Under det senaste halvseklet har lasrar använts inom oftalmologi, onkologi, plastikkirurgi och många andra områden inom medicin och biomedicinsk forskning.
Möjligheten att använda ljus för att behandla sjukdomar har varit känd i tusentals år. De gamla grekerna och egyptierna använde solstrålning i terapi, och de två idéerna kopplades till och med samman i mytologin - den grekiska guden Apollo var solens och helandets gud.
Det var först efter uppfinningen av den koherenta strålningskällan för mer än 50 år sedan som potentialen för att använda ljus i medicin verkligen avslöjades.
På grund av sina speciella egenskaper är lasrar mycket effektivare än strålning från solen eller andra källor. Varje kvantgenerator arbetar i ett mycket sm alt våglängdsområde och avger koherent ljus. Dessutom låter lasrar inom medicin dig skapa höga krafter. Energistrålen kan koncentreras till en mycket liten punkt, på grund av vilken dess höga densitet uppnås. Dessa egenskaper har lett till att lasrar idag används inom många områden inom medicinsk diagnostik, terapi och kirurgi.
Hud- och ögonbehandling
Användningen av laser inom medicinen började med oftalmologi och dermatologi. KvantGeneratorn öppnades 1960. Och ett år senare visade Leon Goldman hur den rubinröda lasern kunde användas inom medicin för att ta bort kapillärdysplasi, en typ av födelsemärke, och melanom.
Denna applikation är baserad på förmågan hos koherenta strålningskällor att arbeta vid en viss våglängd. Sammanhängande strålningskällor används nu i stor utsträckning för att ta bort tumörer, tatueringar, hår och mullvadar.
Lasrar av olika typer och våglängder används inom dermatologi, på grund av att olika typer av lesioner botas och det huvudsakliga absorberande ämnet inuti dem. Våglängden beror också på patientens hudtyp.
Idag kan man inte utöva dermatologi eller oftalmologi utan att ha laser, eftersom de har blivit de viktigaste verktygen för att behandla patienter. Användningen av kvantgeneratorer för synkorrigering och ett brett utbud av oftalmiska tillämpningar växte efter att Charles Campbell blev den första läkaren att använda en röd laser inom medicin 1961 för att behandla en patient med näthinneavlossning.
Senare, för detta ändamål, började ögonläkare använda argonkällor för koherent strålning i den gröna delen av spektrumet. Här användes ögats egenskaper, särskilt dess lins, för att fokusera strålen i området för näthinneavlossning. Den mycket koncentrerade kraften hos enheten svetsar henne bokstavligen.
Patienter med vissa former av makuladegeneration kan dra nytta av laserkirurgi – laserfotokoagulation och fotodynamisk terapi. I det första förfarandet, strålen av koherentstrålning används för att täta blodkärl och bromsa deras patologiska tillväxt under gula fläcken.
Liknande studier gjordes på 1940-talet med solljus, men läkarna behövde de unika egenskaperna hos kvantgeneratorer för att slutföra dem framgångsrikt. Nästa användning av argonlasern var att stoppa inre blödningar. Selektiv absorption av grönt ljus av hemoglobin, ett pigment i röda blodkroppar, har använts för att blockera blödande blodkärl. För att behandla cancer förstör de blodkärlen som kommer in i tumören och förser den med näringsämnen.
Detta kan inte uppnås med solljus. Medicin är mycket konservativ, som den borde vara, men källor till koherent strålning har vunnit acceptans inom olika områden. Lasrar inom medicin har ersatt många traditionella instrument.
Oftalmologi och dermatologi har också dragit nytta av excimerkällor för koherent UV-strålning. De har blivit mycket använda för omformning av hornhinnan (LASIK) för synkorrigering. Lasrar inom estetisk medicin används för att ta bort fläckar och rynkor.
Lönsam kosmetisk kirurgi
Sådan teknisk utveckling är oundvikligen populär bland kommersiella investerare, eftersom de har enorm potential för vinst. Analysföretaget Medtech Insight uppskattade 2011 storleken på marknaden för laserskönhetsutrustning till mer än 1 miljard US-dollar. Verkligen, trotsminskande total efterfrågan på medicinska system under den globala nedgången, kvantgeneratorbaserade kosmetiska operationer fortsätter att åtnjuta en stark efterfrågan i USA, den dominerande marknaden för lasersystem.
