LÉZER: Alapok, tulajdonságok, kölcsönhatások

Átírás

1 Diagnosztikai és terápiás módszerek biofizikai alapjai LÉZER: Alapok, tulajdonságok, kölcsönhatások Orbán József Pécsi Tudományegyetem, Általános Orvostudományi Kar Biofizikai Intézet 2009 március A lézerfény tulajdonságai, abszorpciója és hatása a szövetekre. Bőrgyógyászati, szemészeti, sebészeti alkalmazások. Fotodinámiás terápia néhány mw-os diódalézer Néhány mm átmérő LÉZEREK MINDENÜTT Fizika Biológia Orvostudomány Anyagtudomány Mérnöktudomány Terawattos lézer Lawrence Livermore Labs... mindennapjaink A lézer 0. Alapvető fény-anyag kölcsönhatások 1. A lézer története 2. Mi a lézer? 3. A lézerműködés alapjai 4. A lézerfény tulajdonságai 5. A lézerek típusai 6. A lézerek orvosbiológiai alkalmazása 1

2 Atomok energiaszint-rendszere Bohr illetve kvantummechanikai atommodell szerint ATOMOK Molekulák energiaszintjei E össz = E elektromos + E rezgési + E forgási ΔE össz = ΔE elektromos + ΔE vibrációs + ΔE rotációs elektronátmenet rezgési energia forgási energia energiája kvantált! kvantált! kvantált! E elektron ~ -1/n 2 E rezgési = ω(v+1/2) E forgási = B J(J+1) Az elektronok kvantált (meghatározott) energiával rendelkeznek. energiaszintek! n = 1, 2, 3,... v = 0, 1, 2,... J = 0, 1, 2,... 0 Energia Jablonsky-féle termséma molekuláris rendszer S 2 S 1 Abszorpció Emisszió S 0 1. Excitáció (gerjesztés) Abszorpció (elnyelés) 2. De-excitáció Emisszió (kibocsátás) A gerjesztés/abszorpció feltétele: ΔE = (rezonancia feltétel) A foton energiájától függően létrejöhet: elektromos vibrációs rotációs átmenet Lézer - történelem Albert Einstein: a stimulált emisszió lehetőségének elméleti kimutatása G. Meyer-Schwickerather: első szemműtét fénnyel N.G. Baszov, A.M. Prohorov, és C. Townes: ammóniamézer Theodore Maiman: első működő lézer (rubinlézer) Baszov, Prohorov, Townes (Nobel díj): kvantumelektronika Arthur Ashkin: Lézercsipesz Gábor Dénes (Nobel díj): holográfia S. Chu, W.D. Phillips és C. Cohen-Tanoudji (Nobel díj): lézeres atomhűtés (kondenzáció) LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation A lézerműködés alapjai I. Kényszerített emisszió Elemi sugárzási folyamatok: 1. Abszorpció 2. Spontán emisszió 3. Kényszerített emisszió N 2 ρ(ν) ρ(ν) B 21 B 12 A 21 N 1 Átmenet gyakorisága: n 12 =N 1 B 12 ρ(ν) Átmenet gyakorisága: n 21 =N 2 A 21 Átmenet gyakorisága: n 21 =N 2 B 21 ρ(ν) Fényerősítés kényszerített emissziós sugárzással. (MASER: Microwave ) ΔE= - = energiakvantum elnyelésekor. - fotonok egymástól függetlenül a tér minden irányába. Külső sugárzási tér hatására. Sugárzási tér energiája nő. Emittált és bejövő fotonok fázisa, iránya, frekvenciája megegyezik. Magyarázat: kétállapotú atomi vagy molekuláris rendszer Feltétel:, : energianívók, > rezonancia ρ(ν) : sugárzási tér spektrális energiasűrűsége gerjesztett e - N 1, N 2 : adott energianívón levő atomok, molekulák száma B 12, A 21, B 21 : energianívók közötti átmeneti valószínűségek (Einstein-féle együtthatók), B 12 = B 21 2

