ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΩΝ LASER ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΩΝ LASER ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΠΑΤΣΙΔΟΥ ΠΕΤΡΟΥΛΑ Επιβλέπουσα : Μήλιου Αμαλία 1

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΩΝ LASER ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ 2

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Μέρος Α : LASER Kεφάλαιο 1 ο : Εισαγωγή... 3 Κεφάλαιο 2 ο : Είδη laser... 7 2.1 To laser του διοξειδίου του άνθρακα... 7 2.2 Το laser ιόντων... 12 2.3 Το laser Νd-YAG... 17 2.4 Lasers ατµών µετάλλων... 20 2.5 Lasers χρωστικών... 23 2.6 Lasers διηγερµένων διµερών... 26 2.7 Laser ρουβιδίου... 29 2.8 Laser He-Ne... 32 2.9 Νεότερα ιατρικά laser... 32 Μέρος Β : Εφαρµογές των laser στην ιατρική Κεφάλαιο 3 ο : ερµατολογία... 40 Κεφάλαιο 4 ο : Οφθαλµολογία... 55 Κεφάλαιο 5 ο : Γαστρεντερολογία... 69 Κεφάλαιο 6 ο : Γυναικολογία... 73 Κεφάλαιο 7 ο : Ωτολαρυγγολογία... 76 Κεφάλαιο 8 ο : Ουρολογία... 81 Κεφάλαιο 9 ο : Χειρουργική και Νευροχειρουργική... 85 Κεφάλαιο 10 ο : Μοριακή φωτοβιολογία και φωτοιατρική... 91 Kεφάλαιο 11 ο : Κυτταρολογία... 96 3

Μέρος Α : LASER ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο : 1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το laser (light amplification by stimulated emission of radiation) είναι µια διάταξη για την παραγωγή µονοχρωµατικής ακτινοβολίας υψηλής έντασης [1]. Η αρχή των lasers βασίζεται σε έρευνα που έκανε το 1917 ο Einstein πάνω στη δυνατότητα να σκανδαλιστεί η εκποµπή ακτινοβολίας από φωτόνια της ίδιας ενέργειας. Σχεδόν 40 χρόνια µετά την εργασία του Einstein, o Townes και οι µαθητές του κατάφεραν να κατασκευάσουν την πρώτη συσκευή, η οποία στηριζόταν σ αυτό το φαινόµενο και λειτουργούσε σε µικροκύµατα και όχι σε ορατά µήκη κύµατος. Αυτή η συσκευή ονοµάζεται MASER (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Το 1960 ο Mainman επέκτεινε την εξαναγκασµένη εκποµπή στο ορατό, χρησιµοποιώντας ως ενεργό µέσο έναν κύλινδρο ρουµπινίου. Το νέο αυτό σύστηµα ονοµάστηκε LASER σε αντιστοιχία µε το MASER όπου το Microwave αντικαταστάθηκε από το Light, αφού πρόκειται για ένα οπτικό Maser. To 1961 o Javan κατασκεύασε το πρώτο αέριο laser µε χρήση He-Ne. Στη συνέχεια κατασκευάστηκαν laser στα οποία το ενεργό µέσο ήταν οργανικές βάσεις (dyes), µοριακά ή ιονισµένα αέρια, σύνθετοι κρύσταλλοι µε προσµίξεις κ.λ.π. Οι έρευνες στον τοµέα αυτό συνεχίζονται γιατί υπάρχει δυνατότητα ανάπτυξης [1]. Η ακτινοβολία laser έχει πολλά πλεονεκτήµατα αναφορικά µε τις γνωστές πηγές φωτός. Συνοπτικά τα χαρακτηριστικά της ακτινοβολίας αυτής είναι : Α) µονοχρωµατική, Β) σύµφωνη ( σε φάση), Γ) ευθύγραµµα πολωµένη (στις περισσότερες περιπτώσεις), ) παράλληλη [1]. 4

1.2 ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΩΝ Laser Η τεχνική παραγωγής ακτινών laser βασίζεται στην απορρόφηση φωτονίων από κατάλληλα υλικά (στερεά, υγρά ή αέρια), των οποίων τα άτοµα, τα µόρια ή τα ιόντα βρίσκονται σε κατάσταση διέγερσης µέσω της πρόσληψης ενέργειας. Κατά τη µετάβαση των ηλεκτρονίων που περιβάλλουν τα άτοµα από µια ανώτερη ενεργειακή στάθµη σε µια κατώτερη (αποδιέγερση), η προσληφθείσα επί πλέον ενέργεια αποβάλλεται υπό µορφή ακτινοβολίας. Η διαδικασία αυτή δεν γίνεται όµως αυθόρµητα, όπως στις κλασικές πηγές, αλλά µε την επίδραση ενός εξωτερικού αιτίου, των φωτονίων που απορροφώνται, µε αποτέλεσµα τα διεγερµένα άτοµα κατά τη στιγµή της αποδιέγερσής τους να εκπέµψουν ακτινοβολία που έχει την ίδια φάση και την ίδια κατεύθυνση διάδοσης µε αυτήν που έχουν προσλάβει. Η ακτινοβολία των φωτονίων αυτών έχει ενέργεια (και µήκος κύµατος) χαρακτηριστική της ενεργειακής διαφοράς µεταξύ των σταθµών. Τα άτοµα πολλών στοιχείων έχουν µετασταθείς ενεργειακές καταστάσεις. Τα φωτόνια που εκπέµπονται σε µετασταθείς ενεργειακές καταστάσεις καθυστερούν της προπορευόµενης εκποµπής της ακτινοβολίας που προήλθε από την απευθείας µετάπτωση στη βασική στάθµη. Τα άτοµα που είναι κατάλληλα για τη δράση των laser έχουν τουλάχιστον µια τέτοια µετασταθή στάθµη. Όταν ένα φωτόνιο το οποίο εκπέµπεται από ένα άτοµο σε µια µετασταθή στάθµη περάσει κοντά από ένα άτοµο που βρίσκεται στην ίδια κατάσταση, µπορεί να το διεγείρει και το τελευταίο να εκπέµψει ένα φωτόνιο ακτινοβολίας η οποία έχει την ίδια ενέργεια (µ.κ.), διεύθυνση, κατάσταση πόλωσης και φάση µε το αρχικό φωτόνιο. Το κάθε ένα από τα διηγερµένα φωτόνια µπορεί να προκαλέσει την εκποµπή και άλλων παρόµοιων φωτονίων. Αυτή η συνεχής παραγωγή φωτονίων σε συνδυασµό µε το γεγονός ότι ο µέσος χρόνος παραµονής των ηλεκτρονίων στη διηγερµένη κατάσταση είναι µερικά δευτερόλεπτα ενώ στη µετασταθή ο χρόνος αυτός µπορεί να φτάσει µέχρι και 100 ns, έχει ως αποτέλεσµα την αύξηση του αριθµού των ηλεκτρονίων σε µια ενεργειακή στάθµη σε σχέση µε τον αριθµό των ηλεκτρονίων που αντιστοιχεί σε µια χαµηλότερη ενεργειακά στάθµη. Αυτή η διαδικασία ονοµάζεται αντιστροφή πληθυσµού (εικόνα 1.1) [1]. 5

