Свойства хирургических лазеров

Для целей хирургии луч лазера должен быть достаточно мощным, чтобы нагревать биоткань выше 50 - 70 °С, что приводит к ее коагуляции, резанию или испарению. Поэтому в лазерной хирургии, говоря о мощности лазерного излучения того или иного аппарата, оперируют цифрами, обозначающими единицы, десятки и сотни Вт.

Хирургические лазеры бывают как непрерывные, так и импульсные, в зависимости от типа активной среды. Условно их можно разделить на три группы по уровню мощности:

1. Коагулирующие: 1 - 5 Вт,
2. Испаряющие и неглубоко режущие: 5 - 20 Вт,
3. Глубоко режущие: 20 - 100 Вт.

Конечно, это деление в значительной степени условно, т.к. длина волны излучения и режим работы очень сильно влияют на требования по выходной мощности хирургического лазера.

Поглощение в биоткани

Каждый тип лазера в первую очередь характеризуется длиной волны излучения. Длина волны определяет степень поглощения лазерного излучения биотканью, а, значит, и глубину проникновения, и степень нагрева как области хирургического вмешательства, так и окружающей ткани.
Учитывая, что вода содержится практически во всех типах биоткани, можно сказать, что для хирургии предпочтительно использовать такой тип лазера, излучение которого имеет коэффициент поглощения в воде более 10 см^-1 или, что то же самое, глубина проникновения которого не превышает 1 мм.

Другие важные характеристики хирургических лазеров,
определяющие их применение в медицине:

• мощность излучения;
• непрерывный или импульсный режим работы;
• способность коагулировать кровенасыщенную биоткань;
• возможность передачи излучения по оптическому волокну.

При воздействии лазерного излучения на биоткань сначала происходит ее нагрев, а затем уже испарение. Для эффективного разрезания биоткани нужно быстрое испарение в месте разреза с одной стороны, и минимальный сопутствующий нагрев окружающих тканей с другой стороны.
Ясно, что при одинаковой средней мощности излучения короткий импульс нагревает ткань быстрее, чем непрерывное излучение, и при этом распространение тепла к окружающим тканям минимально.
Но, если импульсы имеют низкую частоту повторения (менее 5 Гц), то непрерывный разрез провести сложно, это больше похоже на перфорацию. Следовательно, лазер предпочтительно должен иметь импульсный режим работы с частотой повторения импульсов более 10 Гц, а длительность импульса - минимально возможную для получения высокой пиковой мощности.

Что же касается средней мощности лазера, то на практике оптимальная выходная мощность для хирургии находится в диапазоне от 15 до 60 Вт в зависимости от длины волны лазерного излучения и области применения.

Гольмиевый лазер "Triple"

Наилучшее сочетание физических параметров
для применения в хирургии

Коагуляция

Важное для хирургии свойство лазерного излучения - способность коагулировать кровенасыщенную (васкуляризованную) биоткань.

В основном, коагуляция происходит за счет поглощения кровью лазерного излучения, ее сильного нагрева до вскипания и образования тромбов.
Таким образом, поглощающей мишенью при коагуляции могут быть гемоглобин или водная составляющая крови.
Это означает, что хорошо коагулировать биоткань будет излучение лазеров в области оранжево-зеленого спектра (КТР-лазер, на парах меди) и инфракрасных лазеров (неодимовый, гольмиевый, эрбиевый в стекле, СО₂-лазер).

Однако, при очень высоком поглощении в биоткани, как, например, у эрбиевого гранатового лазера с длиной волны 2,94 мкм, лазерное излучение поглощается на глубине 5 - 10 мкм и может вообще не достигнуть объекта воздействия - капилляра.

Оптическое волокно - удобный способ доставки излучения

В настоящее время хирургия все более становится эндоскопической и малоинвазивной. Полостные операции с открытым доступом уступают место эндоскопическим и лапароскопическим через естественные каналы или проколы.

В лазерной технике наилучшим для хирургии является использование тонкого кварцевого оптического волокна для доставки лазерного излучения к объекту воздействия. Оптическое волокно для хирургических лазеров хорошо сопрягается с существующими эндоскопами, имеющими для этого специальные каналы.

Главными характеристиками оптического волокна являются его оптическая прозрачность, стойкость и минимальный радиус изгиба (обычно 25 - 50 мм).

Известно, что прозрачность кварцевого стекла резко уменьшается при увеличении длины волны более 2,5 мкм, что не позволяет его использовать для таких инфракрасных лазеров, как эрбиевый (2,94 мкм) и СО₂-лазер (10,6 мкм).
Для этих длин волн предлагались другие типы оптоволокна на основе сапфира, халькогенидов и др., но либо они были химически и механически непрочными, либо токсичными, что пока представляет проблему для их практического использования.

Стойкость кварцевого волокна очень высока: оно выдерживает среднюю мощность излучения до 1 - 2 кВт. Однако пиковая мощность не может превышать 2 - 5 МВт, что не позволяет его широко использовать для доставки излучения мощных наносекундных импульсов лазеров с модуляцией добротности (Q-switched).