ÚVOD Laser sa v dnešnej dobe využíva v rôznych oblastiach ľudskej činnosti, vo vede, technike, strojárenstve, biológii, geodézii, holografii, medicíne atď. Za štvrťstoročie sa stal z laboratórneho systému jeden z najperspektívnejších vynálezov tohoto storočia. Názov je tvorený prvými písmenami slov popisujúcich jeho činnosť - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - zosilovanie svetla pomocou stimulovanej emisie svetla. Možnosť získania stimulovanej emisie svetla predpovedal už v roku 1917 Einstein. V USA v roku 1960 bol zostrojený Maimanom prvý laser, na základe priekopníckych prác sovietskych vedcov Basova, Prochorova a amerického fyzika Townesa z roku 1957-58. Konštruktérom prvého lasera bola udelená v roku 1964 Nobelova cena. Maimanov laser bol impulzný (tuholátkový-rubínový) laser avšak o necelý rok neskôr bol spustený prvý kontinuálny (plynový-he-ne) laser. Okrem plynových a pevnolátkových laserov poznáme aj rôzne iné ako napr. polovodičové, kvapalné, chemické. Napriek tomu, že história lasera v medicíne je krátka - okolo 30 rokov, využívanie svetla v medicíne má dlhú históriu. Starý Egypťania žijúci pred štyritisíc rokmi boli prví, u ktorých sa našli dokumenty o využívaní slnečného žiarenia na liečenie chorôb pokožky. Až v 19. storočí sa opäť ľudstvo vrátilo k využívaniu svetla na liečenie krivice, tuberkulózy a pokožky. V tomto storočí Dr. Niels Ryberg, dánsky vedec a lekár, využil umelé svetlo na terapeutické účely. Založil inštitút svetla v Kopenhagu. Využitie lasera v lekárstve sa začalo deväť rokov po jeho zostrojení. Ako priekopník v laseroterapii sa považuje Dr. Endre Mester z Maďarska. Dr. Mester v roku 1969 použil laserové žiarenie malého výkonu na biostimuláciu biologických premien. Odvtedy sa svetelná terapia nízkovýkonného laserového žiarenia nazýva z angličtiny Low Level Laser Therapy (LLLT) - nízkoúrovňová laserová terapia. Ďalšie používané termíny sú laseroterapia a biostimulácia laserom. Bolo publikovaných veľa prác na tému využitia lasera v rôznych oblastiach medicíny, ktoré ukázali, že liečba nízkovýkonným laserom je bezpečným a účinným spôsobom liečenia pre jeho analgetický, antiflogistický a biostimulačný efekt. Okrem nízkofrekvenčných laserov sa v lekárstve využívajú aj lasery s vysokým výkonom, najmä v oblasti chirurgie. Už v roku 1962 bol laser s vysokým výkonom využitý k operáciu na sietnici. Takýto laser produkujúci vysokovýkonné svetelné žiarenie sa nazýva tvrdý laser (hard laser). Naopak nízkovýkonový laser sa volá mäkký (soft laser), alebo tiež biostimulačný laser. V západných krajinách sa lasery stali neoddeliteľnou súčasťou vybavenia odborných ale i praktických ambulancií. Tento trend nastúpil i u našich susedov v Českej republike, kde v posledných dvoch rokov došlo k výraznému rozšíreniu laserov v medicíne. Príčinou zaostávania využitia laserov v medicíne SR je nižšia miera informovanosti odbornej verejnosti, ako i nízky stupeň privatizácie zdravotníckych zariadení. Napriek tomu môžeme pozorovať i u nás rozmach laserov v zdravotníctve najmä vďaka pokroku v oblasti modernej technológie vo výrobe laserových diód. Vďaka tomu sú cenovo dostupné do každej ambulancie.
Trend vo vývoji laserov smeruje od plynových k polovodičovým a tuholátkovým typom, hlavne pre ich výrazne väčšiu životnosť, nižšiu cenu, širokú paletu vlnových dĺžok, dostatočnú koherentnosť, miniaturizáciu a nízke napájacie napätie umožňujúce vyššiu komfortnosť a bezpečnosť pri práci. ZÁKLADNÉ POJMY Svetlo Svetlo je jedným z rôznych typov elektromagnetických vĺn, podobne ako napr. rádiové vlny alebo röntgenové žiarenie. Vo fyzike sa svetlo popisuje pomocou vlnovej a časticovej teórie, pričom obe tieto teórie sa navzájom dopĺňajú. frekvencia ν vlnová dlžka λ rýchlost šírenia sa Svetlo ako vlnenie, vlnová dĺžka Vlnový princíp hovorí, že svetlo sa šíri v priestore ako vlna, podobne ako zvuk. V prípade svetla ide však o kmity elektromagnetického poľa a nie o šírenie tlakových vĺn ako je to pri zvuku, preto sa svetlo môže šíriť aj vo vákuu, zatiaľčo šírenie zvuku je obmedzené na hmotné prostredia. Elektromagnetické vlnenie môžeme charakterizovať amplitúdou (výškou vlny) a frekvenciou ν, ktorá udáva počet zmien (kmitov) intenzity elektrického a magnetického poľa za sekundu. V prípade svetla je praktické používať namiesto frekvencie vlnovú dĺžku (λ), čo je geometrická vzdialenosť medzi maximami šíriacej sa svetelnej vlny. Platí, že λ=c/ν, kde c = 3.10 8 m.s -1 je rýchlosť šírenia sa svetla vo vákuu Vlnová dĺžka svetla sa meria v nanometroch (1nm = 10-9 m = 0,000 000 001 m) alebo v mikrometroch (1 μm = 10-6 m = 0,000 001 m). Rôzne vlnové dĺžky viditeľného svetla vnímame ako rôzne farby (viď obr.2). Viditeľné svetlo je elektromagnetické vlnenie s vlnovými dĺžkami od 430 nm (fialové svetlo) až po 720 nm (červené svetlo). Dlhšiu vlnovú dĺžku majú infračervené (IČ) - tepelné žiarenie, milimetrové vlny, centimetrové, decimetrové, televízne a rádiové vlny. Naopak, kratšie vlnové dĺžky majú ultrafialové (UV), röntgenové, žiarenie gama a kozmické žiarenie. Celý rozsah elektromagnetických vĺn v závislosti na vlnovej dĺžke sa označuje ako spektrum elektromagnetického žiarenia. Svetlom nazývame okom viditeľné elektromagnetické žiarenie spolu s blízkym ultrafialovým (100 nm - 430 nm), a infračerveným (720 nm - 1000 nm) žiarením. Slnečné svetlo alebo svetlo z bežných svetelných zdrojov (napr. zo žiarovky), ktoré je zmesou všetkých vlnových dĺžok (farieb), nazývame biele svetlo. Optickým hranolom sa dá rozložiť na spektrum farieb (podobne na kvapkách vody vzniká dúha).
km rádiové vlny λ [nm] 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 blízke infračervené č ervené oranžové žlté zelené modré fialové blízke ultrafialové m cm mm μm nm milimetrové a centimetrové vlny Infračervené žiarenie Svetlo Ultrafialové žiarenie Rontgenové žiarenie žiarenie gama kozmické žiarenie Svetlo ako zväzok častíc, energia svetla Svetlo sa dá popísať aj ako zväzok svetelných energetických kvánt - fotónov. Každý fotón je charakterizovaný energiou E f, ktorá je nepriamo úmerná jeho vlnovej dĺžke E f ~ 1 λ a pre fotóny jednej vlnovej dĺžky je vždy rovnaká. Ako to vyplýva z predchádzajúceho vzťahu, prenášaná energia je tým väčšia, čím je kratšia vlnová dĺžka. Napríklad fotón ultrafialového svetla s λ=300 nm má 2x menšiu vlnovú dĺžku a teda 2x väčšiu energiu ako fotón svetla červeného s λ=600 nm. Celková energia E vyžiarená vo forme svetla je daná sumou energií všetkých vyžiarených fotónov E f. Znamená to, že pri rovnakej vlnovej dĺžke vyžiari výkonnejší zdroj svetla viac fotónov. Energiu vyjadrujeme v Jouloch (skrátene J).