Εικόνα 1.1 ιαγράµµατα που απεικονίζουν την αρχή των laser [1]. Η κατάσταση αντιστροφής πληθυσµού, για τη διατήρησή της, απαιτεί ενέργεια η οποία προσφέρεται από εξωτερική πηγή. Το φαινόµενο της συνεχούς αυτής διέγερσης µε απορρόφηση εξωτερικής ενέργειας ονοµάζεται άντληση [1]. Η δράση των laser στηρίζεται στην αντιστροφή πληθυσµού. Τα laser αποτελούνται από τρία επιµέρους µέρη: το ενεργό µέσο (στα άτοµα του οποίου προκαλείται η διέγερση), την αντλία ενέργειας (η οποία είναι υπεύθυνη για την άντληση) και την κοιλότητα συντονισµού ( η οποία στέλνει το φως που εκπέµπεται από τα άτοµα του ενεργού µέσου να περάσει µέσα από αυτή) [1]. υο είναι οι παράγοντες που συµβάλλουν στην αύξηση της απόδοσης λειτουργίας των lasers. Η καλή επιλεκτικότητα στην άντληση του άνω επιπέδου της ένωσης και η υψηλή κβαντική απόδοση. Επειδή µας ενδιαφέρει µόνο η ενέργεια των φωτονίων, εάν το άνω επίπεδο της ένωσης (επίπεδο 2) βρίσκεται ενεργειακά αρκετά πάνω από τη βασική κατάσταση, τότε η περισσότερη από την ενέργεια άντλησης χάνεται, όταν το άτοµο µεταπίπτει από το χαµηλότερο επίπεδο πίσω στη βασική κατάσταση (εικ.1.2) [2]. 6

Eικόνα 1.2 Ένας απλός µηχανισµός άντλησης laser. Το ενεργό υλικό διεγείρεται από τη βασική κατάσταση σε µια κατάσταση 2, µε µεγάλο χρόνο ζωής, κάτι που επιτρέπει τη δηµιουργία αντιστροφής πληθυσµών. Το χαµηλότερο επίπεδο laser έχει µικρότερο χρόνο ζωής, που επιτυγχάνεται µε γρήγορες αποδιεγέρσεις πίσω στη βασική κατάσταση [2]. 7

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο : 2.1 ΤΟ Laser ΙΟΞΕΙ ΙΟΥ ΤΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑ 2.1.1 Αρχές λειτουργίας Το Lasing έχει παρατηρηθεί σε έναν µεγάλο αριθµό µοριακών αερίων. Ιδιαίτερης σπουδαιότητας είναι το laser αερίου διοξειδίου του άνθρακα (CO 2 ), που έχει lasing µεταβάσεις σε διάφορα µήκη κύµατος, κυρίως σε 10.6 µm. Η ανάπτυξη του laser του CO 2 έχει προχωρήσει µε γρήγορο ρυθµό. Τα laser CO 2 λειτουργούν είτε µε συνεχή, είτε µε παλµικό, είτε µε διακοπτόµενο-q τρόπο. Η σηµαντική ιδιότητα του laser CO 2 είναι η υψηλή απόδοση λειτουργίας του [3]. Η αύξηση της συνολικής απόδοσης λειτουργίας του laser CO 2 οφείλεται στο γεγονός ότι το µόριο του CO 2 χαρακτηρίζεται από ταλαντωτικές και περιστροφικές ενεργειακές καταστάσεις, επιπλέον των ηλεκτρονικών καταστάσεων. Το µόριο του CO 2 µπορεί να ταλαντώνεται µε τρεις τρόπους, κάθε ένας από αυτούς ανεξαρτήτως των άλλων δυο (εικ.2.1) [2]. Εικόνα 2.1 Οι τρεις διαφορετικοί τρόποι ταλάντωσης του µορίου του CO 2 [2]. Στην εικόνα 2.2 φαίνεται ένα τµήµα του ενεργειακού διαγράµµατος, που παρουσιάζει τυχαία ενεργειακά επίπεδα. Οι µεταπτώσεις της ακτινοβολίας στα 8

