Pēdējā pusgadsimta laikā lāzeri ir izmantoti oftalmoloģijā, onkoloģijā, plastiskajā ķirurģijā un daudzās citās medicīnas un biomedicīnas pētniecības jomās.
Iespēja izmantot gaismu slimību ārstēšanā ir zināma jau tūkstošiem gadu. Senie grieķi un ēģiptieši terapijā izmantoja saules starojumu, un abas idejas pat bija saistītas mitoloģijā – grieķu dievs Apollons bija saules un dziedināšanas dievs.
Tikai pēc koherenta starojuma avota izgudrošanas pirms vairāk nekā 50 gadiem patiesi atklājās gaismas izmantošanas iespējas medicīnā.
Īpašo īpašību dēļ lāzeri ir daudz efektīvāki nekā saules vai citu avotu starojums. Katrs kvantu ģenerators darbojas ļoti šaurā viļņu garuma diapazonā un izstaro koherentu gaismu. Arī lāzeri medicīnā ļauj radīt lielas jaudas. Enerģijas staru var koncentrēt ļoti mazā punktā, kā rezultātā tiek sasniegts tā augstais blīvums. Šīs īpašības ir novedušas pie tā, ka mūsdienās lāzeri tiek izmantoti daudzās medicīniskās diagnostikas, terapijas un ķirurģijas jomās.
Ādas un acu kopšana
Lāzeru izmantošana medicīnā sākās ar oftalmoloģiju un dermatoloģiju. KvantsĢenerators tika atvērts 1960. gadā. Un gadu vēlāk Leons Goldmens demonstrēja, kā rubīnsarkano lāzeru var izmantot medicīnā, lai noņemtu kapilāru displāziju, dzimumzīmes veidu un melanomu.
Šī lietojumprogramma ir balstīta uz koherentu starojuma avotu spēju darboties noteiktā viļņa garumā. Koherentus starojuma avotus tagad plaši izmanto audzēju, tetovējumu, matu un dzimumzīmju noņemšanai.
Dermatoloģijā tiek izmantoti dažāda veida un viļņa garuma lāzeri, jo tiek izārstēti dažāda veida bojājumi un galvenā absorbējošā viela tajos. Viļņa garums ir atkarīgs arī no pacienta ādas tipa.
Mūsdienās nevar praktizēt dermatoloģiju vai oftalmoloģiju bez lāzera, jo tie ir kļuvuši par galvenajiem instrumentiem pacientu ārstēšanā. Kvantu ģeneratoru izmantošana redzes korekcijai un plašam oftalmoloģisko lietojumu klāstam pieauga pēc tam, kad Čārlzs Kempbels kļuva par pirmo ārstu, kurš 1961. gadā izmantoja sarkano lāzeru medicīnā, lai ārstētu pacientu ar tīklenes atslāņošanos.
Vēlāk šim nolūkam oftalmologi sāka izmantot koherenta starojuma argona avotus spektra zaļajā daļā. Šeit tika izmantotas pašas acs īpašības, īpaši tās lēcas, lai fokusētu staru tīklenes atslāņošanās zonā. Ierīces ļoti koncentrētā jauda viņu burtiski metina.
Pacienti ar dažiem makulas deģenerācijas veidiem var gūt labumu no lāzerķirurģijas – lāzera fotokoagulācijas un fotodinamiskās terapijas. Pirmajā procedūrā koherenta staru kūlisstarojumu izmanto, lai noslēgtu asinsvadus un palēninātu to patoloģisko augšanu zem makulas.
Līdzīgi pētījumi tika veikti 1940. gados ar saules gaismu, taču ārstiem bija nepieciešamas kvantu ģeneratoru unikālās īpašības, lai tos veiksmīgi pabeigtu. Nākamā argona lāzera izmantošana bija iekšējās asiņošanas apturēšana. Selektīva zaļās gaismas absorbcija ar hemoglobīnu, sarkano asins šūnu pigmentu, ir izmantota, lai bloķētu asiņojošus asinsvadus. Lai ārstētu vēzi, tie iznīcina asinsvadus, kas nonāk audzējā, un apgādā to ar barības vielām.