Optický výkon zdroja svetla Optický výkon zdroja svetla P je veličina charakterizujúca schopnosť zdroja vyžiariť určitou rýchlosťou svetelnú energiu. Je udávaná celkovou energiou E všetkých fotónov vyžiarených za určitý čas (t) P = Výkon žiarenia meriame vo Wattoch (W). Súvis medzi jednotkou energie a výkonu je zrejmý: 1W = 1J / 1s resp. 1J = 1W.1s Intenzita svetla Intenzita svetla I udáva množstvo energie svetelného žiarenia, ktoré prejde za 1 sekundu jednotkovou plochou kolmou na smer šírenia svetla. Jej jednotkou je W/m 2. Pri laserovom zdroji je intenzita svetelného žiarenia v lúči daná podielom optického výkonu lasera a plochy prierezu lúča. Dávka žiarenia Každý laser je charakterizovaný (optickým) výkonom, ktorý je udávaný jeho výrobcom. Účinok laseru na osvetlený predmet však nezávisí len na tomto výkone, ale aj od doby ožarovania a od veľkosti ožarovanej plochy. Preto je užitočné používať veličinu nazývanú dávka žiarenia D, ktorá je definovaná ako Energia absorbovaná v objeme tkaniva E = D S / V čo znamená A Dávka D = I t D = P t/s E t D Pt. = = It. S Intenzita I = P/S Výkon P = E/t Energia E LASER plocha S = 1m 2 čas t = 1s Dávka = vyžarovaný výkon lasera (W). doba ožarovania (s) ožarovaná plocha (cm 2 ) LASER Princíp činnosti laseru spočíva v hromadení energie v atómoch, ktorá sa naraz uvoľní vo forme veľmi intenzívneho lúča. Všetky fotóny v laserovom lúči majú takmer rovnaké charakteristiky, preto sa laserové žiarenie nepodobá na klasické" slnečné či
žiarovkové svetlo, ale skôr sa približuje k vlastnostiam ideálnej svetelnej vlny. Z tohto dôvodu javy vyvolané pri interakcii laserového žiarenia s látkou úzko súvisia so základnými vlastnosťami svetla. Princíp činnosti laseru Atómy a molekuly predstavujú zložité systémy zložené z jadier a elektrónov. Energia častíc tvoriacich tieto systémy môže nadobúdať iba presne určené hodnoty. Tieto hodnoty energií nazývame energetickými hladinami. Systém energetických hladín vytvára energetické spektrum atómu alebo molekuly. Najnižšia hladina - s minimálnou energiou - sa nazýva základná, ostatné sú vzbudené hladiny. Pri prechode atómu alebo molekuly z energeticky vyššej (E n ) na energeticky nižšiu (E n-1 ) hladinu sa vyžiari prebytočná energia vo forme fotónu, ktorého energia (E f ) zodpovedá rozdielu energií oboch hladín: E f = E n - E n-1 ~ 1/λ. Tento proces sa nazýva emisia (vyžiarenie) fotónu. K tomu, aby atóm mohol emitovať, musí najprv energiu prijať (aby sa dostal do energeticky vyššieho - excitovaného tj. vzbudeného stavu). Prijatie energie atómom sa nazýva absorpcia. V energeticky nabitom stave sa atóm alebo molekula nachádza iba krátky čas a potom sa vracia do svojho základného stavu. Tento proces sa nazýva spontánna (samovoľná) emisia. V prípade že je vyžiarenie fotónu podporované inými fotónmi so zodpovedajúcou energiou, hovoríme o stimulovanej (vynútenej) emisií. E i ABSORBCIA SPONTÁNNA EMISIA STIMULOVANÁ EMISIA E i-1 Spontánna a stimulovaná emisia Jadrom laseru môže byť pevná látka, plyn alebo kvapalina, ktorá sa nazýva aktívne prostredie (obr.5). Toto prostredie sa nasycuje energiou intenzívnym čerpaním (ožarovaním výbojkou, iným laserom, prechodom elektrónov t.j. elektrickým prúdom a pod.). Pritom sa atómy vo vnútri laseru dostávajú do vzbudeného stavu a nastáva stimulovaná emisia fotónov. Aby bol tento proces čo najefektívnejší, aktívne prostredie lasera je umiestnené medzi dvomi zrkadlami - v tzv. optickom rezonátore - z ktorých jedno je polopriepustné (odtiaľ vychádza lúč). Fotóny sa od nich odrážajú a pohybujú sa pozdĺž osi rezonátora, čím podporujú emisiu ďalších fotónov v aktívnom prostredí (laserovanie). Sekundárne fotóny majú rovnakú energiu ako pôvodný a sú s ním dokonale synchronizované. Samy opäť vyvolávajú emisiu ďalších a ďalších fotónov
s rovnakými vlastnosťami. Takýmto spôsobom sa svetlo vnútri lasera viacnásobne zosilňuje. Z tohto javu je odvodený aj názov laseru: LASER = Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation - zosilnenie svetla stimulovanou emisiou. Princíp (schéma) laseru. Konečným výsledkom procesu zosilnenia svetla v aktívnom prostredí je teda množstvo zosynchronizovaných - koherentných fotónov. Roviny kmitania všetkých elektromagnetických vĺn pri výstupe z laseru sú pritom rovnobežné, čo znamená že jeho svetlo je polarizované. Všetky vyžiarené fotóny majú naviac skoro rovnakú energiu (čiže aj vlnovú dĺžku), čo znamená že žiarenie laseru je monochromatické (jednofarebné). Keďže sa fotóny pohybujú spoločne v rovnakom smere, lúč z lasera je veľmi úzky na rozdiel od bežných svetelných zdrojov (z ktorých sa žiarenie šíri do všetkých smerov priestoru - ako napr. pri žiarovke). Hovoríme, že laserový lúč má malú priestorovú rozbiehavosť. Vďaka tejto vlastnosti je svetlo vyžarované laserom veľmi intenzívne. Základné vlastnosti laserového žiarenia Koncentrácia veľkej energie v úzkom priestorovom zväzku jedinej čistej farby patria medzi najznámejšie a najočividnejšie vlastnosti laserového žiarenia. Úzky lúč svetla (typický priemer laserových zväzkov je 1-10 mm) ktorý vychádza z lasera sa rozširuje len veľmi málo (typicky 1mm na 1m vzdialenosti od zdroja). Energia sústredená v laserovom zväzku je tak aj pri slabých laseroch niekoľkonásobne vyššia ako energia dopadajúcu na rovnako veľkú plochu zo slnka za jasného slnečného dňa (má vysokú intenzitu). Preto je pri používaní laserov potrebné používať ochranné pomôcky, aby sa predišlo možným neúmyselným zásahom organizmu (najmä ochrana očí pomocou okuliarov zo špeciálnych filtrov). Energia vyžiarená výkonnými lasermi je dostatočná aj na rezanie tkanív a pevných látok. Vysoká smerová a časová stabilita laserového lúča zaručuje dodržanie presných hodnôt výkonu a energií aplikovaných v zvolenom objeme ožarovanej látky. Umožňuje tiež nasmerovať lúč vychádzajúci z laseru do tenkého skleneného resp. kremenného