υπέρυθρα µήκη κύµατος, µεταξύ των ταλαντωτικών επιπέδων, συµβαίνουν κοντά στη βασική κατάσταση. Για παράδειγµα αναφέρεται η µετάπτωση στα 10.6 µm, από την κατάσταση (001) στην κατάσταση (100) µε κβαντική απόδοση περίπου 40%. Για τη µετάπτωση αυτή είναι πιθανή η αντιστροφή πληθυσµών και συνεπώς η παραγωγή ακτινοβολίας laser. Αντίθετα το χαµηλότερο επίπεδο αποδιεγείρεται µέσω συγκρούσεων µε άλλα µόρια, απορροφώντας την ακτινοβολία των 10.6 µm. Μια άλλη µετάπτωση είναι αυτή από την κατάσταση (001) προς την κατάσταση (020), στα 9.6 µm, αλλά µε πιθανότητα εκποµπής αισθητά µικρότερη από την αντίστοιχη των 10.6 µm [2]. Εικόνα 2.2 Ενεργειακό διάγραµµα µερικών ταλαντωτικών επιπέδων του CO 2 και του Ν 2. Το επίπεδο (001) του CO 2 µπορεί να αποκτήσει πληθυσµούς είτε µε συγκρούσεις ηλεκτρονίων απευθείας, είτε µε συγκρούσεις CO 2 βασικής κατάστασης µε Ν 2 της κατάστασης ν = 1, η οποία βρίσκεται σε πολύ καλή ενεργειακή σύµπτωση µε το επίπεδο (001) του CO 2 [2]. Το άζωτο, επειδή είναι διατοµικό µόριο, έχει ένα µόνο βαθµό ταλαντωτικής ελευθερίας. Το γεγονός αυτό ενισχύει την άντληση της κατάστασης (001) στην περιοχή της ηλεκτρικής εκκένωσης. Οι ταλαντωτικές καταστάσεις της βασικής ηλεκτρονικής κατάστασης του αζώτου δηµιουργούνται µε συγκρούσεις µε τα ηλεκτρόνια της ηλεκτρικής εκκένωσης, γεγονός το οποίο εξηγεί τη µεγάλη διάρκεια ζωής αυτών των καταστάσεων. Στην εικόνα 2.2 φαίνεται πως υπάρχει µια πολύ καλή ενεργειακή σύµπτωση µεταξύ της κατάστασης ν=1 του αζώτου και της κατάστασης 9

(001) του CO 2 και έτσι οι συγκρούσεις µεταξύ των µορίων αυτών (Ν 2 και CO 2 ) συνεισφέρουν σηµαντικά στην αντιστροφή πληθυσµών της ένωσης. Όµως αν το χαµηλότερο επίπεδο δεν µπορεί να απαλλαγεί αποδοτικά από πληθυσµούς αυτή η πολύ επιλεκτική διέγερση του άνω επιπέδου της ένωσης µπορεί να µείνει ανεκµετάλλευτη [2]. Οι καταστάσεις (001) του CO 2 αποδιεγείρονται µε συγκρούσεις των CO 2 (100) µε άλλα µόρια ή µε τα τοιχώµατα του σωλήνα laser, µετατρέποντας µε αυτόν τον τρόπο την ταλαντωτική τους ενέργεια σε κινητική [2]. Η έξοδος laser µπορεί να είναι αυστηρά µονοχρωµατική, στα 10.59 µm, διότι η µετάπτωση µε τη µεγαλύτερη απολαβή δίνει πρώτη ακτινοβολία laser. Η µονοχρωµατικότητα οφείλεται επίσης στο γεγονός ότι η στιγµιαία ελάττωση του πληθυσµού του συγκεκριµένου επιπέδου, αναπληρώνεται και επανέρχεται στα κανονικά επίπεδα, σε βάρος άλλων επιπέδων, τα οποία στη κατάσταση αυτή δεν έχουν την ευκαιρία να δώσουν ακτινοβολία [2]. Η µέγιστη ισχύς laser επιτυγχάνεται από ένα µίγµα τριών αερίων-διοξειδίου του άνθρακα, αζώτου και ηλίου. Η απολαβή του laser CO 2 είναι πολύ µεγάλη και οι αναλογίες των ενεργών αερίων δεν είναι τόσο κρίσιµες. Το διοξείδιο του άνθρακα παράγει το φως laser ενώ το άζωτο βοηθά την αύξηση της απόδοσης του CO 2 έτσι ώστε να εκπέµψει περισσότερο φως ενώ το ήλιο βοηθά τη µεταφορά θερµότητας [4]. Υπάρχουν τρεις κύριοι τύποι laser CO 2 : (i) αξονική ροή αερίου, (ii) εγκάρσια ροή αερίου και (iii) σφραγισµένος σωλήνας. Στην αξονική ροή αερίου το µίγµα αερίου αντλείται από τη µια άκρη του σωλήνα και οδηγείται στην άλλη. Το αέριο CO 2 αντλείται συνεχώς για να διατηρήσει τη ροή. Το ήλιο και το άζωτο προστίθενται στο µίγµα για να αυξηθεί η απόδοση. Η παραγωγή ισχύος είναι 40-80 W ανά µήκος σωλήνα (σχεδόν ανεξάρτητη της διαµέτρου του σωλήνα) [4]. Στις εγκάρσιες συσκευές ροής αερίου τα laser διοξειδίου του άνθρακα είναι σε θέση να επιτύχουν παραγωγή υψηλότερης ισχύος λόγω της αυξανόµενης πίεσης στο σωλήνα. Στις σφραγισµένες συσκευές σωλήνων το αέριο διατηρείται µέσα στον σωλήνα και δεν ξαναγεµίζεται κατά τη διάρκεια της χρήσης. Η µόνη βασική διαφορά είναι το µέγεθος του σωλήνα. Η παραγωγή ισχύος των σφραγισµένων laser CO 2 κυµαίνεται από µερικά Watt ως ίσως 100 W [4]. Επειδή ένα σφραγισµένο laser CO 2 χάνει γρήγορα την ισχύ του (λόγω σχηµατισµού CO και πιθανά άλλων στοιχείων) υπάρχει ένα σύστηµα ροής αερίων, έτσι ώστε το µίγµα CO 2 -N 2 -He να αντικαθίσταται από φρέσκο µίγµα. Αυτό 10

