Czym jest laser?

Wzmocnienie światła poprzez stymulowaną emisję promieniowania to rozwinięcie akronimu LASER (ang. light amplification by stimulated emission of radiation). W odróżnieniu od zwykłego światła (emitowanego np. przez zwyczajną żarówkę), które złożone jest z promieni o różnych długościach fali, padających w różnych kierunkach, światło laserowe ma dokładnie sprecyzowaną długość fali i skupia się z dużą intensywnością na wąskim obszarze (siła promienia laserowego jest tak duża, że może on być używany do cięcia diamentów). Zdolność skupienia wiązki z dużą dokładnością na obszarach o niewielkich rozmiarach w połączeniu ze szczególnym typem promieniowania świetlnego umożliwia zastosowanie lasera w zabiegach chirurgicznych, zamiast skalpela. Zasada działania lasera opiera się na wymuszonej emisji promieniowania elektromagnetycznego zachodzącej w układach atomów, jonów lub cząsteczek doprowadzonych przez tzw. pompowanie optyczne (wzbudzanie) do stanu inwersji obsadzeń odpowiednich poziomów energetycznych. By w skrócie prześledzić drogę do powstania lasera, należy cofnąć się do 1917 r., gdy Albert Einstein wysunął hipotezę, iż emisja promieniowania świetlnego o dużej energii, z atomu, może być wywołana promieniem świetlnym o podobnej częstotliwości. Na stworzenie urządzenia działającego na bazie teorii potrzeba było kilku dziesięcioleci, bowiem dopiero w 1960 r. Theodore Harold Maiman wykonał pierwszy eksperyment z laserem rubinowym. Przyrząd przez niego skonstruowany był ulepszoną wersją MASERA (ang. microwave amplification by stimulated emission of radiation), który został zbudowany/uruchomiony w latach 50. XX w. przez Charlesa Townesa z Columbia University wraz z zespołem w celu lepszego przenoszenia mikrofal używanych w technologii radarowej.

Podstawowym komponentem urządzeń emitujących światło laserowe jest tzw. ośrodek czynny. To substancja, w której powstaje zjawisko wzmocnienia światła, czyli promień lasera. Istnieją lasery na dwutlenku węgla, neodymie, itrze, glinie czy argonie, kryształach rubinu bądź lasery helowo-neonowe. Sztabka z ośrodkiem czynnym może być ciałem stałym, gazem lub płynem z ekstremalnie jasnej lampy (ksenonowej, wolframowo-kryptonowej lub opartej na parach rtęci pod wysokim ciśnieniem), którą, w przypadku lasera rubinowego, owija się spiralnie wokół ośrodka czynnego. Intensywne promieniowanie świetlne emitowane przez lampę wzbudza atomy ośrodka czynnego. „Przygotowane” w ten sposób zostają uderzone przez promienie o częstotliwości bezpośrednio odpowiadającej ich stanowi wzbudzenia. Powstają wówczas warunki rezonansu optycznego, w których fotony nie tylko nie zostają zaabsorbowane, lecz są w stanie też wygenerować nowe. Wytworzone światło lasera nie jest wypromieniowywane we wszystkich kierunkach, lecz cechuje je wysoki stopień kierunkowości. Promieniowanie lasera składa się z fal o tej samej częstotliwości i fazie, które sumują się, tworząc strumień światła o dużym natężeniu i mocy. Poza klasyfikacją ze względu na ośrodek czynny lasery można podzielić także na podstawie typu emisji (ciągłej lub impulsowej) oraz mocy emitowanych promieni.

Laser w medycynie

W medycynie wykorzystuje się różne działania lasera na tkanki: termiczne, elektromechaniczne, fotochemiczne i ablacyjne. W przypadku efektu termicznego większa część energii lasera jest pochłaniana przez tkanki i zamieniana w ciepło. W ten sposób zachodzi koagulacja białek tkankowych, prowadząca do bliznowacenia naczyń krwionośnych i odparowania wody znajdującej się wewnątrz i na zewnątrz komórek. Woda, która w dużych ilościach jest obojętna, odgrywa bardzo ważną rolę w interakcjach termicznych. Badając oddziaływanie efektu termicznego lasera na tkanki ludzkie, należy brać pod uwagę osiągane temperatury i uszkodzenia wywołane w materiale. Na podstawie temperatury można systematycznie określić typ uszkodzenia. Aby wykorzystać efekt termiczny, używa się laserów CO2 lub innych. Pierwszy daje wyraźny efekt skalpela i jest używany do nacinania tkanek z dużą precyzją i minimalnymi uszkodzeniami. Efekt termiczny, poza umożliwieniem zastąpienia skalpela przez laser, działa także hemostatycznie, gdyż ułatwia zatrzymanie krwawienia w przypadku małych naczyń krwionośnych. Drugi rodzaj lasera umożliwia głębszą penetrację i z tego względu jest wykorzystywany do niszczenia nowotworów. Z kolei promieniowanie lasera wykorzystującego argon jest silnie absorbowane przez hemoglobinę, czym można posiłkować się przy podskórnej koagulacji.

