Viimase poole sajandi jooksul on lasereid kasutatud oftalmoloogias, onkoloogias, plastilises kirurgias ja paljudes teistes meditsiini- ja biomeditsiiniuuringute valdkondades.
Valguse kasutamise võimalus haiguste raviks on olnud teada juba tuhandeid aastaid. Vanad kreeklased ja egiptlased kasutasid teraapias päikesekiirgust ning mütoloogias olid need kaks ideed isegi seotud – kreeka jumal Apollo oli päikese- ja ravijumal.
Alles pärast koherentse kiirgusallika leiutamist enam kui 50 aastat tagasi avastati tõeliselt valguse kasutamise potentsiaal meditsiinis.
Oma eriomaduste tõttu on laserid palju tõhusamad kui päikese või muude allikate kiirgus. Iga kvantgeneraator töötab väga kitsas lainepikkuste vahemikus ja kiirgab koherentset valgust. Samuti võimaldavad laserid meditsiinis luua suuri jõude. Energiakiir võib koonduda väga väikesesse punkti, tänu millele saavutatakse selle suur tihedus. Need omadused on viinud selleni, et tänapäeval kasutatakse lasereid paljudes meditsiinilise diagnostika, ravi ja kirurgia valdkondades.
Naha- ja silmahooldus
Laserite kasutamine meditsiinis sai alguse oftalmoloogiast ja dermatoloogiast. KvantGeneraator avati 1960. aastal. Ja aasta hiljem demonstreeris Leon Goldman, kuidas rubiinpunast laserit saab meditsiinis kasutada kapillaaride düsplaasia, teatud tüüpi sünnimärkide ja melanoomi eemaldamiseks.
See rakendus põhineb koherentsete kiirgusallikate võimel töötada teatud lainepikkusel. Koherentseid kiirgusallikaid kasutatakse nüüd laialdaselt kasvajate, tätoveeringute, juuste ja muttide eemaldamiseks.
Dermatoloogias kasutatakse erinevat tüüpi ja erineva lainepikkusega lasereid, mis on tingitud erinevat tüüpi ravitavatest kahjustustest ja nende sees olevast peamisest neelavast ainest. Lainepikkus oleneb ka patsiendi nahatüübist.
Tänapäeval ei saa tegelda dermatoloogia või oftalmoloogiaga ilma laserita, kuna neist on saanud patsientide ravi peamised vahendid. Kvantgeneraatorite kasutamine nägemise korrigeerimiseks ja mitmesuguste oftalmoloogiliste rakenduste kasutamine kasvas pärast seda, kui Charles Campbellist sai 1961. aastal esimene arst, kes kasutas meditsiinis võrkkesta eraldumisega patsiendi ravimiseks punast laserit.
Hiljem hakkasid silmaarstid sel eesmärgil kasutama argooni koherentse kiirguse allikaid spektri rohelises osas. Siin kasutati silma enda, eriti selle läätse omadusi, et fokusseerida võrkkesta eraldumise piirkonda. Seadme väga kontsentreeritud jõud sõna otseses mõttes keevitab teda.
Makula degeneratsiooni teatud vormidega patsiendid saavad kasu laserkirurgiast – laserfotokoagulatsioonist ja fotodünaamilisest ravist. Esimeses protseduuris koherentsete kiirtekiirgust kasutatakse veresoonte tihendamiseks ja nende patoloogilise kasvu aeglustamiseks makula all.
Sarnaseid uuringuid tehti 1940. aastatel päikesevalguse kohta, kuid arstid vajasid nende edukaks lõpuleviimiseks kvantgeneraatorite ainulaadseid omadusi. Järgmine argoonlaseri kasutusala oli sisemise verejooksu peatamine. Veritsevate veresoonte blokeerimiseks on kasutatud rohelise valguse selektiivset neeldumist hemoglobiini, punaste vereliblede pigmendi poolt. Vähi raviks hävitavad nad kasvajasse sisenevad veresooned ja varustavad seda toitainetega.
Seda ei saa päikesevalguse abil saavutada. Meditsiin on väga konservatiivne, nagu peabki, kuid koherentse kiirguse allikad on leidnud tunnustust erinevates valdkondades. Laserid meditsiinis on asendanud paljud traditsioonilised instrumendid.
Oftalmoloogia ja dermatoloogia on saanud kasu ka koherentse UV-kiirguse eksimeerallikatest. Neid on laialdaselt kasutatud sarvkesta ümberkujundamiseks (LASIK) nägemise korrigeerimiseks. Esteetilises meditsiinis kasutatakse lasereid plekkide ja kortsude eemaldamiseks.
