.
Rozwój nanotechnologii i zastosowanie laserów w medycynie, krótko mówiąc, zrewolucjonizował sposób podawania leków. Zawiesiny nanocząstek zawierające leki mogą zwiększać indeks terapeutyczny wielu związków (zwiększać rozpuszczalność i skuteczność, zmniejszać toksyczność) poprzez selektywne oddziaływanie na zaatakowane tkanki i komórki. Dostarczają składnik aktywny, a także regulują uwalnianie składnika aktywnego w odpowiedzi na stymulację zewnętrzną. Nanotheranostics jest dalejeksperymentalne podejście, które pozwala na podwójne zastosowanie nanocząstek, związku leczniczego, terapii i narzędzi do obrazowania diagnostycznego, otwierając drogę do spersonalizowanego leczenia.
Zastosowanie laserów w medycynie i biologii do mikrodysekcji i fotoablacji umożliwiło zrozumienie fizjologicznych mechanizmów rozwoju choroby na różnych poziomach. Wyniki pomogą określić najlepsze metody diagnozy i leczenia dla każdego pacjenta. Niezbędny będzie również rozwój nanotechnologii w ścisłym powiązaniu z postępami w obrazowaniu. Nanomedycyna to obiecująca nowa forma leczenia niektórych nowotworów, chorób zakaźnych lub diagnostyki.
