A lézer működési elve. Lézerek orvosi alkalmazási területei, fény-anyag kölcsönhatás.

Átírás

1 A lézer működési elve. Lézerek orvosi alkalmazási területei, fény-anyag kölcsönhatás. Orvosi fizika és statisztika II. Varjú Katalin április 15.

2 Alapkérdések Mi a lézer? Mitől különleges? A lézersugár jellemző paraméterei. Lézerek típusai. Mely tulajdonságai teszik a lézert hasznossá az orvostudományban? Milyen főbb orvosi területeken alkalmazzák a lézereket?

3 c Lézer = speciális tulajdonságú fény hullámhossz (m) frekvencia (Hz)

4 Lézer = speciális tulajdonságú fény monokromatikus (egyszínű) koherens (interferenciára képes, rendezett, fázisa jól viselkedik ) kollimált, kicsi a divergenciája (közel párhuzamos) jól fókuszálható, emiatt nagy intenzitású (W/cm 2 )

5 Sugárzás anyag kölcsönhatás elemi folyamatok: kvantumfizika: a sugárzás energiája csak diszkrét értékeket vehet fel (energia-adagok) hf E x E 0 abszorpció spontán emisszió indukált emisszió

6 Erősítés Einstein, 1916 indukált emisszió rendezett, koherens folyamat: az új foton azonos irányban, azonos fázisban bocsátódik ki több fény jön ki, mint ami bement LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)

7 Optikai pumpálás Abszorpció és indukált emisszió versenye ~N 0 ~N x N x >N 0 populáció inverzió, fordított betöltöttség

8 Lézer - alkotóelemei (1) lézeranyag (gáz, folyadék, szilárdtest) (2) pumpálás, populáció inverzió létrehozása (elektromos kisülés, intenzív megvilágítás) (3 és 4) optikai rezonátor (tükrök), mely a fény visszacsatolását biztosítja

9 Lézer folyamat lépései a spontán emiszióval keletkező fény lavinaszerűen felelrősödik a reflexiók miatt kialakul egy önfenntartó sugárzás, speciális tulajdonságokkal

10 Lézer folyamat lépései Kiválasztódnak az optikai tengellyel párhuzamosan haladó sugarak. Kiválasztódnak speciális frekvenciák (hullámhosszak).

11 Lézersugárzás tulajdonságai monokromatikus (egyszínű) koherens (interferenciára képes, rendezett, fázisa jól viselkedik ) kollimált, kicsi a divergenciája (közel párhuzamos) jól fókuszálható, emiatt nagy intenzitású (W/cm 2 )

12 Lézerek

13 Lézerek típusai: gáz Gáz (He-Ne) A gázkisülésben a fény koherens erősítése lehetséges. Különböző gázok alkalmazása lehetséges, pl. He-Ne keverék, Ar-ion, Kr, CO 2 Speciális típus: excimer (excited dimer) olyan molekula, mely legalább kétféle atomból áll, és legalább az egyik gerjesztett állapotban van elektromos kisülés táplálja amikor a molekula átadja gerjesztési energiáját egy fotonnak, alapállapotba kerül, és disszociál; ez lényegesen csökkenti az alapállapotba levő molekulák számát (populáció- inverzió)

14 Lézerek típusai: folyadék (festék) Rh6G Coumarin

15 Lézerek típusai: szilárdtest kristályos vagy üveg rúd, melyet olyan ionokkal szennyeznek melyek a szükséges energiaszinteket biztosítják ruby Ezeket az anyagokat általában optikai úton pumpálják, a lézerműködéshez tartozó hullámhossznál rövidebb hullámhosszon (nagyobb foton energiával), leggyakrabban villanólámpával vagy egy másik lézerrel.

16 Lézerek típusai: dióda Elektron-lyuk párok rekombinációja hozza létre az optikai erősítést. Kereskedelmi forgalomban 375 nm-től 1800 nm-ig terjedő tartományban kaphatók lézerdiódák, de a működést már 3 µm felett is demonstrálták. Alacsony teljesítményű lézerdiódákat alkalmaznak lézernyomtatókban illetve CD/DVD lejátszókban. Lézerdiódákat gyakran használnak más lézerek nagy hatásfokú optikai pumpálásához.

