МЕДИЦИНСКИЕ И ЭСТЕТИЧЕСКИЕ ЛАЗЕРЫ: достижения в области полупроводниковых диодных лазеров позволяют применять их в медицине.

Достижения в области полупроводниковых лазерных источников облегчают миграцию медицинских и эстетических лазеров на потребительские рынки. Полупроводниковые диодные лазеры обладают преимуществами по сравнению с другими источниками света для применения в дерматологии, стоматологии и т. Д., И постоянные улучшения обещают сделать их все более привлекательными.

Хотя медицинские и эстетические лазеры были в значительной степени ограничены профессиональными рынками, технологические достижения в области полупроводниковых диодных источников облегчают их миграцию на потребительские рынки. Управление по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) одобрило первый в мире диодный лазерный продукт с высокой мощностью для удаления волос в 1997 году для профессионального рынка. Девять лет спустя компания, получившая одобрение, Palomar Medical Technologies ( приобретенная в 2013 году компанией Cynosure [Westford, MA]), получила разрешение FDA на безрецептурный (OTC) продукт для домашнего использования. В 2009 году компания первой получила разрешение FDA на безрецептурное устройство для удаления морщин на основе полупроводникового лазера, который был выпущен на потребительский рынок в 2010 году. Достижения в области технологии диодных лазеров сделали возможным оба этих случая. Данные лазеры можно использовать также для удаления татуировок и лазерной эпиляции.

Селективный фототермолиз и общие хромофоры

Что делает источник света хорошим выбором для данного применения, так это способность излучаемого света взаимодействовать с тканью для достижения желаемого эффекта. Это известно как селективный фототермолиз . Селективность достигается путем сопоставления определенной длины волны света с хромофором, то есть светопоглощающей частью молекулы, в ткани. В процессе поглощения электрон поднимается до своего возбужденного состояния из основного состояния. В биологических молекулах, которые служат для захвата световой энергии, хромофор — это фрагмент, который вызывает конформационное изменение молекулы при попадании света. Энергия, направленная в область цели, производит достаточно тепла, чтобы повредить или изменить цель, в то же время позволяя окружающей области оставаться относительно нетронутой.

При использовании селективного фототермолиза можно настроить три световые «ручки»: длину волны, длительность импульса и уровень энергии. Как уже было описано, выбранная длина волны способствует избирательному поглощению света мишенью против окружающей ткани. Длительность импульса должна быть значительно меньше времени тепловой релаксации цели, чтобы избежать взаимодействия с областью за пределами цели. И выбранная световая энергия должна быть выше порога повреждения цели. Правильный выбор этих критических параметров обеспечивает желаемые результаты.

Распространенные хромофоры тканей, предназначенные для применения в дерматологии, включают воду (которая составляет 70 процентов ткани), гемоглобин (кровь), меланин (в эпидермисе, пигментированные поражения и волосы), липиды (подкожный жир и сальные железы) и белок (особенно , коллаген). Каждый из них имеет специфические спектры поглощения, которые соответствуют полупроводниковому лазерному материалу, способному создавать соответствующую длину волны. И некоторые твердотельные лазеры коррелируют с материалами и длинами волн. Поскольку глубина проникновения сильно зависит от длины волны света, это необходимо учитывать при определении энергии, необходимой для конкретного применения.

Для эффективного лечения и предотвращения взаимодействия с окружающей областью ширина импульса должна быть достаточно короче, чем время тепловой релаксации (TRT) целевого хромофора. Хотя ничто не заменит испытания и эксперименты на котором приведены рекомендации по определению приблизительной длительности импульса. Единственным ограничивающим фактором для использования полупроводниковых лазеров является высокая пиковая мощность. Усовершенствования в этой области делают их использование весьма убедительным, поскольку полупроводниковые лазеры также обеспечивают производительность по другим параметрам.

Эффективность источника света

Полупроводниковые лазерные источники света имеют много преимуществ по сравнению с другими источниками света для различных медицинских применений. Упор делается на эффективность преобразования, температурную чувствительность и стоимость, а не качество и яркость луча, которые, как правило, являются движущими факторами для применений вне биомедицины.

Лампы генерируют полихроматический расходящийся свет, тогда как лазеры генерируют монохроматические световые лучи. Использование импульсных ламп для наведения хромофоров требует использования оптических фильтров для сужения спектральной ширины и снижения эффективности преобразования до 10–20 процентов. Кроме того, лазер с накачкой импульсной лампой имеет эффективность преобразования около 1–10 процентов. С другой стороны, лазеры на полупроводниковой основе обеспечивают эффективность электрооптического преобразования на уровне 40–65 процентов для длин волн от 780 до 2000 нм. Последние достижения позволили повысить эффективность до 72 процентов в диапазоне 780–1100 нм, и теоретически возможно 80 процентов.

Использование более эффективного источника света имеет два основных преимущества: источник питания, необходимый для генерации оптической энергии, значительно меньше, а требуемая система охлаждения меньше, поскольку меньше отработанного тепла. Оба фактора обеспечивают более компактный и экономичный дизайн. В качестве примера, при сравнении системы с КПД преобразования 25% и 65% и производительностью той же оптической мощности, для системы с более низкой эффективностью потребовалось бы примерно в 2 раза больше электроэнергии и выделялось бы в 6 раз больше отработанного тепла.

Полупроводниковые лазеры могут создавать различные монохроматические длины волн и генерировать значительную оптическую силу при небольшом компактном размере. Напротив, такие источники, как лампы, имеют тенденцию быть не только неэффективными, но и неуклюжими — и не могут сосредоточиться на размерах пятна менее 5 мм, что практически исключает их использование для резки ткани и доставки волокна. Кроме того, лампы не могут генерировать импульсы короче 1 мкс, что делает их непригодными для таких применений, как удаление татуировок.

