Tijekom posljednjih pola stoljeća laseri su se koristili u oftalmologiji, onkologiji, plastičnoj kirurgiji i mnogim drugim područjima medicine i biomedicinskih istraživanja.
Mogućnost korištenja svjetla za liječenje bolesti poznata je tisućama godina. Stari Grci i Egipćani koristili su sunčevo zračenje u terapiji, a dvije su ideje bile povezane čak i u mitologiji - grčki bog Apolon bio je bog sunca i liječenja.
Tek nakon izuma koherentnog izvora zračenja prije više od 50 godina stvarno je otkriven potencijal korištenja svjetla u medicini.
Zbog svojih posebnih svojstava, laseri su mnogo učinkovitiji od zračenja sunca ili drugih izvora. Svaki kvantni generator radi u vrlo uskom rasponu valnih duljina i emitira koherentno svjetlo. Također, laseri u medicini omogućuju stvaranje velikih snaga. Snop energije može se koncentrirati u vrlo maloj točki, zbog čega se postiže njegova velika gustoća. Ova svojstva dovela su do toga da se danas laseri koriste u mnogim područjima medicinske dijagnostike, terapije i kirurgije.
Tretman kože i očiju
Primjena lasera u medicini započela je s oftalmologijom i dermatologijom. KvantniGenerator je otvoren 1960. godine. A godinu dana kasnije, Leon Goldman je demonstrirao kako bi se laser s rubin crvenom bojom mogao koristiti u medicini za uklanjanje kapilarne displazije, vrste rođenog žiga i melanoma.
Ova se aplikacija temelji na sposobnosti koherentnih izvora zračenja da rade na određenoj valnoj duljini. Koherentni izvori zračenja sada se naširoko koriste za uklanjanje tumora, tetovaža, dlaka i madeža.
Laseri različitih vrsta i valnih duljina koriste se u dermatologiji, zbog različitih vrsta lezija koje se liječe i glavne apsorbirajuće tvari unutar njih. Valna duljina također ovisi o tipu kože pacijenta.
Danas se ne može baviti dermatologijom ili oftalmologijom bez lasera, jer su oni postali glavni alati za liječenje pacijenata. Korištenje kvantnih generatora za korekciju vida i širok raspon oftalmoloških primjena porasli su nakon što je Charles Campbell postao prvi liječnik koji je 1961. godine upotrijebio crveni laser u medicini za liječenje bolesnika s ablacijom retine.
Kasnije, u tu svrhu, oftalmolozi su počeli koristiti argonske izvore koherentnog zračenja u zelenom dijelu spektra. Ovdje su svojstva samog oka, posebno njegove leće, korištena za fokusiranje zraka u području odvajanja retine. Visoko koncentrirana snaga uređaja doslovno je zavari.
Pacijenti s nekim oblicima makularne degeneracije mogu imati koristi od laserske kirurgije – laserske fotokoagulacije i fotodinamičke terapije. U prvom postupku, snop koherentnogzračenje se koristi za zatvaranje krvnih žila i usporavanje njihovog patološkog rasta ispod makule.
Slične studije provedene su 1940-ih sa sunčevom svjetlošću, ali liječnicima su bila potrebna jedinstvena svojstva kvantnih generatora da bi ih uspješno dovršili. Sljedeća upotreba argonskog lasera bila je zaustavljanje unutarnjeg krvarenja. Selektivna apsorpcija zelenog svjetla hemoglobinom, pigmentom u crvenim krvnim stanicama, korištena je za blokiranje krvarenja krvnih žila. Za liječenje raka uništavaju krvne žile koje ulaze u tumor i opskrbljuju ga hranjivim tvarima.
To se ne može postići korištenjem sunčeve svjetlosti. Medicina je vrlo konzervativna, kao što i treba biti, ali izvori koherentnog zračenja postali su prihvaćeni u raznim područjima. Laseri u medicini zamijenili su mnoge tradicionalne instrumente.
Oftalmologija i dermatologija također imaju koristi od ekscimernih izvora koherentnog UV zračenja. Postali su naširoko korišteni za preoblikovanje rožnice (LASIK) za korekciju vida. Laseri se u estetskoj medicini koriste za uklanjanje mrlja i bora.