Efekt elektromechaniczny, w telegraficznym skrócie, polega na pewnej zależności – ciśnienie wywołane przez falę uderzeniową generuje napięcia mechaniczne i następujące po nich przerwanie ciągłości tkanek. To zjawisko wykorzystuje się w okulistyce, np. w przypadku tkanek wewnątrz gałki ocznej, bez konieczności jej nacinania. Ostatnio tę technikę stosuje się również przy niwelowaniu patologii związanych z formowaniem się kamieni nerkowych i chorobach układu krążenia. W tych przypadkach fala uderzeniowa prowadzi do szybkiego wyparowania wody zawartej w kamieniach i skrzepach i do następującego po niej miejscowego rozpadu tych struktur. Różnica pomiędzy efektem fotochemicznym a efektami termicznym i elektromechanicznym polega na zasadzie oddziaływania. Oddziaływanie fotochemiczne zachodzi za pośrednictwem obecności w organizmie ludzkim tkanek wrażliwych na światło. Dzięki tym tkankom (zawierającym specyficzne substancje, takie jak chromofory i pigmenty) oraz substancjom światłoczułym, celowo wprowadzanym do ciała, osiąga się wysoką selektywność, która nie jest możliwa przy wykorzystaniu innego rodzaju interakcji. Wyróżnia się dwa typy interakcji fotochemicznych, oba często wykorzystywane w medycynie – fotouczulanie i fotoablację. Główną niedogodnością jest to, że pacjent przyjmujący substancje fotouczulające musi spędzić pewien okres bez dostępu do światła, by uniknąć tworzenia się wolnych rodników w organizmie. Aby rozwiązać ten problem, opracowuje się nowe substancje fotouczulające, które będą szybciej usuwane z organizmu. Typowym zastosowaniem fotoablacji jest leczenie niektórych zaburzeń widzenia, takich jak: krótkowzroczność, hipermetropia czy astygmatyzm.

Zaletą użycia lasera przy zabiegach jest większa precyzja niż w przypadku tradycyjnego skalpela. Szczególnie ważne jest to, że laser w mniejszym stopniu uszkadza zdrowe tkanki. Dzięki temu zabieg laserowy zmniejsza ból pooperacyjny, krwawienie i obrzęk, a poprawia bliznowacenie. Pacjenci szybciej wracają do zdrowia, a infekcje są mniej prawdopodobne. Terapia z użyciem lasera ma też jednak kilka ograniczeń, np. chirurdzy muszą przejść specjalne szkolenie z zakresu obsługi takiego urządzenia. Niezbędne jest także stosowanie surowych środków bezpieczeństwa. Leczenie laserowe jest przy tym dość kosztowne i wymaga odpowiedniego wyposażenia. Istnieje również prawdopodobieństwo, że efekty takiego leczenia nie będą trwałe, a zabiegi trzeba będzie powtarzać. Bezwzględne przeciwwskazania do używania lasera to: wszczepiony defibrylator lub stymulator serca, metalowe implanty, cukrzyca, przewlekłe choroby skóry, np. zaburzenia krzepnięcia krwi, stosowanie leków zmniejszających krzepliwość krwi, nadwrażliwość na światło i tendencje do powstawania przebarwień lub bliznowców.

Zastosowania lasera w różnych dziedzinach medycyny

Dermatologia

W dermatologii laser stosuje się na różne sposoby. W owej gałęzi medycyny wspomnianych urządzeń używa się np. do leczenia trądziku. Niektóre metody wykorzystują termiczne działanie lasera na gruczoły łojowe odpowiadające za powstawanie trądziku, z kolei inne emitują promieniowanie o długości fali selektywnie działającej na bakterie odpowiedzialne za rozwój tego schorzenia skórnego. W pewnych przypadkach terapia jest łączona ze środkami aplikowanymi zewnętrznie. Laser wykorzystuje się także do leczenia trądziku różowatego, a w medycynie estetycznej, przy fotoodmładzaniu, usuwaniu nadmiernego owłosienia czy naczyniaków bądź niwelowaniu problemów z pigmentacją. Gama użytkowania lasera w dermatologii jest ogólnie bardzo szeroka, gdyż w jej poczet można zaliczyć pomoc przy: ropnych chorobach skóry, łuszczycy, bielactwie, teleangiektazjach, piegach, plamach starczych, bliznowcach, gruczolakach potowych, zwyrodnieniach tkanki sprężystej, żołtakach, atopowych zapaleniu i rogowaceniu skóry, twardziny skóry, stymulacji porostu włosów, usuwaniu tatuaży i redukcji cellulitu.