Visualisering och diagnostik
Lasrar inom medicin spelar en viktig roll för tidig upptäckt av cancer, liksom många andra sjukdomar. Till exempel i Tel Aviv blev en grupp forskare intresserade av IR-spektroskopi med infraröda källor för koherent strålning. Anledningen till detta är att cancer och frisk vävnad kan ha olika infraröd permeabilitet. En av de lovande tillämpningarna av denna metod är upptäckten av melanom. Vid hudcancer är tidig diagnos mycket viktig för patientens överlevnad. För närvarande görs melanomdetektion med ögat, så det återstår att lita på läkarens skicklighet.
I Israel kan varje person gå på en gratis melanomscreening en gång om året. För några år sedan genomfördes studier på ett av de stora vårdcentralerna, vilket ledde till att det blev möjligt att tydligt observera skillnaden i det infraröda området mellan potentiella, men inte farliga tecken, och verkligt melanom.
Katzir, arrangören av den första SPIE-konferensen om biomedicinsk optik 1984, och hans grupp i Tel Aviv utvecklade också optiska fibrer som är transparenta för infraröda våglängder, vilket gör att metoden kan utvidgas till intern diagnostik. Dessutom kan det vara ett snabbt och smärtfritt alternativ till ett cervik alt utstrykgynekologi.
Blå halvledarlaser i medicin har funnit tillämpning i fluorescensdiagnostik.
System baserade på kvantgeneratorer börjar också ersätta röntgenstrålar, som traditionellt har använts vid mammografi. Röntgen ställer läkarna inför ett svårt dilemma: de behöver hög intensitet för att tillförlitligt upptäcka cancer, men själva ökningen av strålningen ökar risken för cancer. Som ett alternativ studeras möjligheten att använda mycket snabba laserpulser för att avbilda bröstkorgen och andra delar av kroppen, såsom hjärnan.
OCT för ögon och mer
Lasrar inom biologi och medicin har använts i optisk koherenstomografi (OCT), vilket har orsakat en våg av entusiasm. Denna bildteknik använder egenskaperna hos en kvantgenerator och kan ge mycket tydliga (i storleksordningen en mikron), tvärsnitts- och tredimensionella bilder av biologisk vävnad i re altid. OCT används redan inom oftalmologi, och kan till exempel låta en ögonläkare se ett tvärsnitt av hornhinnan för att diagnostisera retinala sjukdomar och glaukom. Idag börjar tekniken användas även inom andra medicinområden.
Ett av de största områdena som växer fram från oktober är fiberoptisk avbildning av artärerna. Optisk koherenstomografi kan användas för att utvärdera en sprucken instabil plack.
Mikroskopi av levande organismer
Lasrar inom vetenskap, teknik, medicin spelar ocksåen nyckelroll i många typer av mikroskopi. Ett stort antal utvecklingar har gjorts inom detta område, vars syfte är att visualisera vad som händer inuti patientens kropp utan att använda en skalpell.
Den svåraste delen med att ta bort cancer är behovet av att ständigt använda ett mikroskop så att kirurgen kan se till att allt görs korrekt. Möjligheten att göra direkt- och re altidsmikroskopi är ett betydande framsteg.
En ny tillämpning av lasrar inom teknik och medicin är närfältsskanning av optisk mikroskopi, som kan producera bilder med en upplösning som är mycket högre än standardmikroskop. Denna metod är baserad på optiska fibrer med skåror i ändarna, vars dimensioner är mindre än ljusets våglängd. Detta möjliggjorde subvåglängdsavbildning och lade grunden för avbildning av biologiska celler. Användningen av denna teknik i IR-lasrar kommer att möjliggöra en bättre förståelse av Alzheimers sjukdom, cancer och andra förändringar i celler.