Profitabilna estetska kirurgija
Takav tehnološki razvoj neizbježno je popularan među komercijalnim investitorima, jer imaju ogroman potencijal za profit. Analitička tvrtka Medtech Insight 2011. godine procijenila je veličinu tržišta laserske opreme za uljepšavanje na više od milijardu američkih dolara. Doista, unatočsmanjenje ukupne potražnje za medicinskim sustavima tijekom globalne krize, estetske kirurgije temeljene na kvantnom generatoru i dalje uživaju veliku potražnju u Sjedinjenim Državama, dominantnom tržištu za laserske sustave.
Vizualizacija i dijagnostika
Laseri u medicini igraju važnu ulogu u ranom otkrivanju raka, kao i mnogih drugih bolesti. Na primjer, u Tel Avivu se skupina znanstvenika zainteresirala za IR spektroskopiju koristeći infracrvene izvore koherentnog zračenja. Razlog tome je što rak i zdravo tkivo mogu imati različitu infracrvenu propusnost. Jedna od obećavajućih primjena ove metode je otkrivanje melanoma. Kod raka kože rana dijagnoza vrlo je važna za preživljavanje pacijenata. Trenutno se otkrivanje melanoma vrši na oko, tako da se ostaje osloniti se na vještinu liječnika.
U Izraelu svaka osoba može jednom godišnje otići na besplatni pregled melanoma. Prije nekoliko godina provedena su istraživanja u jednom od većih medicinskih centara, zbog čega je postalo moguće jasno uočiti razliku u infracrvenom rasponu između potencijalnih, ali ne opasnih znakova, i stvarnog melanoma.
Katzir, organizator prve SPIE konferencije o biomedicinskoj optici 1984., i njegova grupa u Tel Avivu također su razvili optička vlakna koja su prozirna za infracrvene valne duljine, što je omogućilo proširenje metode na internu dijagnostiku. Osim toga, može biti brza i bezbolna alternativa brisu cerviksaginekologija.
Plavi poluvodički laser u medicini našao je primjenu u fluorescentnoj dijagnostici.
Sustavi bazirani na kvantnim generatorima također počinju zamjenjivati X-zrake, koje se tradicionalno koriste u mamografiji. X-zrake stavljaju liječnike pred tešku dilemu: potreban im je visok intenzitet za pouzdano otkrivanje raka, ali samo povećanje zračenja povećava rizik od raka. Kao alternativa, proučava se mogućnost korištenja vrlo brzih laserskih impulsa za snimanje prsnog koša i drugih dijelova tijela, poput mozga.
OKT za oči i više
Laseri u biologiji i medicini korišteni su u optičkoj koherentnoj tomografiji (OCT), što je izazvalo val entuzijazma. Ova tehnika snimanja koristi svojstva kvantnog generatora i može pružiti vrlo jasne (reda mikrona), poprečne i trodimenzionalne slike biološkog tkiva u stvarnom vremenu. OCT se već koristi u oftalmologiji i može, na primjer, dopustiti oftalmologu da vidi presjek rožnice za dijagnosticiranje bolesti mrežnice i glaukoma. Danas se tehnika počinje koristiti i u drugim područjima medicine.
Jedno od najvećih polja koja proizlaze iz OCT-a je slikanje arterija optičkim vlaknima. Optička koherentna tomografija može se koristiti za procjenu puknuća nestabilnog plaka.
Mikroskopija živih organizama
Laseri u znanosti, tehnologiji, medicini također igrajuključnu ulogu u mnogim vrstama mikroskopije. Na ovom području napravljen je veliki broj razvoja, čija je svrha vizualizirati što se događa unutar tijela pacijenta bez upotrebe skalpela.
Najteži dio kod uklanjanja raka je potreba za stalnom upotrebom mikroskopa kako bi kirurg mogao provjeriti je li sve učinjeno ispravno. Mogućnost mikroskopije uživo i u stvarnom vremenu značajan je napredak.
Nova primjena lasera u inženjerstvu i medicini je skeniranje u bliskom polju optičke mikroskopije, koja može proizvesti slike s rezolucijom mnogo većom od one standardnih mikroskopa. Ova metoda temelji se na optičkim vlaknima s zarezima na krajevima, čije su dimenzije manje od valne duljine svjetlosti. To je omogućilo snimanje podvalnih duljina i postavilo temelj za snimanje bioloških stanica. Upotreba ove tehnologije u IR laserima omogućit će bolje razumijevanje Alzheimerove bolesti, raka i drugih promjena u stanicama.
