Biofotonica

1

Introducere

Biofotonica (gr. bios - viat) este o tiin multidisciplinar, care folosete tehnologia fotonica n proceduri i produse cu aplicabilitate n medicin i biologie. Aadar, biofotonica mai poate fi numita tiina aplicrii luminii n slujba vieii.Terapia bazat pe lumin nu este nou Vechii egipteni au folosit soarele pentru a iniia reacia fotodinamic a unui produs natural din plante, psoralen, n vederea tratrii pielii depigmentate.Laserii au fost aplicai n medicin imediat dup ce primul iaser cu rubin a fost pus n funciune n anul 1960 (Maiman 1960). Interesul iniial al medicilor pentru laseri s-a bazat pe abilitatea fasciculelor laser focalizate de a coagula vasele sangvine din retin i de a seciona esutul. Retina a constituit un candidat serios pentru terapia laser, deoarece celelalte componente ale ochiului sunt transparente pentru radiaia laserilor ce emit n vizibil. Coagularea vaselor sangvine retiniene a reprezentat prima aplicaie neinvaziv a laserilor. Multe din ncercrile iniiale au fost empirice, cu o nelegere sumar a mecanismelor de interacie laser-esut. Aplicaiile medicale ale laserilor au cunoscut o dezvoltare continu, accelerndu-se mai ales n ultimii 10-15 ani. Cercetrile continu cu intensitate i n prezent, noi metodici i tehnologii sunt raportate odat cu perfecionarea instalaiilor cu laseri i n special a accesoriilor, care diversific aplicarea aceluiai laser n mai multe specialiti medicale.Exist o serie de motive care justific utilizarea intensiv a laserilor n medicin, n primul rnd, majoritatea aplicaiilor medicale nu utilizeaz o proprietate important a laserilor, rnonocromaticitatea, i n consecin cerinele instalaiilor medicale cu laseri nu sunt att de stringente ca n cazul spectroscopiei laser, de exemplu. Laserii medicali folosesc cu preponderent strlucirea intens a radiaiei laser, proprietate care poate fi utilizat pentru focalizarea fasciculelor laser i producerea de intensiti ridicate, folosite pentru nclzirea local. Dei multe dintre aplicaii nu necesit focalizarea ia limita de difracie, utilizarea laserilor pentru secionarea sau perforarea celulelor i a structurilor lor cu precizie submicronic apeleaz la capacitatea de focalizare extrem a fasciculelor laser.n al doilea rnd, fibrele optice au majorat semnificativ numrul aplicaiilor medicale ale laserilor. Posibilitatea de focalizare a radiaiei iaser n fibre optice cu diametrul de 100-1000 (m este extrem de tentant pentru tratarea organelor interne. Mnunchiuri de fibre optice au fost ncorporate n sisteme rigide sau flexibile de vizualizare endoscopic, care confer medicului accesul pe traiectul gastrointestina, n plmni sau alte organe interne. Dac sistemul de vizualizare endoscopic este combinat cu un sistem de fibre optice pentru ghidarea fasciculului laser, atunci multe organe interne devin accesibile chirurgiei laser. Sistemele laser cu fibre optice sunt folosite de asemenea ca surs de excitare n studiul fluorescentei unor esuturi din interiorul corpului, precum i pentru transmiterea semnalului de fluorescent spre sistemele optice i electronice de analiz. De exemplu, chirurgii specializai n bolile cardiovasculare utilizeaz un sistem de diagnosticare cu fibre optice pentru a distinge segmentele normale de cele bolnave ale arterelor, nainte de a aplica radiaia laser de putere pentru ndeprtarea plcii ce obtureaz arterele.n al treilea rnd, laserii permit interacia fr contact cu esutul, ceea ce confer un avantaj clinic important. Un exemplu tipic de chirurgie fr contact este n oftalmologie, unde laserii sunt folosii n mod curent pentru tratarea cauzelor ce conduc la pierderea vederii: degradarea macular accentuat de vrst, boala retiniana indus de diabet i glaucomul. Interacia fr contact iaser-tesut este de asemenea important n sistemele optice de diagnosticare. Tehnicile de nregistrare la distant cu laseri n infrarou msoar absorbia optic a pereilor arterelor, pielii i calculilor biliari, n timp ce mprtierea cvasi-elastic a luminii este utilizat pentru investigarea biologiei formrii cataractei.n aplicaiile medicale, radiaia laser inciden pe esut poate suferi patru procese importante: poate fi reflectat de suprafa; o parte din radiaia transmis poate fi absorbit n volumul esutului, fie de ctre apa din esut, fie de ali absorbani, cunoscui sub denumirea de cromofori, ca de exemplu hemoglobina i melanin; o alt parte din radiaia transmis este mprtiat n esut, putnd, n unele cazuri, conduce la distrugeri ale esutului n regiuni mult mai ndeprtate dect ne-am atepta de la o simpl propagare prin esut; n sfrit, o parte din radiaie poate fi transmis prin esut, n special n cazul unor grosimi mici.Toate aplicaiile laser biomedicale se bazeaz pe interacia radiaiei cu sistemele biologice. Aceste interacii cauzeaz un spectru larg de efecte, care pot fi mprite n trei grupe principale.:- Prima grup nglobeaz efectele laser de mic putere, prin care radiaia este absorbit, reflectat sau reiradiat (prin fluorescent) de ctre substan astfel nct nu apar nici un fel de modificri. Aceste interacii formeaz baza diagnosticului laser (diagnosticul spectral al moleculelor i macro-diagnosticul la nivel de esut).- A doua grup utilizeaz tot fascicule laser de mic putere, emise n spectrul vizibil sau ultraviolet, care pot excita stri electronice din molecule i pot aprea efecte fotobio-logice specifice datorit excitrii cromoforilor (endogeni sau exogeni) din celule. Aceste procese apar i n cazul surselor necoerente, dar folosirea laserilor aduce beneficii din punct de vedere practic. Aceast grup de efecte st la baza fotobiologiei moleculare i a fotomedicinii.- A treia grup de efecte implic radiaie laser de mare putere care afecteaz esutul prin distrugeri termice sau hidromecanice. Aceste procese, observate rar cu surse de radiaie necoerent, formeaz baza chirurgiei laser.esutul biologic este diferit de materialele cu care fizicienii i inginerii sunt obinuii s lucreze. Nu numai c exist variaii individuale semnificative n esutul uman, dar multe esuturi, ca de exemplu pielea sau corneea sunt spaial neomogene, n plus, rspunsul biologic imediat i ntrziat al unui organism viu ca urmare a iradierii laser este deosebit de semnificativ i poate depinde ntr-o manier complex de evenimentele termice i mecanice iniiale. Este necesar s se aib n vedere i proprietile mecanice ale esutului. Arterele, de exemplu, au o structur fibroas ordonat i proprieti mecanice anizotropice, care pot afecta forma secionrii cu laser.

