ЭНЦИКЛОПЕДИЯ ФОТОННОЙ МЕДИЦИНЫ И ФОТОННОГО КЛИМАТА
Развитие на ближайшие 10 лет лазерной медицины на полупроводниковых излучателях.
Заварзин В.Н. Титов М.Н.
«Техника-Про», Москва Тел: 251-24-50
В настоящее время для лазерной медицины (хирургии, терапии, фотодинамической терапии (ФДТ)) применяют практически все виды известных лазеров, но безусловно самыми распространенными в этом веке есть и в ближайшее время будут полупроводниковые излучатели (светодиоды и лазеры) и только в лазерной хирургии СО2 лазеры как были самыми распространенными так и останутся. Почему же полупроводниковые лазеры и светодиоды захватывают все большую часть рынка медицинских лазеров по терапии, фотодинамической терапии и лазерной хирургии?
Для этого вначале обратимся к таблице параметров лазеров и светодиодов (Таблица 1).
Таблица 1
№№ пп | Параметры | Лазер | Светодиод |
1 | 2 | 3 | 4 |
1 | Возможная длина волны | 0,63-1,5 мм | 0,40-1,5 мм |
2 | Полуширина длины волны излучения | 1-0,1 нм | 15-20 нм |
3 | Средний угол расхождения | ~ 20-30 градусов | 20-50 градусов |
4 | Поляризация | поляризован | полностью деполяризован |
5 | Монохроматичность излучения | монохроматичное | немонохроматичное |
6 | Когерентность излучения | когерентное | некогерентное |
7 | Возможность сфокусировать в параллельный нерасходящийся пучок | есть | нет |
8 | Минимальное пятно, в которое можно сфокусировать излучение | 0,1 мм | 3 мм |
9 | Максимальный КПД серийных приборов | 10 % | 3% |
10 | Максимальная достигнутая плотность мощности освещения объекта от одиночного излучателя в постоянном режиме | 200 Вт/см2 | 0,1 Вт/см2 |
11 | Максимальная достигнутая плотность мощности от группы излучателей в постоянном режиме | 2х104 Вт/см2 | 2 Вт/см2 |
12 | Предельная мощность в импульсе от одного излучателя | 100 Вт | 100 мВт |
13 | Доля мощности, которую можно ввести в 200 мкм световод | 50 % | 0,5 % |
14 | Цена одного прибора | 3-100 долларов США | 0,1-1 долларов США |
15 | Возможность применения в лазерной терапии | да | да |
16 | Возможность применения внутривенной лазерной терапии | да | нет |
17 | Возможность применения в терапии с насадками, содержащими оптоволокно | да | нет |
18 | Возможность применения в ФДТ для поверхностных новообразований | возможно | преимущественно |
19 | Возможность для применения ФДТ крови или глубоко расположенных органов | да | нет |
20 | Возможность применения в хирургии | да | нет |
21 | Длительность импульса | 70 нс | 100 мкс |
22 | Максимальная мощность в импульсе | 50 Вт | 100 мВт |
23 | Необходимость водяного охлаждения излучателей | нет | нет |
24 | Накачка (питание) излучателей | источник электрического питания | простая микросхема |
25 | Теоретическая длительность работы бездефектного излучателя при комнатной температуре | более 100 лет | более 100 лет |
Из таблицы видно, что делает полупроводниковые излучатели привлекательными для медицины.
В первую очередь полупроводниковые источники имеют супер простую систему накачки. Для светодиодов это просто источник тока, для лазеров простая микросхема. Не нужно вообще каких-либо механических устройств, отсутствует водяное охлаждение.