PDT och andra behandlingar
Utvecklingar inom området optiska fibrer hjälper till att utöka möjligheterna att använda lasrar inom andra områden. Förutom att de tillåter diagnostik inuti kroppen kan energin från koherent strålning överföras dit den behövs. Det kan användas i behandling. Fiberlasrar blir mycket mer avancerade. De kommer radik alt att förändra framtidens medicin.
Från fotomedicin med ljuskänslig kemikalieämnen som interagerar med kroppen på ett speciellt sätt kan använda kvantgeneratorer för att både diagnostisera och behandla patienter. Inom fotodynamisk terapi (PDT), till exempel, kan en laser och ett ljuskänsligt läkemedel återställa synen hos patienter med den "våta" formen av åldersrelaterad makuladegeneration, den vanligaste orsaken till blindhet hos personer över 50 år.
Inom onkologi ackumuleras vissa porfyriner i cancerceller och fluorescerar när de belyses med en viss våglängd, vilket indikerar platsen för tumören. Om samma föreningar sedan belyses med en annan våglängd blir de giftiga och dödar skadade celler.
Den röda gasen helium-neonlaser används inom medicin vid behandling av osteoporos, psoriasis, trofiska sår, etc., eftersom denna frekvens absorberas väl av hemoglobin och enzymer. Strålning saktar ner inflammation, förhindrar hyperemi och svullnad och förbättrar blodcirkulationen.
Personlig behandling
Genetik och epigenetik är två andra områden där lasrar kan användas.
I framtiden kommer allt att hända i nanoskala, vilket gör att vi kan göra medicin i cellens skala. Lasrar som kan generera femtosekundpulser och ställa in sig på specifika våglängder är idealiska partner för medicinsk personal.
Detta öppnar dörren till personlig behandling baserad på patientens individuella genom.
Leon Goldman - grundarenlasermedicin
När man talar om användningen av kvantgeneratorer vid behandling av människor kan man inte låta bli att nämna Leon Goldman. Han är känd som lasermedicinens "fader".
Redan ett år efter att ha uppfunnit den koherenta strålningskällan blev Goldman den första forskaren som använde den för att behandla hudsjukdomar. Tekniken som vetenskapsmannen använde banade vägen för den efterföljande utvecklingen av laserdermatologi.
Hans forskning i mitten av 1960-talet ledde till användningen av rubin-kvantgeneratorn vid retinalkirurgi och upptäckter som förmågan hos koherent strålning att samtidigt skära av hud och täta blodkärl, vilket begränsar blödningar.
Goldman, en hudläkare vid University of Cincinnati under större delen av sin karriär, grundade American Society for Lasers in Medicine and Surgery och hjälpte till att lägga grunden för lasersäkerhet. Död 1997
Miniatyrisering
De första 2-mikrons kvantgeneratorer var lika stora som en dubbelbädd och kyldes med flytande kväve. Idag har diodlasrar i palmstorlek och ännu mindre fiberlasrar dykt upp. Dessa förändringar banar väg för nya applikationer och utvecklingar. Framtidens medicin kommer att ha små lasrar för hjärnkirurgi.
På grund av tekniska framsteg sker en konstant minskning av kostnaderna. Precis som lasrar har blivit vanliga i hushållsapparater har de börjat spela en nyckelroll i sjukhusutrustning.
Om tidigare lasrar inom medicin var mycket stora ochkomplext har dagens produktion från optisk fiber sänkt kostnaden avsevärt, och övergången till nanoskalan kommer att minska kostnaderna ännu mer.
Andra användningsområden
Urologer kan behandla urinrörsförträngning, benigna vårtor, urinstenar, blåskontraktur och prostataförstoring med laser.
Användningen av lasern inom medicinen har gjort det möjligt för neurokirurger att göra exakta snitt och endoskopiska undersökningar av hjärnan och ryggmärgen.
Veterinärer använder laser för endoskopiska ingrepp, tumörkoagulation, snitt och fotodynamisk terapi.
Tandläkare använder koherent strålning för håltagning, tandköttskirurgi, antibakteriella ingrepp, dental desensibilisering och oro-ansiktsdiagnostik.
Laserpincett
Biomedicinska forskare runt om i världen använder optisk pincett, cellsorterare och många andra verktyg. Laserpincett lovar bättre och snabbare cancerdiagnos och har använts för att fånga upp virus, bakterier, små metallpartiklar och DNA-strängar.