Dintre diferitele tipuri de interacii laser-esut care pot aprea, cele mai utilizate sunt m-teraciile termice, n care absorbia radiaiei laser cauzeaz nclzirea local, ncepnd cu hipertermia, continund cu reaciile fotochimice iniiate cu laser i sfrind cu ablatia laser, toate acestea sunt componente ale aceluiai tip de interacie, respectiv cea fototermic.Reaciile fotochimice iniiate de laser sunt folosite pentru distrugerea celulelor tumorale i joac un rol important n ablaia esuturilor cu laseri cu excimeri ce emit n ultraviolet Deoarece fotonii cu lungimea de und de 193 nm (laserul cu ArF) au o energie de 6,4 eV, care este suficient pentru ruperea multor legturi chimice, interacia cu esutul implic un mecanism fotochimic, nsoit i de fenomene termice. Ponderea celor dou procese depinde de lungimea de und i de proprietile intei. Cele mai semnificative aplicaii ale efectelor fotochimice sunt terapia cu laseri de putere mic i terapia fotodinamic.Terapia fotodinamic este o tehnic experimental de distrugere a celulelor i tumorilor pe cale fotochimic. Ca fotosensibilizator se utilizeaz un colorant absorbant, care este reinut preferenial de tumorile solide din corp, ceea ce face posibil distrugerea selectiv a celulelor tumorale. Colorantul introdus n corp cu rol de cromofor exogen are o eficient cuantic de fluorescent destul de cobort, astfel nct cea mai mare parte din energia laser absorbit este transferat colizional moleculelor de oxigen din esut. De aici rezult formarea oxigenului singlet", o form excitat reactiv a moleculei de oxigen care poate distruge esutul biologic. Cel mai studiat fotosensibilizator este derivatul de hematoporfirin (HPD), un amestec complex de porfirine. EI este injectat intravenos i apoi, dup o ntrziere de cteva zile pentru a permite ndeprtarea sa din esutul normal, locul tumoral este iradiat cu laseri cu lungimea de und 630 nm, ce este absorbit de HPD, dar nu i de piele, care este relativ transparent. Din nefericire HPD fotosensibil uzeaz i pielea, astfel nct trebuie s se evite lumina solar sau lumina artificial puternic.Testele clinice s-au concentrat asupra tratamentului cancerului de plmn, de esofag, de piele, precum i a fazelor timpurii ale cancerului de bila. Tumorile, fiind relativ reduse, sunt adecvate terapiei fotodinamice datorit necesitii ptrunderii adnci a luminii. Tratarea tumorilor profunde necesit implantarea unor fibre optice pentru a transmite radiaia laser n volumul tumorii Modelele matematice ce trateaz propagarea luminii n medii cu turbiditate (medii care prezint simultan absorbie i mprtiere a lungimea de und respectiv) au fost de mare ajutor n nelegerea distribuiei luminii ca urmare a unei diversiti de configuraii de iradiere. Fotosensibilizatorii localizai n esuturi specifice fac posibil selectivitatea spaial, fie prin administrarea localizat a medicamentelor, fie prin aplicarea localizat a radiaiei laser. Noi fotosensibilizatori au fost studiai n ultima vreme, cu maximul absorbiei deplasat spre lungimi de und mai mari, unde penetrarea radiaiei laser n esut este mai adnc.Unele aplicaii clinice fac uz de capacitatea laserilor de a asigura nclzirea local fr o ndeprtare efectiv de esut, nclzirea laser localizat se folosete pentru coagularea sngelui i obturarea vaselor sangvine, n oftalmologie, aserii cu funcionare n und continu cu argon, kripton sau colorant, funcionnd de obicei la nivele de putere sub 2 W, sunt utilizai pentru coagularea vaselor sangvine retiniene afectate de diabet. Procedura este neinvaziv, radiaia laser fiind focalizat pe retin din exteriorul ochiului. Laserii sunt folosii de asemenea pentru obturarea vaselor sangvine mrite de sub suprafaa pielii, care provoac seninele nedorite din natere numite stelue vasculare. Deoarece oxihemo-globina din snge absoarbe anumite lungimi de und din vizibil mai intens dect esutul nconjurtor, este posibil s se nclzeasc selectiv vasele de snge de sub suprafaa pielii fr a arde pielea. Laserii cu argon i cu colorant sunt utilizai cu succes n tratarea acestei afeciuni, dei uneori apar i cicatrice. Rezultatul clinic poate fi mbuntit prin alegerea judicioas a lungimii de und i a duratei impulsului laser. Cele rnai bune rezultate se obin folosind radiaia cu lungimea de und de 577 nm, care corespunde cu absorbia de vrf a oxihemoglobinei. Maximiznd n acest fel absorbia diferenial ntre vasele sangvine i epiderma nconjurtoare, se reduce i fenomenul de cicatrizare. Durata impulsului laser, de 300 ns, este aleas astfel nct difuzia cldurii de Ia vasele sangvine spre esutul nconjurtor s fie neglijabil.Efectele fototermice sunt determinate n mod esenial de lungimea de und a laserului folosit i de tipul de esut. Deoarece cele mai multe esuturi biologice conin n majoritate ap, absorbia radiaiei laser de ctre ap joac un rol fundamental pentru laserii medicali din infrarou i ultraviolet. S notm c apa are un coeficient de absorbie ce variaz cu 7 ordine de mrime ntre transmisia de vrf la aproximativ 500 nm n vizibil i absorbia de vrf la 3 (m n infrarou. Cei doi pigmeni absorbani menionai anterior, melanin i hemoglobina, joac un rol important n interaciile laser-esut Aceti cromofori absorb puternic lumina din vizibil, acolo unde apa este n esen transparent.Pentru a obine ablaia laser, respectiv vaporizarea exploziv a esutului, este necesar ca o cantitate suficient de energie s fie nmagazinat n volumul iradiat pentru ca ap s fie vaporizat ntr-un timp mai scurt dect timpul de relaxare temic al esutului. Aceasta nseamn c exist un minim pentru densitatea de putere (pragul de ablaie) de la care se declaneaz fenomenul de ablatie. Dac densitatea de putere nu depete pragul de ablaie, cldura difuzeaz spre esutul nconjurtor, fr a produce ablaia esutului, n acest caz, apare distrugerea termic a esutului nvecinat, prin coagulare i carbonizare, datorit supranclzirii.Modificarea esuturilor poate fi dorit, ca n cazul opririi sngerrii prin coagularea vaselor sangvine adiacente secionrii cu laserul, dar poate fi i pgubitoare, atunci cnd radiaia laser cauzeaz distrugerea esutului sntos nvecinat Distrugerea termic a esutului adiacent interveniei chirurgicale afecteaz timpul de vindecare. De aceea, s-au cutat condiiile de iradiere i tipurile de laseri care provoac distrugeri minime. O cale de minimalizare a distrugerilor termice este confirmarea cldurii generate de laser n regiunea n care este depozitat, care corespunde aproximativ unei adncimi egale cu lungimea de absorbie optic. Confinarea termic se obine prin utilizarea de impulsuri iaser a cror durat este mai mic dect timpul de relaxare termic corespunztor lungimii de absorbie optic. Carbonizarea mai poate fi evitat i prin realizarea ablaiei la densiti de putere mai mari dect pragul de ablaie. Dei pare un paradox, distrugerile termice minime survin la densiti mari de putere. Dorina de a lucra Ia nivele coborte de putere n scopul realizrii unor intervenii precise i n condiii de siguran poate produce exact rezultatul opus.Pentru ablaia esuturilor, cei mai folosii laseri din infrarou sunt cei cu CO2. En:YAG i Ho:YAG. Laserul cu CO2 este cel mai rspndit, datorit simplitii sale, costului relativ sczut i posibilitii de a funciona n und continu sau n impulsuri la niveie mari de putere. Din nefericire, la lungimea de und a laserului cu CO2 (9-11 (m) nu sunt disponibile fibre optice fiabile i care s poat fi integrate cu uurin n teatrul operator. Apariia comercial a laserului cu En:YAG, ce poate furniza o energie de I J pe impuls cu frecvena de repetiie a impulsurilor de pn la 10 Hz, pe lungimea de und de 2,94 (m ce se suprapune pe vrful coeficientului de absorbie al apei, a generat un interes deosebit datorit potenialului su de instrument chirurgical de precizie. Distrugerea termic a esutului de ctre laserul cu Er:YAG poate fi redus la 10-30 (n, depinznd de tipul de esut. i n cazul acestui laser, fibrele optice nu sunt dezvoltate pn la nivel de produs comercial fiabil, dar cercetrile progreseaz n ritm ncurajator. Laserul cu holmiu:YAG, ce emite pe lungimea de und de 2,1 (m (aici exist un alt vrf de absorbie al apei), a strnit de asemenea un interes deosebit, ca o alternativ pentru laserul cu CO2 cu funcionare n und continu. Dei adncimea de penetrare optic a laserului cu Ho:YAG este de 20 de ori m mare dect cea a laserului cu CO2, i deci procesul de interacie nu este aa de selectiv, acest laser prezint avantajul c radiaia sa poate fi transmis prin fibrele optice disponibile comercial. Laserul cu Ho:YAG poate funciona fie n regim de impulsuri, fie n und continu i poate genera o putere medie de peste 10 W.Laserii cu excimeri n impulsuri, ce emit pe cteva lungimi de und din ultraviolet, cuprinse ntre 193 nm i 351 nm s-au impus ca instrumente chirurgicale n oftalmologie i cardiologie. A fost demonstrat o mare precizie la secionare i vaporizare cu ablaia strat cu strat pe grosimi ce variaz ntre 0,1 i l (m pe impuls. Aceste proprieti ale laserilor cu excimeri i-au recomandat rapid pentru chirurgia corneei. O abordare n corectarea refractiv chirurgical implic ablaia materialului din poriunea central a corneei, pentru a modifica curbura sa. Curbura corneei poate fi mrit sau micorat prin ndeprtarea a ctorva zeci de microni de material n cercuri concentrice, permind corectarea miopiei (vederea de aproape) sau hipermetropiei (vederea la distant). O corectare refractiv adecvat se poate obine prin ndeprtarea esutului pe o adncime de cel mult 30 (m de la suprafaa corneei.n cardiologie, laserii cu excimeri, ca i laserii cu colorani n impulsuri i cei cu argon n und continu sunt utilizai pentru ablaia depunerilor de grsime sau a plcilor calcifiate care pot obtura arterele umane. Radiaia laser este transmis prin fibre optice, care sunt poziionate cu ajutorai unor endoscoape cu vizualizare prin fibre optice. Radiaia laserului cu ArF (193 nm), care produce cea mai fin vaporizare a esutului, nu poate fi utilizat n mod curent, deoarece fibrele optice din cuart nu pot transmite cantiti semnificative de energie cu aceast lungime de und. Se utilizeaz mai des laserul cu XeF cu lungimea de und de 351 nm sau laserul cu XeCl cu lungimea de und de 308 nm. Acest din urm laser este mai solicitat, deoarece sistemele laser bazate pe excimeri cu clor au timpi de viat mai mari dect n cazul laserilor ce utilizeaz excimeri cu fluor. Dei lungimile de und ale acestor laseri sunt transmise corespunztor prin fibre optice, totui, la nivele mari de energie focalizat la intrarea n fibr se produce distrugerea suprafeei prin strpungere. Acest inconvenient poate fi nlturat prin utilizarea laserilor cu excimeri cu impulsuri lungi (sute de ns), care reduc intensitile laser la intrarea n fibr i n consecin micoreaz i riscul de distrugere a fibrei.O serie de proceduri chirurgicale se realizeaz n mediu lichid (de exemplu, n chirurgia ortopedic sau angioplastie). n acest caz, caracteristicile mediului de transmitere a radiaiei laser devin extrem de importante. Astfel, radiaia laserului cu Ho:YAG, care se preteaz folosirii n cazul esuturilor nepigmentate, este absorbit de mediul lichid nainte de a ajunge la esutul ce trebuie tratat. Procesele fizice ale interactiei laser-esut sunt deosebit de complexe n acest caz, implicnd absorbia de ctre mediul lichid, crearea bulelor de cavtaie i a undelor de oc i rcirea esutului de lichidul nconjurtor.Efectele fotomecanice nsoite de generarea de plasm sunt folosite n prezent n oftalmologie i n fragmentarea caiculilor renali. Primul eveniment ntr-un astfel de proces este iniierea de ctre laser a strpungerii optice n mediu, de obicei un lichid. Plasma rezultant absoarbe energia laser prin fenomenul de bremsstrahlung invers i se expandeaz. Plasma n expansiune emite o und de stres i produce o bul de cavitatie. Combinarea acestor procese cauzeaz o distrugere localizat, care poate n utilizat n chirurgie, n plus, datorit absorbiei puternice a plasmei, radiaia laser nu mai este transmis dincolo de locui de strpungere, protejnd esuturile respective.n oftalmologie efectul fotomecanic s-a mai numit i fotodistrugere. Cataracta este adesea tratat prin ndeprtarea cristalinului opacizat i implantarea unui cristalin din plastic. Aceast procedur chirurgical cauzeaz adesea opacifierea membranei normal transparente din spatele cristalinului din plastic implantat. Chirurgul poate restaura un drum optic clar prin tierea membranei cu un fascicul emis de laserul cu Nd:YAG n regim declanat. Deoarece membrana -se gsete n imediata apropiere a cristalinului implantat, procedura de lecionare a membranei necesit un fascicul laser bine focalizat i poziionat cu precizie. Prin realizarea strpungerii dielectrice pe membran, retina, care se gsete n spatele cristalinului, va fi protejat de impactul fasciculului laser. In momentul de fa, strpungerea se realizeaz cu impulsuri laser cu durata de picosecunde sau chiar femtosecunde, pentru care energia de strpungere este foarte cobort, civa uJ. In acest fel, efectele mecanice ale strpungerii sunt confinate n volume extrem de rnici, ceea ce conduce la o chirurgie perfect localizat.Laserii cu colorani n impulsuri, cu durate de microsecunde, ce emit n albastru-verde energii de 50-100 mJ, ca i aserii cu Nd:YAG i laserii cu alexandrit sunt folosii pentru fragmentarea calculilor renali. Radiaia laser este transmis prin unul din canalele unui endoscop rigid; un al doilea canal conine un sistem de vizualizare, iar cel de-al treilea canal transport o soluie salin pentru purjare. Litotriia laser (spargerea pietrelor) prezint unele avantaje fa de litotritia extracorporal cu unde de oc acustice folosit n mod curent pentru calculii renali. Aceast tehnic clasic utilizeaz o descrcare electric n impulsuri pentru a genera unde acustice focalizate ntr-un tub cu ap n care se gsete pacientul. Focarul undelor acustice se situeaz ia nivelul calculilor renali i dup cteva impulsuri, pietrele sunt sfrmate n fragmente cu dimensiuni suficient de mici pentru a putea fi eliminate. Litotriia laser face posibil i fragmentarea pietrelor ce se gsesc n treimea inferioar a traiectului urinar, caz n care tehnica undelor de oc nu este eficient datorit ecranrii acustice a oaselor peiviene. Procesul litotriie laser debuteaz cu iniierea unei plasme prin absorbia radiaiei laser la suprafaa pietrei, urmat de absorbia restului energiei impulsului laser de ctre plasm, n final, piatra este fragmentat fie prin undele de oc, fie de fenomenul de cavitaie ce rezult n urma expansiunii plasmei.Diagnosticarea cu laseri este un alt domeniu de succes al biofotonicii. Fluorescenta indus cu laserul este utilizat pentru a distinge ntre esutul normai i cei tumoral. Este utilizat fluorescenta cromoforilor naturali sau a unor colorani introdui clinic. Tehnicile dezvoltate recent, care utilizeaz laseri n impulsuri din ultraviolet, permit analiza temporal i proprietile spectrale ale semnalului emis prin fluorescent. Complexitatea esutului viu ridic probleme formidabile n diagnosticare. De aceea este necesar cunoaterea cu precizie a propagrii luminii n esuturi i modelarea matematic, pornind de la teoria transferului radiativ, continund cu ecuaia difuziei i utiliznd mai nou simularea Monte Carlo. Utiliznd fluoresecena laser se poate distinge dac se iradiaz placa sau esutul normal al arterei, calculul sau esutul normal al ureteruui prin diferenierea spec-trelor emise. Problema rmne totui complex, deoarece semnalul de fluorescent poate fi distorsionat de absorbia cromoforilor din vecintatea esutului studiat.Tehnica laser cu impulsuri de femtosecunde poate fi utilizat i n telemetrie, pentru a msura grosimea componentelor pielii sau a msura adncimea inciziilor efectuate cu laserul. In comee, de exemplu, aceast adncime poate fi determinat cu o rezoluie de 15 (m .

