لیزر

به علت تنوع سیستم های لیزر موجود و تعداد پارامترهای فیزیكی آنها و همینطور علاقه چندین گروه تحقیقاتی در واقع انواع مختلف لیزر بصورت ابزار بی رقیبی در پزشكی مدرن درآمده اند و اگرچه كاربردهای بالینی در ابتدا محدود به چشم پزشكی بوده اند، ولی امروزه قابل ملاحظه ترین و جاافتاده ترین جراحی لیزری در خصوص انعقاد خونریزی عروق با استفاده از لیزر یون آرگون Ar

لیزر

فهرست مطالب

 

مقدمه....................................................................................................... 3

تاریخچه لیزر........................................................................................... 5

تعریف لیزر.............................................................................................. 6

فیزیک لیزر............................................................................................... 8

مبانی نظری لیزر..................................................................................... 49

انواع لیزر................................................................................................. 84

معرفی لیزرهای توان پایین...................................................................... 92

اثرات لیزرهای کم قدرت......................................................................... 161

مکانیسم برهمکنش بافت – لیزر.............................................................. 171

درمان فتودینامیک................................................................................... 182

مقایسه لیزرهای توان بالا با لیزرهای توان پایین.................................... 200

روش های کاربرد لیزر توان پایین.......................................................... 239

رویکرد بالینی لیزرهای توان پایین.......................................................... 242

کاربرد در فیزیوتراپی.............................................................................. 244

کاربرد در دندانپزشکی............................................................................ 281

کاربرد در پزشکی (افتالموژی – اورولوژی – دستگاه گوارش – دستگاه تنفس)..... 293

کاربرد در پوست و اعصاب.................................................................... 296

عوارض احتمالی درمان با لیزرهای کم توان.......................................... 310

سایر روش های درمان بالینی................................................................. 313

خطرات جانبی لیزرها و نکات ایمنی و حفاظتی........................................ 315

نتیجه گیری.............................................................................................. 325

مراجع...................................................................................................... 326

 

 

مقدمه

لیزر.... از اعجاز آمیزترین موهبتهای طبیعت است كه برای مصارف گوناگون سودمند است. و یكی از پدیده های شگرف قرن بیستم كشف و توسعه لیزر (laser) است. قرن بیستم را شاید بتوان به جای قرن اتم و یا قرن ماشین, «قرن لیزر» هم نامید. این اختراع شگرف و پردامنه فیزیكی روز به روز توسعه بیشتری می یابد و كاربردهای آن در زمینه های مختلف بسیار متعدد است. در حوزه پزشكی نیز در حال حاضر لیزرها در درمان انواع مختلفی از بیماریها شركت داده می شوند. اگرچه لیزرهای بالینی جدید و كاربردهای آنها احتمالاً در حال گذران دوران نوباوگی پزشكی لیزری هستند ولی در آینده نه چندان دور لیزرهای دیگری پدید خواهند آمد كه جایگاه خود را در بیمارستانها و مراكز پزشكی خواهند یافت بنابراین تحقیق علمی آینده به اندازه كاربردهای بالینی حاصل از آن, زیربنایی خواهند بود.