vlákna, v ktorom sa dá svetlo viesť aj do veľkých vzdialeností a po komplikovanej dráhe. Je to možné z toho dôvodu, že ohnuté sklenené vlákno sa správa ako svetlovod (fotóny vo vlákne sa odrážajú od jeho stien a pokračujú ďalej po vlákne bez rozptýlenia a pohltenia), takže ním je možné osvetľovať alebo sledovať aj ťažko prístupné objekty (napr. pomocou endoskopu). Takáto technológia výrazne uľahčuje manipuláciu, ale aj bezpečnosť pri práci s laserovými zariadeniami, a to najmä v prípade výkonných laserov. Možnosť presného smerovania laserového lúča je možné využiť ďalším spôsobom, a to na postupné rastrovanie povrchu objektu. Okrem diagnostiky sa táto technika používa aj pri biostimulačných laseroch, kde umožňuje vyhnúť sa fyzicky náročnému ožarovaniu väčšieho povrchu postupným prikladaním sondy. Zariadenie ktoré je schopné laserový lúč opakovane vychyľovať sa nazýva skener (z anglického výrazu scan = postupne prehľadávať). Technicky je realizovaný jedným (jednorozmerný s.) alebo dvomi (dvojrozmerný s.) elektromotorčekmi na ktorých je pripevnené a presne nastavené zrkadlo resp. sústava zrkadiel. Pri synchronizovanej rotácií motorov sa potom laserový lúč zrkadlami periodicky vychyľuje. Rýchlosť pohybu motorov zároveň určuje rýchlosť pohybu lúča po povrchu predmetu, ako aj dobu žiarenia na vybranú oblasť povrchu (celkovú dávku pri skenovaní lúčom je možné vypočítať ako podiel výkonu lúča a skenovanej plochy krát čas aplikácie). Poznámka: Pri vedení svetla pomocou vlákna z laserového zdroja nie je možné hovoriť o vláknovom laseri, tento pojem je vyhradený pre špeciálne typy vlákien obohatené o atómy iných prvkov, ktoré pri budení svetlom samy laserujú na inej vlnovej dĺžke a s inými vlastnosťami ako svetlo ktoré do nich vstupuje. Obr. A. Nápis vyrezaný do ľudského vlasu excimérovým laserom (prevzaté z časopisu Laser Focus World).
Monochromatickosť (jednofarebnosť) Ako sme už spomenuli, biele slnečné svetlo sa skladá z vlnení všetkých vlnových dĺžok ( spojité spektrum), zakiaľčo lasery žiaria len na veľmi úzkom intervale vlnových dĺžok (majú tzv. čiarové spektrum). Táto vlastnosť laserového žiarenia sa nazýva monochromatickosť (jednofarebnosť), pričom typická šírka spektrálnej čiary laseru je <1nm. Zmena vlnovej dĺžky na ktorej žiari laserový zdroj sa dá uskutočniť zmenou optických vlastností rezonátoru alebo aktívneho prostredia (čo však je možné len pri niektorých typoch laserov). Monochromatickým laserovým žiarením presne zvolenej vlnovej dĺžky je možné veľmi efektívne a selektívne vzbudiť niektoré typy molekúl a atómov v ožarovanej látke, čo sa úspešne využíva najmä v spektroskopii. Znalosť účinkov žiarenia rôznych vlnových dĺžok na tkanivo je tiež dôležitým predpokladom pre úspešnú aplikáciu laserového žiarenia v biomedicíne, kde sa použitím svetla rozdielnej vlnovej dĺžky môžu v tkanive dosiahnuť rôzne efekty. Napríklad IČ žiarenie erbiového laseru (2,9mm) je možné úspešne využiť najmä na abláciu pevných tkanív (kosti, zuby). Iné využite má blízke IČ žiarenie tuholátkového Nd:YAG laseru (1064nm), ktoré je v tkanive pohlcované málo, preniká až niekoľko mm pod povrch a má najmä tepelné účinky. Preto sa používa ako nástroj pre koaguláciu a pri diagnostike. Ďalším príkladom je UV svetlo excimérových laserov, ktoré je tkanivom pohlcované už v tenkej vrchnej vrstve a je možné ním veľmi presne riadiť abláciu a rezanie (očná chirurgia). Podobne použitie špeciálnych fluorescenčných farbív v minimálne invazívnej fotodynamickej terapii je viazané na znalosti o procesoch prebiehajúcich pri ožiarení daného farbiva svetlom vhodne zvolenej vlnovej dĺžky. Pri hodnotení pôsobenia monochromatického svetla na biologické štruktúry je dôležité si uvedomiť, že všetky primárne akceptory svetelnej energie v tkanivách (hemoglobín, voda, melanín, nukleové kyseliny, membránové bielkoviny, fotoreceptory a pod.) majú absorbčné spektrá pomerne široké (pozri ďalšiu kapitolu Mechanizmy interakcie laserového žiarenia s biologickým materiálom ), a je preto možné ich excitovať svetlom rôznych vlnových dĺžok (aj v rozsahu niekoľkých desiatok nm) s prakticky totožným účinkom na molekulárnej úrovni. Koherentnosť (šírenie vĺn s rovnakou fázou) patrí medzi najvýznamnejšie vlastnosti laserového žiarenia. Zdroj nekoherentného svetla (žiarovka, Slnko) produkuje svetelné vlny vzájomne náhodne posunuté, v laseri vzniká svetelná vlna v ktorej sú všetky fotóny vzájomne zosynchronizované (Obr.6). Preto laserové žiarenie umožňuje skúmať a využívať inak ťažko pozorovateľné javy - ohyb a interferenciu svetla. Podobne ako zvuk, aj svetlo sa ohýba za prekážkou aj do tých smerov kde by podľa geometrických princípov mal nastať tieň. Tento jav je výrazný najmä pri prekážkach zrovnateľných s vlnovou dĺžkou svetla (malé čiastočky, bunky, optické mriežky a pod.). Interferencia je vlastne skladanie vĺn. Prejavuje sa vo forme zvláštnych "pásikavých" obrazov po osvietení predmetu laserovým svetlom. Z tvaru týchto obrázkov a zo vzdialenosti (šírky) pásikov je možné zisťovať tvar a veľkosť rozptyľujúcich centier, ktoré sú inak pozorovateľné len pod mikroskopom. Praktické využitie interferencie je veľmi široké - od diagnostiky biologických materiálov v medicíne a biológii cez analýzu