Chirurgia

Przestrzenią medyczną, w której lasery mają ogromne znaczenie, jest też chirurgia ogólna. Przyjmuje się, że na tym polu swój debiut miały w 1967 r. za sprawą Alfreda Ketchama. W chirurgii ogólnej wykorzystuje się je w leczeniu przypadłości pęcherzyka żółciowego czy przepukliny pachwinowej bądź resekcji jelitowej. Przykładowym zastosowaniem lasera w chirurgii może być udrażnianie przy jego pomocy przełyku w chorobach nowotworowych, hamowanie krwawienia z górnego odcinka przewodu pokarmowego czy leczenie łagodnych nowotworów jelita grubego. W neurochirurgii są wykorzystywane do usuwania oponiaków, glejaków i nerwiaków, natomiast w chirurgii naczyniowej za pomocą laserów wykonywana jest przezskórna angioplastyka. Prawidłowe użycie tych narzędzi pozwala na zredukowanie utraty krwi, a także możliwości wystąpienia ewentualnych powikłań pooperacyjnych. Każda długość fali lasera działa na tkankę w charakterystyczny sposób i to właśnie rodzaj interakcji z materiałem oraz wybór odpowiedniego urządzenia determinują efekt chirurgicznego użycia lasera. Zdolność osiągnięcia pożądanych rezultatów rzecz jasna zależy od umiejętności manualnych operatora, ale także jego wiedzy na temat zależności między intensywnością energii a oddziaływaniem lasera na daną tkankę. Przyjmuje się, że chirurg powinien wykorzystywać największą energię możliwą do kontrolowania z zachowaniem zasad bezpieczeństwa, jednocześnie obniżając czas ekspozycji i potencjalne ryzyko wystąpienia w tkance efektu bądź efektów niepożądanych.

Okulistyka

Laser szerokie zastosowanie znajduje także w okulistyce, a w szczególności w refrakcyjnej chirurgii oka. Technika PRK, czyli keratektomia fotorefrakcyjna, polega na usunięciu tkanki rogówki poprzez fotoablację laserem ekscymerowym. W ten sposób można przemodelować/skorygować wady narządu. Określone działania są determinowane w zależności od rodzaju przypadłości. I tak, gdy sprawa dotyczy krótkowzroczności, w celu uzyskania pożądanego efektu należy brać pod uwagę przemodelowanie centralnej części rogówki. Przy hipermetropii oddziałuje się na jej część peryferyczną, a w leczeniu astygmatyzmu rogówka jest przemodelowywana tak, by stała się kulista. Technika LASIK polega na nacięciu wąskiego płatka na powierzchni rogówki (który zostaje odgięty) i fotoablacji tkanki położonej głębiej. Pozwala to wykonywać większe korekcje dioptryczne niż w przypadku techniki PRK. Pod koniec zabiegu płatek z powrotem zostaje umieszczony na środku rogówki. Efekt termiczny też znajduje zastosowanie w okulistyce, szczególnie w przypadku schorzeń siatkówki, np. retinopatii u pacjentów chorujących na cukrzycę. Inny stopień pochłaniania promieniowania przez siatkówkę i rogówkę pozwala wykonywać operacje mikrochirurgiczne bez potrzeby nacinania gałki ocznej. Oddziaływanie termiczne umożliwia tworzenie się mikroskrzepów w siatkówce i tkance nabłonkowej, które są korzystne w leczeniu pacjentów cierpiących na odklejenie siatkówki.

Stomatologia

Światło lasera ma działanie antyseptyczne, co wykorzystuje się do fotoaktywnej dezynfekcji tkanek. Procedura ta skutecznie niszczy bakterie, wirusy i grzyby, dzięki czemu stanowi alternatywę dla antybiotykoterapii podczas leczenia chorób przyzębia czy zmian w tkankach okołowierzchołkowych. W stomatologii zabiegi chirurgiczne z wykorzystaniem lasera są bezkrwawe i precyzyjniejsze, a rany goją się szybciej i przeważnie bez powikłań. Laseroterapię stosuje się m.in. w leczeniu zapaleń miazgi, jak również przewlekłych zapaleń, nadwrażliwości szyjek zębów, zapaleń przyzębia, ropniów trzyzębnych, aft, opryszczki wargowej, urazów błony śluzowej, zapalenia kątów ust, chirurgii stomatologicznej w celu przyspieszenia gojenia się ran poekstrakcyjnych, leczeniu zapalenia zębodołów, utrudnionego wyżynania trzecich zębów trzonowych i chorób stawu skroniowo-żuchwowego.

