În ultima jumătate de secol, laserele au fost folosite în oftalmologie, oncologie, chirurgie plastică și în multe alte domenii ale medicinei și cercetării biomedicale.
Posibilitatea utilizării luminii pentru tratarea bolilor este cunoscută de mii de ani. Grecii antici și egiptenii foloseau radiația solară în terapie, iar cele două idei erau chiar legate în mitologie - zeul grec Apollo era zeul soarelui și al vindecării.
Abia după inventarea sursei coerente de radiații, în urmă cu mai bine de 50 de ani, a fost dezvăluit cu adevărat potențialul utilizării luminii în medicină.
Datorită proprietăților lor speciale, laserele sunt mult mai eficiente decât radiațiile de la soare sau alte surse. Fiecare generator cuantic funcționează într-un interval foarte îngust de lungimi de undă și emite lumină coerentă. De asemenea, laserele în medicină vă permit să creați puteri mari. Fasciculul de energie poate fi concentrat într-un punct foarte mic, datorită căruia se realizează densitatea sa mare. Aceste proprietăți au condus la faptul că astăzi laserele sunt utilizate în multe domenii ale diagnosticului medical, terapiei și chirurgiei.
Tratament pentru piele și ochi
Utilizarea laserelor în medicină a început cu oftalmologie și dermatologie. CuanticGeneratorul a fost deschis în 1960. Și un an mai târziu, Leon Goldman a demonstrat cum laserul roșu rubin poate fi folosit în medicină pentru a elimina displazia capilară, un tip de semn de naștere și melanomul.
Această aplicație se bazează pe capacitatea surselor de radiații coerente de a funcționa la o anumită lungime de undă. Sursele de radiații coerente sunt acum utilizate pe scară largă pentru a îndepărta tumorile, tatuajele, părul și alunițele.
Laserele de diferite tipuri și lungimi de undă sunt folosite în dermatologie, datorită diferitelor tipuri de leziuni care se vindecă și a substanței absorbante principale din interiorul acestora. Lungimea de undă depinde și de tipul de piele al pacientului.
Astăzi nu se poate practica dermatologia sau oftalmologia fără lasere, acestea fiind principalele instrumente de tratare a pacienților. Utilizarea generatoarelor cuantice pentru corectarea vederii și o gamă largă de aplicații oftalmice a crescut după ce Charles Campbell a devenit primul medic care a folosit un laser roșu în medicină în 1961 pentru a trata un pacient cu o dezlipire de retină.
Mai târziu, în acest scop, oftalmologii au început să folosească surse de argon de radiații coerente în partea verde a spectrului. Aici, proprietățile ochiului însuși, în special ale cristalinului său, au fost folosite pentru a focaliza fasciculul în zona de detașare a retinei. Puterea extrem de concentrată a dispozitivului o sudează literalmente.
Pacienții cu unele forme de degenerescență maculară pot beneficia de intervenția chirurgicală cu laser – fotocoagulare cu laser și terapie fotodinamică. În prima procedură, fasciculul de coerentradiațiile sunt folosite pentru a sigila vasele de sânge și a încetini creșterea patologică a acestora sub macula.
S-au făcut studii similare în anii 1940 cu lumina soarelui, dar medicii aveau nevoie de proprietățile unice ale generatoarelor cuantice pentru a le finaliza cu succes. Următoarea utilizare a laserului cu argon a fost oprirea sângerării interne. Absorbția selectivă a luminii verzi de către hemoglobină, un pigment din celulele roșii din sânge, a fost folosită pentru a bloca vasele de sânge care sângerează. Pentru a trata cancerul, ele distrug vasele de sânge care intră în tumoră și îi furnizează substanțe nutritive.
Acest lucru nu poate fi realizat folosind lumina soarelui. Medicina este foarte conservatoare, așa cum ar trebui să fie, dar sursele de radiații coerente au câștigat acceptare în diverse domenii. Laserele în medicină au înlocuit multe instrumente tradiționale.
Oftalmologia și dermatologia au beneficiat și de surse excimeri de radiații UV coerente. Ele au devenit utilizate pe scară largă pentru remodelarea corneei (LASIK) pentru corectarea vederii. Laserele în medicina estetică sunt folosite pentru a îndepărta petele și ridurile.