17 Lézerek típusai folytonos üzemű impulzus üzemű pl: Nd-YAG lézer (neodímiummal szennyezett ittrium alumínium gránát Y 3 Al 5 O 12 ) E 2 J 20 ns Hz 8 csúcsteljesítmény s 0,1 s s E P 10 8 W 1 s alatt 10 felvillanás, vagyi az átlagteljesítmény: 10 E P 0,1 W 1s (Paks: MW = 1,86 GW = 1, W)

18

19 A fény és anyag kölcsönhatása I. fényszóródás: a beeső sugárzás elektromos tere az útjába eső részecskék elektronjait rezgésre kényszeríti, a gyorsuló elektronok fényt bocsátanak ki Rayleigh: P szórt 1 4

20 A fény és anyag kölcsönhatása II. fényabszorpció: a beeső fénysugár olyan frekvenciájú, mely az anyag elektronjainak saját rezgéseivel megegyezik (a foton energiája megegyezik valamely átmenethez tartozó energiával) a sugárzás energiája az anyagnak átadódik hővé alakul kémiai energiává alakul

21 Abszorpció Különböző hullámhosszúságú lézerek fénye különbözőképpen nyelődik el az emberi szövetben. A bőr bizonyos célterületei vagyis az ún. kromofórok, adott hullámhosszú lézer energiáját úgy képesek elnyelni, hogy a környező bőrterületek egyáltalán nem károsodnak.

22 A fény biológiai hatása feltétele, hogy a fény elnyelődjön: 1) eljut az adott helyre (behatolási mélység, szóródás, abszorpció) 2) megfelelő frekvenciájú (gerjesztett állapotba juttatja, ionizálja az anyagot) pl: nukleinsavak, aromás aminosavak abszorbciója UV-C, UV-B, UV-A tartományokban hemoglobin, melanin karotin, bilirubin abszorbciója látható tartományban

23 Fotonenergia kémiai kötések energiája E 3eV energia Planck állandó UV: nagy energiájú fotonok frekvencia c E h h 34 h 6,6 10 Js hullámhossz E 1,6eV IR: kis energiájú 193 nm (ArF) 6,42 ev

24 Behatolási mélységek a bőrben és szemben

25 A fény biológiai hatása Az elnyelt energia leadása: 1) fény kibocsátása (fluoreszcencia, foszforeszcencia) 2) hővé alakul 3) fotokémiai reakciót hoz létre pl. timin dimerizációja (DNS szerkezet megváltozás)

26 A fény biológiai hatása - példák kék-fény terápia újszülöttkori sárgaság kezelésére (a hemoglobin lebomlása során bilirubin termelődik, mely felhalmozódik, ha a máj nem tudja kellő ütemben eltávolítani) a kék fény hatására a bilirubin cisztransz izomerációja megy végbe a bőrben (vízben oldhatóvá válik) D-vitamin szintézise: a bőrben UV-B fény hatására fotokémiai reakció révén történik UV-B hatására az immunrendszer szuppressziója figyelhető meg a látható fény a metabolizmust, és az endorkin rendszert kedvezően befolyásolhatja, és segítheti az immunrendszert a melatonin és a szeratonin termelését is befolyásolja a fény (természetes fény hiánya -> melatonin túltermelés -> téli depresszió)

27 Szemre és bőrre gyakorolt hatás intenzitás hullámhossz

28 Lézerek diagnosztikai alkalmazásai I. Lézerspektroszkópia kis térfogatba fókuszálható» térbeli feloldás növelése kis sávszélességű, hangolható lézerek» spektrális érzékenység javítása impulzusüzemű lézerek» időbeli feloldás

29 Élettani mérések: vér-volumen mérése vér-volumentől függő fény-elnyelés pletizmográf

30 Élettani mérések: perfúzió Doppler áramlásmérő a szórt fény frekvenciája a szóró részecskék sebességétől függően eltolódik a lézer keskeny sávszélességű, így a frekvencia-eltolódás mérhető

31 Lézeres folt-interferencia laser speckle Élettani mérések: perfúzió koherens fény interferenciája ha a szóró részecskék mozognak, akkor a véges expozíciós idő alatt a kép elmosódik

32 Lézerek terápiás alkalmazásai monokromatikus (adott szövetben jól elnyelődő hullámhossz) jól fókuszálható (nagy teljesítménysűrűség érhető el) vágás, koagulált környezettel (vérzéscsillapítás) rövid távon nincs károsodás, biostimuláció (diffúzió és anyagcsere gyorsulása sérülések gyogyulásának gyorsítására) fehérje kicsapódás, sejtpusztulás (vérzéscsillapítás, túlburjánzott erek visszaszorítása) víz elpárolgása, robbanás (metszés létrehozása, kőzúzás)