به علت تنوع سیستم های لیزر موجود و تعداد پارامترهای فیزیكی آنها و همینطور علاقه چندین گروه تحقیقاتی در واقع انواع مختلف لیزر بصورت ابزار بی رقیبی در پزشكی مدرن درآمده اند و اگرچه كاربردهای بالینی در ابتدا محدود به چشم پزشكی بوده اند، ولی امروزه قابل ملاحظه ترین و جاافتاده ترین جراحی لیزری در خصوص انعقاد خونریزی عروق با استفاده از لیزر یون آرگون Ar⁺ است. لذا تقریباً تمام شاخه های جراحی پزشكی معطوف به این قضیه شده اند. البته نباید این گفته را به عنوان انتقاد برشمرد ولی اشكالات زیادی در برخی از موارد ایجاد شده است،‌ بخصوص در زمینه تحریك زیستی biostimulation. لذا به نظر این بنده حقیر لازمست برای كسب پیروزیهای جدید، محققان عزم خود را در سایر زمینه ها پژوهش پزشكی لیزر و تكنیك های فنی و حرفه ای مربوط به آنها نیز مجدانه جذب كنند و در پی وسعت دادن ابعادی به این امر مهم باشند. البته در كل، بسیاری از تكنیكهای لیزری واقعاً مفید، كه از لحاظ بالینی محقق شده اند، به كمك انواع دانشمندان قرن حاضر توسعه یافته اند. این روشهای معالجه توسط محققان دیگر تأیید شده و در مجلات علمی معتبر به نحوه مناسب به نوشتار درآمده است. حتی اخیراً در رابطه با كاربردهای اولیه لیزر كه اساساً بر نتایج درمانی متمركز شده بودند, چندین روش جالب تشخیصی نیز اضافه شده است. برای نمونه می توان تشخیص تومورها توسط رنگهای فلورسانس و یا تشخیص پوسیدگی دندان بوسیله تحلیل طیف سنجی بارقه پلاسمایی حاصل از لیزر را نام برد.

همانطور كه میدانیم در اواخر دهه 1960 لیزر در زمینه های پزشكی بکار رفت. امروزه تعداد بسیاری از روش های كاربرد لیزر در سراسر جهان بكارگرفته می شود. بیشتر این روشها متعلق به خانواده جراحی با كمترین تهاجم (MIS) minimally invasive surgery می باشند. این اصطلاح جدید که در دهه حاضر پدید آمده است به تكنیك های جراحی ای اطلاق می شود كه در آنها تماس با بدن و خونریزی صورت نمی گیرد. لذا این دو مشخصه بطور عمده باعث شده اند كه لیزر به عنوان یك تیغ جراحی و وسیله درمان جهانی بكار گرفته شود. در واقع بسیاری از بیماران و همچنین جراحان بر این باورند كه لیزر وسیله ای اعجاب انگیز است. البته این شیوه تفكر منجر به نگرشهای گمراه كننده و توقع های نابجا نیز شده است. در حقیقت قضاوت دقیق در مورد پیشرفتهای جدید همیشه لازم است. مثلاً وقتی كه یك روش درمان توسعه لیزر معرفی می شود, تا هنگام تأیید شدن آن توسط مطالعات مستقل دیگر، نباید مورد قبول واقع شود. اثرات ناشی از لیزر همانطور كه می دانیم بسیار متعدداند. بیشتر آنها را می توان بطور علمی توضیح داد. البته برخی اثرات كه برای یك درمان ویژه مفید هستند, برای موارد دیگر ممكن است خطرناك باشند بعنوان مثال گرم كردن یك بافت سرطانی توسط پرتوی لیزر می تواند منجر به اثر مطلوب نكروز (تخریب) تومور شود. و بالعكس بكار بردن پرتوی لیزری برای قطع خونریزی شبكیه چشم با پارامترهای فوق، می تواند منجر به سوختن خود شبكیه و نابینایی غیرقابل برگشت شود. به هرحال با توجه به تسهیلاتی كه پدیده لیزر در امر تشخیص و درمان در علم پزشكی فراهم نموده, آینده روشن تری را می توان برای نسل بشر پیش بینی كرد.

 

تاریخچه لیزر:  

اساس لیزر در سال 1960 با ساختن لیزر یاقوت توسط مایمن (Maimen) شناخته شد. این اكتشاف ابتدا به ساكن اتفاقی نبوده, بلكه خود دنباله ای از مجموعه جریانات و تحولات علم فیزیك به شمار می آید و محصول پژوهش های پیگیر دانشمندانی كه سالهای متمادی دورتر از آن, در این زمینه كندوكاو می كردند, محسوب می شود. دانشمندانی از قبیل «وبر»، «تاونز»، «انیشتن»، «باسوف»، «پروخوف»، «میمن» و سایرین بر مبنای این نظریه بود كه در سال 1954 تاونز و شاگردانش اولین تقویت كننده نور را بوسیله نشر تابش برانگیخته در دانشگاه كلمبیا ساختند.  