επιτυγχάνεται προσαρµόζοντας στο σωλήνα laser µια µικρή φιάλη µίγµατος CO 2, N 2, He. Τα τοιχώµατα του σωλήνα laser διατηρούνται µε ροή νερού σε χαµηλή θερµοκρασία, διευκολύνοντας κατά αυτόν τον τρόπο την αποδοτική ψύξη της ηλεκτρικής εκκένωσης, ενώ η ηλεκτρική εκκένωση διατηρείται µε αρκετές χιλιάδες Volts συνεχούς τάσης και µε συνεχές ρεύµα 0.5 Α. Η εκκένωση επιτυγχάνεται µέσω µιας διέγερσης RF χρησιµοποιώντας έναν ταλαντωτή που λειτουργεί σε συχνότητα 20 ΜΗz [2]. Τα laser διοξειδίου του άνθρακα διεγείρονται είτε µε παροχή ηλεκτρικού ρεύµατος είτε µε εξωτερική πηγή ενέργειας. Τα laser αυτά είναι ιδανικά για διάφορες ιατρικές εφαρµογές και κυρίως στον τοµέα της δερµατολογίας [4]. 2.1.2 Το laser CO 2 ως χειρουργικό εργαλείο Σ ένα χειρουργικό laser CO 2 τα κάτοπτρα αποτελούν µέρος του σωλήνα laser. Συνήθως χρησιµοποιείται ένα κάτοπτρο ολικής ανακλαστικότητας για να κατευθύνει τη δέσµη laser. Αυτό το κάτοπτρο ρυθµίζεται κατάλληλα ώστε να επιτρέψει στη δέσµη να κατευθυνθεί προς το στόχο της [5]. Η ευελιξία κινήσεων είναι πολύ σηµαντική για τη χειρουργική χρήση του laser CO 2 και επιτυγχάνεται µε µια σειρά από κάτοπτρα. Τα κάτοπτρα αυτά είναι τοποθετηµένα σε έναν περιστρεφόµενο αρθρωτό βραχίονα (εικ.2.3), έτσι ώστε η εξερχόµενη χειρουργική δέσµη να µπορεί να χρησιµοποιηθεί προς κάθε κατεύθυνση. Παράλληλα µε την εξερχόµενη δέσµη laser βρίσκεται µια κόκκινη βοηθητική δέσµη σκόπευσης, η οποία παράγεται από ένα laser He-Ne µε ισχύ περίπου 1 mw [2]. Τέσσερα είναι τα πιο γνωστά υλικά που χρησιµοποιούνται για την κατασκευή οπτικών φακών για lasers CO 2 (γερµάνιο (Ge), σεληνιούχος ψευδάργυρος (ZnSe), αρσενικούχο γάλλιο (GaAs) και τελλουριούχο κάδµιο (CdTe)). Από αυτά µόνο το ZnSe είναι διαπερατό από ορατό φως, και γι αυτό στο άκρο του αρθρωτού βραχίονα χρησιµοποιείται συνήθως ένας τέτοιος φακός. Για περιπτώσεις γενικής χειρουργικής ο βραχίονας αυτός συνδέεται µε ένα ελεύθερο εξάρτηµα χειρός, ενώ για πιο ακριβείς χειρισµούς µε ένα µικροσκόπιο. Όταν το laser συνδέεται µε ένα µικροσκόπιο, η δέσµη ανακλάται σε ένα τελευταίο κάτοπτρο και µπορεί να κατευθυνθεί προς κάθε σηµείο, µε τη βοήθεια ενός χειριστηρίου που κινεί ο χειρουργός [2]. 11

Εικόνα 2.3 Η δέσµη του laser CO 2 µπορεί να κατευθυνθεί προς κάθε σηµείο, µε τη βοήθεια των κατόπτρων που βρίσκονται στις περιστρεφόµενες συνδέσεις ενός αρθρωτού βραχίονα [2]. Η δέσµη εστιάζεται σε µια απόσταση, η οποία είναι συνήθως µεταξύ 300 mm και 400 mm από το µικροσκόπιο και αυτό επειδή το εστιακό επίπεδο της δέσµης laser συµπίπτει µε αυτό του µικροσκοπίου. Η διάµετρος της εστιασµένης δέσµης είναι συνήθως της τάξης του 1 mm. Υπάρχουν όµως και περιπτώσεις που απαιτείται µικρός χρόνος για να καλυφθεί µια περιοχή. Σε αυτές τις περιπτώσεις προτιµώνται µεγαλύτερες διάµετροι δέσµης. Αυτό επιτυγχάνεται εύκολα χρησιµοποιώντας ένα διόφθαλµο µικροσκόπιο εστιακής απόστασης 400 nm και ένα φακό εστιακής απόστασης 300 mm [2]. Το µεγάλο ενδιαφέρον για τα χειρουργικά laser διοξειδίου του άνθρακα προέρχεται από την ικανότητα συνεχούς ισχύος, την υψηλή απόδοση και την ευκολία κατασκευής τους. Το σύστηµα laser CO 2 παρουσιάζεται στην εικόνα 2.4. Τρία αέρια (CO 2, Ν 2 και Νe) αναµιγνύονται και τροφοδοτούν ένα σωλήνα. Η ποσότητα του N 2 και του Νe είναι πέντε φορές µεγαλύτερη από την ποσότητα του CO 2. Με έναν καθρέφτη ολικής ανάκλασης στα αριστερά και έναν µερικής ανάκλασης στα δεξιά, η συσκευή γίνεται ένα laser που ακτινοβολεί στις µακρινές υπέρυθρες ακτίνες στα 10.6 µm. Το laser αυτό λειτουργεί συνήθως µε παλµικό τρόπο, µε παλµούς διάρκειας 0.1-1 ms [6]. 12

Εικόνα 2.4 Σύστηµα laser CO 2 [6]. Οι ισχύεις εξόδου των χειρουργικών lasers CO 2 είναι συνήθως 20-40 W, αλλά υπάρχουν και διατάξεις πολύ µεγαλύτερης ισχύος, έως και 100 W. Το laser µπορεί να λειτουργεί µε συνεχή τρόπο ή µπορεί ο χειρούργος, για να πετύχει µεµονωµένους παλµούς ή µια παλµοσειρά, να επιλέξει µια από τις πολλές διάρκειες παλµού, για παράδειγµα 0.1, 0.2, 0.5 ή 1 s [2]. 2.2. TΑ Laser ΙΟΝΤΩΝ Ένα ιοντικό laser είναι ένα laser αερίου που χρησιµοποιεί ιονισµένο αέριο ως µέσο lasing. ηλαδή η δράση laser οφείλεται σε ιόντα. Λόγω του µεγάλου ποσού ενέργειας που απαιτείται για να διεγείρει τις ιοντικές µεταβάσεις που χρησιµοποιούνται στα ιοντικά laser, το ρεύµα που απαιτείται είναι µεγάλο [7]. Τα ιοντικά laser εκπέµπουν µεγάλης ισχύος δέσµη στο ορατό και υπεριώδες (UV) τµήµα του φάσµατος. Αυτά τα laser αποτελούνται από ένα σωλήνα πλάσµατος και καθρέφτες. Το σωλήνα πλάσµατος γεµίζουν τα ιονισµένα αέρια. Όταν εφαρµόζεται ηλεκτρική τάση, η ακτινοβολία εκπέµπεται στο σωλήνα. Τα άκρα του σωλήνα είναι είτε δύο Brewster παράθυρα, είτε ένα παράθυρο Brewster και ένας καθρέφτης. Η διάταξη αυτή αναφέρεται ως οπτική κοιλότητα. Η εκπεµπόµενη ακτινοβολία είναι µεγάλης ισχύος, χαρακτηριστικά 1 mw-10 W [8]. 13