I en optisk pincett används en stråle av koherent strålning för att hålla och rotera mikroskopiska föremål, liknande hur metall- eller plastpincett kan plocka upp små och ömtåliga föremål. Enskilda molekyler kan manipuleras genom att fästa dem på mikronstora objektglas eller polystyrenpärlor. När strålen träffar bollen, denkröker och har en lätt stöt som trycker bollen rakt in i mitten av strålen.
Detta skapar en "optisk fälla" som kan fånga en liten partikel i en ljusstråle.
Laser i medicin: för- och nackdelar
Energin från koherent strålning, vars intensitet kan moduleras, används för att skära, förstöra eller förändra den cellulära eller extracellulära strukturen hos biologiska vävnader. Dessutom minskar användningen av laser inom medicin, kort sagt, risken för infektion och stimulerar läkning. Användningen av kvantgeneratorer vid kirurgi ökar noggrannheten vid dissektion, men de är farliga för gravida kvinnor och det finns kontraindikationer för användning av fotosensibiliserande läkemedel.
Den komplexa strukturen hos vävnader tillåter inte en entydig tolkning av resultaten av klassiska biologiska analyser. Lasrar i medicin (foto) är ett effektivt verktyg för att förstöra cancerceller. Men kraftfulla källor till koherent strålning agerar urskillningslöst och förstör inte bara de drabbade utan även de omgivande vävnaderna. Denna egenskap är ett viktigt verktyg i mikrodissektionstekniken som används för att utföra molekylär analys på en plats av intresse med förmågan att selektivt förstöra överskott av celler. Målet med denna teknologi är att övervinna den heterogenitet som finns i alla biologiska vävnader för att underlätta deras studier i en väldefinierad population. I denna mening har lasermikrodissektion gjort ett betydande bidrag till utvecklingen av forskning, till förståelsefysiologiska mekanismer som idag tydligt kan påvisas på nivån av en population och till och med en enda cell.
Funktionaliteten av vävnadsteknik idag har blivit en viktig faktor i utvecklingen av biologi. Vad händer om aktinfibrer skärs av under delning? Kommer ett Drosophila-embryo att vara stabilt om cellen förstörs under veckningen? Vilka parametrar är inblandade i en växts meristemzon? Alla dessa problem kan lösas med laser.
Nanomedicin
Nyligen har många nanostrukturer dykt upp med egenskaper som är lämpliga för en rad biologiska tillämpningar. De viktigaste av dem är:
- kvantprickar är små nanometerstora ljusavgivande partiklar som används i mycket känslig cellulär bildbehandling;
- magnetiska nanopartiklar som har funnit tillämpning i medicinsk praxis;
- polymerpartiklar för inkapslade terapeutiska molekyler;
- metallnanopartiklar.
Utvecklingen av nanoteknik och användningen av laser inom medicin, kort sagt, har revolutionerat sättet att administrera läkemedel. Suspensioner av nanopartiklar som innehåller läkemedel kan öka det terapeutiska indexet för många föreningar (öka löslighet och effektivitet, minska toxicitet) genom att selektivt påverka påverkade vävnader och celler. De levererar den aktiva ingrediensen och reglerar även frisättningen av den aktiva ingrediensen som svar på extern stimulering. Nanotheranostics är längreett experimentellt tillvägagångssätt som tillåter dubbel användning av nanopartiklar, läkemedelssubstanser, terapi och diagnostiska bildbehandlingsverktyg, vilket öppnar vägen för personlig behandling.
Användningen av lasrar inom medicin och biologi för mikrodissektion och fotoablation gjorde det möjligt att förstå de fysiologiska mekanismerna för sjukdomsutveckling på olika nivåer. Resultaten kommer att hjälpa till att bestämma de bästa metoderna för diagnos och behandling för varje patient. Utvecklingen av nanoteknik i nära anslutning till framstegen inom bildbehandling kommer också att vara oumbärlig. Nanomedicin är en lovande ny form av behandling för vissa cancerformer, infektionssjukdomar eller diagnostik.