Microwave Amplification by stimulated Emission of Radiation (MASER)

اساس نظری لیزر از سال 1917 توسط آلبرت انیشتن (Einstein) شناخته و بیان شد. اما امكان تولید پرتوی لیزر بین سالهای 1957 تا 1960 تحقق یافت. بعداً در سال 1954 یك گروه از محققین در آمریكا تحت مدیریت تاونز و بر اساس تئوری انیشتن، اولین تقویت کننده نور برانگیخته را با استفاده از مولكولهای آمونیاك مورد آزمایش قرار دادند و بالاخره اولین دستگاه میرز Maser با فركانس (حدود Hz10¹¹× 3/2) هرتز ساخته شد. در سال 1958 شاولو (schawlow) به اتفاق تاونز ضمن یك مطالعه مشترك نظری امكان به كاربردن یك میزر با فركانس در ناحیه اپتیكی (حدود فركانس های نور مرئی) را تحقق بخشیدند و آنرا لیزر «Laser» نامیدند و بالاخره در سال 1960 اولین دستگاه لیزر توسط میمن (Maimen) با استفاده از كریستال یاقوت (Rubylaser) که در درمان گلوکوم استفاده شد، ساخته شد. پس از مدت كوتاهی, پروفسور علی جوان دانشمند ایرانی و همكارانش اولین لیزر گازی هیلیوم نئون,‌ در ناحیه مادون قرمز I.R. (نزدیك μm5/1 میكرومتر) را مورد بهره برداری قرار دادند و از سال 1960 تا كنون عده بیشماری از دانشمندان و محققین جهان، با هزینه

سالیانه میلیاردها دلار, برای تحقیق روی دستگاه های مختلف لیزر و نیز كاربردهای آن كوشش كرده اند.

لیزر یک پدیده بزرگ زمان ماست. موارد كاربرد ویژه خود را دارد و اثر آن عاری از عوارض جانبی هم نیست. همیشه نمی تواند جای روش های جراحی و دارویی یا رادیوتراپی را بگیرد. با این همه اگر آنرا معجزه قرن بیستم بنامیم, گزاف نگفته ایم.

تعریف لیزر:

واژه لیزر مخفف Light Amplification by stimulatesd Emission of Radiation است و اساس كار آن در واقع نشر برانگیخته تابش و گسیل كردن نور برانگیخته كه برای تقویت امواج پر فركانس استفاده می شود. پرتو لیزر ماهیتاً همان فوتون ها یا ذرات نورانی هستند كه این فوتونها بعد از گردهمایی و دسته شدن و هم راستایی، تشكیل یك دسته اشعه پیوسته و بسیار قوی را می دهند. بنابراین دستگاه لیزر مولد نور و حكم یك منبع تابش كننده را دارد و شامل یك قسمت تقویت كننده نور كه بصورت گاز,‌ مایع, جامد و یا نیمه رسانا و همینطور قسمتی دارای آینه هایی است كه اینها نقش تشدید كننده اپتیکی را ایفا می كنند. این تشدید كننده را كاواك و یا حفره لیزری می نامند در واقع امواج تختی كه بردار انتشارشان عمود بر سطح آینه هاست, در اثر رفت و برگشت بین در آینه, امواج ساكنی را تشكیل می دهند بنابراین یك لیزر را نوسان كننده چند مدی نیز می نامند یعنی علاوه بر مدهای طولی در یك كاواك لیزر, مدهای عرضی نیز وجود دارد كه از نظر شدت پرتویی و فركانس متغیرند. شدت پرتویی یعنی همان توزیع فضایی كه در آن بهره لیزری دارای گستردگی فركانسی است كه به قسمت تقویت كننده بستگی دارد و هرچه پهنای فركانسی بیشتر باشد

تعداد مدهای طولی كه به نوسان در می آیند بیشتر خواهند بود. لیزری كه تنها در یك مد طولی نوسان كند به آن لیزر تك مدی گویند كه از طریق گذاشتن یك میان بند توزیع میدان الكتریكی در كاواك مشخص می شود.