2GENERALITI

Laserii (acronim de la Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) sunt acea categorie de dispozitive cuantice care genereaz radiaie electromagnetic coerent, cu lungimi de und cuprinse ntre 100 nm (ultraviolet n vid) i 2 mm (undele milimetrice). Termenul radiaie" este uneori interpretat greit, prin analogia cu materialele radioactive sau radiaia ionizant. Folosirea termenului de radiaie n fizica aserilor se refer la un transfer de energie. Radiaia laser nu este o radiaie ionizant. Termenul iradiere" n acest context nseamn tratarea unei inte cu radiaie laser.

fig1

Emisia stimulat este un proces atomic prm care un foton incident stimuleaz o specie atomic excitat pentru a emite un foton identic cu cel incident, dup cum rezult din figura 1. Fotonul incident trebuie sa aib o lungime de und corespunztoare energiei (E = hv unde c este viteza luminii n vid, ) pe care specia atomic o elibereaz de pe starea excitat pe starea inferioar. Fotonul incident poate proveni din emisia spontan n cazul oscilatoarelor, sau de la o surs extern n cazul amplificatoarelor laser.Principial, un oscilator laser const din trei elemente principale: mediul activ n care se produce inversia de populaie, un mecanism de excitare i un rezonator optic care suport frecvena de oscilaie, furniznd reacia pozitiv pentru amplificarea radiaiei de emisie spontan ntr-un mod particular al rezonatorului . Mediul activ este o colecie de atomi, molecule sau ioni care absorb energie de la o surs extern i prin procese atomice complexe genereaz radiaie laser. Mediul activ poate fun material n stare solid, un lichid, un gaz sau un semiconductor Caracteristicile acestui material determin parametrii funcionali ai laserului, inclusiv lungimea de und. Mecanismul de excitare furnizeaz energia de intrare n sistem i poate ti o surs intens de lumin pentru laserii cu mediu solid sau lichid i o descrcare electric pentru laserii cu gaz sau cu semiconductori, n afara acestor mecanisme de excitare exist i alte metode de pompaj pentru laseri, ntre care pompajul optic cu alt laser se aplic tuturor tipurilor de medii active. Rezonatoral laser const din dou oglinzi, una total reflectant i cealalt, cu o reflectivitate mai mic de 100 %, care transmite radiaia laser din rezonator n exteriorul su, fiind transparent pentru lungimea de und a laserului.

Laserii cu gaz utilizeaz ca mediu activ un gaz sau un ames tec de gaze. Exemple obinuite de laseri cu gaz sunt cei cu He-Ne, CO2, argon sau excimeri fig2 Schema principial a unui astfel de laser este prezentat n figura 2 . Exist o mare varietate de con figuraii constructive. De exemplu,

gazul poate circula prin tubul laser sau poate fi utilizat n regim nchis; descrcarea electric poate fi m curent continuu, n curent alternativ sau n radiofrecven. Laserii cu gaz emit peste 6 000 de linii laser n gaze i vapori, provenind din peste 140 de specii diferite (atomi i molecule) (Beck et al 1980). n literatura de specialitate din ara noastr exist o monografie ce trateaz exhaustiv laserii cu gaz

Laserii cu mediu activ solid (figura 3) constau n mod obinuit dmtr-o bar n care atomii activi sunt nglobai ntr-un cris-tal-gazd. Deoarece acesta prezint conductivitate electric sczut, excitarea nu se mai poate face prin descrcare electric, ci numai prin pompaj optic, cu ajutorul unei lmpi flash sau cu descrcare n arc i, mai recent, cu ajutorul diodelor laser Sursa de alimentare este adaptat cerintei lmpii flash (pentru laseriicu emisie n impulsuri) sau a lmpii cu descrcare n arc (pentru laserii cu funcionare n und continu). Exemple tipice de laseri cu mediu activ solid utilizai n biofotonic sunt cei cu rubin, Nd:YAG, Ho: YAG, Er:YAG, Tm:YAG, alexandrii sau Ti:safir.

Fig3n laserii cu corp solid, elementele principale ale mediului aciv sunt materiaul-gazd, cu proprieti mecanice, termice i optice caracteristice i Ionii activi sau sensibilizatori, care contribuie propriu-zis la generarea radiaiei laser. Efectul laser a fost obinut n pmnturi rare tri valene , n pmnturi rare bivalente, n metale de tranziie (CrT, Tr3", de exemplu) i n ioni de actinide ncorporai n diverse materiale-gazd, S-a obinut efect laser prin pompaj optic de la sute de combinaii ion-cristal gazd, acoperind un domeniu spectral din vizibil i pn n infrarou mijlociu.Materialele-gazd ale mediilor active cu corp solid pot fi mprite n solide cristaline i sticle. Exist dou diferene importante ntre aceste tipuri de materiae-gazd. n primul rnd, conductivitatea termic a sticlelor este considerabil mai sczut dect a celor mai multe cristale, n al doilea rnd, liniile de emisie ale ionilor n sticle sunt inerent mai largi dect n cristale. Datorit diversitii materiaelor-gazd n laserii cu corp solid, este necesar s surprindem cteva din caracteristicile lor eseniale.Sticlele reprezint o clas important de materiale-gazd, n special, pentru Nd3+ i Er3+. Avantajul principal n comparaie cu cristalele este legat de posibilitatea realizrii unor dimensiuni mari (de exemplu, l m lungime i 10 cm diametru) pentru laserii de foarte mare putere.Dintre oxizi, safirul, granatul i aluminaii sunt cele mai rspndite cristale-gazd. Safirul a fost utilizat ca material-gazd pentru primul laser construit, cel cu rubin. Acesta este un material dur, cu conductivitate termic ridicat, iar metalele de tranziie pot fi ncorporate uor n locul aluminiului. Granatul sintetic este unul din cele mai rspndite materiale-gazd: granatul cu itriu-aluminiu, Y3Al5Oi2 (YAG): granatul cu gadoliniu-galiu, Gd3Ga5Oi2 (GGG), granatul cu gadoliniu-scandiu-aluminiu, Gd3Sc2Al3Oi2 (GSGG) sau granatul cu itriu-scandiu-aluminiu, Y3Sc2Al3Oi2 (YSGG). Granatele au multe proprieti care sunt dorite n materialele-gazd, ca stabilitatea, duritatea, uniformitatea optic i conductivitatea termic bun. Dintre cele menionate, YAG-ul ocup o poziie dominant ntre materialele pentru laserii cu corp solid, deoarece este un cristal izotrop i foarte dur, care poate fi fabricat cu o calitate optic ridicat, YAG-ul este cristalul-gazd pentru majoritatea laserilor medicali cu neodim, holmiu, erbiu sau tuliu.Un alt cristal-gazd pentru laserii cu holmiu, erbiu i neodim este fluorura de itriu-litiu, YLiF4 (YLF). YLF-ul este un cristal uniaxial, transparent pn la 150 nm i deci pentru pompaj pot fi folosite lmpi flash cu densitate mare de curent, care emit n albastru i ultravioletul apropiat. Lrgimea liniei sistemului Er:YLF este de numai 10 cm"1, situaie favorabil pentru ctig ridicat. Pentru ca laserul cu Ho.'YLF s funcioneze eficient, materialul trebuie sensibilizat cu Er-Tm. n cazul laserului cu Nd:YLF se realizeaz o reducere a efectului de lentil termic i a birefringenei i o mbuntire a acumulrii de energie n comparaie cu laserul Nd'YAG. Totui, eficiena de pompaj i proprietile termomecanice sunt mai reduse la laserii Nd:YLF.O lucrare de referin pentru laserii cu mediu activ solid este scris de Koechner (1988).

Laserul tipic cu mediu activ lichid este laserul cu colorant. Pompajul se realizeaz fie cu lamp flash, fie cu alt laser (cu azot, cu argon, armonica a doua a laserului cu neodim). Schema unui laser cu colorant pompat optic cu radiaia de la alt laser este prezentat n figura 4 Energia optic intens de pompaj excit moleculele de colorant, producnd n acelai timp o emisiefluorescent intens. Oglinzile rezonatorului laser confocal asigur amplificarea radiaiei generate n cuva ce conine colorantul, iar un element dispersiv (filtru selectiv, prism, reea de difracie) asigur acordabilitatea acestui laser. Fiecare tip de colorant prezint caracteristici spectrale proprii. Schimbarea colorantului din cuv i eventual a sursei de pompaj permite acordarea laserului cu colorant pe ntreg domeniul vizibil, n ultraviolet i

fig4

REGIMURI DE FUNCIONARELaserii funcioneaz fie n und continu, fie n impulsuri. Atunci cnd puterea unui laser se menine la nivel constant pentru perioade lungi de timp (secunde, zeci de secunde), se spune c laserul funcioneaz n und continu. Puterea P se msoar n [WJ. Pentru aplicaiile biofotonicii, puterile utile ale laserilor se ncadreaz n domeniul 0,1-100 W (cele mai mici puteri pentru anastomoz, cele mai mari n ortopedie). Exist i o excepie, revascularizarea transiniocardic cu laser cu CO2, unde puterea laserului este de 750 W, dar cu funcionare pe durat foarte scurt (50 ms).Exist o mare diversitate de regimuri de funcionare n impulsuri ale laserilor. Cel mai simplu este cel n care un fascicul laser continuu este ntrerupt periodic cu ajutorul unui obturator comandat sau cu un disc rotitor cu fante. Aspectul acestui tren de impulsuri este prezentat n figura 2.10.