В то время как полупроводниковые лазеры на основе арсенида галлия (GaAs) и фосфида индия (InP) излучают достаточно хорошо, промежутки между их длинами волн традиционно существуют. Однако в последние годы стало доступно больше длин волн, и, например, было продемонстрировано 1200 нм (в зазоре между GaAs и InP). Аналогично, было показано, что система, использующая антимонид галлия (GaSb) для генерации генерации I типа (то есть типичная лазерная операция, в которой излучение света генерируется при переходе от проводимости к валентной зоне) в диапазоне 2000–3000 нм, была показана вырабатывать оптическую мощность от 0,5 до 2 Вт от одного устройства. Эти длины волн идеально подходят для применений, связанных как с мягкими, так и твердыми тканями, таких как эпидермальная абляция, доставка лекарств и лечение зубов. И, наконец, с появлением межзонных и квантовых каскадных лазеров типа II (в которых свет генерируется переходами с одного уровня в пределах зоны проводимости), становятся возможными даже более длинные волны — свыше 3000 нм (то есть в среднем ИК-диапазоне). Будет интересно посмотреть, какие медицинские приложения появятся для этих более длинных волн.

Прямые и косвенные конфигурации

Медицинские приложения, использующие полупроводниковые лазеры в качестве основного источника света, могут быть сконфигурированы либо напрямую (без накачки), либо косвенно (с накачкой) — разница в том, доставляется ли свет непосредственно на участок лечения.

Полупроводниковые лазеры с косвенной конфигурацией обычно используются в качестве источников оптической накачки для твердотельных кристаллов, известных как твердотельные лазеры с диодной накачкой (DPSS). Другим примером косвенной конфигурации является волоконный лазер с диодной накачкой, который также является твердотельным лазером, но в этом случае средой усиления накачки является оптическое волокно. Выбор одного из них будет зависеть от используемой среды усиления и необходимой длины волны.

Было показано, что компактное портативное стоматологическое устройство типа лазерной ручки DPSS может генерировать несколько длин волн, просто изменяя ширину импульса лазера с полупроводниковой накачкой. Он генерировал пять различных длин волн (2,66, 2,71, 2,81, 2,83 и 2,85 мкм), используя только один компактный модуль накачки полупроводниковых лазеров с одной дискретной длиной волны: 975 нм. Это представляет особый интерес для применений с мягкими и твердыми тканями, в которых обычно используются пять различных лазеров для глубокой коагуляции мягких тканей (2,66 мкм, гольмиевый лазер), резки (2,71 мкм, CO ₂ -лазер), а также твердых и мягких тканей. — абляция ткани (2,81, 2,83 и 2,85 мкм; Er: YAG-лазер) с минимальным термическим повреждением.

Примером применения твердых тканей может служить создание ультра-сохраняющихся поверхностей зубов, то есть подготовка поверхностей зубов для улучшения сцепления с зубными протезами или композитами. Удерживающие поверхности зубов обычно формируются с использованием кислотного травления, которое создает несогласованные поверхностные структуры и часто приводит к разрушению зубных реставраций, особенно тех, которые связаны с дентином. Этот процент отказов может достигать 40 процентов. Использование лазера для этого же приложения создает сверхсохраняющую связь на дентине и склеротическом дентине и обеспечивает 60-процентное улучшение прочности скрепления, чтобы значительно уменьшить разрывы склеивания, особенно для дентина.

Некоторые из первых продуктов с прямыми диодами, появившиеся на потребительском рынке, были продемонстрированы Palomar Medical Technologies (с лазерной системой обновления кожи PaloVia в 2010 году) и Tria Beauty (тогда SpectraGenics, Дублин, Калифорния, с системой удаления волос Tria).в 2008). PaloVia — первое полупроводниковое лазерное устройство для домашнего использования, прошедшее FDA-очистку для удаления тонких линий и морщин. Это портативное устройство с батарейным питанием подает на кожу 1410 нм с небольшими точечными узорами, создавая фрактальную структуру участков повреждения и, таким образом, инициируя естественную реакцию организма на выздоровление, генерируя больше коллагена и одновременно удаляя морщины. Хотя Palomar впервые получила разрешение FDA на использование полупроводникового лазера для удаления волос в домашних условиях (2006 г.), покупка Gillette компанией Procter & Gamble в 2005 г. значительно нарушила отношения и ориентацию, что позволило Tria Beauty стать первой и единственной компанией. поставка полупроводниковой лазерной системы удаления волос на потребительский рынок.

Влияние на будущее

Примером продукта с прямым диодным лазером, который демонстрирует значительные улучшения в технологии полупроводниковых лазеров, является Vectus Laser, разработанный Palomar Medical Technologies в 2012 году. С Vectus Palomar нацелился на удаление волос LightSheer Lumenis (Yokneam, Израиль). системадля профессионального рынка (который Palomar фактически разработал в 1997 году и продал Coherent в 1999 году). Обе системы излучают при ~ 808 нм, но Vectus использует усовершенствованную конструкцию, которая требует в четыре раза меньше диодных лазерных полос и производит значительно больше оптической энергии в более широком диапазоне обработки. В исследовании прямого сравнения с расщепленным телом Vectus значительно превзошел LightSheer. Это вовсе не упрощает успех LightSheer; скорее тот факт, что LightSheer существует на рынке с 1997 года, подтверждает важность использования полупроводниковых лазерных технологий для медицинских применений.

Полупроводниковые диодные лазеры уже предлагают много преимуществ по сравнению с другими источниками света для медицинских применений. Улучшения в эффективности электрооптического преобразования, оптической мощности и длине волны делают эту технологию идеальной для нацеливания на хромофоры. Дальнейшее развитие сделает его все более привлекательным.