هر دستگاه لیزر از (1) یك محیط فعال, (2) یك سیستم منعكس كننده (تشدید كننده های لیزری) (3) و یك سیستم دُمِش تشكیل شده است.

فیزیك لیزر:  

قبل از شرح قسمتهای مختلف یك دستگاه لیزر, لازمست مختصری در مورد فیزیك اتمی و پدیده جذب و گسیل یادآوری گردد. در مورد فیزیك لیزر هر اتم بسته به ترتیب و نظم الكترونهای آن روی مدارات آن, دارای انرژی خاصی است كمترین میزان انرژی ممكن برای یك اتم در سطح پایه E_o است كه الكترون ها به هسته نزدیك هستند. در واقع میزان این انرژی وقتی تغییر می كند كه یك الكترون از مدار خود به مدار مجاورش جهش كند. بنابراین,‌ یك اتم وقتی دست خوش تغییر وضعیت انرژی می شود كه یا به آن فوتون اعمال كرد و یا در اثر اصابت یك الكترون به آن, موجب تحریك شویم یعنی از آنجایی كه فوتون یك ذره نورانی عاری از وزن و بار الكتریكی است وقتی این فوتون كه با سرعت نور C‌ حركت می كند و دارای انرژیE, كه به فركانس تابش  بستگی دارد, E=h كه h همان ثابت پلانك است, در برخورد با اتم جذب آن شده و آن اتم را به حالت تحریك شده یعنی سطح انرژی E₁ انتقال می دهد بنابراین اگر انرژی فوتون یك اشعه حادث (محرك) E باشد اختلاف انرژی دو سطح اتم برابر با آن خواهد بود یعنی  E₁-  E= E₀

بنابراین در حالت تحریك شده اتم ثباتی ندارد و خودبخود در پایان یك زمان معین به حالت اولیه خود بر می گردد یعنی از یك سطح انرژی بالاتر به یك سطح انرژی پایین بر می گردد و در طی همین گذر یك فوتون آزاد میكند و به حالت اولیه خود بر می گردد.

پس این انرژی جذب كرده از فوتون اشعه حادث را به صورت فوتون با همان فركانس آزاد می كند این پدیده را گسیل خودبخودی Spontaneous Emission می گویند بنابراین انتشار نور زمانی صورت می گیرد كه ذرات منتشر شده از یك سطح بالاتر به یك سطح پایین تر انرژی بروند چون معمولاً آنها در حالت اصلی خود Fondamental state و با انرژی حداقل بسر می برند حال برای آنكه الكترون به تراز بالاتر برود, انرژی فوتون اشعه حادث باعث این ارتقاء می شود ولی اتم تمایلی ندارد  در این حالت باقی بماند پس در بازگشت خود به حالت انرژی حداقل, فوتون را آزاد می كند كه این فوتونها به صورت تابشی نورانی پس داده می شوند. این عمل دریافت انرژی پس داده شده توسط اتم را جذب گویند.

می دانیم بر طبق قانون بولتزمن, مولكولها و اتمها در پایین ترین سطح الكترونی هستند و برای ایجاد یك انتشار نورانی لازمست اتم را تحریك نمود تا یك نوع وارونگی جمعیت Population Inversion به دست آید این تحریك همانطور كه گفته شد توسط فوتون یك اشعه حادث با انرژی E صورت می گیرد. بنابراین در یك انتشار نورانی از یك فوتون, دو فوتون به دست می آید كه هر كدام از اینها به نوبه خود با یك اتم تحریك شده دیگر برخورد خواهند كرد و در نتیجه, چهار فوتون مشابه تولید خواهند كرد و این تسلسل به میزان و تعداد اتمهای معكوس شده ادامه می یابد پس بدین طریق انرژی اولیه تقویت قابل ملاحظه ای پیدا خواهد كرد و از آنجایی که فوتونهای آزاد شده دارای فركانس و فاز و جهت یكسان هستند, منجر به پدیده تشعشع تحریك stimulated Emission می شود كه وقتی در یك كاواك یا حفره لیزری قرار گیرد, نور كاملاً یكرنگ و هدایت شده بوجود خواهد آمد.