Υπάρχουν δυο τύποι ιοντικών laser, οι οποίοι εξαρτώνται από το είδος ενεργού αερίου που βρίσκεται στο σωλήνα πλάσµατος, το αργό και το κρυπτό. Το laser ιόντων αργού µπορεί να έχει διάφορα µήκη κύµατος στη µπλε και πράσινη περιοχή του ορατού φάσµατος ενώ το laser κρυπτού µπορεί να έχει µήκη κύµατος και στην κόκκινη περιοχή του φάσµατος [8]. Τα laser αυτά έχουν υψηλή απολαβή και µπορούν να δώσουν συνεχείς ισχύεις εξόδου εκατοντάδων milliwatts ή και περισσότερο σε µικρή χρονική διάρκεια [9]. 2.2.1 Laser ΑΡΓΟΥ Η πρώτη µετάπτωση laser αργού, ανακοινώθηκε σχεδόν ταυτόχρονα από τον Bridges (1964) και τους Convert et al (1964). Ο Convert et al στην προσπάθειά του να παρατηρήσει µεταπτώσεις laser από ιόντα υδραργύρου παρατήρησε µια µπλε γραµµή laser την οποία απέτυχε να δικαιολογήσει. Αντίθετα ο Bridges, χρησιµοποιώντας ένα παλµικό laser και καθαρό αργό ή αργό και άλλα αέρια ως ενεργό µέσο παρατήρησε δέκα ορατές γραµµές laser, τις οποίες κατάφερε να δικαιολογήσει και να αντιστοιχίσει στις διάφορες µεταπτώσεις laser [2]. Εικόνα 2.5 ιαφορετικά µήκη κύµατος που εκπέµπει το laser αργού [10] Η εικόνα 2.5 δείχνει όλα τα µήκη κύµατος του φωτός που παράγει το laser αργού. Κάθε µήκος κύµατος είναι µια µονοχρωµατική πηγή φωτός και έχει ένα στενό εύρος ζώνης. ύο από τις γραµµές του laser αργού είναι ιδιαίτερα ισχυρές. Στα 488 nm και στα 514.5 nm, στο µπλέ και µπλε-πράσινο τµήµα του φάσµατος αντίστοιχα. 14

Τα κυρίαρχα αυτά µήκη κύµατος παράγουν το 67% της συνολικής ισχύος της ακτίνας [10]. Επειδή και το άνω και το κάτω ενεργειακό επίπεδο laser βρίσκονται αρκετά πάνω από τη βασική ενεργειακή κατάσταση, η κβαντική απόδοση αυτών των δύο µεταπτώσεων είναι χαµηλή. Για να γεµίσουν µε πληθυσµούς τα άνω επίπεδα laser, πρώτα ιονίζεται ένα ουδέτερο άτοµο αργού της βασικής κατάστασης µε ένα ηλεκτρόνιο της ηλεκτρικής εκκένωσης. Αυτό το ιόν είτε παρασύρεται από το ηλεκτρικό πεδίο της εκκένωσης, είτε συγκρούεται µε ένα δεύτερο ηλεκτρόνιο και διεγείρεται σε ένα από τα άνω επίπεδα laser. Αυτή η γρήγορη ελάττωση του πληθυσµού του χαµηλότερου επιπέδου laser οδηγεί τελικά σε αντιστροφή πληθυσµού (εικ. 2.6) [2]. Εποµένως, η διαδικασία διέγερσης του άνω επιπέδου laser γίνεται σε δύο στάδια και ευθύνεται για την εξάρτηση που υπάρχει µεταξύ της ισχύος εξόδου του laser αργού και του ρεύµατος της ηλεκτρικής εκκένωσης [2]. Εικόνα 2.6 Ενεργειακό διάγραµµα των βασικών µεταπτώσεων του laser ιόντων αργού [2]. 15