Tasumlik ilukirurgia
Sellised tehnoloogilised arendused on kommertsinvestorite seas paratamatult populaarsed, kuna neil on tohutu kasumipotentsiaal. Analüütiline ettevõte Medtech Insight hindas 2011. aastal laseriluseadmete turu suuruseks enam kui 1 miljard USA dollarit. Tõepoolest, hoolimataÜldine nõudlus meditsiinisüsteemide järele globaalse majanduslanguse ajal väheneb, on kvantgeneraatoritel põhinevate kosmeetiliste operatsioonide järele jätkuv alt suur nõudlus Ameerika Ühendriikides, mis on lasersüsteemide domineeriv turg.
Visualiseerimine ja diagnostika
Laserid meditsiinis mängivad olulist rolli vähi, aga ka paljude teiste haiguste varajases avastamises. Näiteks Tel Avivis hakkas rühm teadlasi huvi tundma IR-spektroskoopia vastu, mis kasutab koherentse kiirguse infrapunaallikaid. Selle põhjuseks on asjaolu, et vähil ja tervetel kudedel võib infrapuna läbilaskvus olla erinev. Selle meetodi üks paljutõotav rakendus on melanoomide tuvastamine. Nahavähi puhul on patsiendi ellujäämise seisukoh alt väga oluline varajane diagnoosimine. Praegu tehakse melanoomi tuvastamine silma järgi, seega jääb üle loota arsti oskustele.
Iisraelis saab iga inimene kord aastas tasuta melanoomi sõeluuringul käia. Mõned aastad tagasi viidi ühes suuremas meditsiinikeskuses läbi uuringud, mille tulemusena sai võimalike, kuid mitte ohtlike tunnuste ja tõelise melanoomi infrapunavahemiku erinevust selgelt jälgida.
Katzir, 1984. aastal SPIE esimese biomeditsiinilise optika konverentsi korraldaja, ja tema rühm Tel Avivis töötasid välja ka infrapuna lainepikkustele läbipaistvad optilised kiud, mis võimaldab meetodit laiendada sisediagnostikale. Lisaks võib see olla kiire ja valutu alternatiiv emakakaela määrimiselegünekoloogia.
Sinine pooljuhtlaser meditsiinis on leidnud rakendust fluorestsentsdiagnostikas.
Kvantgeneraatoritel põhinevad süsteemid hakkavad asendama ka traditsiooniliselt mammograafias kasutatud röntgenikiirgust. Röntgenikiirgus seab arstidele keerulise dilemma: vähktõve usaldusväärseks tuvastamiseks on vaja suurt intensiivsust, kuid kiirguse suurenemine ise suurendab vähiriski. Alternatiivina uuritakse võimalust kasutada väga kiireid laserimpulsse rindkere ja muude kehaosade, näiteks aju pildistamiseks.
OKT silmadele ja palju muud
Lasereid bioloogias ja meditsiinis on kasutatud optilises koherentsustomograafias (OCT), mis on tekitanud entusiasmilaine. See pildistamistehnika kasutab kvantgeneraatori omadusi ja suudab reaalajas anda väga selgeid (suurusjärgus mikroni), ristlõike ja kolmemõõtmelisi pilte bioloogilisest koest. OCT-d kasutatakse juba oftalmoloogias ja see võib näiteks võimaldada silmaarstil näha sarvkesta ristlõiget, et diagnoosida võrkkesta haigusi ja glaukoomi. Tänapäeval hakatakse seda tehnikat kasutama ka teistes meditsiinivaldkondades.
Üks suurimaid ÜMT-st tulenevaid valdkondi on arterite fiiberoptiline kuvamine. Rebenenud ebastabiilse naastu hindamiseks saab kasutada optilist koherentstomograafiat.
Elusorganismide mikroskoopia
Laserid teaduses, tehnoloogias ja meditsiinis mängivad samutivõtmeroll paljudes mikroskoopiatüüpides. Selles valdkonnas on tehtud suur hulk arendusi, mille eesmärk on visualiseerida patsiendi kehas toimuvat ilma skalpelli kasutamata.
Kõige raskem osa vähi eemaldamisel on vajadus pidev alt kasutada mikroskoopi, et kirurg saaks veenduda, et kõik on õigesti tehtud. Võimalus teha reaalajas ja reaalajas mikroskoopiat on märkimisväärne edasiminek.
Laserite uus rakendus inseneriteaduses ja meditsiinis on optilise mikroskoopia lähiväljaskaneerimine, mis võimaldab toota pilte, mille eraldusvõime on palju suurem kui tavalistel mikroskoopidel. See meetod põhineb optilistel kiududel, mille otstes on sälgud, mille mõõtmed on väiksemad kui valguse lainepikkus. See võimaldas alalainepikkusega pildistamist ja pani aluse bioloogiliste rakkude pildistamiseks. Selle tehnoloogia kasutamine IR laserites võimaldab paremini mõista Alzheimeri tõbe, vähki ja muid muutusi rakkudes.