To nevar panākt, izmantojot saules gaismu. Medicīna ir ļoti konservatīva, kā jau tam vajadzētu būt, bet koherenta starojuma avoti ir guvuši atzinību dažādās jomās. Lāzeri medicīnā ir aizstājuši daudzus tradicionālos instrumentus.
Oftalmoloģija un dermatoloģija arī ir guvušas labumu no saskaņota UV starojuma eksimēru avotiem. Tie ir plaši izmantoti radzenes pārveidošanai (LASIK) redzes korekcijai. Lāzerus estētiskajā medicīnā izmanto, lai noņemtu plankumus un grumbiņas.
Izdevīga kosmētiskā ķirurģija
Šādu tehnoloģiju attīstību neizbēgami iecienījuši komerciālie investori, jo tiem ir milzīgs peļņas potenciāls. Analītiskais uzņēmums Medtech Insight 2011. gadā novērtēja lāzera skaistumkopšanas iekārtu tirgus lielumu vairāk nekā 1 miljardu ASV dolāru apmērā. Patiešām, neskatoties uz toglobālās lejupslīdes laikā samazinoties vispārējam pieprasījumam pēc medicīnas sistēmām, uz kvantu ģeneratoriem balstītām kosmētiskajām operācijām joprojām ir liels pieprasījums Amerikas Savienotajās Valstīs, kas ir dominējošais lāzersistēmu tirgus.
Vizualizācija un diagnostika
Lāzeriem medicīnā ir liela nozīme vēža, kā arī daudzu citu slimību agrīnā atklāšanā. Piemēram, Telavivā zinātnieku grupa sāka interesēties par IR spektroskopiju, izmantojot infrasarkanos koherenta starojuma avotus. Iemesls tam ir tas, ka vēzim un veseliem audiem var būt atšķirīga infrasarkanā caurlaidība. Viens no šīs metodes daudzsološajiem pielietojumiem ir melanomas noteikšana. Ādas vēža gadījumā agrīna diagnostika ir ļoti svarīga pacienta izdzīvošanai. Pašlaik melanomas noteikšana notiek ar aci, tāpēc atliek paļauties uz ārsta prasmēm.
Izraēlā katrs cilvēks reizi gadā var doties uz bezmaksas melanomas skrīningu. Pirms dažiem gadiem vienā no lielākajiem medicīnas centriem tika veikti pētījumi, kuru rezultātā kļuva iespējams skaidri novērot infrasarkanā diapazona atšķirību starp potenciālām, bet ne bīstamām pazīmēm un īstu melanomu.
Katzir, pirmās SPIE konferences par biomedicīnas optiku organizators 1984. gadā, un viņa grupa Telavivā arī izstrādāja optiskās šķiedras, kas ir caurspīdīgas pret infrasarkano viļņu garumiem, ļaujot metodi attiecināt uz iekšējo diagnostiku. Turklāt tā var būt ātra un nesāpīga alternatīva dzemdes kakla uztriepes ievadīšanaiginekoloģija.
Zilais pusvadītāju lāzers medicīnā ir atradis pielietojumu fluorescences diagnostikā.
Sistēmas, kuru pamatā ir kvantu ģeneratori, sāk arī aizstāt rentgenstarus, ko tradicionāli izmanto mamogrāfijā. Rentgena starojums ārstiem rada sarežģītu dilemmu: tiem ir nepieciešama augsta intensitāte, lai droši atklātu vēzi, bet starojuma palielināšanās pati par sevi palielina vēža risku. Kā alternatīva tiek pētīta iespēja izmantot ļoti ātrus lāzera impulsus, lai attēlotu krūtis un citas ķermeņa daļas, piemēram, smadzenes.
OCT acīm un vairāk
Lāzeri bioloģijā un medicīnā ir izmantoti optiskās koherences tomogrāfijā (OCT), kas izraisījis entuziasma vilni. Šī attēlveidošanas tehnika izmanto kvantu ģeneratora īpašības un var nodrošināt ļoti skaidrus (mikronu secībā), šķērsgriezuma un trīsdimensiju bioloģisko audu attēlus reāllaikā. AZT jau izmanto oftalmoloģijā, un tā var, piemēram, ļaut oftalmologam redzēt radzenes šķērsgriezumu, lai diagnosticētu tīklenes slimības un glaukomu. Mūsdienās šo paņēmienu sāk izmantot arī citās medicīnas jomās.