Onkologia

Efekt termiczny lasera leży u podstaw wielu technik terapeutycznych stosowanych w leczeniu nowotworów. Jedną z nich jest selektywne wywołanie martwicy tkanek. Dzięki laserowi można doprowadzić promieniowanie bezpośrednio do masy guza, wykorzystując światłowody i techniki endoskopowe. Przy stosunkowo niskiej mocy (ok. 1 W) podgrzewa się tkankę nowotworową (do 45^oC), która jest bardziej wrażliwa na podwyższone temperatury niż zdrowa tkanka, co wywołuje jej martwicę. Tę technikę stosuje się też w chirurgii nowotworowej w nagłych przypadkach, np. gdy masa guza blokuje duże naczynia krwionośne lub drogi oddechowe. Wówczas chore tkanki zostają bezpośrednio odparowane, aby pacjent mógł przeżyć. W onkologii laser jest używany do niszczenia guzów lub ich zmniejszania. Częściej stosuje się go do leczenia nowotworów występujących na powierzchni ciała, takich jak rak podstawnokomórkowy i niektóre guzy układu moczowo-płciowego w początkowych fazach ich rozwoju, a także niedrobnokomórkowe nowotwory płuca. Laser bywa też wykorzystywany do łagodzenia niektórych objawów wywoływanych przez guzy, m.in. krwawień czy blokowania drożności przyległych struktur uciskanych przez guza. Dzięki tej metodzie zmniejsza się lub całkowicie niszczy guz uciskający tchawicę lub przełyk. W onkologii terapia laserowa bywa stosowana jako monoterapia, ale praktycznie równie często stanowi dopełnienie innych typów leczenia, takich jak: chirurgia bądź chemio- albo radioterapia. Promieniowanie lasera umożliwia blokowanie zakończeń nerwowych w celu zmniejszenia bólu pooperacyjnego i naczyń limfatycznych, by zredukować obrzęk i ograniczyć rozprzestrzenianie się komórek nowotworowych.

Światło lasera jest z reguły doprowadzane przez endoskop, wprowadzany przez otwór w ciele. Gdy znajduje się on już w określonym miejscu, następuje emisja światła skierowana na guza. Do leczenia niektórych nowotworów wykorzystuje się szczególną metodę zwaną laserową termoterapią śródmiąższową lub laserową fotokoagulacją śródmiąższową. Przy tej technice światłowody umieszczane są wewnątrz masy guza, a światło laserowe, emitowane na ich końcach, wywołuje wzrost temperatury komórek nowotworowych, prowadząc ostatecznie do ich uszkodzenia. Innym rodzajem terapii jest terapia fotodynamiczna, potocznie znana jako PDT. W jej przypadku wykorzystuje się lek zwany fotouczulaczem oraz określony rodzaj światła. W pierwszej fazie PDT środek fotouczulający jest wstrzykiwany do krwiobiegu pacjenta, a zasada działania  opiera się na prostej zależności – środek zostaje wchłonięty przez komórki ciała, jednakże w komórkach rakowych utrzymuje się dłużej niż w zdrowych. Po mniej więcej 24-72 godzinach od zastrzyku, gdy większość zdrowych komórek już wydaliła substancję, która pozostaje jeszcze w komórkach nowotworowych, guz wystawia się na niszczące dla niego działanie światła. W przypadku PDT w grę wchodzą jeszcze inne mechanizmy. Substancja fotouczulająca może uszkadzać naczynia krwionośne wewnątrz guza. To prowadzi do przerwania łańcucha w dostarczaniu komórkom nowotworowym substancji odżywczych. Ponadto PDT może pobudzić system odpornościowy do ataku na komórki nowotworowe.

Biostymulacja

Lasery biostymulacyjne to urządzenia, których promieniowanie wykazuje właściwości lecznicze –  przyspiesza regenerację tkanek i usprawnia przemianę materii. Światło emitowane przez laser prawdopodobnie pobudza do działania organelle komórkowe (mitochondria wytwarzające substancje energetyczne, rybosomy, w których przebiega synteza białka) oraz powoduje przyspieszenie mitozy, czyli początku procesu podziału komórek. Biostymulacja laserowa często jest stosowana w terapii bólu oraz jako katalizator w procesach przyspieszania gojenia się ran, urazów ciała, a także różnych innych uszkodzeń i zmian skórnych.