roztokov v chémii až po priemyselnú kontrolu produktov (diagnostika presnosti plôch, šošoviek, mikroštruktúr a pod.). svetlo nekoherentné koherentné K najzaujímavejším oblastiam využitia koherentného svetla patrí holografia, ktorá umožňuje vytvárať trojrozmerné obrazy metódou rekonštrukcie svetelných vĺn vychádzajúcich z objektu. Na holograme je na rozdiel od fotografie zaznamenaná úplná informácia o prichádzajúcom svetle (t.j. nielen intenzita ale aj fáza vlnenia), takže po presvietení koherentným svetlom vidíme skutočne trojrozmerný obraz (pri zmene polohy hlavy môžeme vidieť objekty aj zboku či zhora, ako by sme sa pohybovali voči skutočným predmetom). Pri použití niekoľkých laserov rôznych farieb sa dajú skonštruovať aj farebné hologramy. Využitie holografie je zatiaľ technicky obmedzené najmä na reklamu a tvorbu optických prvkov (mriežky a pod.), ukazuje však nové smery aj napr. v 3-D lekárskej diagnostike a uchovávaní dát. Pri rozptyle pôvodne vysoko koherentného laserového žiarenia v tak silne rozptyľujúcom prostredí akým je biologické tkanivo dochádza už po niekoľkých milimetroch k mnohonásobným odrazom prenikajúcich lúčov (viď nasledujúcu kapitolu, obr.12), a tým aj k strate pôvodnej koherentnosti žiarenia. Priamy vplyv koherentnosti svetla na bunkové a tkanivové štruktúry ožarované laserom je preto len veľmi obmedzený. Vplyv koherencie ako výnimočnej vlastnosti laserového žiarenia pri terapeutickom účinku je však naozaj reálny vďaka nasledujúcemu mechanizmu: Spektrálna lampa (výbojka), ktorej svetlo má čiarové spekrum podobne ako je to v prípade laseru, je schopná na povrch tkaniva žiariť určitou intenzitou. Táto intenzita sa rovnomerne rozptyľuje v objeme tkaniva a ako uvedieme neskôr, smerom k hlbším vrstvám sa exponenciálne zoslabuje. Na všetky čiastočky tkaniva - bunky, organely, membrány - však pôsobí rovnaká, priemerná hodnota intenzity, ktorá sa v rámci zvoleného objemu prakticky nemení. Takýto typ osvetlenia pôsobí na všetky bunkové systémy konštantne, a preto nemá schopnosť vynútiť v tkanive inú ako adaptačnú odpoveď (čo sa týka reakcií na zmeny intenzity). Na rozdiel od tohto prípadu po prechode koherentného svetla rozptyľujúcim prostredím dochádza k silnej interferencii v rámci ožiareného objemu, a tým aj k veľkým lokálnym zmenám v intenzite žiarenia, ktoré sa pohlcuje rôznymi časťami tkanív, buniek a membrán. Predpokladá sa, že tieto lokálne zmeny intenzity a tým aj lokálnej dávky na bunkovej a subbunkovej úrovni vyvolávajú krátkodobé lokálne zmeny teplôt a tým aj akustických tlakov v tkanive, čo môže mať za následok rozkmitanie príp. až synchronizáciu niektorých vnútrobunkových procesov. Je však treba mať na pamäti, že uvedený mechanizmus je len jedným s niekoľkých
základných mechanizmov účinku svetelného žiarenia na organizmus (viď ďalšiu kapitolu), a teda jeho vplyv na terapeutické pôsobenie laseru sa nedá generalizovať. Polarizácia je ďalšou vlastnosťou laserového svetla. Termín polarizácia znamená, že vlny elektromagnetického poľa kmitajú len v jednej rovine (čo je opak svetla prirodzeného - nepolarizovaného, v ktorom sú roviny kmitania elektromagnetických vĺn orientované náhodne). Pre analytické účely sa polarizácia využíva všade tam kde sa meria úroveň zmien v polarizácii svetla, ako je napr. vyšetrovanie anizotropie látok, optickej aktivity roztokov a pod. Vplyv polarizácie laserového lúča pri biomedicínskych aplikáciách laserov je z dôvodov uvedených v predchádzajúcom odseku pomerne malý. Geometrické vlastnosti a fokusácia laserového lúča Vďaka vysokému stupňu koherencie je možné laserový lúč šošovkou sústrediť (sfokusovať) na mimoriadne malé plochy - dokonca až do rozmerov menších ako 0.001x0.001 mm 2. Pri veľkých výkonoch to znamená koncentráciu takej energie, že je možné svetlom vypáliť otvory do ľubovoľnej látky - aj do skla či diamantu. Oblasť v ktorej nastáva zhustenie svetelnej energie je pritom veľmi ohraničená a preto nedochádza k poškodeniu okolitej látky, čo sa využíva napr. aj v laserovej chirurgii, bezdotykovom značení výrobkov a pod. Pri použití špeciálnych laserov je možné dokonca vyrezávať veľmi presné mechanické súčiastky mikroskopických rozmerov (obr.7), operovať jednotlivé bunky a pod. Na rovnakom jave je založená aj technika kódovania a uchovávania informácií na CD diskoch. Sfokusované zväzky slabších laserov je možné používať napr. ako akupunktúrne ihly. Zmenou veľkosti plochy na ktorú je sfokusovaný laserový lúč môžme ovplyvňovať intenzitu, a teda aj aplikovanú dávku (pri rovnakom čase aplikácie). Ak je výkon laseru konštantný, závisí intenzita svetla nepriamo úmerne od ožiarenej plochy (viď obr.8), preto napr. pri dvojnásobnom zmenšení priemeru sfokusovanej plôšky získame 4x vyššiu lokálnu intenzitu žiarenia (ožiarená plocha sa 4x zmenší). Pri praktickom použití je potrebné z hľadiska určenia výslednej dávky uvážiť najmä nasadenie rôznych typov sond resp. zakončovacích hlavíc (vlákno, kontaktné sondy, sprchové aplikátory, skenery) a voľbu doby aplikácie. Vzhľadom k vysokej odrazivosti povrchu kože pre vlnové dĺžky nad 500 nm je optimálne používať pre dosiahnutie vysokého prieniku laserového žiarenia do tkaniva kontaktné sondy.
