Laser. Light Amplification by Stimulation Emission of Radiation Ενισχυση του φωτός από ενεργοποιημένη εκπομπή ακτινοβολίας

Transcript

1 Laser Light Amplification by Stimulation Emission of Radiation Ενισχυση του φωτός από ενεργοποιημένη εκπομπή ακτινοβολίας

2

3

4 50 χρόνια laser

5 Εφαρμογές των Laser στην καθημερινότητα, στην τεχνολογία στην ιατρική

6 Εφαρμογές των Laser στην καθημερινότητα, στην τεχνολογία στην ιατρική

7 Εφαρμογές των Laser

8 Εφαρμογές των Laser

9 Iδιότητες ακτινοβολίας Laser Mονοχρωματικότητα Κατευθυντικότητα Λαμπρότητα Συμφωνία Δημιουργία βραχέων και γιγάντιων παλμών Πόλωση 27/1/2014 9

10 Laser Μονοχρωματικότητα Aκτινοβολία μελανού σώματος LED 27/1/

11 Μονοχρωματικότητα 27/1/

12 Λαμπρότητα 27/1/

13 Κατευθυντικότητα 27/1/

14 Συμφωνία 27/1/

15 Συμφωνία 27/1/

16 Πόλωση 27/1/

17 Πόλωση 27/1/

18 Μέρη από τα οποία αποτελείται μια κάθε συσκευή ή σύστημα Laser Ενεργό υλικό Μηχανισμός άντλησης ή αναστροφής πληθυσμού Οπτική κοιλότητα 27/1/

19

20

21

22

23

24

25

26 Διαδικασίες αλληλεπίδρασης φωτός - ύλης

27 Εξαναγκασμένη εκπομπή

28 Ενίσχυση φωτός από εξαναγκασμένη εκπομπή

29

30

31

32

33

34 Ηλεκτρονικές μεταπτώσεις διέγερση Απορρόφηση ενέργειας e- e- εκπομπή E=h ν (ενέργεια υπό μορφή ενός φωτονίου)

35 Βασικές και διεγερμένες στάθμες Κανονική διεγερμένη στάθμη Μετασταθής διεγερμένη στάθμη Βασική στάθμη 27/1/

36 Παραγωγή φωτός Laser Αυθόρμητη εκπομπή Κανονική διεγερμένη κατάσταση Μετασταθής διεγερμένη κατάσταση Προκλημένη απορρόφηση Πρόκληση εκπομπής (LASER) Βασική κατάστηση 27/1/

37 Πληθυσμιακή κατανομή σε δύο επίπεδα 27/1/

38 Πληθυσμιακή κατανομή σε δύο επίπεδα 27/1/

39 Πληθυσμιακή κατανομή σε τρία & τέσσερα επίπεδα 27/1/

40 Οπτική κοιλότητα 27/1/

41 Στάσιμο κύμα εντός οπτικής κοιλότητας για n ακέραιος αριθμός 10 6

42 Τρόποι ταλάντωσης (modes) Διαμήκης τρόπος ταλάντωσης (longitudinal modes) Εγκάρσιοι τρόποι ταλάντωσης (transverse modes) 27/1/

43 Τρόποι ταλάντωσης (modes) Διαμήκης τρόπος ταλάντωσης (longitudinal modes) 27/1/

44 Αρχές Laser Τρόποι ταλάντωσης (modes) Εγκάρσιοι τρόποι ταλάντωσης (transverse modes) TEM pq P=αριθμός ελάχιστων οριζόντια q=αριθμός ελάχιστων κατακόρυφα 27/1/

45 το προφίλ της δέσμης

46 Συστήματα Laser

47 Ταξινόμηση των συστημάτων Laser

48 Ταξινόμηση των συστημάτων Laser

49 Ταξινόμηση των συστημάτων Laser

50 Tα είδη των Laser

51 Tα είδη των Laser

52 Tα είδη των Laser

53 Tα είδη των Laser

54 Tα είδη των Laser

55 Tα είδη των Laser

56 Tα είδη των Laser

57 Tα είδη των Laser

58 Tα είδη των Laser Laser Αργού Laser βαφής

59 Tα είδη των Laser

60 Laser διεγερμένων διμερών (Eximer Laser) Tα είδη των Laser

61 Μήκος κύματος εκπομπής διεγερμένων διμερών Διεγερμένα διμερή Μήκη κύματος εκπομπής (nm) ArF 193 ArCl 175 XeL 253 XeCl 308 XeF 351,353 XeBr 282 KrCl 222 KrF 248 F 2 157