Viena no lielākajām jomām, kas rodas AZT, ir artēriju optiskās šķiedras attēlveidošana. Optiskās koherences tomogrāfiju var izmantot, lai novērtētu plīsušu nestabilu aplikumu.
Dzīvo organismu mikroskopija
Lāzeri zinātnē, tehnoloģijā, medicīnā arī spēlēgalvenā loma daudzu veidu mikroskopijā. Šajā jomā ir veikti daudzi uzlabojumi, kuru mērķis ir vizualizēt, kas notiek pacienta ķermenī, neizmantojot skalpeli.
Visgrūtākā daļa vēža izņemšanā ir nepieciešamība pastāvīgi izmantot mikroskopu, lai ķirurgs varētu pārliecināties, ka viss ir izdarīts pareizi. Iespēja veikt tiešraides un reāllaika mikroskopiju ir ievērojams progress.
Jauns lāzeru pielietojums inženierzinātnēs un medicīnā ir optiskās mikroskopijas skenēšana tuvā laukā, kas var radīt attēlus ar daudz lielāku izšķirtspēju nekā standarta mikroskopos. Šīs metodes pamatā ir optiskās šķiedras ar iegriezumiem galos, kuru izmēri ir mazāki par gaismas viļņa garumu. Tas nodrošināja subviļņu garuma attēlveidošanu un lika pamatu bioloģisko šūnu attēlveidošanai. Šīs tehnoloģijas izmantošana IR lāzeros ļaus labāk izprast Alcheimera slimību, vēzi un citas izmaiņas šūnās.
PDT un citas procedūras
Attīstība optisko šķiedru jomā palīdz paplašināt lāzeru izmantošanas iespējas citās jomās. Papildus tam, ka tie ļauj veikt diagnostiku ķermeņa iekšienē, koherenta starojuma enerģiju var pārnest tur, kur tas ir nepieciešams. To var izmantot ārstēšanā. Šķiedru lāzeri kļūst daudz progresīvāki. Tie radikāli mainīs nākotnes medicīnu.
Fotomedicīnas joma, izmantojot gaismjutīgu ķīmisku vieluvielas, kas mijiedarbojas ar ķermeni noteiktā veidā, var izmantot kvantu ģeneratorus gan pacientu diagnosticēšanai, gan ārstēšanai. Piemēram, fotodinamiskajā terapijā (PDT) lāzers un gaismjutīgas zāles var atjaunot redzi pacientiem ar "slapjo" ar vecumu saistītas makulas deģenerācijas formu, kas ir galvenais akluma cēlonis cilvēkiem, kas vecāki par 50 gadiem.
Onkoloģijā noteikti porfirīni uzkrājas vēža šūnās un fluorescē, kad tie tiek izgaismoti noteiktā viļņa garumā, norādot uz audzēja atrašanās vietu. Ja šie paši savienojumi pēc tam tiek apgaismoti ar atšķirīgu viļņa garumu, tie kļūst toksiski un iznīcina bojātās šūnas.
Sarkanās gāzes hēlija-neona lāzeru izmanto medicīnā osteoporozes, psoriāzes, trofisko čūlu utt. ārstēšanā, jo šo frekvenci labi absorbē hemoglobīns un fermenti. Radiācija palēnina iekaisumu, novērš hiperēmiju un pietūkumu, kā arī uzlabo asinsriti.
Personalizēta ārstēšana
Ģenētika un epiģenētika ir divas citas jomas, kurās var izmantot lāzerus.
Nākotnē viss notiks nanomērogā, kas ļaus mums veikt medicīnu šūnas mērogā. Lāzeri, kas var radīt femtosekundes impulsus un pielāgoties noteiktiem viļņu garumiem, ir ideāli partneri medicīnas speciālistiem.
