 |
|
 |  |
|
|
| |
 | Alimentatie | Asistenta sociala | Frumusete | Medicina | Medicina veterinara | Retete |
Definirea fenomenului laser
LASER = amplificarea luminii prin stimularea emisiei de radiatii.
Laserele sunt acea categorie de dispozitive cuantice care genereaza radiatie electromagnetica coerenta cu lungimi de unda cuprinse intre 100 nm (ultraviolet in vid) si 2 mm (undele milimetrice). Folosirea termenului de radiatie in fizica laserilor se refera la un transfer de energie. Radiatia laser nu este o radiatie ionizanta. Termenul "iradiere" inseamna, in acest caz, tratarea unei tinte cu radiatie laser.
Exista doua tipuri de procese de emitere a luminii de catre atomii si moleculele substantelor: emisia stimulata si emisia spontana.
Presupunem ca un atom se afla pe un nivel energetic inferior (E1); acest atom poate absorbi un foton cu energie egala cu E2 - E1 si ca urmare sa efectueze un salt de pe nivelul E1 pe nivelul E2, ceea ce reprezinta un act unic de absorbtie a luminii de catre substanta.
Atomul aflat pe nivelul energetic mai inalt, E2, sub actiunea unui foton poate sa treaca pe nivelul E1, cu care ocazie se va genera un foton de energie E2 - E1. Acesta este procesul de emisie stimulata a luminii. El este provocat sau altfel spus, este initiat de foton, care in cazul dat joaca un rol de mecanism de declansare ce face ca atomul sa coboare de pe nivelul superior pe cel inferior. Noul foton (foton secundar) va fi copia exacta a fotonului primar, care a initiat tranzitia atomului de pe nivelul E2 pe nivelul E1. Ambii fotoni au nu numai aceeasi energie, dar si acelasi sens de miscare.
Fotonul incident trebuie sa aiba o lungime de unda corespunzatoare energiei pe care specia atomica o elibereaza, la trecerea de pe starea excitata pe starea inferioara.
Atomul aflat pe nivelul E2, poate sa recada pe nivelul E1 si in mod spontan (emisie spontana a luminii). Fotonul care se genereaza in acest caz are energia egala cu E2 - E1, dar sensul miscarii sale este arbitrar (aleator este momentul tranzitiei, aleator este sensul de deplasare).
Un alt factor care intervine in posibilitatea amplificarii luminii cu substanta este inversia populatiei: numarul atomilor sau moleculelor de pe nivelul energetic superior sa fie mai mare decat numarul celor de pe nivelul inferior, fenomen care ofera posibilitatea amplificarii luminii in substanta. Pentru pregatirea unui astfel de mediu se poate folosi, de exemplu, o radiatie auxiliara care sa fie absorbita in prealabil de atomii sau moleculele aflate in starea E1, pentru a trece in starea superioara de energie E2, procedeu denumit pompaj optic.
1.3 Principiul de functionare a laserelor
Orice laser cuprinde trei parti: mediul activ; sursa de pompaj; cavitatea rezonanta.
Partea principala a oricarui tip de laser este constituita de un mediu activ (solid, lichid, gazos sau semiconductor) in care se poate crea o inversie a populatiei intre doua (sau mai multe) niveluri energetice ale particulelor componente (atomi, molecule, ioni). Un astfel de mediu, care permite o inversie de populatie, poarta denumirea de mediu activ laser.
Mediul activ este, practic, o colectie de atomi, molecule sau ioni care absorb energie de la o sursa externa si prin procese atomice complexe genereaza radiatie laser. Caracteristicile materialului din care este constituit mediul activ determina parametrii functionali ai laserului, inclusiv lungimea de unda.
Pentru ca intr-un mediu sa se poata crea starea de inversie de populatie, adica sa devina mediu activ, el trebuie sa primeasca energie din exterior, de la o sursa speciala, care poarta denumirea de sursa de pompaj. Ea are rolul de a pompa atomii, moleculele sau ionii pe un anumit nivel energetic superior. Sursele de pompaj sunt formate din lampi cu inalta presiune, cu luminozitate foarte mare - asa numitele flashuri - care dau pompajul optic sau descarcarea electrica direct in mediul activ gazos.
