آشنایی با نور و لیزر
نور :
در خصوص موج یا ذره بودن نور اتفاقنظر کاملی بین دانشمندان وجود ندارد زیرا نور خاصیت هر ۲ را از خود نشان میدهد ،
لیکن با توجه به اینکه لیزرها بر اساس خاصیت موجی نور ساختهشده و عمل میکنند لذا در این مبحث نیز نور بهعنوان موج در نظر گرفته شده،
و بحث میشود. بر اساس دانش فیزیک، نور همان امواج الکترومغناطیس است که با طول موجهای مختلف از یک‌دهم نانومتر ،
تا ۱ کیلومتر در طبیعت جود دارند بنابراین نگرشی اجمالی به نحوه تولید امواج الکترومغناطیس،
ما را با نحوه تولید نور، که اساس تولید لیزر نیز است، آشنا خواهد کرد.
نکته برای یادآوری :
همانطور که ملاحظه می‌کنید نور مرئی درواقع همان امواج الکترومغناطیس است و تفاوتی با دیگر محدوده‌های طولموجی ندارد ،
و این تفاوت مرئی بودن آنها از تفاوت خاصیتی آنها نیست بلکه مربوط به وجود گیرنده‌های این امواج در چشم انسان است،
یعنی در چشم انسان فقط گیرنده‌های طول موجهای ۴۰۰تا ۷۰۰ نانومتر وجود دارد و اگر گیرنده‌های برای طول موجهای دیگر نیز بود،
شاید چشم انسان می‌توانست طول موجهای دیگر را نیز به رنگ‌های جدیدتری مشاهده کند همانطور که در چشم برخی حیوانات،
گیرنده‌های امواج مادونقرمز نیز وجود داشته و از آن طریق در تاریکی نیز می‌توانند ببینند.
لیزر به معنی :
کلمه‌ی لیزر (laser) مخفف:Light Amplification by Stimulated Emission of Radiattion به معنی تقویت نور به وسیله‌ی تابش القایی است.
بنابراین لیزر همان نور و یا همان امواج الکترومغناطیس است و بهطورقطع تولید ان از اصول تولید امواج الکترومغناطیس پیروی میکند.
در ۱ نگاه ساده میتوان هر سیستم تولیدکننده لیزر متشکل از ۳ قسمت اصلی به شرح زیر در نظر گرفت
ماده فعال :
ماده‌ای است که می‌تواند انرژی را جذب و سپسان را بهصورت فوتون‌های آزاد (نور) تابش کند.
این ماده می‌تواند گاز، مانند co2، مایع نظیر مواد الی رنگی، جامد نظیر Nd:YAG، نیمه هادی مانند Ga-AL و حتی پلاسما نظیر Sr-He باشد.
عموماً لیزرها را برحسب ماده فعال نام‌گذاری میکنند مانند:Co2 laser،Nd:Yag lazer و …
کاواک :
محفظه‌ای است که ضمن نگهداری ماده فعال شرایط لازم برای تشدید و تقویت نور را فراهم میکند.
در ۲ انتهای محفظه‌ی کاواک ۲ آینه تعبیهشده است که ضرایب انعکاس یکی ۱۰۰% و دیگری کمی کمتر از ۱۰۰% می‌باشد.
منبع انرژی :
انرژی لازم جهت تحریک و برانگیختن ماده فعال یعنی قرار گرفتن الکترون‌های ماده فعال ،
در لایه‌های بالاتر الکترونی را تأمین میکند این عمل دمش یا پمپاژ انرژی نام دارد.
بدین منظور از منابع مختلف الکتریکی، نوری، حرارتی و شیمیایی و…استفاده میشود.
فرایند کلی تولید لیزر دقیقاً شبیه همان رخدادی است که موجب تولید نور یا همان امواج الکترومغناطیس میشود.
این فرایند به شرح ذیل است:
الکترون‌های ماده فعال با دریافت انرژی از منبع انرژی به لایه‌های الکترونی بالاتر منتقل میشوند.
این حالت برای اتمها ناپایدار است و الکترونها تمایل به بازگشت به لایه اصلی خود را دارند،
لذا در برگشت انرژی خود را با انتشار فوتون‌های نور (امواج الکترومغناطیس) ازاد میکنند.
فوتون‌های آزاد شده پس از برخورد به آینه ها که در دو طرف کاواک تعبیهشده‌اند منعکس و با برخورد به ماده فعال،
باعث تحریک اتمهای دیگر در ماده فعال و نشر فوتون از آنها میشوند. ادامه این روند با استفاده از آینه هایی که در دو طرف منبع لیزر تعبیهشده،
موجب تابش فوتون‌های بیشتر و بیشتر از ماده فعال و تقویت نور میگردد یعنی لیزر تولید میشود.
ضریب انعکاسی یکی از آینه های محفظه کاواک کمتر از ۱۰۰% است همین امر باعث میگردد این آینه بخش عمده‌ای از نور لیزر را منعکس،
و درصد کمی از آن را از خود عبور دهد. همین مقدار عبور یافته از آینه، همان لیزر خروجی کاواک یا سیستم لیزری است.