Tas pavērs durvis uz personalizētu ārstēšanu, pamatojoties uz pacienta individuālo genomu.
Leons Goldmens – dibinātājslāzermedicīna
Runājot par kvantu ģeneratoru izmantošanu cilvēku ārstēšanā, nevar nepieminēt Leonu Goldmenu. Viņš ir pazīstams kā lāzermedicīnas "tēvs".
Jau gadu pēc koherenta starojuma avota izgudrošanas Goldmens kļuva par pirmo pētnieku, kurš to izmantoja ādas slimību ārstēšanai. Zinātnieka izmantotā tehnika pavēra ceļu turpmākai lāzerdermatoloģijas attīstībai.
Viņa pētījumi 20. gadsimta 60. gadu vidū noveda pie rubīna kvantu ģeneratora izmantošanas tīklenes ķirurģijā un atklāja tādus atklājumus kā koherenta starojuma spēja vienlaikus sagriezt ādu un noslēgt asinsvadus, ierobežojot asiņošanu.
Goldmens, Sinsinati universitātes dermatologs lielāko savas karjeras daļu, nodibināja Amerikas Lāzeru biedrību medicīnā un ķirurģijā un palīdzēja likt pamatus lāzera drošībai. Miris 1997. gadā
Miniaturizācija
Pirmie 2 mikronu kvantu ģeneratori bija divguļamās gultas izmēra un tika atdzesēti ar šķidro slāpekli. Mūsdienās ir parādījušies plaukstas izmēra diožu lāzeri un vēl mazāki šķiedru lāzeri. Šīs izmaiņas paver ceļu jaunām lietojumprogrammām un jauninājumiem. Nākotnes medicīnā būs mazi lāzeri smadzeņu ķirurģijai.
Tehnoloģiju progresa dēļ pastāvīgi tiek samazinātas izmaksas. Tāpat kā lāzeri ir kļuvuši par ierastu sadzīves tehnikas izmantošanu, tie ir sākuši ieņemt galveno lomu slimnīcu aprīkojumā.
Ja agrāk lāzeri medicīnā bija ļoti lieli unsarežģīts, mūsdienu ražošana no optiskās šķiedras ir ievērojami samazinājusi izmaksas, un pāreja uz nanomērogu samazinās izmaksas vēl vairāk.
Citi lietojumi
Urologi ar lāzeru var ārstēt urīnizvadkanāla striktūru, labdabīgas kārpas, urīnceļu akmeņus, urīnpūšļa kontraktūru un prostatas palielināšanos.
Lāzera izmantošana medicīnā ir ļāvusi neiroķirurgiem veikt precīzus iegriezumus un endoskopiskus smadzeņu un muguras smadzeņu izmeklējumus.
Veterinārārsti izmanto lāzerus endoskopiskām procedūrām, audzēja koagulāciju, griezumiem un fotodinamisko terapiju.
Zobārsti izmanto koherentu starojumu caurumu veidošanai, smaganu ķirurģijai, antibakteriālām procedūrām, zobu desensibilizācijai un mutes un sejas diagnostikai.
Lāzera pincetes
Biomedicīnas pētnieki visā pasaulē izmanto optiskās pincetes, šūnu šķirotājus un daudzus citus rīkus. Lāzera pincetes sola labāku un ātrāku vēža diagnostiku, un tās ir izmantotas vīrusu, baktēriju, mazu metāla daļiņu un DNS pavedienu uztveršanai.
Optiskajās pincetēs koherenta starojuma staru izmanto, lai noturētu un pagrieztu mikroskopiskus priekšmetus, līdzīgi kā metāla vai plastmasas pincetes var uztvert mazus un trauslus priekšmetus. Atsevišķas molekulas var manipulēt, pievienojot tās mikronu izmēra priekšmetstikliņiem vai polistirola lodītēm. Kad stars atsitās pret bumbu, tasizliekas un tai ir neliels trieciens, iespiežot bumbu taisni stara centrā.
Tas rada "optisko slazdu", kas spēj notvert nelielu daļiņu gaismas starā.