Pentru a obtine o amplificare semnificativa a radiatiei emise in mediul activ, acesta trebuie plasat intr-o cavitate rezonanta. Cavitatea rezonanta are proprietatea de a creste densitatea radiatiei emise de mediul activ din interiorul tubului sau prin reflexii multiple pe peretii sai, deci mareste drumul undelor prin mediul activ si astfel sporeste intensitatea emisiei stimulate.
Rezonatorul laser consta din doua oglinzi, una total reflectanta si cealalta cu o reflectivitate mai mica de 100%, care transmite radiatia laser din rezonator in exteriorul sau, fiind transparenta pentru lungimea de unda a laserului.
1.4 Regimuri de functionare a laserelor
Laserele functioneaza fie in unda continua, fie in impulsuri. Atunci cand puterea unui laser se mentine la nivel constant pentru perioade lungi de timp (secunde, zeci de secunde), se spune ca laserul functioneaza in unda continua.
Regimul de functionare in impulsuri a laserilor imbraca o mare diversitate. Cel mai simplu tip de functionare al laserilor in impulsuri este cel in care un fascicul laser continuu este intrerupt periodic de un obturator comandat sau de un disc rotitor cu fante. Puterea de varf a impulsului este cea a laserului in unda continua iar frecventa de repetitie a impulsurilor variaza intre cativa Hz si cativa kHz.
1.5 Proprietatile fasciculului laser
1.5.1. Coerenta. Generati de emisia stimulata, fotonii formeaza o avalansa unica, caracterizata in particular printr-o directie de miscare determinata. Aceasta este lumina coerenta. Toate trenurile de unde sunt indreptate in acelasi sens, au aceeasi lungime de unda si se afla in faza intre ele. Toate acestea sunt urmarea emisiei stimulate a luminii. In cazul emisie stimulate, trenul de unda secundar "copiaza" identic trenul de unda primar, ca directie, sens al miscarii, lungime de unda si faza.
1.5.2. Directionalitatea este rezultatul faptului ca radiatia emisa are o divergenta foarte mica. Aceasta face ca la distante mari sa gasim radiatia laser sub forma unui fascicul ingust, cu densitate de putere foarte mare.
Inaltul grad de coerenta se manifesta, de asemenea, si printr-o foarte mica divergenta a fasciculului laser.
In fasciculul cu inalt grad de coerenta, insa, toate aceste raze sunt practic paralele si in plus monocromatice. Asemenea raze pot fi focalizate, practic intr-un punct.
1.5.3. Densitatea ridicata de putere caracterizeaza puterea fasciculului laser pe unitatea de suprafata. Deoarece fasciculele laser sunt inguste, aceasta densitate devine foarte mare. De exemplu, in cazul unui laser He-Ne de 1 mW, cu diametrul fasciculului de 0,4 mm, rezulta o densitate medie de putere de 0,5 W/cm2. Pentru fasciculele de mare putere focalizate densitatea de putere atinge usor 1011 - 1012 W/cm2. Chiar in cazul unui laser de mica putere intensitatea fasciculului laser este de circa 104 ori mai mare decat intensitatea soarelui.
1.5.4. Monocromaticitatea desemneaza faptul ca fasciculul laser emis este foarte ingust din punct de vedere spectral, avand deci o lungime de unda foarte precis determinata. Monocromaticitatea radiatiei laser este cu cateva ordine de marime mai buna decat a surselor clasice de lumina. Aceasta are ca efect stimularea unor reactii selective in mediile cu care interactioneaza.
1.6. Interactiunea laser - tesut
Interactiunea laser-tesut reprezinta un fenomen complex, influentat de parametri diferitelor lasere si de proprietatile tesuturilor.
Daca un fascicul laser ajunge pe un tesut se pot produce patru procese:
q reflexia (intoarcerea undei laser la sursa sau la alta suprafata);
q absorbtia (fenomenul principal care afecteaza tesutul);
q dispersia (energia fasciculului laser ce se disipeaza in tesut spre locuri nedorite);
q transmisia (lumina trece, este transmisa prin tesut si doar o mica parte este absorbita).
In tesuturile biologice radiatia absorbita este transformata in alte forme de energie (calorica, chimica), actionand in interiorul tesutului care a absorbit-o si imprastiindu-si efectele in zonele inconjuratoare.