Puterea de vrf a impulsului este cea a laserului n und continu, iar frecvena de repetiie a impulsurilor variaz ntre civa Hz i ci va kHz. Raportul ntre durata impulsului tp i perioada impulsurilor Tp (inversul frecvenei de repetiie a impulsurilor, Tp - l/f) reprezint factorul'de umplere. De obicei acesta are valori cuprinse ntre 0,1 i 0,9. Puterea medie este (Tp/Tp)P.Regimul normal de funcionare n

pulsuri a unui laser se obine prin nmaga-

zinarea energiei n sursa de alimentare a laserului sau n circuitele ce conecteaz la- , fig5serul de sursa de alimentare. Descrcarearapid a acestei energii nmagazinate conduce la emisia de impulsuri laser cu puteri de vrf mai mari dect n cazul funcionrii n und continu (figura 2.11). Acesta este regimul de funcionare, de exemplu, al laserului cu CO2 cu superpuls, cu putere de vrf de sute de W, fa de 20-30 W n und continu. Durata impulsurilor este de obicei de sute de us. Aria cuprins sub curba impulsului laser reprezint energia E a fiecrui impuls, msurat n [J] Puterea medie n acest caz EITD.

Tehnica regimului declanat (Q-switching)poate fi considerat ca regimul de funcionare a laserului ntr-un singur impuls, cuputerea de vrf mult mai mare dect puterea corespunztoare funcionrii n undcontinu (impuls gigant). Pentru realizareaacestui regim de funcionare, n cavitatealaserului este introdus un comutator optic,n timpul pompajului, pierderile din cavitate sunt foarte rnari (factor de calitate Qcobort), astfel c oscilaia laser nu esteFig. 2.11. Regimul de funcionareposibil. Din acest motiv, se va stabili

Fig6o inversie de populaie care depete cu mult normal n impulsuri a laserului,valoarea de prag. Spre sfritul impulsului de pompaj, factorul de calitate al cavitii, Q, se comut (atinge valori mari prin micorarea pierderilor din cavitate), astfel c ntreaga energie acumulat n mediu va fi eliberat ntr-un singur impuls laser cu durata scurt, a crui putere de vrf atinge valori mult mai mari dect n mod normal. Deoarece acest regim de funcionare implic comutarea factorului Q al cavitii de ia o valoare cobort la o valoare foarte mare, el se numete Q-switching (comutare Q) sau regim declanat.Dac comutatorul din cavitate este deschis rapid, ntr-un timp mai scurt dect timpul de cretere a impulsului laser, la ieirea laserului se va obine un singur impuls gigant, n caz contrar, fasciculul va fi constituit din mai multe impulsuri, deoarece energia nma-gazinat n mediu nainte de comutare este eliberat n mai multe trepte, fiecare treapt corespunznd emisiei unui impuls laser.Pentru comutarea factorului de calitate al cavitii sunt folosite mai multe metode ca: introducerea i ndeprtarea unui obturator n drumul optic, rotirea unei oglinzi a rezonatorului laser n jurul unei axe perpendiculare pe axa rezonatorului (30 000 ture pe minut), deplasarea unei oglinzi a cavitii laser de-a lungul axului cu viteze de ordinul 15-30 cm/s, modificarea transparenei unui material introdus n cavitate (absorbani saturabili), schimbarea drumului optic ntre oglinzi, modificarea reflectivitii unei oglinzi, modificarea proprietilor optice ale materialelor la aplicarea unui cmp electric extern (comutarea electrooptic prin efect Pockels sau efect Kerr), deflexia fasciculului laser ntr-un cmp de unde ultrasonore (comutarea acustooptic) i altele. Toate aceste metode determin modificarea brusc a raportului ctig/pierderi. Un tren de impulsuri laser n regim declanat este prezentat n figura 2.12. Frecvena de repetiie a impulsurilor variaz ntre sute de Hz i 30-60 kHz. Impulsurile laser au durate tipice de zeci-sute de ns i puteri de vrf ce depesc de 20-200 ori nivelul atins n und continu. Din acest tren de impulsuri poate fi selectat un singur impuls.

3

fig7

FIBRE OPTICEUtilizarea laserilor n medicin i biologie este uurata de dispozitivele specializate care se interpun ntre instalaiile cu laser i esut Acestea au rolul de a accesa zona dorita cu precizie ridicat (fibre optice, manipulatoare optomecanice bronhoscoape, colposcoa pe, lanngoscoape), de a realiza anumite funcii Ia aplicarea fasciculului laser (adaptoare de microscop, scanere) i de a asigura sarcini auxiliare (sisteme de evacuare a fumului)Pentru laseri din U V apropiat, vizibil i IR apropiat se utilizeaz fibrele din cuart care ofer un mijloc simplu de transmitere a radiaiei laser spre inta dorit Aceste fibre posed deja multe din caracteristicile necesare unei fibre medicale Fibrele din sticl i cuart sunt disponibile comercial cu diverse diametre i lungimi, sunt n general fiabile, nu sunt toxice, pot fi sterilizate cu uurin i sunt relativ ieftine Totui, pentru aplicaiile medicale bazate pe ablatia esutului, fibrele trebuie s fie de asemenea capabile s transmit fascicule laser cu putere de vrf fr o atenuare substanial, fr distrugerea lor .Fibrele optice sunt compuse din doi cilindri coaxiali i pot fi realizate din diverse materiale cuart, sticl, materiale plastice sau materiale cristaline De asemenea, n aplicaiile medicale ale laserilor se utilizeaz ghidurile de und goale (metalice, din materiale dielectrice sau din matenale plastice) Cilindrul interior al fibrei, numit miez (core), are ca indice de refracie cu 1-3 % mai mare dect cel al cilindrului exterior, numit nveli (cadding) n acest fel se asigur reflexia total la peretele miezului astfel c radiaia laser este concentrat n miez, propagndu-se de-a lungul luiParametru fibrelor opticeCei mai importani parametri ai unei fibre optice sunt apertura numeric (AN), atenuarea (Aj), dispersia i diametrul miezului i a nveliuluiApertura numeric este sinusul semiunghiului maxim al conului ce conine toate direciile fasciculului laser incidente pe seciunea transversal a fibrei, care produc reflexia total la peretele miezului (figura 7 la)AN-sin a f

Orice fascicul care este incident la un unghi mai mare nu este transmis prin fibr .Apertura numeric a fibrele- optice este de obicei n domeniu 0, 11-0 ,22 Transmisia unei fibre, Ta, poate fi exprimat prin expresiaTa=TaJTa2exp[-a,(L)L],

unde Tai i Ta2 sunt factorii de transmisie la intrarea i ieirea fibrei, L este lungimea fibrei, iar a 10' W'cm2) ce conduc la procese de absorbie neliniareTehnicile de msurare a temperaturii n esuturi includ termistoarele, termocuplere, nregistrarea fluorescentei cu fibre optice implantate n esut, detectori de infrarou i camere termice pentru msurarea temperaturii ia suprafaa esutului i utilizarea probelor histologice pentru determinarea distrugerilor termice .Tehnica probelor histologice nregistreazrezultatul final al distrugem esutului, msurnd mai degrab efectul evoluiei termice integrate i nu temperatura.n czul ablaiei laser se msoar cantitatea de esut ndeprtat (grame) sau adncimea craterului produs n esut (um) pe impuls laser, n funcie de parametrii laserului (lungime de und, energia impulsului, durata impulsului, frecvena de repetiie a impulsurilor, mrimea spotului) Sunt utilizate mai multe tehnici nregistrarea numrului de impulsuri necesare pentru penetraiea unui esut de o anumit grosime, nregistrarea oravimetric a masei unui eantion de esut n timpul iradierii prin experiene de pierdere de mas); microscopia n lumin, care poate msura adncimea craterului de ablaie ntr-o seciune de esut sau perpendicular pe esut Aceste tehnici determin pe de o parte gradul n care procesul de ablaie este controlat, iar pe de alt parte viteza de ndeprtare a esutului. Controlul este important n cazul microdiseciilor, iar viteza de ndeprtare a esutului este important pentru eficiena procesului de ablaieOdat ce radiaia laser este absorbit i convertit n cldur, tipul de distrugere termic este determinat de evoluia termic n timp, depinznd de temperatura esutului, timpul ct esutul rmne la o anumit temperatur, frecventa cu care au loc expunerile laser, cantitatea de cldur din esut la ncetarea impulsului laser i de rcirea care are loc n intervalul ntre impulsuri. Dac iradierea este repetat nainte ca esutul s se rceasc complet, creterile de temperatur n esuturilor va fi aditive, iar efectele iradierii cu laser pulsai pot fi n esen aceleai cu care produse de laserii n und continu.