Chirurgie estetică profitabilă
Astfel de evoluții tehnologice sunt inevitabil populare în rândul investitorilor comerciali, deoarece au un potențial uriaș de profit. Compania de analiză Medtech Insight a estimat în 2011 dimensiunea pieței echipamentelor de înfrumusețare cu laser la peste 1 miliard de dolari SUA. Într-adevăr, în ciudacererea generală în scădere pentru sisteme medicale în timpul recesiunii globale, operațiile estetice bazate pe generator cuantic continuă să se bucure de o cerere puternică în Statele Unite, piața dominantă a sistemelor laser.
Vizualizare și diagnosticare
Laserele în medicină joacă un rol important în depistarea precoce a cancerului, precum și a multor alte boli. De exemplu, la Tel Aviv, un grup de oameni de știință a devenit interesat de spectroscopia IR folosind surse infraroșii de radiații coerente. Motivul pentru aceasta este că cancerul și țesutul sănătos pot avea permeabilitate în infraroșu diferită. Una dintre aplicațiile promițătoare ale acestei metode este detectarea melanoamelor. În cancerul de piele, diagnosticul precoce este foarte important pentru supraviețuirea pacientului. În prezent, depistarea melanomului se face ocular, așa că rămâne să ne bazăm pe priceperea medicului.
În Israel, fiecare persoană poate merge la un screening gratuit pentru melanom o dată pe an. În urmă cu câțiva ani, au fost efectuate studii într-unul dintre marile centre medicale, în urma cărora a devenit posibilă observarea clară a diferenței în domeniul infraroșu dintre semnele potențiale, dar nu periculoase, și melanomul real.
Katzir, organizatorul primei conferințe SPIE despre optică biomedicală în 1984, și grupul său din Tel Aviv au dezvoltat, de asemenea, fibre optice care sunt transparente la lungimile de undă infraroșii, permițând extinderea metodei la diagnosticarea internă. În plus, poate fi o alternativă rapidă și nedureroasă la frotiul de col uteringinecologie.
Laserul cu semiconductor albastru în medicină și-a găsit aplicație în diagnosticarea fluorescenței.
Sistemele bazate pe generatoare cuantice încep și ele să înlocuiască razele X, care au fost folosite în mod tradițional în mamografie. Razele X prezintă medicilor o dilemă dificilă: au nevoie de intensitate mare pentru a detecta în mod fiabil cancerele, dar creșterea în sine a radiațiilor crește riscul de cancer. Ca alternativă, se studiază posibilitatea de a utiliza impulsuri laser foarte rapide pentru a vizualiza pieptul și alte părți ale corpului, cum ar fi creierul.
OCT pentru ochi și altele
Laserele în biologie și medicină au fost folosite în tomografia cu coerență optică (OCT), ceea ce a provocat un val de entuziasm. Această tehnică de imagistică folosește proprietățile unui generator cuantic și poate oferi imagini foarte clare (de ordinul unui micron), secțiuni transversale și tridimensionale ale țesutului biologic în timp real. OCT este deja folosit în oftalmologie și poate, de exemplu, permite unui oftalmolog să vadă o secțiune transversală a corneei pentru a diagnostica bolile retinei și glaucomul. Astăzi, tehnica începe să fie folosită și în alte domenii ale medicinei.
Unul dintre cele mai mari câmpuri care apar din OCT este imagistica prin fibră optică a arterelor. Tomografia cu coerență optică poate fi utilizată pentru a evalua o placă instabilă ruptă.
Microscopia organismelor vii
Laserele în știință, tehnologie, medicină joacă și eleun rol cheie în multe tipuri de microscopie. Au fost făcute un număr mare de dezvoltări în acest domeniu, al căror scop este de a vizualiza ceea ce se întâmplă în interiorul corpului pacientului fără a folosi un bisturiu.
Cea mai grea parte a îndepărtării cancerului este necesitatea de a folosi în mod constant un microscop, astfel încât chirurgul să se asigure că totul este făcut corect. Capacitatea de a face microscopie în direct și în timp real este un progres semnificativ.
O nouă aplicație a laserelor în inginerie și medicină este scanarea în câmp apropiat a microscopiei optice, care poate produce imagini cu o rezoluție mult mai mare decât cea a microscoapelor standard. Această metodă se bazează pe fibre optice cu crestături la capete, ale căror dimensiuni sunt mai mici decât lungimea de undă a luminii. Acest lucru a permis imagistica sublungimii de undă și a pus bazele pentru imagistica celulelor biologice. Utilizarea acestei tehnologii în laserele IR va permite o mai bună înțelegere a bolii Alzheimer, a cancerului și a altor modificări ale celulelor.