PDT ja muud ravid
Arengud optiliste kiudude vallas aitavad laiendada laserite kasutusvõimalusi muudes valdkondades. Lisaks sellele, et need võimaldavad kehasisest diagnostikat, saab koherentse kiirguse energiat kanda sinna, kuhu vaja. Seda saab kasutada ravis. Kiudlaserid muutuvad palju arenenumaks. Need muudavad radikaalselt tuleviku meditsiini.
Fotomeditsiini valdkond, milles kasutatakse valgustundlikku kemikaaliained, mis interakteeruvad kehaga teatud viisil, võivad kasutada kvantgeneraatoreid nii patsientide diagnoosimiseks kui ka raviks. Näiteks fotodünaamilises teraapias (PDT) võivad laser ja valgustundlik ravim taastada nägemise patsientidel, kellel on vanusega seotud kollatähni degeneratsiooni "märja" vorm, mis on üle 50-aastaste inimeste peamine pimeduse põhjus.
Onkoloogias kogunevad teatud porfüriinid vähirakkudesse ja fluorestseeruvad, kui neid valgustatakse teatud lainepikkusel, näidates kasvaja asukohta. Kui neid samu ühendeid valgustada erineva lainepikkusega, muutuvad need mürgiseks ja tapavad kahjustatud rakud.
Punase gaasi heelium-neoonlaserit kasutatakse meditsiinis osteoporoosi, psoriaasi, troofiliste haavandite jne ravis, kuna see sagedus imendub hästi hemoglobiini ja ensüümide poolt. Kiirgus aeglustab põletikku, hoiab ära hüperemia ja turse ning parandab vereringet.
Isikupärastatud ravi
Geneetika ja epigeneetika on veel kaks valdkonda, kus lasereid saab kasutada.
Tulevikus toimub kõik nanomõõtmetes, mis võimaldab meil teha meditsiini raku mastaabis. Laserid, mis suudavad genereerida femtosekundilisi impulsse ja häälestuda kindlatele lainepikkustele, on ideaalsed partnerid meditsiinitöötajatele.
See avab ukse individuaalsele ravile, mis põhineb patsiendi individuaalsel genoomil.
Leon Goldman – asutajalasermeditsiin
Kvantgeneraatorite kasutamisest inimeste ravimisel rääkides ei saa mainimata jätta Leon Goldmani. Teda tuntakse lasermeditsiini "isana".
Juba aasta pärast koherentse kiirgusallika leiutamist sai Goldmanist esimene teadlane, kes kasutas seda nahahaiguste raviks. Teadlase kasutatud tehnika sillutas teed laserdermatoloogia edasisele arengule.
Tema uuringud 1960. aastate keskel viisid rubiinkvantgeneraatori kasutamiseni võrkkesta kirurgias ja avastusteni, nagu koherentse kiirguse võime samaaegselt nahka lõigata ja veresooni tihendada, piirates verejooksu.
Goldman, kes oli suurema osa oma karjäärist Cincinnati ülikooli dermatoloog, asutas Ameerika meditsiini ja kirurgia laserite ühingu ning aitas panna aluse laserohutusele. Suri 1997
Miniaturiseerimine
Esimesed 2-mikronilised kvantgeneraatorid olid kaheinimesevoodi suurused ja neid jahutati vedela lämmastikuga. Tänaseks on ilmunud peopesa suurused dioodlaserid ja veelgi väiksemad fiiberopsa laserid. Need muudatused sillutavad teed uutele rakendustele ja arendustele. Tuleviku meditsiinil on ajuoperatsioonide jaoks väikesed laserid.
Tehnoloogilise arengu tõttu vähenevad pidev alt kulud. Nii nagu laserid on muutunud kodumasinate puhul tavaliseks, on need hakanud mängima võtmerolli ka haiglaseadmetes.
Kui varasemad laserid meditsiinis olid väga suured jaTänapäevane valguskiust tootmine on kulusid oluliselt vähendanud ja nanomõõtmetele üleminek vähendab kulusid veelgi.
Muud kasutusalad
Uroloogid saavad laseriga ravida ureetra ahenemist, healoomulisi tüükaid, kuseteede kive, põie kontraktuuri ja eesnäärme suurenemist.
Laseri kasutamine meditsiinis on võimaldanud neurokirurgidel teha aju ja seljaaju täpseid sisselõikeid ja endoskoopilisi uuringuid.
Veterinaararstid kasutavad lasereid endoskoopiliste protseduuride, kasvaja koagulatsiooni, sisselõigete ja fotodünaamilise ravi jaoks.
Hambaarstid kasutavad koherentset kiirgust aukude tegemiseks, igemeoperatsioonideks, antibakteriaalseteks protseduurideks, hammaste desensibiliseerimiseks ja suu-näo diagnostikaks.