Mecanisme de sudur a esuturilor cu laseri

Nu exist nc un tablou clar privind mecanismele implicate n sudura esuturilor culaseri. Totui, se consider c responsabile pentru sudura esuturilor cu laser sunt legtur| rile fizico-chimice realizate prin coagularea termic a proteinelor din esut. Proteinele particulare care particip la formarea legturii depind de compozii esutului (anatomie).A fost demonstrat pierderea elicei triple a colagenului (desfurarea structurii elicoidale triple a colagenului din starea nativ) i birefringena sa , precum i anumite tipuri de interacie ntre fibrele de colagen. Forma elicoidal a colagenului nu mai revine dup rcirea esutului (fr formarea de noi legturi covalente)Studiile morfologice sugereaz c procesul de sudur este rezultatul desfaurrii mnunchiurilor de colagen la capetele secionate, cu ntreptrunderea parial ulterioar i fibrelor de colagen peste aceast seciune. Studiile morfologice prin microscopie electronic efectuate de Tang et al. (1997) au artat c unele fibre de colagen fuzioneaz una cu alta dup sudura laser. Autorii consider c interconectarea nu are loc numai la capetele fibrelor de colagen, dar i ntre suprafeele lor paralele Acest fapt este important dac seconsider c lipirea cap la cap a fibrelor de colagen cu grosimea de numai 0,1-0,2 mm se obine frecvent n anastomoza asistat cu laser cu tehnicile microchirurgicale reale. Dou fibre de colagen paralele pot fi alipite prin sudura laser i acest mod de mbin este probabil modul principal n sudura laser. Diferitele tipuri de fibre de colagenj modificri, observate dup sudura laser (fibre fuzionate, suprapuse, umflate sau dizbl vate), coexist cu fibre normale n aceeai zon. Aceasta nseamn c fibrele de colagen au reacii diferite la acelai nivel de temperatur Studiile biochimice au demonstrat c fibrele de colagen nu se denatureaz complet n urma sudurii laser . Acest fenomen poate fi explicat de faptul c exist cteva tipuri de colagen i fiecare tip de colagen conine proporii diferite de reziduuri de hidroxiproni cu stabilitate termic diferit. S-a msurat c tipul I de colagen constituie 60 %, tipul 3 30 %, iar restul de 10 % este constituit de colagen de tipul V i de colageni minor. Sinteza colagenului este stimulat n timpul procesului de vindecare dup sudura laser.* Temperaturile necesare pentru denaturarea colagenului variaz n funcie de tipurile de colagen i de gradul de interconectare a fibrelor (care crete odat cu vrsta), n felul obinuit, aceste temperaturi se ncadreaz n domeniul 50-80 C. Experienele cu tend nclzite n baia cu ap au sugerat c temperatura optim pentru aderena colagenului e cuprins ntre 60 i 65 C Temperatura maxim a esutului n timpul sudurii cu laserul cu argon a fost msurat a fi 48,8 C n timp ce n cazul laserului cu C02 aceasta este semnificativ mai mare (84 C).Explicaia acestui paradox aparent const n gradientul semnificativ de temperatur existent ntre suprafaa exterioar i cea interioar a vasului n timpul sudurii. Temperaturi ridicate la suprafa, de 100-120 C, pot fi nsoite de temperaturi mai moderate n mijlocul peretelui vasului, unde se gsete majoritatea colagenului care fuzioneaz. Deoarece nclzirea stratului median este hotrtoare n anastomoza laser, utilitatea unui laser depinde de grosimea peretelui vasului. Astfel, laserul cu C02 poate fi folosit pentru vasele mici, n timp ce vasele mai mari, cu perei mai groi, necesit o adncime de penetrare optic mai mare, care poate fi asigurat de laserii cu argon i Nd:YAG. Folosirea laserului cu CO2 la astfel de vase este nepotrivit, deoarece nclzirea superficial este mult mai puin eficient dect nclzirea direct a stratului median i va conduce la distrugerea excesiv a suprafeei pentru a obine o nclzire suficient n peretele vasuluiRezistena optim a sudurii s-a obinut la 62,2 C, cu utilizarea unei presiuni de alturare (compresie) a celor dou margini ale esutului de 9,6 N/cm2 (dispozitivele mecanice de alturare menin mpreun marginile esutului la aplicarea energiei laser) Dac presiunea de alturare este redus, temperatura optim de sudur crete. Caracteristicile de mai sus ale esutului sudat necesit o nclzire de 30 de minute. La temperaturi mai mari, rezistena maxim a sudurii se obine cu un timp de iradiere mai redus Temperatura optim pentru sudura esuturilor depinde de presiunea de compresie, de tipul de esut, de compoziia chimic i de vrsta esutului.S-a ridicat problema dac legtura este sau nu covalent. Experienele au artat c n timpul sudurii laser, mecanismul major este legtura necovalent n cazul sudurii cu lasen n impulsuri, ca i n cazul ablatiei. durata impulsului laser (durata iradierii) trebuie s fie mai scurt dect timpul de relaxare termic, pentru ca energia laser s asigure un efect maxim pe int, cu distrugeri termice colaterale minime datorit difuziei De asemenea, intervalul ntre impulsuri (timpul ntre expuneri) trebuie s fie mai lung dect timpul de relaxare termic, pentru a permite disiparea complet a cldurii naintea expunerii urmtoareAplicarea acestor principii este complicat de faptul c absorbia se modific n timpul sudurii, odat cu creterea temperaturii i denaturarea proteinelor. Difuzia termic se modific de asemenea pe durata sudurii datorit variaiilor n circulaia sangvin i n conductibilitatea termic a esutului.Pentru a mri viteza de sudur i rezistena esutului sudat, sunt utile o serie de tehnici ajuttoare, ca adezivi pentru esut, cromofori pentru mrirea fotoabsorbiei, sisteme de control cu reacie pentru temperatura din esut i dispozitive de compresie mecanic Odat ce esutul a fost nclzit i denaturat, procesul nu mai poate fi inversat. Dac esuturile sunt supranclzite, producnd o sudur sub optim, repararea se poate realiza numai prin ndeprtarea esuturilor necrozate i prin iradierea unor margini proaspete de esut.

5.4 2 4 Mecanismul de ablaicAblaia laser este un proces termodinamic complex de neechihbru, prin care are loc ndeprtarea (uneori exploziv) de material cu radiaie laser de mare intensitate, n hte-j-atur se mai ntlnesc denumirile de evaporare asistat cu laser (laser-assisted evaporation) sau mprocare produs cu laser (laser sputtering). n acest regim, ndeprtarea de material are loc departe de echilibru i se bazeaz pe mecanisme microscopice termice sau netermice. Din acest motiv, se prefer termenul de ablaie, care este mai puin sugestiv fa de mecansimele fundamentale implicate n proces.Ablaia poate fi continu, cnd se realizeaz cu laseri cu funcionare n und continu (sau cu impulsuri cu durate lungi) i pulsat cnd sursa de iradiere este un laser ce emite impulsuri scurte de mare intensitate, m cazul ablaiei pulsate, durata scurt a impulsurilor laser permite n mare msura suprimarea disiprii energiei de excitaie n afara volumului iradiat. Acest lucru se ntmpl cnd grosimea stratului abiat pe impuls este de aceiai "ordin de mrime cu lungimea de difuzie termic (relaia 5.15, unde = rp) sau adncimea de penetrare optic (relaia 4.59), depinznd de cea care este mai mare. Ablaia pulsat este un fenomen de evaporare exploziv nsoit de efecte mecaniceAblaia pulsat poate fi clasificat n ablaie termic, foto fizic sau fotochimic Ablaia termic se bazeaz pe nclzirea indus de laser i vaporizarea tei mic. Deoarece disiparea energiei de excitaie este foarte rapid, mecanismele de excitare l detaliate devin ireevante. in ablaia fotofizic, excitarea netennic influeneaz direct l rata de ablaie. Un exemplu este dat de speciile excitate electronic ce prsesc suprafaa l nainte de transferul energiei. Ablaia laser fotochimic (foolkic) este determinat de l ruperea netermic a legturilor moleculare, fie prin fotodisocierea direct, fie prin l 'transferul indirect al eneigiei prir intermediul altor specii.

Secvena evenimentelor care conduce la ablaia laser a esutului biologic poate varia n funcie de proprietile optice i mecanice ale esutului, ca i de caracteristicile tempo- re i spaiale ale fasciculului laser. De exemplu, ablaia unor specimene de aort folo- sind un laser cu argon n und continu este adesea iniiat prin apariia unei explozii ce determin ruperea esutului, urmat de un proces de piroliz a esutului, n schimb, cnd se folosete laserul pulsat cu excimer, se obine o ablaie rapid i uniform esutului Termenul ablaie nseamn pur i simplu ndeprtarea de esut. Aceasta se poate realizaprin vaporizarea componentelor lichide sau solide, prin piroliz macromoleculelor si prin ejectarea de tragiiente de esut (spallation) n timpul procesului de ablaie laser.EFECTE FOTOABLATIVELaserii cu excimeri devenii disponibili n anii 1970 reprezint o surs simpl i convenabil de radiaie n regiunea UV a spectrului. Studiile de interactie a radiaiei laser n UV cu materia organic solid, ca de exemplu polimerii sintetici i cu esutul biologic au condus la descoperirea n 1982 a fenomenului de fotodescompunere ablativ, care determin ruperea de ctre fotoni a legturilor chimice din solidul organic i expulzarea fragmentelor la viteze supersonice. Rezultatul este un crater de ablaie cu o geometrie care este determinat de fasciculul laser.Utilizarea laserilor cu excirneri la iradierea esuturilor biologice definete o nou clas de interacii laser-esut, legat de ruperea direct a legturilor chimice n moleculele organice. Energia mare a fotonilor emii de laserii cu excimeri, mpreun cu durata scurt a impulsurilor laser (lO-100 ns) sunt responsabile pentru minimizarea distrugerilor termice n materialele ablate. Procesul decurge att de rapid nct conductia termic nu joac aproape nici un rol. Un beneficiu suplimentar provine din faptul c esutul organic este un absorbant puternic pentru radiaia U V i deci regiunea de interactie poate fi controlat cu mare precizie.Principalele avantaje ab folosirii radiaiei laser n UV fa de radiaia laser din vizibil sau infrarou const n precizia (200 nm) cu care poate fi controlat adncimea craterului de ablaie i lipsa distrugerilor termice n substrat, pn la nivel microscopic. Din cauza absenei aparente a efectelor termice, acest proces a fost numit vablatie laser rece", dei formal se denumete fotodescompunere ablativ smifotoahlaie.Termenul vfotoablaie'' nu este bine definit. Acesta implic ablaia cauzat de fotoni,dar nu furnizeaz i alte detalii. Fotoablaia este un mecanism de interactie de sinestttor i care se distinge de procesele fotochimice sau termice descrise anterior. datorita disocierii moleculelor pe durata fotoablaiei, o tranziie chimic este implicai ceea ce ar putea conduce la utilizarea neadecvat a termenului ablaie fotochimic". Da respectnd evoluia istoric, termenul ,,fotochirnic" trebuie rezervat interaciilor cu fotosensibilizatori, la durate lungi ale impulsurilor laser. Fotoablaia trebuie privit nu ca acea ablaie cauzata de fotoni din UV.Efectele fotoablative intervin, aadar, cnd fotonii din ultraviolet de energie produi de laserii cu excimeri, sunt absorbii la suprafaa unui substrat organic. Deoarece i diaia UV este intens absorbit de cele mai multe molecule biologice, adncimile de penetrare optic sunt de numai civa um (vezi 4.2.2.5) Aceast combinaie de absorbie^ teraic i energie mare a fotonilor individuali rezult n transferul direct al energiei n mol cula absorbant spre legturile ce menin, integritatea moleculei. Cnd energia UV incident depete energia de legtur molecular (pragul de ablaie), substratul va suferi sciziuni aleatoare a legturilor i va fi redus la fragmente moleculare sau atomice constituente.**Expansiunea rapid creat de aceast excitaie i ruperea legturilor chimice provoac jejectarea la viteze supersonice. Spre deosebire de efectele fotoablative. fotonii din vizibil i infrarou produi de laserii de folosin clinic nu poseda o energie suficient de rupe legturile moleculare i deci pot abia esutul numai prin mecanisme termice.Efectele fotoablative sunt caracteristice pentru laserii cu excimeri ArF, KrF, XeCl XeF, ale cror lungimi de und sunt 1935 248, 308 i respectiv 351 nm. Energ fotonilor la aceste lungimi de und sunt 6,42 eV, 5 eV, 4,02 eV i respectiv 3,53 eV.Eficiena procesului de fotoablaie de a produce secionri extrem de precise, cu margiaij foarte netede, a determinat extinderea aplicaiilor medicale bazate pe efecte fotoablative, l care efectele termice sunt nedorite, n special n chirurgia oftalmic i n angioplastia laser Cercetrile experimentale n aceste domenii au permis evidenierea urmtoarelor concluzii^ a) efectele fotoablative depind de energie i prezint praguri de ablaie diferite pentru| lungimile de und ate laserilor cu excimeri; b) multe aplicaii necesit un sistem adecvat c fibre optice, pentru transmiterea local a radiaiei UV de putere mare.Corneea are un coeficient de absorbie extrem de mare la 193 nm (vezi tabelul 42)p iar fotonii cu aceast lungime de und au o energie (6,42 eV) mai mare dect majoritatea! energiilor de legtur ce interconecteaz moleculele de proteine din esuturi (C=O: 7,1 eV;| C=C: 6,4 eV O-H: 4,8 eV; N-H: 4,1 eV; C-O: 3,6 eV; C-C: 3,6 eV; S-H: 3,5 eVJ C-N: 3,0 eV; C-S: 2,7 eV) (Niemz 1996). Cnd concentraia fotonilor sau densitatea del energie depete o valoare critic (pragul de ablaie), legturile rupte nu se mai recombin i materialul se descompune. Ruperea legturilor intramoleculare determin produce-j rea unui volum mare ce conine fragmente de proteine. Energia fotonului care depete energia necesar ruperii legturilor asigur energia cinetic pentru iejectarea fragmentele de la suprafa- n acest fel, cu fiecare impuls laser este ndeprtat un volum discret de esutul cornean.Adncimea de ablaie este dependent de expunerea radiant i variaz n mod obinuit ntre 0,1 i 0,5 um pe impuls, pentru expuneri radiante cuprinse ntre 50 i 250 mJ/c Expunerea radiant determin de asemenea calitatea suprafeei ablate.5.5.1. Mecanismul de fotoablaieAbsorbia unui foton din UV de ctre legtura -B a unei molecule poate fi observat n diagrama din figura Curba inferioar reprezint cea mai cobort stare ener|getic (fundamental) a legturii, liniile orizontale marcnd nivelele vibrationale ale unui nivel electronic specificat. In starea superioar, energia absorbit depete energia legturii i deci cei doi atomi pot disocia la prima micare de vibraie. Dar, un astfel de proces de disociere este n competiie cu fluorescenta (inversul excitrii) i cu conversia intern (sgeata 2), care conduce la transferul speciei excitare pe starea fundamental, cu o energie suficient pentru a disocia n aceast stare. Deoarece exist numeroase alte procese n competiie, ca dezactivarea vibraional, transferul intersistem al energiei ctre o stare electronic diferit i dezactivarea colizonal, procesele fotofizice i fotochimice care intervin dup excitarea electronic pot fi complexe i dificil de evaluat Detaliile interaciei fotonului cu electronii n legtura- A-B nu au fost luate n consideraie n discuia de mai sus. O astfel de interacic poate conduce la promovarea unui electron de valen, care este procesul cel mai uzual n