PDT și alte tratamente
Dezvoltările în domeniul fibrelor optice ajută la extinderea posibilităților de utilizare a laserelor în alte domenii. Pe lângă faptul că permit diagnosticarea în interiorul corpului, energia radiațiilor coerente poate fi transferată acolo unde este nevoie. Poate fi folosit în tratament. Laserele cu fibră devin mult mai avansate. Ele vor schimba radical medicina viitorului.
Domeniul fotomedicinei care utilizează substanțe chimice fotosensibilesubstanțele care interacționează cu organismul într-un anumit mod pot folosi generatoare cuantice atât pentru a diagnostica, cât și pentru a trata pacienții. În terapia fotodinamică (PDT), de exemplu, un laser și un medicament fotosensibil pot restabili vederea la pacienții cu forma „umedă” de degenerescență maculară legată de vârstă, principala cauză a orbirii la persoanele cu vârsta peste 50 de ani.
În oncologie, anumite porfirine se acumulează în celulele canceroase și fluoresc atunci când sunt iluminate la o anumită lungime de undă, indicând localizarea tumorii. Dacă acești compuși sunt apoi iluminați cu o lungime de undă diferită, ei devin toxici și ucid celulele deteriorate.
Laserul cu gaz roșu heliu-neon este utilizat în medicină în tratamentul osteoporozei, psoriazisului, ulcerelor trofice etc., deoarece această frecvență este bine absorbită de hemoglobină și enzime. Radiațiile încetinesc inflamația, previn hiperemia și umflarea și îmbunătățește circulația sângelui.
Tratament personalizat
Genetica și epigenetica sunt alte două domenii în care pot fi utilizate laserele.
În viitor, totul se va întâmpla la scară nanometrică, ceea ce ne va permite să facem medicină la scara celulei. Laserele care pot genera impulsuri femtosecunde și se pot acorda la anumite lungimi de undă sunt parteneri ideali pentru profesioniștii medicali.
Acest lucru va deschide ușa către un tratament personalizat bazat pe genomul individual al pacientului.
Leon Goldman - fondatorulmedicament cu laser
Vorbind despre utilizarea generatoarelor cuantice în tratamentul oamenilor, nu se poate să nu-l menționăm pe Leon Goldman. El este cunoscut drept „părintele” medicinei cu laser.
La un an de la inventarea sursei coerente de radiații, Goldman a devenit primul cercetător care a folosit-o pentru a trata bolile de piele. Tehnica pe care omul de știință a folosit-o a deschis calea pentru dezvoltarea ulterioară a dermatologiei cu laser.
Cercetările sale de la mijlocul anilor 1960 au condus la utilizarea generatorului cuantic de rubin în chirurgia retinei și la descoperiri precum capacitatea radiațiilor coerente de a tăia simultan pielea și a sigila vasele de sânge, limitând sângerarea.
Goldman, dermatolog la Universitatea din Cincinnati pentru cea mai mare parte a carierei sale, a fondat Societatea Americană pentru Laser în Medicină și Chirurgie și a contribuit la stabilirea bazei siguranței laserului. A murit în 1997
Miniaturizare
Primele generatoare cuantice de 2 microni aveau dimensiunea unui pat dublu și erau răcite cu azot lichid. Astăzi au apărut laserele cu diodă de dimensiunea palmei și laserele cu fibre chiar mai mici. Aceste schimbări deschid calea pentru noi aplicații și dezvoltări. Medicina viitorului va avea lasere minuscule pentru operații pe creier.
Datorită progresului tehnologic, există o reducere constantă a costurilor. La fel cum laserele au devenit obișnuite în aparatele electrocasnice, acestea au început să joace un rol cheie în echipamentele spitalicești.
Dacă laserele anterioare în medicină erau foarte mari șicomplex, producția de astăzi din fibră optică a redus semnificativ costurile, iar tranziția la scară nanometrică va reduce costurile și mai mult.
Alte utilizări
Urologii pot trata strictura uretrale, verucile benigne, pietrele urinare, contractura vezicii urinare și mărirea prostatei cu laser.
Utilizarea laserului în medicină a permis neurochirurgilor să facă incizii precise și examinări endoscopice ale creierului și măduvei spinării.
Veterinarii folosesc lasere pentru proceduri endoscopice, coagulare tumorală, incizii și terapie fotodinamică.
Stomatologii folosesc radiații coerente pentru realizarea găurilor, operațiile pe gingii, procedurile antibacteriene, desensibilizarea dentară și diagnosticul oro-facial.