3 A lézerműködés alapjai II. Populáció inverzió Fényerősítés az energianívók relatív betöltöttségétől függ! A lézerműködés alapjai III. Optikai rezonancia R=99.9 % R=98 % Zárótükör Pumpálás Részlegesen áteresztő tükör Aktív közeg Lézernyaláb Termikus egyensúly Populáció inverzió d=nλ/2 Populáció inverzió csak többállapotú rendszerben lehetséges! Pumpálás Pumpálás: elektromos, optikai, kémiai energia E 0 E1 Gyors relaxáció Metastabil állapot Lézerátmenet Rezonátor: két tükör a fény egy részét visszacsatolja az erősítő közegbe pozitív visszacsatolás öngerjesztés oszcilláció Optikai zár lehet a rezonátorban: Q-csatolás impulzus üzemmód A lézerfény tulajdonságai I. 1. Kis divergencia Párhuzamos nyaláb 2. Nagy teljesítmény Folytonos üzemmódban több tíz, akár száz W (pl. CO 2 lézer) Q-csatolású üzemmódban a pillanatnyi teljesítmény hatalmas (GW) Kis divergencia miatt óriási térbeli teljesítménysűrűség 3. Kis spektrális sávszélesség Monokromaticitás Nagy spektrális energiasűrűség 4. Polarizáltság A lézerfény tulajdonságai II. 6. Koherencia fázisazonosság, interferenciaképesség Időbeli koherencia (különböző időpontokban emittált fotonok fázisazonossága) Térbeli koherencia (nyalábkeresztmetszet menti fázisazonosság) Alkalmazás: pl. holográfia, idő/távolságmérés Tárgyról visszavert sugarak TÁRGY Nyalábosztó Referencia nyaláb 5. Rendkívül rövid impulzusok lehetősége ps, fs Fotolemez Lézerfény Lézertípusok Fényerősítő közeg alapján: 1. Szilárdtest lézerek Kristályokba v. üveganyagokba bevitt fémszennyeződés; Rubin, Nd-YAG, Ti-zafír Vörös-infravörös spektrális tartomány; Folytonos, Q-kapcsolású üzemmód, nagy teljesítmény 2. Gázlézerek Legismertebb: He-Ne lézer (10 He/Ne). Kis energia, Széleskörű használat CO 2 lézer: CO 2 -N 2 -He keverék; λ~10 µm; Óriási teljesítmény (100 W) 3. Festéklézerek Szerves festékek (pl. rodamin, kumarin) híg oldata; más lézerek pumpálására használt Nagy teljesítmény (Q-kapcsolt módban); széles hullámhossztartományban hangolható 4. Félvezető (dióda) lézerek Összefekvő p- és n-típusú, szennyezett félvezetők határán. Rezonátor tükrökre nincs szükség (belső visszaverődés) Vörös, IR spektrális tartomány. Nagy kontinuus üzemmódú teljesítmény (akár 100W) Nyalábkarakterisztika nem túl jó. Kis méret miatt széleskörű alkalmazás. KULCSSZAVAK Mi kell a lézerműködéshez? Pumpálás Populáció inverzió Kényszerített emisszió Optikai rezonancia Nagy reflexiójú tükrök Milyen a lézerfény? Monokromatikus Koherens Nagy teljesítményű Kis divergenciájú 3

4 Diagnosztikai és terápiás módszerek biofizikai alapjai A lézer orvosbiológiai alkalmazásai I. Alapelvek: 1. Fény kölcsönhatása a biológiai mintával Lézerek orvosi alkalmazásai Beeső nyaláb Szóródás Emisszió Reflexió Transzmisszió Abszorpció 2. A lézernyaláb tulajdonságai Fókuszálhatóság, kiválasztott hullámhossz, teljesítmény 3. A biológiai minta tulajdonságai Transzmittivitás, abszorbancia, fényindukált reakciók Fényelnyelés és fénykibocsátás Fény és anyag kölcsönhatása Kvantált energiafelvétel (foton) Atomi rendszerrel (anyaggal) kölcsönható elektromágneses sugárzás: visszaverődés: reflexió (R) elnyelődés: abszorpció (A) áthaladás: transzmisszió (T)!!! szóródás: diszperzió (Rayleigh) UV-C UV-B UV-A nm fotodiszrupció fotoabláció koaguláció biostimuláció Fotodin. terápia Log Kölcsönhatás ideje (s) The medical laser Gerhard J. Müller, Peter Berlien, Clemens Scholz Medical Laser Application 21 (2006) A lézer orvosbiológiai alkalmazásai II. Sebészeti szakmák: lézerszike, koaguláció, vérzés nélküli operáció. Daganateltávolítás, tetoválás-eltávolítás, érvarrás. CO 2 és Nd:YAG lézer. Bőrgyógyászat: sokrétű alkalmazás. Fogászat: szuvas részek preferáltan abszorbeálnak. Fotodinámiás (tumor)terápia: fotoszenzitív, tumor által preferáltan felvett kémiai anyagok aktiválása lézerrel. Szemészet: Retinaleválás, szemfenék fotokoagulációja, glaucoma, fotorefraktív keratektomia (PRK). 1. Szempontok 1. Alkalmazott Argon: 488 or Alexandrite: 755 Nd:YAG: 1064 nm 2. Impulzusszélesség 3. Megvilágított terület nagysága (8-10 mm átmérő) 4. Energiasűrűség (J/cm 2 ) 5. Repeticiós ráta (akkumulációs hatások) 6. Epidermális hűtés szükségessége (gélek, folyadékok, spray-k, levegő) Niels Finsen (Nobel-díj, 1903): UV fény használata mikobakteriális intracutan fertőzés Ruby: 694 Pulsed diode array: 810 nm 4