Mecanismul interactiei este foarte complex si trebuie studiat in corelatie directa cu timpul de reactie din partea tesutului, dar si cu nivelul de organizare biologica (fig.2)
Procesele cunoscute de interactiune a lasesului cu tesutul pot fi grupate in trei mari categorii: fotochimice, termice si neliniare.
1.6.1. Efectele fotochimice (in speta biostimularea) au loc la densitati foarte mici de putere, intre 10-3 si 1 W/cm2, dar necesita timpi lungi de iradiere de ordinul 10-1000 secunde.
Efectele fotochimice sunt specifice indeosebi laserelor pentru biostimulare, a caror putere este sub 1 W. Efectele produse de aceste lasere pot fi impartite teoretic in primare (directe) si indirecte.
Efectele directe pot fi:
1) Biochimice, manifestate prin:
q stimularea eliberarii substantelor preformate: histamina, bradichinina, serotonina;
q modificarea reactiilor normale ale enzimelor, fie inhibandu-le, fie stimulandu-le;
q stimularea producerii ATP;
q accelerarea mitozelor.
2) Bioelectrice, constau in normalizarea potentialului de membrana al celulei, intervenind in reglarea pompei de Na.
3) Bioenergetice
Radiatia laser confera celulelor tesuturilor si organelor o energie solida, stimulandu-le tropismul si fiziologia celulara, normalizand deficientele si rectificand dezechilibrele celulare.
Efectele indirecte sunt reprezentate prin:
1) Stimularea microcirculatiei. Actiunea laserului are efect asupra sfincterului precapilar pe care il mentine deschis si astfel stimuleaza microcirculatia. Acesta are ca efect imbunatatirea troficitatii in zona datorita cresterii procentului de oxigen si substantelor nutritive cu scaderea catabolitilor.
2) Cresterea troficitatii locale se realizeaza prin cresterea ATP-ului mitocondrial si accelerarea mitozelor celulare.
Terapeutic, efectele directe si indirecte se materializeaza prin: efect analgetic, antiinflamator, antiedematos, normalizarea circulatiei locale si efect de biostimulare.
Mecanismul interactiunii fotochimice se poate explica prin transformarea energiei laser intr-o energie chimica, datorita absorbtiei unui foton de catre un cromofor molecular si transformarea moleculei respective intr-o molecula excitata. Ulterior, aceasta molecula poate participa la o reactie chimica, fotonul actionand ca un reactiv care este consumat stoechiometric intr-o reactie fotochimica, ce are loc cu obtinerea in final a unui produs fotochimic. Astfel de reactii sunt reprezentate de desfacerea legaturilor, formarea legaturilor incrucisate, formarea unui radical ce determina leziuni oxidative sau fotodistructia cromoforului. Cromoforul molecular poate fi de natura endogena (gruparile laterale ale aminoacizilor, pigmentii hematici) sau pot fi de natura exogena, reprezentati de moleculele introduse special in organism.
Acest mecanism sta la baza terapiei fotodinamice. In practica, se utilizeaza pentru distrugerea celulelor canceroase. Procedeul se bazeaza pe injectarea in organism a unui cromofor exogen care se va acumula cu predilectie la nivelul celulelor canceroase. Sub actiunea radiatiei laser, cromoforul va absorbi fotonii care vor reactiona cu oxigenul, rezultand un produs toxic ce va distruge celulele canceroase. Eficienta terapiei depinde de trei elemente esentiale: cromoforul molecular, radiatia laser si concentratia de oxigen.
1.6.2 Efectele termice (in speta evaporarea, taierea si coagularea tesuturilor) apar la densitati, puteri foarte mari de pana la 1010 W/cm2 si la timp de expunere foarte scurt, intre 1 ms si 100 s.
Diferitele efecte termice ale laserului se pot descrie pe baza temperaturii atinse si a duratei expunerii, dar si pe baza particularitatilor optice ale tesutului si lungimii de unda utilizate.