По физике лазеры, светодиоды и твердотельные лазеры не имеют ограничения по сроку службы, а их отказы связаны с наличием дефектов, которые и создают катастрофические отказы. Над проблемой уменьшения дефектности полупроводников активно работают с середины прошлого века и идет быстрое сокращение дефектов в полупроводниках. Но для физиков приходится решать многие задачи, так как количество видов используемых полупроводников растет в геометрической прогрессии. Не случайно в этой области Ж.И.Алферов в конце века получил Нобелевскую премию. Схемы работы устройств на полупроводниковых излучателях чрезвычайно просты. Светодиоды, как правило, непосредственно облучают пациентов, и поэтому их излучение предназначено, как правило, для облучения больших площадей. Это используется в терапии и фотодинамической терапии поверхностных заболеваний. Лазеры используются в нескольких вариантах. Во-первых, облучение больших поверхностей, аналогично светодиодам. Во-вторых, введение излучения в тонкий световод, черезкоторый излучение попадает в специальную насадку, например для проктологии, или через иглу попадает непосредственно в больной орган. Широко используется это в терапии, хирургии и фотодинамической терапии, причем самым замечательным является применение сведения нескольких пучков световодов в один, чтобы создать сверхвысокие плотности мощности излучения. Это очень успешно используется в хирургии и фотодинамической терапии. Третья схема применения полупроводниковых лазеров, заключается в том, что она является источником накачки твердотельных лазеров, в которых длина волны излучения в два раза или в три раза меньше. То есть, имея инфракрасные полупроводниковые лазеры можно получать в твердотельном лазере зеленое или синее излучение.
В каком направлении будут развиваться полупроводниковые излучатели для медицины? В ближайшие 10 лет ожидаются грандиозные успехи в развитии светодиодов, полупроводниковых лазеров и твердотельных лазеров. В первую очередь в серийном производстве будут лазеры и светодиоды, у которых КПД возрастает в 1,5-3 раза. Это позволит в 1,5-3 раза поднять предельные мощности, получаемые со светодиодов и лазеров, что особенно важно для хирургии.
Кроме этого кардинально изменится вид лазерных терапевтических аппаратов. За счет резкого увеличения КПД лазеров и энергоемкости батарей автономные терапевтические лазеры будут практически монополистами в лазерной терапии.
Следует отметить, что сегодня специалисты всех стран самым активным образом работают над снижением цены полупроводниковых излучателей. По прогнозам профессора Сушкова В.П. (частное сообщение) цена серийных приборов сократиться в течение 10 лет в 1,5-3 раза, а цена соответствующих медицинских приборов упадет в 2 раза. Мировой проблемой является увеличение реального времени безотказной работы полупроводниковых излучателей. Видимо в ближайшее время наработка на отказ у всех серийных приборов возрастет в 2-10 раз, что приведет к увеличению реального срока безотказной работы медицинских приборов в 5-10 раз. Следует отметить, что медицинские приборы отказывают не только из-за отказа излучателей, но и элементов управления. Над всеми этими проблемами интенсивно работают российские и зарубежные инженеры. Безусловно, в ближайшее время серийными станут полупроводниковые лазеры желтого, зеленого, синего цвета и ультрафиолетового излучения. Совершенно очевидно, что такие технические предпосылки и рост объема практического применения лазеров приведет во всем мире к еще большему интересу к лазерной терапии, фотодинамической терапии и лазерной хирургии. По нашим прогнозам это удвоит в течение 10 лет количество лечебных методик и в мире не менее чем в 3 раза возрастет объем отпуска «лазерных» процедур.
Российские ученые и специалисты сегодня находятся на передовых позициях во всех отраслях лазерной медицины. Чтобы не ушел от нас приоритет все сообщество лазерных специалистов должно интенсивно работать. Мы думаем, что главным прогрессом в российской лазерной медицине будет экспорт оборудования, методик и лечение зарубежных пациентов. «Техника-ПРО» для этого предпринимает гигантские усилия, как в создании суперконкурентной продукции, так и в создании условий для работы за рубежом наших специалистов. Мы уже сумели послать специалистов в Иран, Бразилию и Ирландию. В ближайшие 10 лет «Техника-ПРО» создаст мощный канал экспорта лазерной медицины и сумеет помочь нашим партнерам-врачам выйти на широкое международное сотрудничество.
Выводы:
- Лазерная медицина (терапия, фотодинамическая терапия и хирургия) будут в ближайшее десятилетие драматически быстро развиваться в основном из-за успехов в технологии создания лазеров особенно полупроводниковых лазеров и твердотельных лазеров с диодной накачкой
- Лазерная терапия в ближайшие 10 лет перейдет на автономные портативные аппараты, в основном, благодаря резкому улучшению качества батареек
- Кардинально (на порядок) увеличится применение лазеров на основе волоконной оптики в хирургии, фотодинамической терапии и терапии
- Хирургия и фотодинамическая терапия будут активно развиваться за счет приборов, в которых излучение от полупроводниковых лазеров будет собираться с помощью системы волокон
- Российская лазерная медицина в ближайшие 10 лет в основном будет прирастать экспортом оборудования, методик и врачей.