5 Bőr fotoabszorpciója, behatolási mélység 2. Lézeres szőrtelenítés Phototricholysis, photoepiláció Alapja: szelektív photothermolysis chromophorok általi szelekív abszorpció Alkalmazott chromophorok: 1. Szén (exogén, széntartalmú kenőcsök) 2. Hemoglobin (endogén) 3. Melanin (endogén) 3. Tetoválás eltávolítás 4. Anyajegy eltávolítás Q-kapcsolású Nd:YAG lézer (1064 nm) 5. Felületes erek, vénák eltávolítása 6. Bőr felületi módosítása ( resurfacing ) Adrian CO 2, Erbium:YAG lézer Ránctalanítás Napkárosítás 2 évvel a kezelés után Rhinophyma Szisztémás epidermális naevusok 5

6 Szemészeti alkalmazások: 1. Alapelvek Az optikai közegek transzmittivitása hullámhossz-függő Látható lézer UV lézer Szemészeti alkalmazások: 2. LASIK Laser-assisted In Situ Keratomileusis A refraktív lézer-szemsebészet egy fajtája Történet: Jose Barraquer, 1970: microkeratome építése, mellyel a corneába lézerrel hasadékokat vágott és lemezeket alakított ki (keratomileusis). Lucio Buratto (Olasz) és Ioannis Pallikaris (Görög), 1990: keratomileusis és photorefractív keratectomia kombinálása. Thomas and Tobias Neuhann (Németo), 1991: automatizált microkeratome. The medical laser Gerhard J. Müller, Peter Berlien, Clemens Scholz Medical Laser Application 21 (2006) Szemészeti alkalmazások: 2. LASIK Lépések: 1. Lézeres letapogatás (kis teljesítmény): a cornea topográfiájának megrajzolása 2. Cornea felületéről egy lemez felhajtása (fs lézerrel) 3. Stroma anyagából eltávolítás (néhány 10 mikrométer vastagságban). Excimer lézer (193 nm). Photorefraktív keratektomia (PRK) A refraktív lézer-szemsebészet egy másik fajtája. Nincs lemez kialakítás, kisebb a felületi átalakítás mértéke. DE: fájdalmasabb, a regeneráció lassabb. 2 J / 1 mm 2 = J/m 2 Ha az energiaátadás 1 s alatt történik: 2 W teljesítmény Fotodinámiás terápia Photodynamiás terápia (PDT): Roswell Park Cancer Institute 1970-es évek. Háromkomponensű tumorterápiás módszer: 1. Fotoszenzitizáló ágens, 2. Fény, 3. Oxigén. Lépések: 1. Fotoszenzitizáló prekurzor beadása (aminolevulinsav, ALA). 2. Néhány órás inkubációs idő. Ez alatt az ALA protoporfirin IX-é alakul. 3. A célterület megvilágítása diódalézerrel (néhány perc). 4. Protoporfirin abszorbeál -> gerjesztett szinglett állapot -> triplett állapot -> energiatranszfer triplett oxigénnel -> gerjesztett, reaktív oxigén -> szöveti reakció 5. Néhány napon belül a terület elhal, leválik. Mellékhatások tekintetében, kérdezze

7 Egyéb lézerfelhasználási területek Spektroszkópia Mikroszkópia fluoreszcencia intenzitás kétfoton gerjesztéses FLIM FCS CTLM - Laser Breast Imaging Diagnózis & terápia Fluor. Intenzitás FLIM Irodalom cancer cell line of liver cells stained with phospholipids labeled with NBD FLIM eszköz Fluorescence Lifetime Imaging Microscope mouse kidney sample stained with Alexa-Fluor 488, Alexa-Fluor 568 and DAPI 7