62 Λέιζερ διεγερμένων διμερών. (AOV-FB Ophthalmic Excimer Laser System - Scoperich Medical Devices Co., Ltd σε συνεργασία με 66 Vision Tech Co., Ltd)

63 Femtosecond στερεάς κατάστασης λέιζερ για κοπή του κερατοειδικού κρημνού. (IntraLase FS Laser Abbot Medical Optics/AMO)

64 Tα είδη των Laser Laser CO 2 Σχήμα 13.: Το ενεργειακό διάγραμμα του μορίου διοξυδίου του άνθρακα. Σχήμα 12.: Σχηματική παράσταση των τρόπων ταλάντωσης του μορίου διοξυδίου του άνθρακα 27/1/

65 Tα είδη των Laser

66 Επίδραση της ακτινοβολίας των Laser

67 Είδη αλληλεπιδράσεων φωτονίων - ύλης 27/1/

68 Επίδραση της ακτινοβολίας των Laser Βασικά κριτήρια: η πυκνότητα ισχύος η διάρκεια έκθεσης και το μήκος κύματος

69 Επίδραση της ακτινοβολίας των Laser Πυκνότητα ισχύος α) J 10 6 W cm -2 : συμβαίνουν φωτομηχανικά ή θερμομηχανικά φαινόμενα β) J 10 W cm -2 : κυριαρχούν τα φωτοχημικά φαινόμενα γ) ενδιάμεσα : 10 6 W cm -2 > J > 10 W cm -2 θερμικά φαινόμενα

70 Οπτικά φαινόμενα από την αλληλεπίδραση ακτίνας Laser με τον βιολογικό ιστό Ανάκλαση Διαπερατότητα Απορρόφηση σκέδαση

71 Μηχανισμοί αλληλεπίδρασης φωτός Laser-ιστού α) J 10 6 W cm -2, συμβαίνουν φωτομηχανικά ή θερμομηχανικά φαινόμενα β) J 10 W cm -2, κυριαρχούν τα φωτοχημικά φαινόμενα

72 Οπτικά φαινόμενα από την αλληλεπίδραση ακτίνας Laser με τον βιολογικό ιστό R ( n i ( n i n 0 n 0 ) ) 2 2

73 Απορρόφηση φωτός από την ύλη Ι(x) = Io exp (-α x) Ο νόμος Lambert - Beer παραδοχή di I0 a x απόδειξη

74 Οπτικά φαινόμενα Αλληλεπίδρασης φωτός Laser εξασθένηση δέσμης

75 η θερμική επίδραση Η θερμική επίδραση της ακτινοβολίας Laser που έχει ως συνέπεια την ανύψωση της θερμοκρασίας, εξαρτάται τόσο από παράγοντες της ακτινοβολίας, όσο και από παραμέτρους και χαρακτηριστικά του ιστού, ήτοι από: 1. την πυκνότητα ενέργειας 2. την διάρκεια της ακτινοβόλησης (χρόνο έκθεσης) 3. τον τρόπο (συνεχή ή παλμικό) της ακτινοβόλησης 4. Τη θερμοχωρητικότητα του ακτινοβολούμενου σώματος 5. Τη θερμική αγωγιμότητα του σώματος 6. Την θερμική μεταφορά και 7. Τη θερμική ακτινοβολία που εκπέμπει το σώμα

76

77

78

79 Φάσμα απορρόφησης μελανίνης και νερού

80 Φάσμα απορρόφησης μελανίνης, αιμοσφαιρίνης και νερού

81 O συντελεστής απορρόφησης α ζώντος ιστού O συντελεστής απορρόφησης α ζώντος ιστού ιστός μήκος κύματος [nm] α [cm-1] οξυγονωμένο αίμα '' μη οξυγονωμένο αίμα '' επιδερμίδα υποδερματικό λίπος '' '' συκώτι (ποντικού) νεφρός (ποντικού) ρετίνη χρωμοφόρος επιθήλιο ''