regiunea spectral peste 200 nm. Micornd lungimea de und, numrul excitrilor de valen crete rapid i nu mai este posibil atribuirea absorbiei la o tranziie specific dintr-o molecul poliatomic. O complicare n plus inter- vine la lungimi de und mai mici de 200 nm, unde tranziiune devin din ce n ce mai importante. Limita de convergen a tranziiilor Rydberg este, ca i n spectroscopia atomic, un ion (molecular) sau un electron, ntr-o molecul organic poliatomic, unele sau toate aceste tranziii pot interveni simultan* Principalele ci de interacie produse pot fi nelese referindu-ne ia diagrama din figura 5.136. Absorbia unui foton din UV conduce ia excitarea electronic (calea 1). Starea excitat electronic poate suferi descompunerea n acea stare, caz care corespunde unei reacii fotochimice pure sau poate transfera intern energia (calea 2) spre o stare . excitat vibraional u nivelului fundamental, urmat de^descompunerea moleculei, caz echivalent unui proces termic Acesta este aa numitul mecanism fototermic, n caic fotonii joac rolul de surs de energie termic Indiferent de ~ Mea urmat, procesele pol fi aceleai, iar energia ce depete valoarea necesar pentru ruperea legturii va rmne n produsele rezultante i va fi disipat n fragmentele ablate Dac durata ablaiei este do aceiai ordin de mrime cu impulsul laser (- 20 ns), difuzia, , energiei termice n substrat este minim (s-a estimat o lungime de difuzie de cteva zecide nm) i este de ateptat ca substratul s nu sufere distrugeri termice. Procesele elementare de absorbie a fotonilor de ctre materialele organice sunt"reprezentate schematic n figura. n sistemele n care este prezent o singurcomponent, fie ea o molecula organic mic sau un polimer nare, cu uniti identicecare se repet, absotbia poate fi corelat cu spectrul acelei componente. Fotonii din ialrarcu cu energii mai miei de 1,5 eV produc excitarea vibraional relaional a'absorbantului Prni absoibia succesiv a mai multor fotoni se poate furniza suficientenergie pentru a depi bai icra de activare, astfel c va rezulta descompunerea termic amaterialului. Fotonii din ultraviolet cu energii mai mari de 3 5 e V provoac excitarea- electronic, care poate conduce ia descompunerea fotochimic Cu ct este mai scurtlungimea de und a fotonului, cu att este mai eficient fotodescompunerea chiar de peprima stare electronic excitat. Absorbia succesiv a fotonilor din ultraviolet de ctreaceeai molecul o va ridica pe o stare electronic mai nalt, de pe care poate avea locionizarea, urmat de descompunerea ionului.EFECTE FOTOMECANICEndeprtarea esutului prin efecte fotomecanice necesit distragerea integritii esutului, care se poate realiza prin cteva procese De exemplu, iradierea laser cauzeaz expansiunea termic rapid a esutului (efectul termoelastic), care poate produce stres mecanic i fracturarea malenaluliii De asemenea, absorbia energiei laser poate produce o schimbare de faz a elementelor celulare sau extracelulare ale esutului sau n apa din esuturi. Ejectarea produselor de ablaie determin uii recul n esut, care este la orig stresului ablativ. Distrugeri mecanice n esut pot fi realizate prin cavitaie sau produc de plasm, n sfrit, trebuie avut n vedere modificarea posibil a integritii mecanice esutului prin absorbia energiei radiante.Interaciile fotomecanice produc unde de stres, care se propag n esut cu viteza netului (~ l 500 m/s n esuturile moi), sau chiar mai rapid n cazul undelor de oc. dj durata impulsului laser, rp, este mai scurt dect timpul necesar pentru propagarea un, de stres n afara volumului de esut iradiat, se pot atinge valori de vrf mari ale stresul Aceste unde de stres pot contribui la mecanismul de ablaie i pot provoca distrugi esutul nconjurtor. Criteriul pentru confmarea stresului este dat de relaia (4.72),Efectele fotomecanice prin intermediul plasmei intervin n cazul impulsurilor 1; foarte scurte (mai mici de l ns) i a iradiantelor foarte mari Mecanismele de generare a undelor sonore prin interacia radiaiei laser cu mai sunt diverse i joac un rol dominant n efectele fotomecanice legate de inti laser-esut n principiu, exist ase mecanisme importante de interacie, care responsabile pentru generarea undelor acustice (Sigrist 1986).1) Efectul termoelastic se bazeaz pe nclzirea tranzitorie a unui volum restrns" pri absorbia energiei laser Gradienii de temperatur indui produc o tensionare n corp ca rezultat al expansiunii termice. Aceasta cauzeaz o und acustic intens, care se propag n afara zonei nclzite. Procesul termoelastic, adic nclzirea fr schimbarea de domin generarea undelor sonore n materia absorbant la energii laser sub pragului vaporizare. Dei eficiena de conversie este relativ cobort, de obicei < IO*4 pentrS lichide, acest proces a gsit aplicaii interesante.2) Vaporizarea exploziv n cazul lichidelor sau ablaia materialelor n cazurilor sunt responsabile pentru generarea undelor acustice, daca densitatea de energie las! n volumul absorbant al eantionului depete un anumit prag, determinat de pro; ttiie termice ale mediului. Ejecia materialului de la suprafa implic un moment recul (stres ablativ), care se propag n masa esutului ca un semnal acustic tranzitorii Pentru lichide, eficienta de conversie poate depi n acest caz ~ \ %.3) Formarea i colapsul unei bule tranzitorii generat ca rspuns la iradierea l (cavitaia indus de laser) nr-un lichid sau un solid sunt nsoite de impulsuri tran: de presiune, care sunt responsabile pentru ablaia laser a esutului, iitotnia laser sau d pentru administrarea fotoacustic a medicamentelor. Ablaia laser n impulsuri precizie la scar subraicronic i distrugere minim a esuturilor adiacente poate fi uzat n condiii de confmare a stresului la temperaturi sub 100 C.4) Strpungerea dielectric intervine numai la iradiante laser peste ~ (109-1010) W,J care pot fi realizate n mod curent cu impulsuri laser focalizate Strpungerea dielectrici este cel mai eficient proces de conversie a energiei laser n energie acustic. Eficiena: conversie poate ajunge pn ia 30 % n lichide.5) Electrostriciunea este prezent ntotdeauna datorit polarizrii electrice a moleculelor n esut, care determin micarea lor n. sau n afara regiunilor cu iradiant laser mai mare n funcie dac polarizarea este pozitiv sau negativa. Aceste micri produc un gradient de densitate i, n consecin, o und. acustic similar cu cea generat procesul termoelastic Electrostriciunea ca mecanism de generare a undelor sonore este important numai in medii foarte slab absorbante, unde ea poate limita sensibilitatea deteciei fotoacustice 6) n comparaie cu celelalte mecanisme de generare a undelor sonore, presiunea radiaiei este neglijabil n cazul absorbiei totale a radiaiei laser la suprafaa eantionului, amplitudinea presiunii radiaiei este dat de raportul ntre iradiant i viteza ___lurninii n Vid. Pentru o iradiant de IO6 W/cm2, se obine o presiune a radiaiei de 03 rnbar, fa de civa bari n cazul generrii termoelastice a undelor sonore sau sute de bari n cazul cavitaiei induse cu laserul, n condiii experimentale identice Motivarea studierii efectelor fotomecanice const n determinarea parametrilor laser de iradiere (lungimea de unda, durata impulsului, frecvena de repetiie a impulsurilor i expunerea radiant) care asigur o precizie maxim n ndeprtarea esutului, cu distrugeri termice i mecanice minime ale esutului ce nconjoar craterul de ablatie. ndeprtarea precis a esutului la nivelul unei singure celule este de mare important pentru producerile laser din oftalmologie, microchirurgia creierului sau microchirurgia celulelor. Inelegerea mecanismului de ablatie pentru esuturile biologice moi iradiate n condiii de confinare a stresului va ajuta la optimizarea parametrilor de iradiere pentru alte aplicaii medicale ale laserilor, unde precizia de ndeprtare a esutului are o importan major.

9.6. APLICAII N SPECIALITI MEDICALEn cele ce urmeaz se vor prezenta pe scurt principalele aplicaii ale laserilor n medicina modern, grupate pe specialiti medicale. Datorit dezvoltrii accelerate a __tehnici laser i a scopului urmrit n aceast monografie, nu pot fi tratate pe larg i nici mcar menionate toate disciplinele i procedurile utilizate.