Pensetă cu laser
Cercetătorii biomedicali din întreaga lume folosesc pensete optice, sortare de celule și multe alte instrumente. Pensele cu laser promit un diagnostic mai bun și mai rapid al cancerului și au fost folosite pentru a captura viruși, bacterii, particule mici de metal și fire de ADN.
În pensetele optice, un fascicul de radiații coerente este folosit pentru a ține și a roti obiectele microscopice, similar modului în care pensetele din metal sau plastic pot ridica obiecte mici și fragile. Moleculele individuale pot fi manipulate prin atașarea lor la diapozitive de dimensiuni micron sau margele de polistiren. Când fasciculul lovește mingea, aceastacurbe și are un impact ușor, împingând mingea direct în centrul fasciculului.
Acest lucru creează o „capcană optică” care este capabilă să prindă o particule mică într-un fascicul de lumină.
Laser în medicină: argumente pro și contra
Energia radiației coerente, a cărei intensitate poate fi modulată, este folosită pentru a tăia, distruge sau modifica structura celulară sau extracelulară a țesuturilor biologice. În plus, utilizarea laserelor în medicină, pe scurt, reduce riscul de infecție și stimulează vindecarea. Utilizarea generatoarelor cuantice în chirurgie mărește acuratețea disecției, cu toate acestea, acestea sunt periculoase pentru femeile însărcinate și există contraindicații pentru utilizarea medicamentelor fotosensibilizante.
Structura complexă a țesuturilor nu permite o interpretare fără ambiguitate a rezultatelor analizelor biologice clasice. Laserele în medicină (foto) sunt un instrument eficient pentru distrugerea celulelor canceroase. Cu toate acestea, sursele puternice de radiații coerente acționează fără discernământ și distrug nu numai țesuturile afectate, ci și țesuturile din jur. Această proprietate este un instrument important în tehnica de microdisecție utilizată pentru a efectua analize moleculare la un loc de interes cu capacitatea de a distruge selectiv celulele în exces. Scopul acestei tehnologii este de a depăși eterogenitatea prezentă în toate țesuturile biologice pentru a facilita studiul acestora într-o populație bine definită. În acest sens, microdisecția cu laser a adus o contribuție semnificativă la dezvoltarea cercetării, la înțelegeremecanisme fiziologice care astăzi pot fi demonstrate clar la nivelul unei populații și chiar al unei singure celule.
Funcționalitatea ingineriei tisulare de astăzi a devenit un factor major în dezvoltarea biologiei. Ce se întâmplă dacă fibrele de actină sunt tăiate în timpul diviziunii? Va fi un embrion de Drosophila stabil dacă celula este distrusă în timpul plierii? Care sunt parametrii implicați în zona meristemului unei plante? Toate aceste probleme pot fi rezolvate cu lasere.
Nanomedicin
Recent, multe nanostructuri au apărut cu proprietăți potrivite pentru o serie de aplicații biologice. Cele mai importante dintre ele sunt:
- punctele cuantice sunt particule mici de dimensiuni nanometrice care emit lumină utilizate în imagistica celulară extrem de sensibilă;
- nanoparticule magnetice care și-au găsit aplicații în practica medicală;
- particule de polimer pentru molecule terapeutice încapsulate;
- nanoparticule de metal.
Dezvoltarea nanotehnologiei și utilizarea laserelor în medicină, pe scurt, a revoluționat modul în care sunt administrate medicamentele. Suspensiile de nanoparticule care conțin medicamente pot crește indicele terapeutic al multor compuși (crește solubilitatea și eficacitatea, reduc toxicitatea) prin afectarea selectivă a țesuturilor și celulelor afectate. Ele furnizează ingredientul activ și, de asemenea, reglează eliberarea ingredientului activ ca răspuns la stimularea externă. Nanotheranostics este mai departeo abordare experimentală care permite utilizarea dublă a nanoparticulelor, a compusului medicamentos, a instrumentelor de terapie și imagistică de diagnostic, deschizând calea către un tratament personalizat.
Utilizarea laserelor în medicină și biologie pentru microdisecție și fotoablație a făcut posibilă înțelegerea mecanismelor fiziologice ale dezvoltării bolii la diferite niveluri. Rezultatele vor ajuta la determinarea celor mai bune metode de diagnostic și tratament pentru fiecare pacient. Dezvoltarea nanotehnologiei în strânsă legătură cu progresele în imagistica va fi, de asemenea, indispensabilă. Nanomedicina este o nouă formă promițătoare de tratament pentru anumite tipuri de cancer, boli infecțioase sau diagnosticare.