Základné typy laserov Delenie podľa typu aktívneho prostredia Vlastnosti aktívneho prostredia do veľkej miery určujú vlastnosti na nich postaveného laseru, a to najmä vlnovú dĺžku a režim vyžarovania. Ak je aktívnym prostredím pevná látka, hovoríme o tzv. tuholátkových (Solid State) laseroch, v prípade plynného aktívneho prostredia o plynových (Gas) laseroch, v prípade kvapaliny o kvapalinových - farbivových (Dye) laseroch. V prípade že je aktívnym prostredím polovodič (dióda) hovoríme o diódových laseroch. Technológia laserových diód je v podstate vylepšenou modifikáciou svetlo vyžarujúcich diód (LED diód - Light emiting Diode), ktoré na rozdiel od laserových diód nemajú rezonátor a preto ich svetlo nemá také presné charakteristiky ako svetlo laserové. Prehľad niektorých typov laserov môžete nájsť v tabuľke [tab.1]. Grafické znázornenie oblastí vyžarovania základných typov laserov je na obr. č.2. Delenie podľa spôsobu vyžarovania nahromadenej energie V spojitých laseroch (CW - continuous wave) je energia nahromadená v aktívnom prostredí uvoľňovaná priebežne a laser svieti spojitým, neprerušovaným svetlom. Základnou charakteristikou takýchto laserov je (stredný optický) výkon P, t.j. množstvo vyžiarenej energie za sekundu. V impulzných laseroch je energia uvoľnená vo forme impulzu, pri ktorom sa aktívne prostredie vysvieti, a musí sa určitý čas znovu nabíjať aby mohlo dôjsť k ďalšiemu impulzu (tento proces je vo väčšine prípadov elektronicky riadený). Pri impulznom režime sú dôležité tri parametre lasera, a to energia impulzu E i (množstvo energie v 1 impulze, udávané v J ), dĺžka impulzu t i (čas jeho trvania, udávaný v ns až ms) a frekvencia opakovania impulzov f rep, ktorá je udávaná v jednotkách zvaných Hertz (Hz = s -1 ), čo znamená počet impulzov za 1 sekundu. Stredný výkon impulzného laseru P, ktorý je potrebný vedieť k výpočtu potrebnej dávky žiarenia, môžeme vypočítať ako P = E i. f rep Špičkový výkon v impulze P i je určený podielom energie impulzu a jeho dĺžky E i / t i. Frekvencie opakovania impulzov s ktorými sa najčastejšie stretávame v biomedicínskych aplikáciách sa pohybujú od 1 Hz do 10 000 Hz. Dĺžka impulzov súčasných komerčne dostupných laserov dosahuje od niekoľkých ps (10-12 s) až po niekoľko ms (10-3 s ). Špičková intenzita v ultrakrátkych impulzoch môže byť pritom až niekoľkomiliónkrát vyššia ako stredná intenzita laseru.
Obr.2. Základné typy laserov a ich vlnových dĺžok Typ laseru Typ aktívneho Vlnová dĺžka v Farba svetla prostredia nanometroch CO 2 plyn 10 600 IČ (zmes plynov) YAG:Er pevná látka 2940 IČ YSGC:Er YAG:Ho YAG:Nd 2790 2140 1064/1320 Polovodičové polovodič 635-1500 viditeľné do IČ (napr. GaAs) 904 Rubínový pevná látka 694 tmavočervená Helium-neónový plyn 540 632,8 1150 aj 3390 zelená jasnočervená IČ Farbivový kvapalina 350-950 od UV do IČ (preladiteľný) Na parách kovov plyn viditeľné - napr. zlata, medi 628,3 511/578 červená zelená/žltá nebeská/zelená Argónový plyn 488/514 UV, modrozelené Excimérové: ArF KrF XeCl XeF plyn (zmes plynov) 193 249 308 351 Tab. 1. Charakteristiky niektorých základných typov laserov
Ak sa intenzita pôvodne spojitého lúča periodicky ovplyvňuje (zmenou čerpania alebo optických vlastností rezonátoru), hovoríme o modulácií laserového žiarenia. Je to vlastne špeciálny typ impulzného režimu, pri ktorom impulzy na seba priamo nadväzujú. V prípade diódových laserov je modulácia riadená periodickou zmenou privádzaného elektrického prúdu. Pri modulovanom režime žiarenia laseru sú dôležité charakteristiky stredný výkon P, frekvencia modulácie f m (počet modulačných cyklov za 1s, ekvivalent frekvencie impulzov), a amplitúda modulácie A m (najväčšia zmena intenzity oproti strednej hodnote). Impulzný alebo modulovaný spôsob práce laseru je výhodný najmä v prípade, ak je potrebné na jednotku objemu ožarovanej látky pôsobiť väčšou svetelnou intenzitou. Predpokladajme že dva lasery majú rovnaký priemerný výkon, pričom prvý je spojitý a druhý impulzný. Z obrázku je zrejmé, že laser pracujúci v impulznom režime umožňuje dosiahnuť väčší špičkový výkon - a teda aj intenzitu (aj keď len počas trvania impulzov), ako laser v spojitom režime, pričom sumárna energia absorbovaná ožarovanou látkou je rovnaká. Čím sú impulzy pri rovnakom strednom výkone kratšie (samozrejme ak sa nemení ich frekvencia), tým je ich špičková intenzita vyššia. Ukazuje sa, že biologické systémy ľahšie znášajú vplyv modulovaných, ale najmä impulzných laserov, pri ktorých je možné aplikovať aj veľmi vysoké špičkové intenzity ožarovania s menším rizikom poškodenia buniek alebo v nich prebiehajúcich biochemických procesov (vďaka tomu, že celková aplikovaná energia je pomerne malá). Samozrejme, že tento princíp nie je možné úplne zovšeobecniť, pretože nasadenie určitého typu laseru závisí od cieľa ktorý jeho aplikáciou chceme dosiahnuť. Delenie laserov v medicíne podľa výkonu 1. lasery nízkeho výkonu, od 1 do 6 mw - soft (mäkké) lasery 2. lasery stredného výkonu, od 7 do 500 mw - mid lasery 3. lasery veľkého výkonu, viac ako 500 mw - hard (tvrdé) lasery Mäkké a stredné lasery sa radia do skupiny biostimulačných laserov. Tento názov majú pre biostimulačný efekt, ku ktorému dochádza pri týchto výkonoch žiarenia. Väčšinou sú pre biostimulačné účely využívané lasery s výkonmi do 50 mw. Na určenie efektu ktorý sa dosiahne ožarovaním je dôležité poznať dávku žiarenia absorbovanú objemom tkaniva (t.j. aj dobu ožarovania, veľkosť ožarovanej plochy a optické vlastnosti tkaniva) a nie len výkon laseru.
Soft lasery sa využívajú na analgéziu, biostimuláciu, laseropunkturu, v kozmetike a pod. Nižšie výkony mid laserov (do 50 mw) nachádzajú použitie v laseropunktúre, pri problémoch a poruchách kĺbov, svalov. Menej sa využívajú na liečenie rán. Vyššie výkony mid laserov a hard lasery sa používajú ako operačné lasery alebo v stomatológii, kvôli schopnosti vŕtania a odstraňovania tkaniva.