Pe de alt parte, aplicaiile medicale prezentate pn acum, respectiv terapia cu laseri de putere mic, termoterapia interstiial, terapia fotodinamic i sudura esuturile adreseaz mai multor specialiti medicale Ceea ce se dorete aici este de a sublinia cele mai semnificative aplicaii i tehnicile uzuale i a indica principalele referine biologice. Datorit progreselor realizate n ultimul timp, se impune din ce n ce mai mult instrumentaia pentru chirurgia minim invaziv, respectiv cateterele miniaturizate, endoscoapele i alte tehnici n curs de dezvoltare. Exemplele sunt alese astfel nct s rezulte ideile eseniale i s ajute utilizatorul la alegerea soluiilor tehnice optime.Schimbrile evolutive continue n tehnologia laser i n nelegerea mecanisrnelor r implicate n interacia laser-esut au mbuntit precizia cu care poate fi realizat chirurgia i terapia laser i au mrit numrul afeciunilor care pot fi tratate Este de ateptat n viitorul apropiat aplicaiile medicale ale laserilor s continue aceast dezvoli impetuoas, iar laserii s poat fi ntlnii n ct mai multe centre de sntate.9.6.1. Aplicaii in oftalmologiePrimele aplicaii ale laseriior s-au realizat n oftalmologie. Chiar i astzi, majoritatea laserilor medicali vndui sunt destinai acestui domeniu. Specialitii pot consulta aplicaiile laserilor n oftalmologie Fotocoagularea este cea mai veche procedur terapeutic cu laser i rmne cea mai larg aplicat tehnic n oftalmologie. Exist numeroase aplicaii oculare, care au schimbatdramatic tratamentul multor boli, ncepnd cu retinopatia diabetic i terminnd cu glaucomul (Latina i Park 1995). Fotodistrugerea introdus la inceputul anilor 1980 a fost utilizat mai nti pentru tratarea neinvaziva a cataractelor secundaredar ulterior i-a gsit i alte aplicaii.

Dintre tehnologiile laser utilizate n medicin, un interes deosebit de mare n pulic1a trezit ablaia cu laser a corneei r - LASIK,), n vederea corectrii defectelor de vedere .Dei laserii cu excimer se folosesc pe scar larg n aceast aplicaie, n prezent se testeaz noi sisteme laser, care pot deveni o nou generaie de laseri oftalmologiei (impulsuri ultrascurte, armonicele laserilor cu mediu activ solid, generarea radiaiei laser prin procese neliniare, laserul cu Er:YAG)Dintre aserii existeni adecvai pentru chirurgia refractiv a corneei menionm laseiii din UV cu excimeri (193, 248 nm) i armonicele laserului cu Nd.YAG (213, 266 nm).

laseru din IR mijlociu cu Ho.YAG (2,1 um), Er:YAG (2,94 um). HF (2,58 um) i radiaia laser generat prin oscilaie parametric optic (OPO) cu laser acordabil cu mediu activ solid (1,5-3,2 um). Zonele de distrugere produse cu aceti laseri se ntind ntre 0,2 um (n UV la 193 i 213 nm), pn la 20 pm cu laserii dm IR apropiat (Ho'YAG, Er.YAG i HF funcionnd n regimul de oscilaie liber, cu impulsuri lungi). O rat "tipic de ablaie de 0,3 [im pe impuls poate fi obinut cu un laser din UV, n timp ce laserii din R apropiat asigur o rat de ablatie mult mai mare, de 10-20 um pe impuls.Aadar, corectarea precis a corneei se poate realiza mult mai uor cu laserii din UV De exemplu, pentru o incertitudine a adncimii de ablaie cu laseri din uV de 5 %, rezult c o corecie de 5 dioptri a unei zone optice cu diametrul de 5 mm (o grosime de ablaie la centru de 41,4 um) poate fi obinut cu o eroare de 0,24 dioptri sau o eroare a grosimii de ablaie la centrul corneei de 2 um). Pentru aserii din IR apropiat, eroarea este de 2 dioptri sau chiar mai mare.n concluzie, alturi de laserul cu argon care s-a impus n fotocoagulare, lasern dm UV ndeprtat (193 nm, 213 nm) stau la baza celor mai eficiente, precise i predictibile metode pentru sculptura corneei pe zone ntinse.9.6.2. Aplicaii n neurochirurgieNeurochirurgia se ocup de boli ale sistemului nervos central, adic creierul i mduva spinal. Chirurgia tumorilor din creier este dificil, deoarece sunt necesare intervenii extrem de localizate datorit structurii complicate i fragilitii creierului. Mai mult. accesul la tumoare este de multe ori dificil, centri vitali importani putnd fi situai p imediata apropiere a tumorii.Tumorile cerebrale se trateaz de obicei prin rezecie neurochirurgical sau prin radioterapie. Dei dezvoltarea metodelor microchirurgicale a condus la o mbuntire considerabil a neurochirurgiei, nc multe operaii ale tumorilor cerebrale determin traumatisme severe ale structurilor nconjurtoare, cu efecte colaterale ire\ersibile (paralizie, defecte optice i acustice, handicapuri fizice sau mentale). Tumorile localizate n profunzime pot fi ndeprtate adesea numai parial sau chiar nu pot fi accesibile. De asemenea, radioterapia poate conduce la efecte colaterale nedorite.Aplicarea laserilor n neurochirurgie s-a impus mai lent fa de alte specialiti medicale, deoarece primele experiene s-au dovedit ineficiente. Abia la sfritul anilor 1970 s-a trezit interesul pentru folosirea laserilor cu CO2 i Nd.YAG de putere medie Principalele avantaje ale laserilor n neurochirurgie sunt legate de faptul c laserul poate seciona, vaporiza i coagula esutul fr contact mecanic. Aceasta are o mare importan cnd se lucreaz cu esuturi foarte sensibile.n literatura de specialitate exist cteva sinteze ale aplicaiilor laserilor n neurochirurgie (Dnil et al 1994, Krishnamurthy i Powers 1994, Ascher 1986, Cerullo 1984, Jain 1984a). Dnil et al. (1994) arat c pe parcursul a 10 ani (I9&M993), circa 10 % dintre pacienii operai au beneficiat de intervenii cu laserul cu CO2. Studiile histologice efectuate pe esuturile cerebrale umane normale i patologice iradiate cu laserul cu CO: (Dnil et al. 1993) au permis identificarea afeciunilor n care este indicat terapia laser i stabilirea regimurilor de iradiere optim. Aciunea radiaiei laserului cu CO2 a fost studiat asupra tumorilor cerebrale i medulare i asupra plcii aterosclerotice Concluziile desprinse din 538 de cazuri confirm eficiena interveniilor neurochirurgicale cu laser, dar subliniaz n acelai timp i limitele sale. Cititorul interesat de acest domeniu poate consulta sintezele publicate de Dnil (1993) i Dnil et al (1994).9.6.3. Aplicaii in dermatologieAccesibilitatea pielii pentru examinare i studiu a fcut ca dermatologii s joace un rol important n definirea utilitii clinice i a limitrilor multor sisteme laser, ca i n dezvoltarea unor concepte, tehnici i dispozitive noi, care au mbuntit eficienta tratamentelor cu laser. Unul din cele mai importante concepte dezvoltate de dermatologi, fototermoliza selectiv, a condus Ia crearea unor sisteme laser cu numeroase avantaje n tratarea afeciunilor vasculare i pigmentate ale pielii i membranelor mucoase. Rezultatul net al acestui avans tehnologic a fost elaborarea unor noi tehnici de tratament, mult mai eficiente dect cele existente, care au fost nglobate n practica zilnic a celor mai muli dermatologi Utilizarea laserilor n dermatologie nu necesit sisteme endoscopice ca n majoriotatea celorlalte specialiti medicale. Multe afeciuni dermatologice pot fi tratate astzi cu o gam larg de laseri (CO2: EnYAG:; argon i vapori de cupru: diode laser), o parte din acestea neputnd fi tratate anterior cu alte metode medicale sau chirurgicale. Aplicaiile dermatologice ale laserilor s-au extins i n domeniul chirurgiei estetice i reparatorii transplantarea prului (Villnow et al 1995) i ndeprtarea tatuajelor . n dermatologie se utilizeaz toate modalitile generale de terapie cu laseri prezentate n capitol, respectiv terapia cu laseri de putere mic, termoterapia interstiial, terapia fotodinamic, sudura esuturilor i terapia steluelor vasculare. Noile modaliti de funcionare a laserilor cu CO2, regimul superpuls i tehnologiile de scanare a fasciculului laser au mbuntit semnificativ rezultatele clinice obinute n tratarea unor afeciuni dermatologice.9.6.5. Aplicaii n cardiologieToate interaciile poteniale ntre radiaia laser i esut au fost investigate pentru a dezvolta aplicaii cardiovasculare ale tehnologiei laser Laserii sunt folosii pentru a induce fluorescent, a nclzi materialele biologice i a abia esuturile aparinnd sistemului cardiovascular. Tehnologia laser a fost evaluat pentru tratamentul bolii arteriale coronariene, arimiile ventriculare i supraventnculare, cardiomiopatia hipertroflc i bolile cardiace congenitale. Utilizarea laserilor n aceste afeciuni este atractiv datorit posibilitii fibrelor optice de a transmite radiaia laser n zone cu acces limitat ale sistemului cardiovascular.Cea mai dezvoltat aplicaie este angioplastia laser, n care radiaia laser este utilizat pentru vaponzarea plcii aterosclerotice folosind fibre optice mtraumenale (Cragg et al 1989). Ateroscleroza const din plci glbui sau albe de colesterol, celule musculare fibrose sau netede i calciu n pereii arteriali. Angioplastia laser este piatra de ncercare pentru evaluarea tehnologiilor laser n cardiologie. De la prima aplicare clinic a aserior n tratamentul bolilor cardivasculare n 1983, n lume au fost realizate peste 15 000 de proceduri. Ca o alternativ la angioplastia laser sau cea cu balon, angioplastia laser cu balon utilizeaz radiaia laser pentru a nclzi peretele vascular n timpul angiopastiei cu balon, n vederea mbuntirii remodelrii vasului sangvin pe care o induce dilatarea cu balonCa urmare a studiilor efectuate asupra proprietilor spectrale ale peretelui \ascular aterosclerotic (Oraevsky et al 1988. Izatt et al 1991 b) i a modelelor teoretice elaborate (van Gemert et al 1985a, Welch et al 1985. Cheong i Welch 1989), s-au putut evalua posibilitile de aplicare a diferitelor sisteme laser n angioplastie. respectiv laserul cu NdrYAG la 1,06 um, 1,32 ^m i 1,44 jam (Bauer ei al. 1996), laserul cu colorant pompat cu lamp flash (Prince et al 1986a, Prince et al 1988), laserul cu excimer XeCl la 308 nm (Singleton et al 1987, Tayor et al. !988b, Srinivasan et al 1990b, Oraevsky e al 992a, Gijsbers e al. 1995, van Leeuwen et al 1996) i laserul cu Ho.YAG (Topaz et al 1996, Topaz et al 1998).ndeprtarea preferenial a plcii arteriale calcifiate se poate face prin ablape laser (Esenallev et al 1989) sau cu plasm indus cu laserul (Prince et al 1987). Sunt n curs de dezvoltare sisteme laser ^inteligente*', care utilizeaz tehnicile de imagistic spectro-scopice i cu ultrasunete pentru a distinge esutul normai de placa aterosclerotic (Deutsch e al 1988). Angiopastia cu aseri cu excimeri poate fi mbuntit prin aplicarea unui jet de soluie salin (van Leeuwen et al 1998) Fibra optic utilizat n angio-plastie pentru transmiterea fasciculului laser poate fi ghidat prin fluorescent (Deckebaum et al 1995). Aceeai metod poate servi i pentru diagnosticarea esuturilor umane bolnave, respectiv a aterosclerozei (Richards-Kortum et al. 1989).-i fO alt aplicaie revoluionar, cu impact mare, este revascularizarea transmio cu laser (transmyocardial revascularization - TMR), prin care radiaia laser este i pentru vaporizarea unor canale multiple n miocardul ventricular, pentru a mb perfuzia local Aceast tehnic este utilizat pentru tratarea ischemiei, prin care : mite trecerea sngelui din ventricul prin canale, fie direct n alte vase sangvine [ de canale, fie n sinusurile miocardice i care mbuntete microcirculatia mio (n mod sirniar cu inima la reptile). Revascularizarea transmiocardic se realizeaz*! laser cu CO2 de mare putere (800 W), care perforeaz 20-30 canale/cm2 pe di 20 mm, cu impulsuri avnd durata de 25 ms (20 J) (Jansen et al 1996a).Trombohza laser (Sathyam et al 1996), fotochimioterapia laser i terapia prin !| laser a aritmiilor i a cardiomiopatiei hipertrofce se gsesc nc ntr-un stadiu incii de dezvoltare. Ablaia laser s-a utilizat pentru vaporizarea focarelor ventriculare re sabile pentru aritmii i vaporizarea cilor de tahiaritmie supraventricuar (Wu^ 1997). O sintez ampl privind aplicaiile cardiovasculare ale laserilor a fost public Deckelbaum et al (1994).9.6.6. Aplicaii n stomatologiePrimele investigaii ale aplicrii laserilor n stomatologie, ncepute nc de la \ tul anilor 1960 (Goldman 1995). nu au fost deosebit de ncurajatoare, datorit rateoIPS ablaie coborte i distrugerilor termice extinse. Cercetrile au fost extinse ulterior t sistemelor laser n impulsuri, ca de exemplu aserii cu Nd:YAG n regim decli laserii cu excimen Nici aceti laseri nu asigur rate de ablaie suficiente pentru 1 impune n aplicaii stomatologice (Keller 1991). Rezultate ncurajatoare au fost ob cu laserul EnYAG, care asigur o eficien nalt de ablaie, combinat cu dis minime ale esuturilor dure nconjurtoare (Keller i Hibst 1991).Laserii din mfrarosu (ErYAG, Nd:YAG, CO2) se manifest prin efect termic ; smalului i dentinei, care conin n principal hidroxiapatit i ap. Datorit coeficieni de absorbie mare, radiaia laserilor cu CO2 i EnYAG este absorbit lng supr; dintelui, astfel c este posibil o ablaie eficient prin concentrarea energiei ntr-un voi mic de esut Dimpotriv, radiaia laserului cu Nd:YAG este puin absorbit de co nentele principale ale dintelui i ea poate ptrunde adnc n esut, determinnd o eficie sczut i creterea semnificativ a temperaturii. Prin utilizarea unor timpi de expu mai scuri de 200 fis i a unor lungimi de und care prezint o absorbie ridicat, proce de ablaie laser a dintelui poate fi optimizat printr-un mecanism termomecanic.