2.2.1.1 Μηχανολογική Σχεδίαση Οι υψηλότερες ισχύεις επιτυγχάνονται µε υψηλά ρεύµατα και σωλήνες αερίου µε µικρή διάµετρο, επειδή τα συστήµατα laser αργού παρουσιάζουν µια έντονη εξάρτηση από το ρεύµα. Συνήθως, ένας σωλήνας laser αργού από χαλαζία έχει µήκος 250-400 mm και διάµετρο 1.6-2.8 mm, πίεση λειτουργίας 0.2-0.7 Torr, διεγείρεται από πυκνότητα ρεύµατος 100-500 Α, ² cm σε ρεύµα µέχρι και 30 Α, µε απόδοση λειτουργίας του συστήµατος της τάξης του 0.1% [2]. Η θερµική αγωγιµότητα του χαλαζία είναι πολύ χαµηλή για να επιτρέψει τη διάχυση της θερµότητας αποδοτικά στα υψηλά ρεύµατα και γι αυτό χρησιµοποιούνται πλέον εναλλακτικά υλικά κατασκευής σωλήνων laser αργού. υο από τα υλικά αυτά είναι ο γραφίτης που χρησιµοποιείται µε επιτυχία, αλλά είναι ευαίσθητος στις απότοµες αλλαγές της θερµοκρασίας και το οξείδιο του βηρυλλίου που είναι πιο ανθεκτικό. Επειδή η ηλεκτρική εκκένωση επιτρέπει την εφαρµογή µεγαλύτερων ρευµάτων εκκένωσης, χωρίς να οδηγεί σε καταστροφή των τοιχωµάτων του σωλήνα, η ισχύς αυξάνεται σηµαντικά. Ωστόσο, η µέγιστη ισχύς επιτυγχάνεται για συγκεκριµένες παραµέτρους ηλεκτρικής εκκένωσης, ρεύµατος και πίεσης [2]. Ο λεπτοµερής µηχανισµός του laser αργού είναι περίπλοκος. Βασικό χαρακτηριστικό είναι ότι υπάρχει ένας σωλήνας παράλληλος προς το σωλήνα του laser, o οποίος συνδέει την περιοχή της ανόδου µε τη περιοχή της καθόδου. Ο σωλήνας laser έχει µεγάλη διάµετρο και είναι χωρισµένος σε επιµέρους τµήµατα σε όλο του το µήκος του, µε µεταλλικούς δίσκους. Οι οπές κατέχουν επίσης βασικό ρόλο στον µηχανισµό αυτό. Η κεντρική οπή σε κάθε δίσκο επιτρέπει τη διέλευση της ηλεκτρικής εκκένωσης του laser, ενώ οι περιφερειακές οπές επιτρέπουν την τοπική κυκλοφορία του αερίου. Η σταθερή απώλεια του αερίου από το σύστηµα αποτελεί συνέπεια του συνεχούς βοµβαρδισµού των τοιχωµάτων του σωλήνα από τα ιόντα του αργού. Η απώλεια αυτή µπορεί να αντιµετωπιστεί µε την παρουσία µιας δεξαµενής, που περιέχει εφεδρικό αέριο. Το αέριο αυτό µπορεί να χρησιµοποιηθεί για τη συµπλήρωση του αρχικού αερίου, ελεγχόµενο από έναν αισθητήρα πίεσης και µία βαλβίδα (εικ. 2.7) [2]. 16

Εικόνα 2.7 Σχηµατικό διάγραµµα του laser αργού [2]. 2.2.1.2 Το laser αργού ως χειρουργικό εργαλείο Το laser αργού χρησιµοποιείται σε διάφορους τοµείς της ιατρικής, µε σηµαντικότερο αυτόν της οφθαλµολογίας. Το laser αυτό αποτελείται από δύο καθρέφτες. Ο ένας είναι πλήρως ανακλαστικός και ο άλλος είναι µερικώς ανακλαστικός καθρέφτης. Η γωνία Brewster, η οποία τοποθετείται και στις δύο άκρες του σωλήνα, ελαχιστοποιεί την αντανάκλαση δηµιουργώντας µια πολωµένη ακτίνα. Όταν το laser τίθεται σε λειτουργία, µια καθυστέρηση επιτρέπει τη σταθεροποίηση θερµοκρασίας. Ένας παλµός υψηλής τάσης (συνεχές ρεύµα 8 KV) ιονίζει το αέριο αργού, ενώ ένα υψηλό συνεχές ρεύµα (45 Α) κρατά το αέριο ιονισµένο [11]. Τα χειρουργικά laser αργού λειτουργούν στην περιοχή των 3-5 W και η ισχύς τους παρέχεται σε προκαθορισµένης διάρκειας παλµούς που κυµαίνονται στην περιοχή των 0.1-10 sec [2]. 2.2.2 Laser Κρυπτού Το άλλο γνωστό χειρουργικό laser ιόντων είναι το laser κρυπτού, το οποίο έχει δυο ισχυρές γραµµές στο ορατό µέρος του φάσµατος, στα 568 nm (κίτρινο) και 647 nm (κόκκινο). Το laser κρυπτού χρησιµοποιείται ευρύτατα στην οφθαλµολογία, αλλά επίσης, µε βάση το φθορισµό του φαρµάκου HPD (Hydroxyphenylpyruvate 17

Dioxygenase, παράγωγο αιµατοπορφυρίνης) οι ιώδεις γραµµές του χρησιµοποιούνται στον εντοπισµό ιστών που περιέχουν HPD. Όσον αφορά την κατασκευή τους, οι ίδιοι σωλήνες laser µπορούν να χρησιµοποιηθούν και για τα δύο είδη laser, καθώς τα χαρακτηριστικά της ηλεκτρικής εκκένωσης του laser κρυπτού είναι όµοια µε αυτά του laser αργού [2]. Το laser κρυπτού παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον όταν αναµιγνύεται το κρυπτό µε το αργό, για τη δηµιουργία των "white-light" laser δηλαδή laser µε µήκος κύµατος παραγωγής που εµφανίζεται ως άσπρο φως. Τα laser κρυπτού χρησιµοποιούνται επίσης στην ιατρική για την πήξη του αµφιβληστροειδή όπως και για την κατασκευή ασφαλών ολογραµµάτων. Τα lasers κρυπτού εκπέµπουν σε διάφορα µήκη κύµατος του ορατού φάσµατος: στα 406,7 nm, 413,1 nm, 415.4 nm, 468,0 nm, 476,2 nm, 482,5 nm 520,8 nm, 530,9 nm, 568,2 nm, 647,1 nm, 676,4 nm [7]. 2.3. ΤΟ Laser Nd-YAG Το πιο ισχυρό χειρουργικό laser είναι το Nd-YAG. Σε σύγκριση µε άλλα συστήµατα, η διάταξη αυτή έχει απαιτήσεις υψηλής ισχύος, γιατί η δέσµη laser διαχέεται µέσα στον ιστό και εποµένως είναι απαραίτητη µια σχετικά υψηλή ισχύς ώστε να επιτευχθεί φωτοπηξία. Ενεργό υλικό του laser Nd-YAG είναι ένας κρύσταλλος. Ο κρύσταλλος ο οποίος έδωσε την πιο καλή λειτουργία laser είναι το αργυλικό ύτριο, αν και τα ιόντα του νεοδυµίου χρησιµοποιήθηκαν µε επιτυχία µε τη µορφή προσµίξεων σε διάφορα κρυσταλλικά υλικά [2]. Το ιόν του νεοδυµίου διεγείρεται µε έντονη ακτινοβολία, η οποία απορροφάται από 4 ζώνες απορρόφησης, µεταξύ 570 και 900 nm. Το ιόν στη συνέχεια αποδιεγείρεται και παράγει ακτινοβολία σε τρία διαφορετικά µήκη κύµατος, στα 0.9, 1.06 και 1.35 µm, µε τη γραµµή 1.06 να είναι η πιο ισχυρή (εικ. 2.8) [2]. 18