82

83 Οπτικά φαινόμενα Αλληλεπίδρασης φωτός Laser εξασθένηση δέσμης

84 Τρόποι ακτινοβόλησης της δέσμης Laser H ακτινοβόληση της δέσμης Laser στο επιθυμιτό σημείο γίνεται με τρις τρόπους: α) με συνεχή ακτινοβόληση, με β) παλμκή ακτινοβόληση και γ) με διακοπτόμενη εκμπομπή. Στην πρώτη η ένταση της δέσμης παραμένη σχεδόν αμετάβλητη στον χρόνο, όπως αυτή εξέρχεται από την συσκευή Laser. Στην δεύτερη περίπτωση η δέσμη υφίσταται μια διαμόρφωση κατά πλάτος με την χρήση διαφόρων τεχνικών (Q-switch, Mode Loched κλπ), οι οποίες επιτρέπουν την εκπομπή παλμών ελάχιστα μικρής διάρκειας. Οι παλμοί αυτοί περικλείουν το σύνολο της ενέργειας ακτινοβολίας στο μικρό αυτό χρονικό διάστημα, με αποτέλεσμα να επιτυγχάνεται μ αυτόν τον τρόπο δισανάλογα μια σημαντική μεγέθυνση της έντασης I της δέσμης, αφού είναι: Ι = Ε / Δt S (E=ενέργεια, S=εμβαδόν διατομής) Ο τρίτος τρόπος της διακοπτόμενης δέσμης βρίσκεται ανάμεσα στους άλλου δύο: πρακτικά ανοιγοκλείνεται η παροχή ρεύματος ή μέσω μηχανικών διακοπτών (chopper) ακτινοβολείται μια περιοχή με συνεχή δέσμη, η οποία διακόπτεται για σχετικά μεγάλους χρόνους. Χαρακτηριστικοί παράμετροι αυτού του είδους της διακοπτόμενης χρήσης της δέσμης είναι: ο χρόνος διάρκειας Δt της συνεχούς εκπομπής και ο χρόνος παύσης Τ, ανάμεσα σε δύο διαδιχικές εκπομπές ακτινοβολίας

85 Ο χρόνος έκθεσης ή εφαρμογής της ακτινοβολίας t προκύπτει από την σχέση: (πυκνότητα ενέργειας δέσμης) x (επιφάνεια) [J/cm²][cm²] t = = = [s] (μέση ισχύ) [W] η δε μέση ισχύ P στην περίπτωση παλμικής εφαρμοφής με μέγιστη ισχυ P max υπολογίζεται ως P = Pmax x (διάρκεια παλμών) x (συχνότητα παλμών)

86

87 Σχηματική παρουσίαση των ειδών αλληλεπιδράσεων

88 Τρόποι εστίασης της δέσμης στον ιστό

89 Εφαρμογές συγκεκριμένων τύπων λέιζερ στην ιατρική Τύπος Λέιζερ Τρόπος Λειτουργίας Μήκος Κύματος Ενέργεια(J)/Ισχύς( Ιατρικές Εφαρμογές (nm) W) Excimer Συνεχής/Παλμική nm 1 Διαθλαστική Χειρουργική Ιόντα Αr + Συνεχής 488/ Γενική χειρουργική, δερματολογία, ουρολογία, οφθαλμολογία Argon-Dye Συνεχής 488/ Πλαστική χειρουργική, δερματολογία, ογκολογία, οφθαλμολογία Nd: YAG Συνεχής Γενική χειρουργική, δερματολογία, ουρολογία, γαστρεντερολογία, νευροχειρουργική Nd: YAG Παλμική MW/παλμό Οφθαλμολογία

90 Tissue & Cellular Response Red light affects all cell types Absorbed by the mitochondrial present in all cells Cytochromes (respiratory chain enzymes) within the mitochondria have been identified as the primary biostimulation chromophores (primary light-absorbing molecules). Since enzymes are catalysts with the capability of processing thousands of substrate molecules, they provide amplification of initiation of a biological response with light. Infrared light is more selective absorbed by specific proteins in the cell membrane & affects permeability directly Tο Κόκκινο φως επηρεάζει όλους τους τύπους κυττάρων Απορροφάται από τα μιτοχονδρια που υπάρχουν σε όλα τα κύτταρα Cytochromes (ένζυμα της αναπνευστικής αλυσίδας) στο εσωτερικό των μιτοχονδρίων έχουν αναγνωριστεί ως τα κύρια χρωμοφόρα που υφίστανται biostimulation (πρωτογενή μόρια που απορροφά το φως). Δεδομένου ότι τα ένζυμα είναι καταλύτες με την ικανότητα της επεξεργασίας χιλιάδων μορίων υποστρώματος, παρέχουν ενίσχυση για την έναρξη μιας βιολογικής απόκρισης με το φως. Υπέρυθρο φως είναι περισσότερο επιλεκτικό απορροφάται από συγκεκριμένες πρωτεΐνες στην κυτταρική μεμβράνη & επηρεάζει διαπερατότητα άμεσα

91 Διάφορες ονομασίες των Laser Therapeutic Laser Low Level Laser Therapy Low Power Laser Therapy Low Level Laser Low Power Laser Low-energy Laser Soft Laser Low-reactive-level Laser Low-intensity-level Laser Photobiostimulation Laser Photobiomodulation Laser Mid-Laser Medical Laser Biostimulating Laser Bioregulating Laser

92 Τι κάνει το φως laser; Laser light waves penetrate the skin with no heating effect, no damage to skin & no side effects. **Laser light directs biostimulative light energy to the body s cells which convert into chemical energy to promote natural healing & pain relief. Optimizes the immune responses of blood & has antiinflammatory & immunosuppressive effects.