نكته قابل توجه اینست كه باید ماده ای انتخاب شود تا ضریب تقویت آن بالا باشد تا در نتیجه, با وجود تلفات انرژی, بتواند انرژی مفید قابل توجهی ایجاد كند. حال برای تفسیر كامل مطالب فوق یعنی نحوه تولید نور لیزر, ابتداً قسمتهای اصلی یك دستگاه لیزر را بررسی می كنیم:

(1) محیط فعال Active Medium: این محیط دارای ماده واسط كه ماده اصلی قابل یونیزه شدن است تا بتوانند توسط تشعشع تحریكی از یك منبع نوری انرژی گرفته و اشعه نورانی تولید كند، این ماده را ماده فعال نیز می نامند. اتمهای این ماده فعال قابل تحریك و معمولاً یك یا دو كوانتوم انرژی بیشتری از اتم در حالت اصلی خود دریافت كرده اند و به حالت نیمه پایدار Meta stable state می رسند و در این حالت به مدت نسبتاً طولانی باقی می مانند تا بقیه اتم های این ماده نیز تحریك شده و در نتیجه تعداد اتم های تحریك شده از اتم های سطح زمینه بیشتر شود كه این همان وارونگی جمعیت Population Inversion چون این اتم های تحریك شده تمایل به بازگشت به سطح اولیه خود را دارند به محض بازگشت اتم به حالت عادی, انرژی دریافت كرده را به صورت فوتون آزاد می كند كه بصورت گسیل خودبخود  (spontaneous Emission) از آن یاد می برند. زیرا این فوتون به طریق آزادسازی خودبخودی (فلورسانس) پدید آمده است.

براساس این روند فوتون آزاد شده از یك اتم,‌ در برخورد با اتم تحریك شده دیگر, باعث پیدایش دو فوتون مشابه می شود. به همین طریق فوتون های پدید آمده, در برخورد با دو اتم تحریك شده و دیگر, سبب ایجاد چهار فوتون شده و این روند به طور تصاعدی ادامه پیدا می كند و منجر به تولید فوتون های بسیاری می گردد كه این پدیده را گسیل تحریكی stimulated Emission می نامند. بنابراین مجموع بسته های انرژی فوتون ها كه دارای فركانس و فاز و جهت یكسان هستند، همان طیف نور لیزر را تشكیل می دهد. چون كوانتوم های انرژی مساوی است, طول موج حاصل نیز, همرنگ و بستگی به نوع ماده فعال یعنی سطوح انرژی لایه های خارجی الكترونی آن دارد. در واقع نوع ماده فعال مورد استفاده, مقدار انرژی فوتون یا طول موج آن را تعیین می كند.

(2) تشدید كننده لیزری Laser Medium فوتون های جاری به موازات محور اپتیكی به آینه تمام بازتابان كه در انتهای محیط فعال تعبیه شده برخورد و منعكس می شود در نتیجه فوتونها به داخل محیط فعال رانده می شوند تا با برخورد با اتم های تحریك شده دیگر در ایجاد فوتون های جدید شركت كنند. فوتون گسیل شده از طرف دیگر محیط فعال كه دارای آینه نیمه شفاف می باشد به خارج منتشر می شود (آینه نیمه بازتابان).

قسمتی از فوتون ها كه در جهت محور محفظه حركت نمی كنند به دیواره اطراف برخورد كرده و انرژی خود را بصورت گرما به اطراف آزاد می كنند و از دور فعالیت خارج می گردند.