همانطور که در مطالب فوق ملاحظه کردید نور تولیدشده از ماده فعال با انعکاس از آینه های کاواک موجب تالش القایی،
و تقویت نور تولیدشده‌ی نهایی میشود. به همین دلیل لیزر به معنی تقویت نور به‌وسیله تابش القائی است و شدتان بالاست.
همچنین در مطالب پیشگفته شد که هر عنصری در شرایط تحریک (کسب انرژی و صعود الکترونها به لایه‌های بالاتر)،
امواج الکترومغناطیسی را با طولموج خاصی منتشر میکند به همین دلیل و با توجه به اینکه معمولاً ماده فعال در سیستم‌های لیزری عنصر خاصی است.
نور لیزر علاوه برشدت بالا دارای ویژگی‌های زیر است:
- تک طولموج (یا تکرنگ در لیزرها از محدوده نور مرئی)
- واگرایی بسیارکم یا انتشار در ۱جهت
- همدوسی یا همفاز بودن امواج که باعث تقویت نور خروجی میشود.
امواج همدوس همدیگر را تقویت و غیر همدوس همدیگر را تضعیف میکنند با توجه به اینکه از مواد مختلفی به عنوان ماده فعال،
در لیزرها استفاده میشود و عناصر مختلف در حالت تحریک امواج الکترومغناطیس را با طول موج خاصی منتشر میکنند،
پس میتوان با استفاده از مواد مختلف به عنوان ماده فعال و برانگیختن مواد مختلف در کاواک به نور لیزر با طول موجهای گوناگون دست یافت.
خلاصه مفادی که تا اینجا ارائه شد نشان میدهد :
- امواج الکترومغناطیس از تحریک عناصر مختلف تولید میشوند.
- هر عنصری در حالت تحریک، طول موج خاصی از خود منتشر میکند.
لیزر با استفاده از تحریک عنصری خاص تولید میشود و به همین دلیل دارای طولموج مشخص و ویژه است.
هر ماده‌ای داخل بدن طولموج خاصی را جذب میکند و از این خاصیت میتوان برای انجام دقیق اعمال پزشکی بهره جست.
موضوع مهم دیگر روش تابش لیزر به بافت‌هاست که باید موردتوجه قرار گیرد زیرا تابش متناوب لیزر به بافت دارای نتایج متفاوتی ،
نسبت به تابش مداومان است و هریک از شکل‌های تابش نیز که با تغییر فرکانس ،
و زمانهای تابش عدم تابش تشکیل میشوند، خود دارای نتایج متنوع و متفاوتی بر بافت‌ها هستند.
روشهای مختلف تابش لیزر، از تابش مداوم یا منقطعان حاصل میگردد که به شرح ذیل هستند :
الف) تابش مداوم یا پیوسته continues wave – CW :
در حالت پیوسته لیزر خارجشده از کاواک بدون قطع و وصل شدن بهصورت مداوم به موضع هدف تابیده میشود،
و تا زمانی که بهطور مثال پدال دستگاه را فشار می‌دهید نور لیزر بهصورت ممتد از دستگاه خارج میگردد.
در تابش پیوسته توان لیزر نسبت به زمان تغییر نمی‌کند و تعداد فتون ها در محفظه لیزر نسبت به زمان ثابت است البته میزان کلی توان می‌تواند،
از میلی وات تا کیلووات متغیر باشد. تابش پیوسته اثر حرارتی بالایی ایجاد کرده و موجب تخریب بافت میگردد.
ب) تابش منقطع یا ضربانی pulse wave :
در حالت‌های پالسی لیزر خارجشده از کاواک توسط ۱ سیستم الکترونیکی در فواصل منظم قطع و وصل میشود.
در این حالت زمانی که پای کاربر روی پدال دستگاه است موج لیزر مدتزمان معلوم (pulse time) مثلاً (۵۰ میلیثانیه) توقف می‌یابد.
همانگونه که ملاحظه می‌کنید لیزر در مدتزمانی به بافت می‌تابد و در مدتزمانی تابش لیزر متوقف میشود.
تابش پالسی لیزر شرایطی را فراهم میکند تا بتوان ضمن استفاده از توان بالای لیزر در بافت هدف، از آسیب های حرارتی که در حالت پیوسته ،
به حداکثر می‌رسد، جلوگیری نمود. بدین ترتیب که زمان استراحت یا pause time برحسب زمان استراحت حرارتی بافت تنظیم میگردد.
زمان استراحت حرارتی بافت زمانی است که در طیان ۵۰ درصد انرژی حرارتی از بافت هدف به اطراف هدایت میشود.
بهطور مثال در انجام Hair Removal عرض پالس طوری تنظیم میگردد که انرژی حرارتی در فولیکول مو محبوس ،
ولی در اپیدرم منتشر شود و بهعبارتدیگر زمان استراحت بیش از زمان استراحت حرارتی میگردد.