Aspectele teoretice ale comportrii dintelui uman n cmp laser intens sau mai puin f/* intens i proprietile neliniare ale esuturilor dentare au fost analizate de Alshuler et aB ^| (1996). Specialitii n stomatologie pot consulta lucrarea de sintez privind aplicaiile*^ laser n stomatologie elaborat de Colojoar et al (1998).

9.6.7. Aplicaii n ortopedieProgresul n multe aplicaii chirurgicale este adesea legat de tehnicile mbuntite de realizare a osteotomiei, adic de excizie a osului. Mijloacele standard n ortopedie sunt dispozitivele mecanice, care funcioneaz n contact i pot induce vibraii mecanice severe i hemoragii. De aceea, se pune ntrebarea dac laserii ar putea reprezenta o alternativ n chirurgia ortopedic (Sherk et al. 1990).Primele ncercri s-au realizat la nceputul anilor 1970 cu laserul cu CO2. S-a observat o vindecare ntrziat n comparaie cu osteotomule convenionale, datorit distrugerilor termice la magmile craterului sau seciunii. Mecanismul de ablaie a osului cu laserul cu CO2 a fost discutat de Forrer et al (l993a). Dac se selecteaz lungimea de und 9,6 um, impulsuri laser cu durata de 1,8 u.s i o expunere radiant de 15 J/cm2, zonele de distrugere termic pot fi reduse la numai 10-15 um. n acest caz, lungimea de und i durata impulsului joac un rol esenial.ncepnd cu anii 1980, cercetrile s-au focalizat asupra utilizrii lungimilor de und n jur de 3 jam, care sunt puternic absorbite de ap S-au testat att laserii cu HF (Izatt et a? 1990a), ct i laserii cu EnYAG (Walsh i Deutsch 1989b, Neson et al 1988, Nelson et a! 1989b, Gonzales et al 1990). S-a afirmat c aceast radiaie laser ableaz eficient att osul, ct i cartilajul.Un alt laser promitor pentru ortopedie este laserul cu Ho-YAG, care emite la lungimea de und 2,12 um (Nuss et al 1988, Charlton et al 1990, Stein et al 1990, Barton et al 1995, Christ et al 1994, Buchelt et ai 1994, Asshauer et al 1996b). Avantajul major este c aceast radiaie poate fi transmis eficient prin fibre optice. Totui efectele termice i mecanice sunt semnificativ mai mari fa de cele induse de laserul cu EnYAG (Romano ei al 1994): zona de necroz termic se extinde pn la 300 }im Ia 2,12 fim (F= 120 J/cur) fa de 12nrn a 2,94 iim (F- 35 /cm2)S-a propus i utilizarea n ortopedie a laserilor cu excimeri datorit preciziei lor ridicate la ndeprtarea esuturilor (Yow et al 1989, Nelson et al 1989a, Prodoehl et al 1994). Eficiena lor este totui prea sczut pentru a justifica aplicarea clinic. Acelai lucru se poate spune i despre laserul cu Nd.'YAG (Juri et al 1988).Laserii cu holmiu i erbiu se utilizeaz cu succes n ablatia discurilor intervertebrale lombare (Lane et al. 1993, Min et al. 1996) i n meniscectomie (Trauner et al. 1990, Ith et al. 1994, Jacques et al. 1994a, Vangsness et al. 1995). Vindecarea defectelor de menise pot fi mbuntite prin iradierea cu aseri cu CO2 de mic putere (Tsai et al. 1997). n sfrit, laserul cu argon poate fi folosit pentru ablatia cimentului acrilic (polimetilmeta-crilat - PMMA) utilizat n chirurgia ortopedic (Lee et al 1997). n tara noastr, efectele laserului cu CO2 n chirurgia ortopedic i a laserului cu He-Ne n terapie au fost investigate la Spitalul Militar Central (Babalc 1997, Diaconescu i Babalc 1999)DIAGNOSTICARE CU LASERISPECTROSCOPIE IN SITUn timp ce aplicaiile terapeutice ale laserilor n medicin sunt bazate pe efectele radiaiei laser asupra esutului, diagnosticarea cu Laseri utilizeaz modificrile detectabile ce rezult din efectele esuturilor asupra radiaiei laser. Interesul pentru laser a crescut n ultimii ani i n cazul dispozitivelor de diagnosticare, un domeniu de cercetare care a fost denumit ,,diagnosticare optic".Scopul global al diagnosticrii optice este de a furniza informaii despre esuturi prin utilizarea radiaiei laser ntr-o modalitate de sondare nedistructiv Deoarece diagnosticul endoscopie depinde de abilitatea medicului de a identifica esutul anormal din masa esutului normal, metodele de diagnosticare optic pot mbunti precizia de diagnosticai e n endoscopie Dei o mare varietate de tehnici optice pot f utilizate pentru investigarea esuturilor, metodele explorate pn acum s-au bazat pe principiile spectroscopiei con\en-ionale, n specia! pe fluorescenta indus cu laseii' (laser-nduced fluorescence - LIF) i pe spectroscopia prin reflectant difuzAu fost dezvoltate numeroase apl'cs:- cmice ale acestor tehnici spectroscopiei' inclusiv diferenierea esutului malign de cd benign, monitorarea strii metabolice i msurarea concentraiei ocaie a medicamentelor. Dintre diversele tehnici optice care se aplic n diagnosticare, spectroscopia de fluorescent a prezentat cel mai mare interes (Schomacker et al 199 i b). Aceast metod de studiere nedistructn a esuturilor se aplic ocal (in s/tu), furniznd informaii similare cu cele care se obin din examinarea histochimic tradiional a esuturilor prelevate din organism. Spectroscopia de fluoi escen este o metod de laborator utilizat pe larg n chimie,^Jkic. biochimie i biofizic pentru caracterizarea proceselor chimice i fizice n ^""materiale. Exist un numr important ae fluorofon naturali n celule i esuturi, care emit r .fluorescent n regiunea vizibil a spectrului, ca de exemplu favmee, iriptofanul, tiro-- ^zisa, NADH, colagenul, elastina i altele. Se cunoate c fiaxmele emit fluorescent - prezint modificri spectrale cnd sunt transformai din starea oxidat n cea redus ^ *jRjboflavinele emit fluorescent n vizibil, ntre 5 IO i 530 nm. i U V. Dei esutul este un -__ amestec complex i heterogen de un numr ma^e de specii moleculare ce conin numeroi - Kuorofori poteniali, n practic semnalele de fluorescent surt dominate numai de ci\a ~ jQuorofori, ale cror spectre de excitaie $i emisie se suprapun Fiucrofoni sunt contirup J Jnr-o matrice care prezint mprtiere i abso-bo si care afecteaz cantitatea de radiaie .r^aser care ptrande n fluorofon i mnmea semnalului de fluorescent care este er^is a ^ suprafa i deci poale ajunge pe detector.^y^- Sistemele folosite pentru preiic?rea serrnasc: de Cao^e-ccnt n *.\o .e con ~irimpulsuri sau un iaser cu heiu-cadmiu) ca surs de excitare i un detector care msoar spectrul de autofuorescen rezultant i care, la rndul su, furnizeaz informaii despre