MECHANIZMY INTERAKCIE LASEROVÉHO ŽIARENIA S BIOLOGICKÝM MATERIÁLOM Biofyzikálne mechanizmy účinku laserového žiarenia Po dopade na biologické tkanivo sa časť laserového žiarenia odráža, časť sa rozptyľuje na povrchu a časť sa absorbuje (pohltí) v tkanive, kde vyvoláva rôzne fyzikálne, biochemické a biologické efekty. Látku ktorá v tkanive pohlcuje prechádzajúce svetelné žiarenie budeme nazývať akceptor (prijímateľ) fotónov. odraz rozptyl a prechod akceptor (absorbér fotónov) rozptylové centrum rozptyl a odraz absorpcia Obr.11. Interakcia svetelného žiarenia s tkanivom Absorbcia a teda aj penetrácia (preniknutie) laserového lúča do tkaniva závisí od vlastností laserového žiarenia a od vlastností biologického tkaniva. Zovšeobecnený priebeh intenzity žiarenia v závislosti na hĺbke tkaniva pri zanedbaní absorbcie je možné popísať exponenciálnym útlmom (obr.12) pri ktorom intenzita I d v hĺbke d závisí na intenzite I o na povrchu tkaniva vzťahom I d = I o e -k.d kde k je parameter popisujúci rozptyl na tkanive. Aby v zvolenej hĺbke tkaniva bolo možné opakovane dosiahnuť optimálnu svetelnú intenzitu, je dôležité správne zvoliť intenzitu vstupujúceho žiarenia a vytvoriť čo najtesnejší kontakt sondy s tkanivom (v opačnom prípade sa od povrchu tkaniva vždy odrazí neznáme percento fotónov) Kvôli dosiahnutiu rovnakých podmienok ožarovania je taktiež praktické smerovať lúč kolmo na tkanivo. Vtedy sa je odraz laserového lúča od povrchu najmenší a do tkaniva prenikne
najväčšie percento energie. Príklad závislosti koeficientu odrazivosti pokožky na vlnovej dĺžke dopadajúceho svetla je na obr. 13. Obr.12. Závislosť intenzity svetelného žiarenia na hĺbke prieniku do tkaniva Vplyv vlastností tkanív a laserového žiarenia na absorbciu Schopnosť tkaniva prijať energiu vo forme fotónov - absorpčná schopnosť - závisí od rôznych faktorov a vyjadruje sa koeficientom absorbcie (analógia parametra k z vyššieuvedeného vzťahu pre rozptyl), tzv. extinkčným koeficientom (prevrátenou hodnotou hrúbky vrstvy, ktorá zoslabí svetlo na jednu desatinu pôvodnej intenzity), alebo tiež polopriepustnou vrstvou, t.j. hrúbkou tkaniva, ktorá zoslabí žiarenie na jednu polovicu. Z hľadiska výsledného efektu kombinovaného vplyvu absorpcie a odrazu rozoznávame tkanivá: dokonale čierne (pohlcujú celé dopadajúce žiarenie) dokonale zrkadliace (celé žiarenie odrážajú) priehľadné (ani neodrážajú ani nepohlcujú), t.j žiarenie nimi prechádza (transmisia) šedé ( žiarenie všetkých vlnových dĺžok sa absorbuje a odráža rovnako) farebné (z dopadajúceho žiarenia sa odrážajú alebo absorbujú len určité vlnové dĺžky) Absorpčné vlastnosti biologického tkaniva závisia od vlastností jednotlivých akceptorov fotónov v tkanive, ktorými sú najmä voda, hemoglobín, melanín, nukleové kyseliny a membránové bielkoviny. Závislosti parametrov absorbcie niektorých spomenutých látok od vlnovej dĺžky sú na obr.14-16. Okrem samotných koeficientov absorbcie, ktoré charakterizujú akceptory fotónov z pohľadu fotochémie, má na absorbciu tkanív vplyv aj rozptyl - t.j. geometria samotného tkaniva - ako napr. hustota cievnej siete, obsah pevných látok a pod.
Obr.13. Závislosť odrazivosti pokožky od vlnovej dĺžky svetla Obr.14. Absorbcia DNA v závislosti od vlnovej dĺžky svetla
Obr.15. Závislosť koeficientu molárnej extinkcie melanínu a hemoglobínu od vlnovej dĺžky Obr.16. Absorbcia hemoglobínu a vody v závislosti na vlnovej dĺžke svetla Kombináciou absorbcie niektorých charakteristických oblastí vlnových dĺžok základnými akceptormi vzniká efekt rôzne efektívnej penetrácie svetla určitých vlnových dĺžok v tkanivách. Ultrafialové žiarenie je silne absorbované melanínom v povrchových vrstvách epidermy, čo je vlastne ochranný anti-kancerogénny efekt. Infračervené žiarenie je silne pohlcované vodou, čo zabezpečuje ochranný termoregulačný mechanizmus. Môžeme zovšeobecniť, že v intervale vlnových dĺžok 600nm - 1000nm je penetrácia v tkanivách najväčšia, preto sa tento interval sa nazýva optickým oknom.
Spektrálny rozsah žiarenia Hĺbka prieniku do tkaniva UV a modrozelená oblasť [do 500nm] do 0.3 mm červená oblasť [do 720nm] cca 5 mm blízka IČ oblasť [ 720-1060nm] 10mm a viac Z predchádzajúcich údajov vyplýva, že ľudský organizmus je pred nepriaznivými účinkami UV (kancerogénny efekt) a IČ (termický efekt) žiarenia prirodzene chránený kombináciou vlastností akceptorov fotónov ktoré sa v ňom nachádzajú. Medzi ďalšie efekty vyplývajúce z absorbčných charakteristík akceptorov patrí napr. protektívna absorbcia hemoglobínu v oblasti vlnových dĺžok 400-500 nm, čo zodpovedá vlnovej dĺžke napr. argonového lasera, ktorý sa využíva v liečbe naevi flamei. Spomedzi membránových bielkovín, na ktoré vplýva svetelné žiarenie, je možné spomenúť napríklad NAD cytochrómy, chromofóry, riboflavín, bilirubín, B- karotén, porfyríny a pod. Najznámejším akceptorom fotónov v rastlinnej ríši je napr. chlorofyl, ktorý reaguje na UV žiarenie a spúšťa reakciu, ktorú poznáme pod názvom fotosyntéza. Biochemické a biologické mechanizmy účinku laserového žiarenia Procesy po absorbcii fotónu primárnymi akceptormi Po absorbovaní fotónu molekulami primárnych akceptorov nastáva vo vzbudenej molekule vnútro- alebo medzimolekulárny prenos prijatej energie. Prejavuje sa energetickými alebo konformačnými zmenami molekúl a je to proces z biologického pohľadu veľmi rýchly (obr.17). Od tohto okamihu sa v najbližšom okolí akceptorov odvíjajú omnoho pomalšie termické, mechanické a chemické procesy. Tepelné účinky svetelného žiarenia na organizmus V závislosti od množstva prijatej energie rozoznávame niekoľko foriem tepelných účinkov žiarenia. Pod pojmom biostimulačný efekt rozumieme taký efekt, kde po aplikácii laserového žiarenia sa teplota tkaniva nezvyšuje viac ako 1 C. Nedochádza tu k žiadnym štrukturálnym zmenám tkaniva. Podobne je to aj pri tzv. termickej biostimulácii, kde sa teplota tkaniva zvyšuje o viac ako 1 C, ale nepresahuje celkovú teplotu tkaniva 42 C, pretože od tejto teploty tkaniva sa začínajú už deštrukčné efekty (podrobnejšie viď obr.18): 43-60 C - denaturácia enzýmov a bielkovín, poškodenie bunkovej membrány 60-100 C - koagulácia 100-300 C - odparovanie, vaporizácia (voda v bunkách zväčšuje svoj objem a tým pôsobí ako časovaná bomba pri porušení kontinuity bunkovej membrány = vaporizačný efekt) viac ako 300 C - zuholnatenie, ablácia (explózia plynov)
laserové žiarenie pohltenie fotónu akceptorom (absorpcia) vnútromolekulárny a / alebo medzimolekulárny prenos energie -12-8 10-10 s chemické, mechanické a termické zmeny ožarovaného tkaniva -8-5 10-10 s zmeny okolných tkanív -3 10-10 -1 s biologická odpoveď sekundy, hodiny dni Obr.17. Procesy po absorbcii fotónu primárnymi akceptormi
Intenzita [W/cm 2 ] 10 16 optický prieraz 10 12 Hustota energie [J/cm 2 ] 10 8 10 4 10 2 vyparenie 10 4 fotoablácia 10 0 10-2 koagulácia 10 0 fotochemické reakcie 10-12 10-9 10-6 10-3 10 0 10 3 10 6 Doba pôsobenia [s] Obr.18. Tepelné efekty pôsobenia laserového žiarenia na živý organizmus