این قابلیت ویژه لیزرهای پالسی ، منشا تولید انواع لیزرهای پالسی با عرض پالس متفاوت گردید .بطور کلی در سه گروه دسته بندی میشوند :
۱)لیزرهای Long Pulse ( با عرض پالس میلی ثانیه)
۲) لیزرهای Short Pulse ( با عرض پالس میکرو ثانیه)
۳) لیزرهای Q-Switched( با عرض پالس نانو ثانیه)
با توجه به مطالب فوق میتوان با کاهش عرض پالس توان ان را افزایش داد بطوری که میزان انرژی اعمال شده به بافت هدف،
نسبت به حالت پیوسته یکسان باشد ولی اثرات حرارتی حالت پیوسته را موجب نگردد.به همین دلیل امروزه استفاده از لیزرهای پالسی،
در پزشکی گسترش فراوانی یافتهو توانسته است دقت بسیاری از اعمال پزشکی را که با عوارض جانبی خطرناکی همراه بودند،
به حداقل قابل توجهی بالا برد. به عبارت دیگر پالسی کردن یک لیزر علاوه بر افزایش دقت ان در برخی از اعمال اندیکاسون ها،
کاربرد ان را نیز به طور قابل توجهی افزایش میدهد.به دو مثال زیر توجه کنید:
لیزر Co2 :
در حالت پیوسته صرفا برای برش بافتی قابل استفاده است ولی در صورت پالسی کردن ان، میتوان از ان در حالت long pulse ،
جهت coagulation و برش بافتی و در حالت short pulse super pulse جهت لایه برداری سطحی پوست ( Resurfacing) استفاده نمود.
لیزرNd yag :
در حالت long pulse جهت از بین بردن موهای زائد و ضایعات عروقی ( Vascular.hair removal) و در حالت short pulse ،
جهت جوانسازی پوست ( Non ablative Rejuvenation) و در حالت Q-Switched جهت برداشتن ضایعات پیگمانته طبیعی و مصنوعی ( Tattoo) استفاده میگردد.
همانگونه که اشاره شد عرض پالس ( زمان هر پالس) بسته به نوع کاربرد لیزر شرایط بیولوژیکی بافت هدف و اهداف درمانی مورد نظر،
قابل تغییر بوده و بر اساس ان تنظیم میگردد بطوری که بافت هدف( ماده بیولوژیکی هدف مثل پیگمان) بیشترین انرژی را دریافت کند،
و بافت های هدف کمترین انرژی را دریافت کرده و کمترین اسیب را متحمل میشوند.
در ادامه به چند پارامتر دیگر از لیزرهای پالسی که شناخت انها در استفاده از سیستم های لیزری لازم به نظر میرسند نیز اشاره میگردد:
۱) pulse width
عرض پالس یا مدت زمان یک پالس که در مطالب بالا توضیح داده شد.
۲) peak power
ماکزیمم مقدار توان در یک پالس
میزان انرژی هر پالس که به توان ماکزیمم و عرض پالس بستگی دارد و به صورت زیر محاسبه میشود،
۳) pulse Energy
انرژی هر پالس=Pp× Pw( peak power×pulse width)
۴) Reputation Rate( فرکانس)
تعداد پالس ها در یک ثانیه را گویند که بر حسب هرتز بیان میشود
به عنوان مثال در شکل مقابل در مدت یک ثانیه سه پالس وجود دارد لذا نرخ تکرار یا فرکانس ان سه هرتز است.
۵) توان متوسط :
چون در حالت پالسی تابش لیزر قطع و وصل میگردد لذا با در نظر گرفتن زمانهای عدم تابش ( pause time)،
توان ماکزیمم اعمالی به بافت کاهش می یابد و به همین دلیل توان لیزرهای پالسی به طور متوسط بیان شده ،
و به صورت زیر محاسبه میشود:
توان متوسط(P Av) = انرژی پالس ( EP) ×نرخ تکرار ( Rr)
( P Av) = PP×PW×Rr
همانطور که قبلا اشاره شد عرض پالس در لیزرهای پالسی بر حسب اهداف درمانی و ساختار فیزیولوژیک بافت هدف تنظیم میگردد،
لذا در اینجا یاداوری این نکته مهم و ضروری است که برای کار لیزر، شناخت اجمالی و درست از پارامترهای یاد شده لازم است ،
زیرا با شناخت کافی این پارامترها، میتوان تنظیمات مختلفی را بر حسب اهداف درمانی در لیزرها ایجاد کرد.
برای مثال با افزایش فرکانس میتوان توان متوسط را افزایش داد و یا با افزایش توان ماکزیمم و کاهش عرض پالس ،
بدون ایجاد اسیب های حرارتی میتوان انرژی بیشتری را به بافت هدف رساند.به طور خلاصه میتوان گفت،
سازندگان لیزهای پزشکی با پالسی کردن انها ، دنیای جدیدی از کاربردهای لیزر را به روی کاربران خود گشودند که خود از فرمولها ،
و روشهای علمی ویژه ای برخوردار بوده و کاربردهای فراوان تازه و ایمنی را فراهم اورده است به همین دلیل امروزه ،
به ندرت سیستم لیزری میتوان یافت که در ان از حالت پالسی بهره نگرفته باشد.
لیزر Q -Switched _Nd:Yag یک نمونه موفقی در پالسی کردن لیزر برای اهداف درمانی ایمن میباسد.