Efectele fototermice ale radiatiei laser se bazeaza pe conversia energiei electromagnetice a laserilor in energie termica si sunt utilizate in terapie (fototermoterapie) sau chirurgie (efecte termice locale distructive). Efectele fototermice se bazeaza pe efectul de incalzire a tesuturilor datorita relaxarii neradiative a excitatiei laser. Cand un cromofor din tesut absoarbe un foton, o parte din energia de excitatie se relaxeaza neradiativ si conduce la cresterea temperaturii in cromofor si apoi in mediul inconjurator. Efectele fototermice se obtin prin focalizarea fasciculului laser in spoturi cu dimensiuni de cativa mm sau mm. La nivel microscopic, procesele fototermice isi au originea in absorbtia in volum ce are loc in benzile de vibratie - rotatie moleculare sau in sistemul de nivele vibrationale ale celei mai coborate stari electronice, urmata de termalizarea rapida prin dezexcitare neradiativa. Efectele de incalzire caracteristice sunt controlate in principal de absorbtia tintei moleculare, adica apa, proteinele, pigmentii sau alte macromolecule, precum acizii nucleici si substantele aromatice.
Efectele fototermice asupra tesuturilor se manifesta prin trei categorii de aplicatii:
q hipertermia, in care afectarea lenta si la temperatura coborata a tesutului cauzeaza distrugerea structurilor labile, cum ar fi proteinele enzimatice si conduce la disfunctii celulare, eventual la necroza tesutului. In general, hipertermia implica o expunere lunga la o temperatura moderat ridicata, efectele nefiind vizibile imediat. Energia termica cauzeaza denaturarea si agregarea ireversibila a macromoleculelor din interiorul celulelor, ceea ce afecteaza procesele metabolice. Aceasta duce in final la moartea celulei. Esential este faptul ca acest proces cauzeaza efecte minore in tesuturile normale, dar celor cancerigene le confera un grad mare de susceptibilitate, facandu-le astfel sensibile la radiatii;
q coagularea tesuturilor la temperaturi mai ridicate cauzeaza nu numai agregarea proteinelor labile, dar si distruge molecule structurate ca hemoglobina si colagenul, determinand modificari evidente imediate in tesut. Practic, datorita continutului proteic crescut al colagenului, la o temperatura mai mare de 60 C, proteinele incep un proces de denaturare cu deformarea structurii si modificarea lanturilor proteice. Micsorarea cantitatii de colagen explica proprietatile hemostatice ale radiatiei laser. Explicatia deriva din continutul crescut in colagen al peretilor vasculari. Astfel, prin cresterea temperaturii, lumenul vascular se micsoreaza pana la obliterare totala;
q indepartarea tesuturilor prin ablatie implica evaporarea rapida si vaporizarea exploziva. Cand temperatura tesutului iradiat creste mai mult de 100 C, apa in celule incepe sa fiarba. Transformarea apei in vapori reprezinta o expansiune iminenta si, pentru celule, la o putere normala a unui laser chirurgical, aceasta este aproape instantanee, peretii celulei fiind distrusi rapid.
Distrugerea fototermica se poate obtine prin localizarea transmiterii energiei laser, utilizand fascicule inguste sau fibre optice si prin localizarea absorbtiei prin folosirea unei lungimi de unda care este absorbita preferential de o anumita structura din tesut fata de tesutul inconjurator.
Odata ce temperatura tesutului se apropie de temperatura de prag pentru vaporizarea apei (100 C), efectele fototermice ale interactiilor laser-tesut se inscriu sub influenta:
q energiei necesare pentru schimbarea de faza a apei;
q deshidratarii tesutului;
q formarii vacuolelor cu vapori in tesut;
q efectelor mecanice datorita expansiunii rapida a vacuolelor cu vapori in tesut.
Sub influenta iradierii laser se formeaza bule in tesutul incalzit, sub suprafata sa. Daca iradierea continua, bulele se maresc si se sparg exploziv. Aceasta serie de evenimente formeaza efectul de microexplozie (popcorn).
Vacuolele ce se sparg la suprafata tesutului determina eliberarea vaporilor de apa si, prin disiparea gazului fierbinte, suprafata se raceste momentan. Caldura mare de vaporizare a apei este avantajoasa, deoarece vaporii generati indeparteaza excesul de caldura, prevenind astfel cresterea in continuare a temperaturii in tesutul adiacent. Studii histologice ale craterelor realizate cu incalzire relativ lenta arata ca acestea nu se formeaza datorita pierderii de masa in tesut, ci sunt rezultatul fuzionarii, expansiunii si ruperii grupurilor de vacuole.
Efectul termic al radiatiei laser in tesut se bazeaza pe absorbtia radiatiei si transformarea energiei laser in caldura. In functie de intensitatea absorbtiei se inmagazineaza in tesut o anumita putere/volum si in functie de durata iradierii se depune o anumita energie/volum.