33 Lézerek terápiás alkalmazásai fotodinamikus diagnosztika / terápia

34 Lézerek sebészeti alkalmazásai nagy előnye, hogy az alkalmazott teljesítmény és az expozíciós idő pontosan állítható a fókuszban levő terület kezelése lehetséges a környező területek károsítása nélkül tökéletes irányíthatóság transzparens rétegek mögötti műtétek (szemfenék) klasszikus sebészeti lézerek: CO 2, rubin, Nd:YAG, Ar-ion, excimer koaguláció (nem a szövet eltávolítsa, csak hegszövet kialakítása) hemangiómák (elburjánzott kapillárisok) eltüntetése vérzéscsillapítás (lézerszike hasznos mellékhatása) szemfenéki érburjánzás retinaleválás zöldhályog (trabekuláris hálózat koagulációja: csarnokvíz elvezetése)

35 Lézerek sebészeti alkalmazásai vaporizáció, karbonizáció lézerszike (akár mm méret), behatolási mélység 0,03 4 mm belső szervi műtéthez a fény bevezetése: merev falú tükrös, optikai szál előnyei: éles sebszélek (gyors, fájdalommentes gyógyulás) kisebb szöveti roncsolódás érelzárás, vérzéscsillapítás sterilizálás (lokális hőhatás) kőzúzás (vese, epe)

36 Lézerek alkalmazásai: Bőrgyógyászat szoft-lézer terápia: övsömör, herpesz, fekélyek, nehezen gyógyuló hámhiányos sebek gyógyítása pikkelysömör érkezelés fekély gyógyulása

37 Lézerek alkalmazásai: Bőrgyógyászat szőrtelenítés bőrfiatalítás

38 Lézerek alkalmazásai: Bőrgyógyászat tetoválás-eltávolítás sebészeti beavatkozás

39 transzparens közeg mögötti beavatkozás Lézerek alkalmazásai: szemészet diabéteszes retinopátia kezelése levált retina rögzítése

40 refraktív szemsebészet a cornea lézeres alakformálása a szem törőerősségének javítása céljából n2 1 D n R rövidlátás korrekciója távollátás

41 refraktív szemsebészet LASer In-situ Keratomileusis IntraLASIK: mechanikus mikrokeratom kiváltása, femtoszekundumos impulzussorozattal 100 µm mélyen légbuborékokat hoznak létre (vaporizáció)

42 Fogászat Tömőanyagok polimerizációja Fogbarázdák elsimítása Gyökérkezelés: tökéletes fertőtlenítése a dentintubulusok elzárása (későbbi gyulladások megelőzése) a komplikáltabb gyökércsatornák legmélyére is eljuttatható Szájsebészet: pontos alkalmazhatóság, minimális szövetkárosodás minimális vérzés (pl.: ajakfék műtét, retineált fog feltárása) kisebb posztoperatív fájdalom Fogfehérítés: speciális fehérítőszer aktiválása 3-4 színárnyalatnyi fehérítés

43 Kő fragmentáció Lézer-szike

44 Lézer - biztonság Theodore Maiman az első lézer teljesítményét 1 "Gillette -ként jellemezte, mivel keresztül tudott égetni egy borotva pengét (veszélyes lehet). Lézeres biztonsági osztályok: Class I/1 biztonságos, általában azért, mert a lézer zárt térben helyezkedik el (pl. CD-lejátszó). Class II/2 normál hazsnálat során biztonságos; a szem pislogási relfexe megakadályozza a komolyabb károsodást. Általában 1 mw teljesítményig, gyengébb lézeres mutatópálcák. Class IIIa/3R lézerek teljesítménye 5 mw-ig terjed, és a pislogási reflex ideje alatt is szemkárosodást okoz. Ilyen nyalábba nézve a retina néhány másodperc alatt károsodik. Class IIIb/3B a szemnek azonnali károsodást okoz. Class IV/4 lézerek megégetik a bőrt, már szórt fény is okozhat szemilletve bőr-károsodást. Az ipari és tudományos kísérleteket szolgáló lézerek általában ebbe az osztályba tartoznak.

45 Vizsgára készüléshez ajánlott: Damjanovich Fidy Szöllősi: Orvosi biofizika (3. kiadás) II/2. Nem-ionizáló sugárzás (fény) IX/1. Lézerek terápiás alkalmazása Előadás (intézeti honlap, CooSpace) Hopp Béla: Biológiai anyagok, szövetek lézeres megmunkálása, orvostudományi alkalmazások (intézeti honlap) Optika tankönyvek Internet pl.

46

47 Alapkérdések Mi a lézer? Mitől különleges? A lézersugár jellemző paraméterei. Lézerek típusai. Mely tulajdonságai teszik a lézert hasznossá az orvostudományban? Milyen főbb orvosi területeken alkalmazzák a lézereket?