Εικόνα 2.8 Ενεργειακό διάγραµµα των µεταπτώσεων laser του Nd-YAG [2]. Για την κατασκευή του laser Nd-YAG έχουν χρησιµοποιηθεί διάφορες γεωµετρίες ανακλαστήρων. Μια από τις πιο απλές είναι η χρήση ενός ελλειπτικού ανακλαστήρα που περιβάλλει την αντλούσα λυχνία και τη ράβδο Nd-YAG κατά τέτοιο τρόπο, ώστε η λυχνία και ο κρύσταλλος laser να βρίσκονται στις δυο εστίες της έλλειψης αντίστοιχα (εικ. 2.9). Η συνηθέστερη λυχνία που χρησιµοποιείται είναι η λυχνία κρυπτού [12]. Εικόνα 2.9 Laser Nd-YAG [12]. 19

Το σηµαντικότερο χαρακτηριστικό της διάταξης αυτής είναι το σύστηµα ψύξης που χρησιµοποιείται. Η ράβδος laser ψύχεται µε απιονισµένο νερό εξαλείφοντας κατά αυτόν τον τρόπο κάθε πιθανότητα καταστροφής της ράβδου λόγω υπερθέρµανσής. Τα άκρα της ράβδου είναι καλυµµένα µε ανακλαστικές επιστρώσεις που περιορίζουν τις απώλειες. Τα κάτοπτρα των πολλαπλών επιστρώσεων που χρησιµοποιούνται είναι το ένα πλήρως ανακλαστικό και το άλλο έχει µια αισθητά χαµηλότερη ανακλαστικότητα [12]. Εικόνα 2.10 Σχηµατική αναπαράσταση του laser Nd-YAG [13]. Η ύπαρξη των Nd-YAG lasers είναι πολύ σηµαντική, επειδή τα lasers αυτά µπορούν να χρησιµοποιηθούν για να παράγουν πολύ υψηλές ισχύεις. Τέτοιου είδους laser έχουν κατασκευαστεί για να παράγουν συνεχή ακτινοβολία laser στα 1064 nm, ενώ µπορούν ακόµη να επιτύχουν πολύ υψηλές ισχύεις µε παλµικό τρόπο [13]. Το διακοπτόµενου Q σύστηµα laser Nd:YAG παράγει παλµούς 10 ns µε µέγιστο ρυθµό επανάληψης 30 Hz. Η ενέργεια του παλµού είναι 600 mj στα 1.064 µm. Η οπτική συχνότητα µπορεί να διπλασιαστεί για να παράγει το δεύτερο αρµονικό πράσινο φως (µήκος κύµατος 532 nm) [14]. Για τις κινητές εφαρµογές, το µέγεθος και το βάρος των συστηµάτων laser είναι σηµαντικά. Το laser πρέπει να είναι σε θέση να παραγάγει διακοπτόµενου Q λειτουργία και υψηλή φωτεινότητα. Οι ράβδοι µε υψηλή συγκέντρωση υλικού πρόσµιξης, 1.0-1.2 % Nd, χρησιµοποιούνται για να επιτύχουν καλύτερη απόδοση [15]. Η επιλογή της κατάλληλης συγκέντρωσης υλικού πρόσµιξης είναι κρίσιµη για τη λειτουργία του συστήµατος. Γενικά, οι βέλτιστες ράβδοι laser για τέτοια συστήµατα έχουν συγκεντρώσεις Nd της τάξης 0.5-0.8 %. Η τελική επιλογή είναι 20

βασισµένη σε πολλούς παράγοντες σχεδιασµού του συστήµατος όπως ο λαµπτήρας, η πόλωση, η απόκλιση των ακτινών, κ.λπ. [15]. Το laser Nd-YAG χρησιµοποιεί ένα σύστηµα µεταφοράς δέσµης από οπτική ίνα. Μέσω της οπτικής ίνας που έχει διάµετρο 400 µm περίπου οδηγείται η δέσµη εξόδου χρησιµοποιώντας ένα φακό µε αντιανακλαστικές επιστρώσεις. Επίσης, η οπτική ίνα µπορεί να συνδεθεί µε ένα ενδοσκόπιο και έτσι η θεραπεία µπορεί να ακολουθήσει αµέσως τη διάγνωση. Η ισχύς δίνεται µε τη µορφή παλµών, διάρκειας 0.1 s [2]. Η ενέργεια laser Nd:YAG µπορεί να διαβιβαστεί µέσω της οπτικής ίνας, κάτι το οποίο διευκολύνει τη χρήση του στους τοµείς δύσκολης πρόσβασης. Το γεγονός αυτό µετατρέπει το laser Nd:YAG σε χρήσιµο εργαλείο για την ορθοδοντική και περιοδοντική θεραπεία, βελτιώνοντας τα αποτελέσµατα των συµβατικών τεχνικών. Χρησιµοποιείται επίσης σε ορισµένες διαδικασίες στον τοµέα της χειρουργικής επέµβασης, βασικά για την αφαίρεση των µαλακών ιστών [16]. Τα laser Nd:YAG λειτουργούν είτε µε συνεχή είτε µε παλµικό τρόπο. Το µήκος κύµατος που παράγουν είναι στα 1064 nm και είναι διαθέσιµα από µερικά milliwatts έως ένα kilowatt σε ισχύ [17]. 2.4. Lasers ΑΤΜΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ Τα πιο γνωστά από τα διάφορα lasers ατµών µετάλλων είναι το cw laser He- Cd στα 442 nm που παράγει µια µπλε δέσµη και το cw laser He-Se µε διαφορετικά µήκη κύµατος στο µπλε και πράσινο τµήµα του φάσµατος. Επειδή όµως, τα lasers αυτά δεν µπόρεσαν να επιτύχουν υψηλές ισχύεις εξόδου, τη θέση τους διαδέχθηκε µια άλλη κατηγορία lasers ατµών µετάλλων, τα παλµικά lasers ατµών µετάλλων ή lasers επαναλαµβανόµενων παλµών [2]. Ένα laser επαναλαµβανόµενων παλµών ατµών µετάλλου ανακοινώθηκε για πρώτη φορά από τους Walter et al και είχε µέση ισχύ στα 20 mw. Ωστόσο, το πιο επιτυχηµένο laser αυτής της κατηγορίας είναι το laser ατµών χαλκού, µε έξοδο laser στα 510 nm και στα 578 nm. Το ενεργειακό διάγραµµα του laser ατµών χαλκού φαίνεται στην εικόνα 2.11, όπου τα άνω επίπεδα laser βρίσκονται κοντά στη βασική κατάσταση, ενώ τα κατώτερα επίπεδα laser είναι µετασταθή. Κατά τη διάρκεια της ηλεκτρικής εκκένωσης δεν παράγεται άλλη ακτινοβολία laser, επειδή η αύξηση των µετασταθών πληθυσµών διακόπτει τη λειτουργία laser. Αυτό οφείλεται στο ότι τα 21