In profunzimea tesutului, cantitatea de radiatie absorbita scade (legea Lambert-Beer), ceea ce inseamna ca si energia termica si, implicit, temperatura scad in adancimea tesutului.
In functie de temperatura, efectele termice asupra tesuturilor pot fi clasificate astfel:
q pana la 37 C nu se produc leziuni tisulare ireversibile; intre 40-45 C apar inductie enzimatica, edem, membrana celulara devine laxa si, in functie de temperatura, se poate produce moartea celulara;
q la o temperatura de 60 C denaturarea ireversibila a proteinelor, coagulare si necroza incipienta;
q la 80 C denaturarea colagenului, defecte de membrana;
q la 100 C uscarea, vaporizarea apei tisulare, sectionare, ablatie;
q la peste 150 C carbonizare, ardere;
q la peste 300 C vaporizare, gazificare, leziuni termomecanice, unde de soc.
Diferitele efecte termice ale razei laser nu se observa niciodata separat, ci intotdeauna concomitent.
1.6.3. Efecte fotomecanice
Efectul mecanic rezulta din vibratia mediului parcurs de radiatia laser si este generat de energia eliberata mediului prin absorbtia unui foton incident. Efectul mecanic s-ar traduce prin presiunile exercitate la nivelul tesuturilor. Sub presiune, un tesut poate fi deformat reversibil sau ireversibil. Leziunile ce pot apare sunt fie macroscopice (ruperea tesuturilor moi, fracturarea tesuturilor dure) fie microscopice (leziuni celulare sau microfisuri la nivelul tesuturilor dure).
Exista doua tipuri de interactiune fotomecanica:
q prin unde de presiune tranzitorie ce pot fi generate prin urmatoarele mecanisme:
Ø expansiune termoelastica brusca, prin incalzire rapida (laser pulsat);
Ø reculul ablatiei, cand o masa de tesut este eliminata rapid prin ablatie, reculul trimite un impuls de miscare la nivelul tesuturilor, iar acesta se va propaga ca o unda de presiune;
Ø expansiune brusca, secundara schimbarii unei faze, cum ar fi vaporizarea apei in tesuturi sau formarea de plasma;
starea de presiune semiconstanta se obtine secundar expansiunii termoelastice a tesuturilor, fiind cauzata de caldura. Termenul de stare semiconstanta se explica prin faptul ca expansiunea termoelastica nu este o unda de presiune trecatoare, ci o distributie statica de presiune, dependenta de distributia temperaturii.
1.6.4 Efecte neliniare
Folosirea formarii plasmei pentru a produce efecte clinice utile intr-un tesut biologic constituie o deviere de la tehnicile anterioare de tratament cu laser. Formarea plasmei se bazeaza pe procese neliniare asociate cu excitatia prin impulsuri scurte generatoare de unde de soc acustice.
Formarea plasmei este singura interactie laser-tesut care nu se supune principiului fotobiologic fundamental de reciprocitate, conform caruia un efect este independent de intervalul de timp in decursul caruia sunt emisi fotonii (fenomenul este dependent de putere). O data cu aparitia laserelor cu puteri foarte mari, care pot sa actioneze in impulsuri scurte, a devenit posibila producerea unor puteri foarte ridicate. Cand aceste lasere sunt focalizate pe un spot mic de tesut se produc fenomene "neliniare", ducand la formarea unei plasme care este un nor gazos bogat in electroni liberi. Ca urmare a producerii bruste a unui camp electric de inalta tensiune (106-107 V/cm) in decurs de 10-9-10-12 secunde se produce in spotul focalizat o unda de soc acustic intensa. Aceasta unda este purtatoarea unei energii cinetice potential lezante si a fost utilizata in clinica pentru prima oara in oftalmologie.
q tratamentul cariei dentare;
q tratamentul hiperesteziei dentinare;
q tratamentul endodontic;
q in parodontologie la reducerea pungilor parodontale;
q in OMF: leziuni paramaligne ale mucoasei bucale, hiperplazii orale, diateze hemoragice, angiomatoze si tatuaje, leziuni cicatriciale;
q prelucarea materialelor dentare: fotopolimerizarea rasinilor diacrilice compozite, sudarea aliajelor dentare.
Copyright © 2024 - Toate drepturile rezervate