PDT i drugi tretmani
Razvoj u području optičkih vlakana pomaže proširiti mogućnosti korištenja lasera u drugim područjima. Osim što omogućuju dijagnostiku unutar tijela, energija koherentnog zračenja može se prenijeti tamo gdje je potrebna. Može se koristiti u liječenju. Fiber laseri postaju mnogo napredniji. Oni će radikalno promijeniti medicinu budućnosti.
Područje fotomedicine koja koristi fotoosjetljivu kemikalijutvari koje djeluju s tijelom na određeni način mogu koristiti kvantne generatore za dijagnosticiranje i liječenje pacijenata. U fotodinamičkoj terapiji (PDT), na primjer, laser i fotoosjetljivi lijek mogu vratiti vid pacijentima s "vlažnim" oblikom makularne degeneracije povezane s dobi, vodećim uzrokom sljepoće kod osoba starijih od 50 godina.
U onkologiji, određeni porfirini se nakupljaju u stanicama raka i fluoresciraju kada su osvijetljeni na određenoj valnoj duljini, što ukazuje na mjesto tumora. Ako se ti isti spojevi tada osvijetle s drugom valnom duljinom, postaju toksični i ubijaju oštećene stanice.
Helij-neonski laser s crvenim plinom koristi se u medicini u liječenju osteoporoze, psorijaze, trofičnih ulkusa itd., jer ovu frekvenciju dobro apsorbiraju hemoglobin i enzimi. Zračenje usporava upalu, sprječava hiperemiju i oticanje te poboljšava cirkulaciju.
Personalizirani tretman
Genetika i epigenetika su još dva područja u kojima se laseri mogu koristiti.
U budućnosti će se sve događati na nanoskali, što će nam omogućiti da radimo lijekove na razini stanice. Laseri koji mogu generirati femtosekundne impulse i prilagoditi se određenim valnim duljinama idealni su partneri za medicinske stručnjake.
Ovo će otvoriti vrata personaliziranom tretmanu na temelju individualnog genoma pacijenta.
Leon Goldman - osnivačlaserska medicina
Govoreći o korištenju kvantnih generatora u liječenju ljudi, ne može se ne spomenuti Leon Goldman. Poznat je kao "otac" laserske medicine.
Već godinu dana nakon što je izumio koherentni izvor zračenja, Goldman je postao prvi istraživač koji ga je koristio za liječenje kožnih bolesti. Tehnika koju je znanstvenik koristio utrla je put za daljnji razvoj laserske dermatologije.
Njegovo istraživanje sredinom 1960-ih dovelo je do upotrebe kvantnog generatora rubina u kirurgiji mrežnice i otkrića kao što je sposobnost koherentnog zračenja da istovremeno reže kožu i zatvara krvne žile, ograničavajući krvarenje.
Goldman, dermatolog na Sveučilištu Cincinnati veći dio svoje karijere, osnovao je Američko društvo za lasere u medicini i kirurgiji i pomogao u postavljanju temelja za sigurnost lasera. Umro 1997.
minijaturizacija
Prvi kvantni generatori od 2 mikrona bili su veličine bračnog kreveta i hlađeni su tekućim dušikom. Danas su se pojavili diodni laseri veličine dlana, pa čak i manji laseri s vlaknima. Ove promjene otvaraju put za nove aplikacije i razvoj. Lijek budućnosti imat će male lasere za operaciju mozga.
Zbog tehnološkog napretka dolazi do stalnog smanjenja troškova. Baš kao što su laseri postali uobičajeni u kućanskim aparatima, počeli su igrati ključnu ulogu u bolničkoj opremi.
Ako su raniji laseri u medicini bili vrlo veliki isložena, današnja proizvodnja od optičkih vlakana značajno je smanjila troškove, a prijelaz na nanoskalu će još više smanjiti troškove.
Druge upotrebe
Urolozi mogu laserom liječiti strikturu uretre, benigne bradavice, mokraćne kamence, kontrakturu mokraćnog mjehura i povećanje prostate.
Upotreba lasera u medicini omogućila je neurokirurzima da naprave precizne rezove i endoskopske preglede mozga i leđne moždine.
Veterinari koriste lasere za endoskopske zahvate, koagulaciju tumora, rezove i fotodinamičku terapiju.
Stomatolozi koriste koherentno zračenje za izradu rupa, operaciju desni, antibakterijske zahvate, desenzibilizaciju zuba i dijagnostiku oro-facijala.