Laserpintsetid
Biomeditsiini teadlased üle maailma kasutavad optilisi pintsette, rakusorteerijaid ja paljusid muid tööriistu. Laserpintsetid lubavad paremat ja kiiremat vähidiagnoosi ning neid on kasutatud viiruste, bakterite, väikeste metalliosakeste ja DNA ahelate püüdmiseks.
Optiliste pintsettide puhul kasutatakse koherentset kiirgust mikroskoopiliste esemete hoidmiseks ja pööramiseks, sarnaselt sellele, kuidas metallist või plastist pintsetid saavad kinni püüda väikseid ja hapraid esemeid. Üksikuid molekule saab manipuleerida, kinnitades need mikronisuuruste slaidide või polüstüreenhelmeste külge. Kui kiir tabab palli, siis seekõverdub ja sellel on kerge löök, surudes palli otse tala keskele.
See loob "optilise lõksu", mis suudab väikese osakese valgusvihku kinni püüda.
Laser meditsiinis: plussid ja miinused
Koherentse kiirguse energiat, mille intensiivsust saab moduleerida, kasutatakse bioloogiliste kudede rakulise või rakuvälise struktuuri lõikamiseks, hävitamiseks või muutmiseks. Lisaks vähendab laserite kasutamine meditsiinis kokkuvõttes nakkusohtu ja stimuleerib paranemist. Kvantgeneraatorite kasutamine kirurgias suurendab dissektsiooni täpsust, kuid need on ohtlikud rasedatele naistele ja fotosensibiliseerivate ravimite kasutamisel on vastunäidustusi.
Kudede keeruline struktuur ei võimalda üheselt tõlgendada klassikaliste bioloogiliste analüüside tulemusi. Laserid meditsiinis (fotol) on tõhus vahend vähirakkude hävitamiseks. Võimsad koherentse kiirguse allikad toimivad aga valimatult ja hävitavad mitte ainult kahjustatud, vaid ka ümbritsevaid kudesid. See omadus on oluline tööriist mikrodissekteerimistehnikas, mida kasutatakse huvipakkuvas kohas molekulaaranalüüsi läbiviimiseks, võimega selektiivselt hävitada liigseid rakke. Selle tehnoloogia eesmärk on ületada kõigis bioloogilistes kudedes esinev heterogeensus, et hõlbustada nende uurimist täpselt määratletud populatsioonis. Selles mõttes on lasermikrodissektsioon andnud olulise panuse teadustöö arengusse, mõistmissefüsioloogilised mehhanismid, mida tänapäeval saab selgelt demonstreerida populatsiooni ja isegi üksiku raku tasandil.
Koetehnoloogia funktsionaalsus on tänapäeval muutunud bioloogia arengu peamiseks teguriks. Mis juhtub, kui aktiinikiud lõigatakse jagunemise ajal? Kas Drosophila embrüo on stabiilne, kui rakk hävib voltimise ajal? Millised parameetrid on seotud taime meristeemtsooniga? Kõiki neid probleeme saab laseritega lahendada.
Nanomeditsiin
Viimasel ajal on esile kerkinud palju nanostruktuure, mille omadused sobivad paljudeks bioloogilisteks rakendusteks. Neist olulisemad on:
- kvantpunktid on pisikesed nanomeetri suurused valgust kiirgavad osakesed, mida kasutatakse ülitundlikul rakukujutisel;
- magnetilised nanoosakesed, mis on leidnud rakendust meditsiinipraktikas;
- polümeeriosakesed kapseldatud ravimolekulide jaoks;
- metalli nanoosakesed.
Nanotehnoloogia areng ja laserite kasutamine meditsiinis on lühid alt muutnud ravimite manustamisviisi. Ravimeid sisaldavad nanoosakeste suspensioonid võivad suurendada paljude ühendite terapeutilist indeksit (suurendada lahustuvust ja efektiivsust, vähendada toksilisust), mõjutades selektiivselt mõjutatud kudesid ja rakke. Need annavad toimeainet kohale ja reguleerivad ka toimeaine vabanemist vastusena välisele stimulatsioonile. Nanoteranostika on kaugemaleksperimentaalne lähenemine, mis võimaldab kahekordselt kasutada nanoosakesi, ravimühendeid, teraapia- ja diagnostilisi kuvamisvahendeid, avades tee isikupärastatud ravile.
Laserite kasutamine meditsiinis ja bioloogias mikrodissektsiooniks ja fotoablatsiooniks võimaldas mõista haiguste arengu füsioloogilisi mehhanisme erinevatel tasanditel. Tulemused aitavad määrata iga patsiendi jaoks parimad diagnoosi- ja ravimeetodid. Asendamatu on ka nanotehnoloogia arendamine, mis on tihed alt seotud pildistamise edusammudega. Nanomeditsiin on paljutõotav uus raviviis teatud vähivormide, nakkushaiguste või diagnostika jaoks.
