Достижения в области полупроводниковых диодных лазеров позволяют применять их в медицине

Прочитано: 176 раз(а)
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (1 голосов, среднее: 5,00 из 5)
Loading ... Loading ...


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. Более подробно узнать о косметическом применении лазерных технологий можно проконсультировавшись со специалистами клиники https://academy-pa.ru/.

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.

Достижения в области полупроводниковых диодных лазеров позволяют применять их в медицине

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.

Достижения в области полупроводниковых диодных лазеров позволяют применять их в медицине

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.

Достижения в области полупроводниковых диодных лазеров позволяют применять их в медицине



Новости партнеров

Загрузка...