Lāzers medicīnā: plusi un mīnusi
Koherenta starojuma enerģija, kuras intensitāti var modulēt, tiek izmantota, lai sagrieztu, iznīcinātu vai mainītu bioloģisko audu šūnu vai ārpusšūnu struktūru. Turklāt lāzeru izmantošana medicīnā, īsi sakot, samazina infekcijas risku un stimulē dzīšanu. Kvantu ģeneratoru izmantošana ķirurģijā palielina sekcijas precizitāti, tomēr tie ir bīstami grūtniecēm un ir kontrindikācijas fotosensibilizējošu medikamentu lietošanai.
Audu sarežģītā struktūra neļauj viennozīmīgi interpretēt klasisko bioloģisko analīžu rezultātus. Lāzeri medicīnā (foto) ir efektīvs līdzeklis vēža šūnu iznīcināšanai. Tomēr spēcīgi koherenta starojuma avoti darbojas bez izšķirības un iznīcina ne tikai skartos, bet arī apkārtējos audus. Šis īpašums ir svarīgs instruments mikrodissekcijas tehnikā, ko izmanto, lai veiktu molekulāro analīzi interesējošā vietā ar spēju selektīvi iznīcināt liekās šūnas. Šīs tehnoloģijas mērķis ir pārvarēt visos bioloģiskajos audos esošo neviendabīgumu, lai atvieglotu to izpēti precīzi noteiktā populācijā. Šajā ziņā lāzera mikrodisekcija ir devusi būtisku ieguldījumu pētniecības attīstībā, izpratnēfizioloģiskie mehānismi, kurus mūsdienās var skaidri demonstrēt populācijas un pat vienas šūnas līmenī.
Audu inženierijas funkcionalitāte mūsdienās ir kļuvusi par galveno faktoru bioloģijas attīstībā. Kas notiek, ja dalīšanas laikā tiek sagrieztas aktīna šķiedras? Vai Drosophila embrijs būs stabils, ja šūna tiek iznīcināta locīšanas laikā? Kādi parametri ir saistīti ar auga meristēmu zonu? Visas šīs problēmas var atrisināt ar lāzeriem.
Nanomedicīna
Pēdējā laikā ir parādījušās daudzas nanostruktūras, kuru īpašības ir piemērotas dažādiem bioloģiskiem lietojumiem. Vissvarīgākie no tiem ir:
- kvantu punkti ir sīkas nanometra izmēra gaismu izstarojošas daļiņas, ko izmanto ļoti jutīgā šūnu attēlveidošanā;
- magnētiskās nanodaļiņas, kas atradušas pielietojumu medicīnas praksē;
- polimēra daļiņas iekapsulētām terapeitiskām molekulām;
- metāla nanodaļiņas.
Nanotehnoloģiju attīstība un lāzeru izmantošana medicīnā, īsi sakot, ir mainījusi zāļu ievadīšanas veidu. Narkotikas saturošu nanodaļiņu suspensijas var palielināt daudzu savienojumu terapeitisko indeksu (palielināt šķīdību un efektivitāti, samazināt toksicitāti), selektīvi ietekmējot skartos audus un šūnas. Tie nodrošina aktīvo vielu, kā arī regulē aktīvās sastāvdaļas izdalīšanos, reaģējot uz ārēju stimulāciju. Nanoteranostika ir tālākeksperimentāla pieeja, kas ļauj divējādi izmantot nanodaļiņas, zāļu savienojumus, terapijas un diagnostikas attēlveidošanas rīkus, paverot ceļu personalizētai ārstēšanai.
Lāzeru izmantošana medicīnā un bioloģijā mikrodissekcijai un fotoablācijai ļāva izprast slimību attīstības fizioloģiskos mehānismus dažādos līmeņos. Rezultāti palīdzēs noteikt katram pacientam labākās diagnostikas un ārstēšanas metodes. Tāpat neaizstājama būs nanotehnoloģiju attīstība ciešā saistībā ar attēlveidošanas sasniegumiem. Nanomedicīna ir daudzsološs jauns ārstēšanas veids noteiktiem vēža veidiem, infekcijas slimībām vai diagnostikai.