άνω επίπεδα laser επιτυγχάνουν αντιστροφή πληθυσµών καθώς γεµίζουν µε πληθυσµούς µέσω ηλεκτρονικών διεγέρσεων, όµως δεν αποδιεγείρονται και τα διηγερµένα άτοµα τώρα γίνονται µετασταθή. Ο µόνος τρόπος για να επιστρέψουν στη βασική κατάσταση είναι να µεταφέρουν την πρόσθετη ενέργειά τους µέσω συγκρούσεων και η αποδιέγερση αυτή πραγµατοποιείται σε 25 µs περίπου. Για να επιτευχθεί η επιθυµητή αντιστροφή πληθυσµών το ρεύµα πρέπει να αυξάνεται πάρα πολύ γρήγορα και να φθάσει περίπου 1 ka [2]. Εικόνα 2.11 Ενεργειακό διάγραµµα των µεταπτώσεων του laser ατµών χαλκού [2]. Ένα χαρακτηριστικό laser ατµών χαλκού λειτουργεί µε επαναληπτικότητα παλµών περίπου 4-6 khz. Οι παλµοί αυτοί έχουν διάρκεια 20-40 ns και προέρχονται [2]. ¹ cm από ένα σύστηµα που εµφανίζει απολαβή έως και 0.2 Αρχικά, για να δηµιουργηθεί η ηλεκτρική εκκένωση, ο µεταλλικός χαλκός βρισκόταν σ ένα σωλήνα φτιαγµένο από οξείδιο του αργυλίου, ο οποίος περιείχε ήλιο πίεσης µερικών Torr. Ένα άλλο χαρακτηριστικό της πρώτης αυτής σχεδίασης ήταν ότι ο χαλκός θερµαινόταν από ένα φούρνο, ο οποίος περιέβαλε το σωλήνα του laser. Αργότερα χρησιµοποιήθηκαν και άλλα αέρια αντί του ηλίου, συνήθως νέον σε υψηλότερες πιέσεις. Στην εικόνα 2.12 φαίνονται τα χαρακτηριστικά ενός σύγχρονου laser ατµών χαλκού το οποίο επιτυγχάνει ισχύ εξόδου 40 W, µε σηµαντικότερο χαρακτηριστικό τη διάµετρο της δέσµης του (25-60 mm). Αν και στα περισσότερα 22

lasers αερίων είναι απαραίτητη µια µικρή διάµετρος σωλήνα ηλεκτρικής εκκένωσης, στην περίπτωση του laser ατµών χαλκού χρησιµοποιείται ένας σωλήνας µεγάλης διαµέτρου, για να αυξηθεί η διαθέσιµη ισχύς [2]. Εικόνα 2.12 Σχηµατικό διάγραµµα του laser ατµών χαλκού και της πηγής τροφοδοσίας παλµών υψηλής τάσης [3]. Το σηµαντικό χαρακτηριστικό του laser ατµών χαλκού, είναι ότι µπορεί να χρησιµοποιηθεί ως πηγή άντλησης. Από την άλλη, η υψηλή µέση ισχύς που προσφέρει στη µπλε-πράσινη και κίτρινη περιοχή του φάσµατος, το καθιστά ένα από τα σηµαντικότερα lasers στον τοµέα της χειρουργικής. Για παράδειγµα, η κίτρινη γραµµή του laser ατµών χαλκού συµπίπτει µε τη µέγιστη απορρόφηση της αιµοσφαιρίνης, κάτι που έχει αποδειχθεί χρήσιµο στη δερµατολογία και επίσης στην οφθαλµολογία [2]. Επίσης, υπάρχουν πολλά άλλα µέταλλα που µπορούν να χρησιµοποιηθούν ως ενεργά στοιχεία σε lasers επαναλαµβανόµενων ηλεκτρικών εκκενώσεων ατµών µετάλλων. Το πιο ενδιαφέρον από αυτά είναι ο χρυσός, ο οποίος δίνει ακτινοβολία laser στα 627.8 nm, µε σηµαντικότερο χαρακτηριστικό τη χρήση του στη φωτοδυναµική θεραπεία [2]. Σε εµπορική µορφή υπάρχουν διάφορα lasers ατµών χρυσού. Τα σηµαντικότερα είναι lasers χρυσού µε µέση ισχύ εξόδου 1.5 W, που λειτουργούν από τροφοδοσία 220 V, καθώς και lasers που δίνουν τουλάχιστον 10 W µέση ισχύ εξόδου και έχουν αρκετά πλεονεκτήµατα µεταξύ των οποίων είναι η τιµή τους, η αξιοπιστία τους και η ευκολία της συντήρησής τους [2]. 23