93 Φυσιολογική επίδραση των laser Biostimulation improved metabolism, increase of cell metabolism Increases speed, quality & tensile strength of tissue repair Improved blood circulation & vasodilation Increases blood supply Increases ATP production Analgesic effect Relieves acute/chronic pain Anti-inflammatory & anti-edematous effects Reduces inflammation Biostimulation - βελτιωμένο μεταβολισμό, αύξηση του μεταβολισμού των κυττάρων Αυξάνει την ταχύτητα, την ποιότητα και την αντοχή σε εφελκυσμό επιδιόρθωση των ιστών Η βελτιωμένη κυκλοφορία του αίματος και την αγγειοδιαστολή Αυξάνει την παροχή αίματος Αυξάνει την παραγωγή ATP αναλγητική δράση Ανακουφίζει από οξύ / χρόνιο πόνο Αντι-φλεγμονώδη και αντι-οιδηματώδη αποτελέσματα μειώνει τη φλεγμονή

94 Φυσιολογική επίδραση των laser Stimulation of wound healing Promotes faster wound healing/clot formation Helps generate new & healthy cells & tissue Increase collagen production Develops collagen & muscle tissue Increase macrophage activity Stimulates immune system Alter nerve conduction velocity Stimulates nerve function Διέγερση της επούλωσης τραύματος Προωθεί ταχύτερη επούλωση των πληγών σχηματισμό / θρόμβου Βοηθά να δημιουργήσει νέα και υγιή κύτταρα και ιστούς Αύξηση της παραγωγής κολλαγόνου Αναπτύσσει το κολλαγόνο και μυϊκό ιστό Αύξηση της δραστηριότητας των μακροφάγων Διεγείρει το ανοσοποιητικό σύστημα Alter αγωγιμότητας των νεύρων Διεγείρει τη λειτουργία των νεύρων

95 Απόκριση ιστών και κυττάρων Red light affects all cell types Absorbed by the mitochondrial present in all cells Cytochromes (respiratory chain enzymes) within the mitochondria have been identified as the primary biostimulation chromophores (primary light-absorbing molecules). Since enzymes are catalysts with the capability of processing thousands of substrate molecules, they provide amplification of initiation of a biological response with light. Infrared light is more selective absorbed by specific proteins in the cell membrane & affects permeability directly

96 Κίνδυνοι από τη χρήση των Laser

97

98

99

100

101

102

103 Κατηγορίες ως προς την επικινδυνότητα των Laser Κατηγορίες συστημάτων Laser, ως προς την επικινδυνότητά τους

104 Εφαρμογές

105

106

107

108

109

110

111 Βιβλιογραφία 1. Franz Koessler, Umweltbiophysik, Akademie-Verlag, Berlin A. Σεραφετινιδης, Επιθεωρηση Φυσικης, τομος 2ος, τευχος 5, σελιδα 7, Αθηνα A. Ανδριτσακης, Laser και οπτοηλεκτρονικες διαταξεις, εκδοσεις Λυχνος, Αθηνα J.A. Parrish & T.F. Deutsch, Laser Photomedicine, IEEE J. quantum electronics, QE 20, 12, J.Fricke, Wechselwirkung von Laserlicht mit biologischem Gewebe, Physik in unserer Zeit, 62, 2, M.L. Wolbarsht & D.H. Sliney, Laser Safety Standards Move on Laser & Applications, 96, April V.S. Letokhov, Laser biology and medicine, Nature, 316, 325, July J.-L. Boulnois, Photophysical Processes in Recent Medical Laser Developments: a Review, Lasers in Medical Science, 1 47, K. Tradowsky, Laser, Vogel-Verlag, ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΤΩΝ ΤΣΟΥΓΚΡΑΝΗ ΔΕΣΠΟΙΝΑ & ΠΑΝΑΓΙΩΤΟΠΟΥΛΟΥ ΣΟΦΙΑ

112

113 Παραδείγματα συνηθισμένων σημάνσεων και ετικετών για Laser

114 Βιβλιογραφία Χρησιμοποιήθηκε υλικό από παρουσίαση της κυρίας Μαρίας Κατσικίνης, Επίκ. Καθηγήτρια στο ΑΠΘ Εικόνες και σχήματα από το διαδίκτυο και την Wikipedia Αποσπάσματα (Εικόνες και σχήματα) από σημειώσεις του διδάσκοντα..