ÚČINKY ELEKTROMAGNETICKÝCH VĹN V ORGANIZME PRIMÁRNY PROCES ABSORBCIA INDUKCIA rezonančná nerezonančná indukované dipóly iónový prúd polovodičové usmernenie relaxavná zrýchlenie pohybu rozmerová zmena štruktúry vybudenie molekúl zmena reaktivity orientácia a kmity dipólov reťazenie dipólov zhlukovanie koloidov, tvorba pseudomakromolekúl zmena potenciálu buniek zmena dráždivosti buniek zmena permeability bunkovej membrány tepelný ÚČINOK netepelný FOTODYNAMICKÁ REAKCIA Farbivo hν O 2 voľný radikál singletný O fotoxidovaný typ farbiva -6-1 10-10 s -6 10 s niekoľko dní Obr.19. Účinky elektromagnetických vĺn na organizmus
Mechanické účinky svetelného žiarenia na organizmus Medzi najvýznamnejšie mechanické účinky žiarenia patrí vznik akustických vĺn, ktoré sú dôsledkom mechanických zmien tkanivových štruktúr po silnom lokálnom nahriatí pri veľkej intenzite. Podrobnejšie sa tejto otázke venujeme v predchádzajúcej kapitole v časti koherencia laserového žiarenia. Biochemické účinky svetelného žiarenia na organizmus Účinky elektromagnetických vĺn na organizmus závisia na primárnych procesoch (absorbcia, indukcia) a vedú v zásade k dvom typom účinku - tepelnému a netepelnému. Konkrétne mechanizmy účinku sú pomerne zložité (Obr.19) a závisia najmä na spôsobe prenosu energie od primárnych akceptorov k ďalším bunkovým štruktúram. Najdôležitejšie oblasti pôsobenia svetelného (a teda aj laserového) žiarenia na biochemické procesy v bunkách a tkanivách sú nasledovné: úrovni chemickej štruktúry: cytochromoxidáza NAD (fotoreceptor) - spúšťa v dýchacom reťazci proces reakcií, ktoré vedú k tvorbe ATP - základnej energetickej komponenty organizmu aktivácia Na/K ATP-ázy, čo vedie k zmene priepustnosti bunkovej membrány, s čím súvisí efekt proliferácie buniek aktivácia syntézy DNA a RNA úrovni bunkovej štruktúry: mitochondria cytoplazma bunková membrána jadro Biologické a liečebné účinky svetelného žiarenia na organizmus Konečným dôsledkom (nedeštruktívneho) pôsobenia laserového žiarenia malej intenzity - biostimulácie je: zvýšená proliferácia buniek (hlavne fibroblastická aktivita a tým aj ďalšia multipotentná aktivácia diferenciácie väziva) fotoaktivácia enzýmov (hlavne laktát dehydrogenázy, kyslej fosfatázy, proteázy) a tým aj aktivácia metabolizmu (zvýšená utilizácia kyslíka, glukózy, bielkovín v tkanivách). zlepšená mikrocirkulácia zvýšená aktivácia makrofágov, lymfocytov zvýšená hladina endorfínov a serotonínu čo vedie k proliferačnému, analgetickému a antiflogistickému efektu. Vplyv absorbovanej dávky svetelného žiarenia na biostimuláciu Prax ukazuje, že najnižšia hodnota dávky, ktorá pôsobí spúšťajúco na mechanizmy biostimulácie sa pohybuje v rozmedzí od 0,05-0,1 J/cm 2. Najvyššia hodnota dávky,
ktorá ešte pôsobí biostimulačne je však diskutabilná. Podľa dr. Hemzu je to 8,5 J/cm 2. Sú však pracoviská, ktoré uvádzajú hodnoty podstatne vyššie, ako napr. Molina, Moller 13 J/cm 2. Z prác anglických autorov (S. R. Young, M. Dyson, P. Bolton - Effect of Light on Calcium uptaken by Macrophages - Laser Therapy 2 (2) str. 53-57, 1990), ktorí na príklade vychytávania kalcia makrofágmi po ožarovaní tkaniva laserom o rôznej vlnovej dĺžky, výkonu a frekvencie impulzov sledovali silu reakcie, vyplývajú rovnaké závery, ako môžeme vidieť z grafického znázornenia zákona Arndta-Schultza, kde je vynesená závislosť sily reakcie od dávky laserového žiarenia (obr.20). Obr.20. Vplyv absorbovanej dávky na biostimulačný efekt Záver týchto prác je nasledovný: slabé dávky žiarenia od 0,1 do 4,0 J/cm 2 - budia biostimulačnú aktivitu stredné impulzy od 4,0 do 12,0 J/cm 2 - výrazne urýchľujú biostimulačnú aktivitu silné impulzy od 12,0 do 16,0 J/cm 2 - mierne oslabujú biostimulačnú aktivitu veľmi silné impulzy od 16,0 J/cm 2 vyššie - brzdia biostimulačnú aktivitu Najlepšie biostimulačné reakcie v závislosti od dávky žiarenia boli teda pozorované v intervale od 4,0 do 12,0 J/cm 2. Vychádzajúc z horeuvedených poznatkov sú konštruované aj laserové sondy. Pri ovplyvňovní povrchovo uložených štruktúr (hlavne kože a sliznice) sa doporučujú sondy vlnových dĺžok 633 nm a 670 nm (červené svetlo) s výkonom 5 až 20 mw. Penetrácia žiarenia týchto vlastností je cca do 2 cm. Pri ovplyvňovaní hlbšie uložených štruktúr (šlachy, ligamenta, chrupavky) sú doporučené sondy vlnových dĺžok 830 nm, 904 nm
(infračervené žiarenie) s výkonom 20 až 40 mw. Predpokladaná penetrácia u týchto sond je pri maximálnom výkone až do 10 cm. GEOMETRICKÁ OPTIKA V INTERAKCIÍ LASEROVÉHO ŽIARENIA A TKANIVA
BEZPEČNOSTNÉ A HYGIENICKÉ NORMY Na ochranu zdravia pred nežiadúcimi vplyvmi laserového žiarenia, pred prípadným škodlivinami, ktoré môžu vzniknúť pre prevádzke lasera, alebo pred nebezpečím pri havarijných situáciách boli vydané bezpečnostné a hygienické predpisy. Podrobnejšie je možné sa s nimi oboznámiť zo zbierky zákonov č.125/1982, alebo zo smerníc o hygienických zásadách pri práci s lasermi, ktoré boli vydané ministerstvom zdravotníctva. Vo všeobecnosti laserové prístroje zaraďujeme do štyroch tried. Táto klasifikácia závisí pri spojitých laseroch od maximálneho vyžarovného výkonu, pri impulzných od maximálneho výkonu vyžiareného jedným imulzom, od dĺžky impulzu a frekvencie impulzov. Jednotlivé triedy môžeme zjednodušene charakterizovať ako: trieda I. zahrňuje lasery, ktoré nemôžu spôsobiť poškodenie zraku; nevyžadujú zvláštne bezpečnostné a hygienické predpisy musia byť označené zákazom snímania krytu trieda II. zahrňuje lasery, ktoré vyžarujú v spojitom režime vo viditeľnej oblasti spektra a výstupný výkon je menší ako 1 mw musí byť zabezpečená akustická alebo svetelná signalizácia pri spustenej prevádzke lasera miestnosť, kde je laser tohto druhu umiestnený, musí byť označený výhražnou tabuľkou: LASEROVÉ ŽIARENIE a samotný prístroj sa zabezpečí nápisom: LASER II. TRIEDY. Nepozeraj sa do lúča, hrozí poškodenie zraku. trieda III.a zahrňuje lasery pracujúce v spojitom režime a ich výkon nepresahuje 5 mw všetky bezpečnostné aj hygienické opatrenia sú rovnaké ako v prípade laserov triedy II. trieda III.b zahrňuje lasery vyžarujúce viditeľné žiarenie s minimálnnym výkonom 5 mw, alebo infračervené žiarenie vrátane výkonov pod 5 mw takisto musí byť zabezpečená akustická alebo svetelná signalizácia pri prevádzke priestor prevádzky lasera musí byť označený výhražnou tabuľkou: LASEROVÉ ŽIARENIE. NEVSTUPOVAŤ! a laser treba označiť tabuľkou: LASER III.b TRIEDY. Pri zásahu oka lúčom hrozí strata zraku. miestnosť nesmie obsahovať lesklé predmety, aby sa znemožnil odraz lúča trieda IV. zahrňuje lasery, ktorých výkon presahuje hraničné hodnoty triedy III.b opatrenia sú rovnalé ako v prípade III.b až na označenia lasera, ktoré by malo byť: LASER IV.TRIEDY. Pri zásahu priamym i odrazeným lúčom hrozí veľmi ťažké ohrozenie na zdraví.