(3) سیستم دمش (Pumping) در واقع بعنوان یك منبع انرژی برای آماده ساختن (پمپاژ) ماده فعال و تزریق انرژی به اتم ها و مولكولهای آن استفاده می شود و با روش هایی كه به صورت پمپاژ نوری (Optical pumping) و یا پمپاژ شیمیایی (chemical Pumping) و یا پمپاژ حرارتی (heat Pumping) و یا پمپاژ الكتریكی (electrical Pumping) استفاده می شود. در مورد آخری، پمپاژ برقی توسط تخلیه الكتریكی فوق العاده شدید در مخزن گازی صورت می گیرد. این تخلیه، اتم ها و مولكول های گاز را به الكترون های فعال تبدیل نمود. تراكم فشرده تر در تراز بالا را سبب می شود. برخورد Collision اتم ها و مولكولها گاز به خاطر اینكه موجبات تشدید (رزونانس) انرژی می شود از اهمیت ویژه ای برخوردار است. در اثر پمپاژ ماده فعال در حفره لیزری (كاواك), دسته طیف نورانی لیزر تولید می شود كه حفره را از طریق آینه نیمه بازتابان در می نوردد. یعنی به محض اینكه پمپاژ شروع می شود مقدار زیادی از اتم ها از مخزن لیزر حالت تهییجی خود را افزایش می دهند. نشر تابش در تمام جهات صورت می گیرد و نور صادره بوسیله بازتاب های متعدد آینه های موازی ابقاء و حفظ می شود و شدت آن از طریق پدیده نشر برانگیخته افزایش پیدا میكند. این نشر برانگیخته با هر عبور طول موج از حفره لیزر به مقیاس فزاینده ای می رسد و بین تابشی كه حفره از طریق آینه نیمه بازتابان می نوردد و میزان پمپاژ برای ایجاد تراكم معكوس population Inversion به سرعت تعادل برقرار می شود و این اشعه تولید شده صفات ممیز ای چون همدوسی و تكفامی از خود نشان می دهد. البته نسبت توان اشعه به توان پمپاژ را بازده لیزر (Efficiency of laser) تعریف می كنند.

 

ویژگی های اصلی نور لیزر:

الف) تكفامی نوری (monochromatical) بستگی به طول موج ویژه هر لیزر و میزان خلوص آن دارد كه در سایر منابع نورانی دیگر وجود ندارد مثلاً در یك چشمه نور عادی با شدت زیاد از آنجایی كه انرژی آن در محدوده وسیعی از طول موجها توزیع گردیده است, نمی تواند نور تكفام با شدت زیاد بدست آورد. در اصل اشعه لیزر در یك محدوده فركانسی مشخص، منتشر می شود كه بستگی به نوع ماده, محیط فعال لیزر و فضای تشدید كننده آن دارد.

ب) همدوس (coherence) بستگی به فاز آن دارد یعنی تمامی فوتون های تشكیل دهنده یك دسته اشعه به طریق منظم و با یك فاز منتشر می شوند. در اصل قسمت عمده منابع نوری مورد استفاده حاصل گسیل خودبخودی است اما در نور لیزر, كه از طریق پدیده گسیل القایی Stimolated Emission تولید می شود, كوانتومها (اتم ها- مولكولها و یونها) همه دقیقاً همزمان در یك راستا انتشار می یابند و دقیقاً هم فازند پس بنابراین همدوسند (coherent). البته در موردی كه كوانتومها راستاهای مختلف و اختلاف فاز داشته باشند, ناهمدوسند. (noncoherent).

 وقتی می گویم نور لیزر همدوس است یعنی كوانتومهای آن دارای هماهنگی كامل و امواج آن هم فازند پس طول موج یكسان آنها باعث تكرنگی و كوانتومها انرژی مساوی دارند پس این نور در یك راستا و موازی است.