Микро- и нанофабрикация
Взаимодействие лазерного излучения с тканями
Фемтосекундные лазеры обеспечивают исключительно высокую точность при минимальном термическом повреждении, что делает их подходящими для использования в качестве терапевтических и хирургических инструментов в таких областях медицины, как офтальмология.
Описание
Что такое взаимодействие лазерного излучения с тканями?
Взаимодействие лазерного излучения с тканями охватывает процессы, происходящие при поглощении лазерного излучения биологической тканью. Подбор параметров лазера и условий доставки пучка позволяет настроить облучение для контролируемой модификации ткани. Среди доступных лазерных технологий для обработки тканей всё шире применяются фемтосекундные лазеры, поскольку по сравнению с лазерными системами с более длительными импульсами они обеспечивают строго локализованное внесение энергии при ограниченном термическом повреждении. Благодаря этим свойствам фемтосекундные лазеры применяются во многих областях медицины, включая офтальмологию, стоматологию, дерматологию и малоинвазивную хирургию мягких тканей.
Длина волны и отклик ткани
Механизм взаимодействия биологической ткани с лазерным излучением зависит как от параметров лазера — длины волны, длительности импульса, энергии импульса и частоты повторения, — так и от свойств облучаемой ткани. Эти факторы определяют поглощение и распределение лазерной энергии в ткани, влияя на глубину взаимодействия и результирующий отклик ткани. UV-излучение сильно поглощается биомолекулами в поверхностных слоях ткани и рассеивается внутриклеточными частицами, поэтому глубина проникновения достигает лишь десятых долей микрометра. Это делает UV-лазеры подходящими для точной поверхностной абляции, но ограничивает их применение в процедурах, требующих доступа к более глубоким участкам ткани. Напротив, фемтосекундные импульсы ближнего IR могут проходить через оптически прозрачные ткани до фокусировки на выбранной глубине, обеспечивая подповерхностную модификацию ткани без повреждения вышележащих слоёв.
Взаимодействие фемтосекундных импульсов с тканью
Фемтосекундная лазерная абляция основана на внесении лазерной энергии в ткань на временном масштабе, меньшем, чем требуется для развития значительной тепловой диффузии. Высокая пиковая интенсивность ультракоротких импульсов инициирует нелинейное поглощение и образование плазмы в облучаемом объёме. После образования плазма поглощает оставшуюся лазерную энергию и эффективно передаёт её ткани, создавая нетермический процесс абляции. Он позволяет резецировать ткань с точно заданными размером, формой и глубиной кратера при минимальном термическом повреждении окружающей ткани. Помимо флюенса лазерного излучения и частоты повторения импульсов, важную роль играет стратегия сканирования. Экспериментальные исследования показали, что правильно спроектированные алгоритмы сканирования распределяют лазерную энергию и обеспечивают эффективное охлаждение между последовательными проходами лазера. Оптимизация положения пучка и последовательности сканирования позволяет минимизировать локальное накопление тепла даже при высокой частоте повторения импульсов.
Преимущества ультракоротких импульсов
Главное преимущество ультракоротких импульсов — возможность удалять ткань с высокой пространственной точностью при минимальном термическом повреждении прилегающей ткани. По сравнению с лазерами непрерывного действия или лазерами с более длительными импульсами ультракороткие импульсы обеспечивают точную резекцию ткани с минимальным термическим повреждением и точным контролем глубины, поэтому хорошо подходят для процедур, в которых критически важно сохранить окружающую ткань. Твёрдотельные фемтосекундные лазеры сохраняют хорошее качество пучка и высокую стабильность, а возможность получать фемтосекундные импульсы как IR-, так и UV-диапазона на одной лазерной платформе позволяет выполнять несколько офтальмологических процедур с помощью одного лазерного источника.
Офтальмология
Офтальмология — одна из наиболее устоявшихся областей применения взаимодействия лазерного излучения с тканями. В современной рефракционной хирургии обычно сочетаются два разных лазерных источника: лазер ближнего IR для формирования роговичного лоскута и UV-лазер для абляции стромы роговицы. Импульсы ближнего IR фокусируются внутри прозрачной роговицы, где локализованная фотодеструкция обеспечивает точно позиционированное разделение ткани без повреждения окружающих слоёв. UV-излучение сильно поглощается тканью роговицы и поэтому применяется для контролируемой поверхностной абляции в фоторефракционных процедурах. Недавние исследования показали, что UV-импульсы, генерируемые твёрдотельными фемтосекундными лазерами, обеспечивают результаты абляции стромы роговицы, сопоставимые с результатами традиционных аргон-фторидных эксимерных лазеров, а в некоторых случаях превосходящие их. Высокоскоростная трансэпителиальная фоторефракционная кератэктомия с использованием фемтосекундных импульсов 206 nm обеспечила скорость абляции приблизительно 1.6 s на диоптрию при сохранении предсказуемости и воспроизводимости абляции, а также реакции заживления, сопоставимой с лечением эксимерным лазером. Несмотря на высокую скорость абляции, повышение температуры поверхности роговицы во время процедуры оставалось ниже 7 °C. Твёрдотельные фемтосекундные лазеры генерируют UV-излучение посредством генерации гармоник, поэтому импульсы ближнего IR и UV от одного источника позволяют выполнять как интрастромальные процедуры, так и поверхностную абляцию роговицы.