Laserska pinceta
Biomedicinski istraživači širom svijeta koriste optičke pincete, razvrstače stanica i mnoge druge alate. Laserske pincete obećavaju bolju i bržu dijagnozu raka i korištene su za hvatanje virusa, bakterija, malih metalnih čestica i DNK niti.
U optičkim pincetama, snop koherentnog zračenja koristi se za držanje i rotaciju mikroskopskih predmeta, slično kao što metalne ili plastične pincete mogu pokupiti male i lomljive predmete. Pojedinačnim molekulama može se manipulirati tako da se pričvrste na mikronske stakalce ili polistirenske kuglice. Kada greda pogodi loptu, onakrivulje i ima lagani udar, gurajući loptu ravno u središte grede.
Ovo stvara "optičku zamku" koja je u stanju uhvatiti malu česticu u snopu svjetlosti.
Laser u medicini: prednosti i nedostaci
Energija koherentnog zračenja, čiji se intenzitet može modulirati, koristi se za rezanje, uništavanje ili promjenu stanične ili izvanstanične strukture bioloških tkiva. Osim toga, korištenje lasera u medicini, ukratko, smanjuje rizik od infekcije i potiče ozdravljenje. Korištenje kvantnih generatora u kirurgiji povećava točnost disekcije, međutim, opasni su za trudnice i postoje kontraindikacije za korištenje fotosenzibilizirajućih lijekova.
Složena struktura tkiva ne dopušta jednoznačno tumačenje rezultata klasičnih bioloških analiza. Laseri u medicini (fotografija) učinkovit su alat za uništavanje stanica raka. Međutim, snažni izvori koherentnog zračenja djeluju neselektivno i uništavaju ne samo zahvaćena, već i okolna tkiva. Ovo svojstvo je važan alat u tehnici mikrodisekcije koji se koristi za izvođenje molekularne analize na mjestu od interesa sa sposobnošću selektivnog uništavanja viška stanica. Cilj ove tehnologije je prevladati heterogenost prisutnu u svim biološkim tkivima kako bi se olakšalo njihovo proučavanje u dobro definiranoj populaciji. U tom smislu, laserska mikrodisekcija je dala značajan doprinos razvoju istraživanja, razumijevanjufiziološki mehanizmi koji se danas mogu jasno demonstrirati na razini populacije, pa čak i jedne stanice.
Funkcionalnost tkivnog inženjerstva danas je postala glavni čimbenik u razvoju biologije. Što se događa ako se aktinska vlakna presijeku tijekom dijeljenja? Hoće li embrij Drosophile biti stabilan ako se stanica uništi tijekom presavijanja? Koji su parametri uključeni u meristemsku zonu biljke? Svi ovi problemi mogu se riješiti laserima.
Nanomedicina
Nedavno su se pojavile mnoge nanostrukture sa svojstvima prikladnim za niz bioloških primjena. Najvažniji od njih su:
- kvantne točke su sitne nanometarske čestice koje emitiraju svjetlost i koriste se u visokoosjetljivim staničnim slikama;
- magnetske nanočestice koje su našle primjenu u medicinskoj praksi;
- polimerne čestice za inkapsulirane terapeutske molekule;
- metalne nanočestice.
Razvoj nanotehnologije i korištenje lasera u medicini, ukratko, revolucionirao je način davanja lijekova. Suspenzije nanočestica koje sadrže lijekove mogu povećati terapeutski indeks mnogih spojeva (povećati topljivost i učinkovitost, smanjiti toksičnost) selektivnim djelovanjem na zahvaćena tkiva i stanice. Oni isporučuju aktivni sastojak i također reguliraju oslobađanje aktivnog sastojka kao odgovor na vanjsku stimulaciju. Nanoteranostika je daljeeksperimentalni pristup koji omogućuje dvostruku upotrebu nanočestica, spojeva lijekova, terapije i dijagnostičkih slikovnih alata, otvarajući put personaliziranom liječenju.
Upotreba lasera u medicini i biologiji za mikrodisekciju i fotoablaciju omogućila je razumijevanje fizioloških mehanizama razvoja bolesti na različitim razinama. Rezultati će pomoći u određivanju najboljih metoda dijagnoze i liječenja za svakog pacijenta. Neophodan će također biti razvoj nanotehnologije u bliskoj vezi s napretkom u slikovnoj tehnologiji. Nanomedicina je obećavajući novi oblik liječenja određenih karcinoma, zaraznih bolesti ili dijagnostike.