Každý laser musí mať technickú dokumentáciu, v ktorej musia byť udané jeho základné parametre, ako sú vlnová dĺžka žiarenia, priemer zväzku, rozbiehavosť zväzku, spôsob a charakteristiky režimu práce lasera, zaradenie do triedy, spôsob chladenia lasera, návod k montáži, inštalácii, k obsluhe, údržbe, značka vyrobcu, rok výroby, výrobné číslo a musia obsahovať upozornenie na možné nebezpečia. Každé pracovisko, kde sa nachádza laser, musí mať vypracované prevádzkové predpisy (s výnimkou na lasery I. triedy), ktoré by mali obsahovať podrobný návod k obsluhe, zakázané manipulácie, poučenie o možnom nebezpečenstve, druh a spôsob ochranných pracovných prostriedkov. Údržbu a obsluhu laserov smú vykonávať iba zaškolení, telesne a duševne spôsobilí pracovníci. Musí byť zamedzený vstup a možnosť používania lasera pre nepovolané osoby (napr. zámkou). V prípade laserov II., III. a IV. triedy by mal byť zapezpečený taký chod lúča, aby nemohlo dôjsť k zásahu lúča či už priamym alebo odrazeným lúčom. V prípade, že sa toto nedá vylúčiť, poskytne majiteľ alebo organizácia ochranné okuliare, ktoré slúžia ako filter pre danú vlnovú dĺžku.
INDIKÁCIE A KONTRAINDIKÁCIE LASEROV V MEDICÍNE INDIKÁCIE A DÁVKOVANIE VO FYZIKÁLNEJ MEDICÍNE Dávka (J/cm 2 ) Počet aplikácií Poznámky Lumbalgia, ischialgia 4-5 12 kažkodenná aplikácia Neuralgia intercostalis 1-3 10 alebo viac 3 krát týždenne Neuralgia n. trigemini 1-2 8 3 krát týždenne Spodnylarthrosis 4-5 12 každonenná aplikácia Sacralgia 2-4 8 každodenná aplikácia Epicondylitis radialis 1-4 10 každodenná aplikácia alebo 3 krát týždenne M. Quervain 1-3 10 každodenná aplikácia Syndrom karpalného tunela 2-6 8 každodenná aplikácia Caxarthrosis 4-6 8 každodenná aplikácia alebo 3 krát týždenne Gonarthrosis 4-6 8 3 krát týždenne M. Osgood-Schalatter 2-4 10 každodenná aplikácia Tendinitis 4 10 3 krát týždenne M. Sudeck (I-II) 1-3 10 3 krát týždenne Ulcus cruris 2-3 v závislosti od veľkosti každodenná aplikácia alebo 3 krát týždenne Combustio 1-4 v závislosti od veľkosti 3-5 aplikácií každých 12 hodín, ďalej každých 24 hodín Contusio 2-4 8 3 krát týždenne
INDIKÁCIE A DÁVKOVANIE V DERMATOLÓGII Ulcus cruris posttraumaticus Dávka (J/cm 2 ) Počet aplikácií Poznámky 3-5 16-24 2 krát týždenne Ulcus cruris varicosum 4-6 16-24 2-3 krát týždenne Herpes simplex 20 3-5 Akné 2-4 10-15 Cellulitis 3-4 10-15 Combustio 2 10 Congelatio 2-4 10-15 Decubitus 3-5 16-24 2 krát týždenne Afta 2-4 3-6 Vrásky 1 3-6 expozícia pozdĺž vrások Necrosis of skin 2-3 8-16 1-6 aplikácií denne Lipodystrophia diabetica 2-4 8-10 Eczema 1-2 8-10 Jazvy 4-6 5-10 až do 6 mesiacov Alopecia areata 3-6 6-8 Vasculitis alergica 2-4 5-10 INDIKÁCIA A DÁVKOVANIE V STOMATOLÓGII Dávka Počet aplikácií Poznámky Podráždenie pulpy 3 J/bod 3-6 denne alebo každý druhý deň Zápal pulpy 3-5 J/bod 3-6 každodenne Hypersenzibilita krčku 3-5 J/bod 3-6 každodenne opakovať každých 4-6 mesiacov Periodontitis acuta 4 J/bod 3 každodenne
Gingivitis 3 J/bod 3 pred a po odstránení zubného kameňa Paradontitis 3 J/bod 3-4 opakováť každých 4-6 týždňov Stavy po extrakcii krčka 3-4 J/bod 1 krát pred a 1 krát po extrakcii Herpetická stomatitis 3 J/bod 3-4 5 bodov na cm 2 každodenne Herpes labialis 3 J/bod 3-4 5 bodov na cm 2 každodenne Afta 4 J/bod 3-4 Sinusitis maxilaris 3-4 J/bod 3-6 každodenne Ulcera v orálnej sliznici 3-4 J/cm 2 3-4 každodenne Trizmus 4-10 J/bod 2-3 KONTRAINDIKÁCIE Absolutné kontraindikácie zhubné nádorové ochorenia systémové ako aj lokálne, hlavne materské znamienka, torpidné ulkusy, zdurené lymfatické uzliny a pod. oblasť implantovaného kardiostimulátora oblasť štítnej žlazy oblasť malej panvy pri gravidite oblasť oka Relatívne kontraindikácie epilepsia horúčkovité a infekčné choroby závažné kardiovaskulárne a hepatorenálne stavy stavy zmätenosti a psychóz u pacientov so stredným a ťažkým stupňom anémie aplikovať maximálnu dávku 3 J/cm 2