Стоматология
Стоматология — одна из новых областей применения фемтосекундного взаимодействия лазерного излучения с тканями, особенно для автоматизированного препарирования полостей и реставрационных процедур. Роботизированная лазерная стоматология предложена как альтернатива традиционным высокоскоростным стоматологическим борам: она обеспечивает автоматизированное препарирование полостей зуба и снижает механические усилия, вибрацию и шум, связанные с вращающимися инструментами. Исследования фемтосекундной лазерной абляции дентина и эмали показали обработку без трещин и без значительных изменений химического состава, карбонизации, плавления или деформации ткани. Лазерная обработка также предотвращает образование смазанного слоя дентина, обычно возникающего при высокоскоростном механическом шлифовании, сохраняя морфологию структуры дентина и оставляя дентинные канальцы открытыми. В отличие от эрбиевых и CO₂-лазеров для стоматологии, основанных на поглощении водой и термомеханическом выбросе материала, фемтосекундные лазерные импульсы удаляют ткань, непосредственно ионизируя материал до состояния плазмы. Этот процесс не создаёт ударных волн и обеспечивает превосходное качество поверхности; фемтосекундным лазерам не требуется вода на поверхности ткани, и они могут обрабатывать более широкий спектр реставрационных материалов, включая металлы.
Дерматология
Дерматология — ещё одна область применения, поскольку многие методы лечения кожи требуют строго локализованной поверхностной абляции. UV-излучение сильно поглощается в поверхностных слоях ткани. Поэтому фемтосекундные UV-лазеры исследуются как альтернатива наносекундным лазерным системам для дерматологических процедур, требующих контролируемого удаления ткани при минимальном сопутствующем повреждении. Большинство биологических эффектов UV-излучения с длиной волны менее 320 nm инициируется поглощением света молекулой DNA. Экспериментальные исследования, сравнивающие фемтосекундные импульсы 206 nm и 257 nm, показали сильную зависимость биологического отклика от длины волны: в исследованных условиях облучение 206 nm вызывало меньший уровень повреждения DNA в клетках кожи, чем облучение 257 nm.
Малоинвазивная хирургия
Высокая точность и ограниченное термическое повреждение, достигаемые с помощью ультракоротких лазерных импульсов, также стимулировали развитие малоинвазивных хирургических процедур. Эти свойства особенно важны в желудочно-кишечной хирургии, где полипэктомия толстой кишки и локальное иссечение требуют высокой точности и минимального термического повреждения из-за тонкой стенки кишечника. Лазеры непрерывного действия, длинноимпульсные лазеры и методы на основе электрокаутеризации склонны вызывать значительное термическое повреждение; в длинноимпульсных системах область повреждения прилегающей здоровой ткани составляет порядка 300 µm. Последние разработки в области полых волоконных световодов с отрицательной кривизной границы сердцевины позволяют гибко доставлять высокоэнергетические ультракороткие импульсы при эндоскопических процедурах. В доклинических исследованиях ткани толстой кишки свиньи продемонстрирована точная резекция при энергиях импульса 46 и 33 μJ; область термического повреждения была меньше 85 μm, при этом сохранялся точный контроль глубины абляции.
CARBIDE и PHAROS
Фемтосекундные лазеры CARBIDE и PHAROS поддерживают широкий спектр задач взаимодействия лазерного излучения с тканями, сочетая ультракороткую длительность импульсов, высокую частоту повторения и встроенную генерацию гармоник и обеспечивая выходные длины волн от ближнего IR до UV. В офтальмологии фемтосекундные импульсы основной частоты в ближнем IR можно использовать для интрастромальных процедур, а UV-импульсы, полученные посредством генерации гармоник, — для поверхностной абляции роговицы. Та же гибкость по длине волны полезна в дерматологических и других медицинских процедурах, требующих точной абляции ткани.
