ЛАЗЕРЫ В ИССЛЕДОВАНИИ АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА

Основное средство для исследований или мониторинга – лидары – созданы с использованием лазеров. Они позволяют получать профили тех или иных параметров, скажем, в атмосфере – влажности, концентрации аэрозолей, а также температуры, скорости и направления ветра и др. Дело в том, что, распространяясь в среде, лазерный луч взаимодействует с ее составом, например, его излучение рассеивается аэрозолями во все стороны по известным законам. Часть этого излучения, возвращенную назад, и регистрирует лидар. Зарегистрированный им профиль сигнала после специальной обработки позволяет судить, допустим, о концентрации молекул водяного пара или влажности и иной информации.

Лидары состоят из лазера, приемного зеркала и электронного блока для обработки принятых сигналов. Все это может находиться стационарно на земле, на автомобиле, на борту корабля или самолета, а также на космическом носителе. Разработаны и внедрены в практику уникальные комплексы аппаратуры, в том числе не имеющие аналогов лидары для зондирования атмосферы, лазерные навигационные системы для посадки самолетов, проводки судов при отсутствии видимости стандартных маяков, лазеры на парах металлов, лазерные спектрометры высокого и сверхвысокого разрешения, лазерные газоанализаторы, обеспечивающие конценрационную чувствительность в тысячу и более раз выше, чем стандартные методы спектрального анализа и т.д.

В результате многолетних систематических экспериментальных и теоретических исследований в Институте оптики атмосферы СО РАН создан и применен на практике поляризационный мобильный аэрозольный лидар ЛОЗА-3 для исследования оптико-физического состояния нижних слоев атмосферы (на горизонтальных и наклонных трассах), в частности для определения наклонной дальности видимости в аэропортах, а также дистанционного контроля запыленности воздушного бассейна индустриальных центров. В отличие от традиционных приборов, он позволяет изучать оптические характеристики атмосферы оперативно и в любом направлении полусферы.

На основе обширного класса нелинейных и когерентных оптических эффектов предложены новые, более эффективные методы зондирования. Они реализованы в таких основных аппаратурных разработках, как спектрохимический лидар для дистанционного экспресс-анализа вещества аэрозолей и подстилающей поверхности по эммисионным спектрам лазерной искры. Создан также оптико-аккустический локатор для измерения метеопараметров атмосферы.

С освоением солнечно-слепого ультрафиолетового диапазона спектра появилась возможность создания помехозащищенных устройств лазерного зондирования. Первым таким прибором стал лидар, основанный на комбинированном рассеянии излучения, с лазером на молекулах соединения криптона и фтора. Он определяет газовые микропримеси в атмосфере с концентрацией на уровне 10^-5 атм. на дистанциях от 1 км в любое время суток. А для изучения влажности предназначен уникальный автоматизированный лидар «Диалог», с помощью которого впервые в мире осуществлено определение высотного профиля водяного пара ( до 10 км).

ЛАЗЕРЫ В МЕДИЦИНЕ

С первых дней создания оптических квантовых генераторов (1960) они вызвали огромный интерес у биологов и врачей. Получение большой мощности излучения на очень маленькой площади позволяет применять световой луч лазера в офтальмологии, хирургии, нейрохирургии, стоматологии и отоларингологии и других областях медицины.

Офтальмология. Особенно широкое применение излучение оптических квантовых генераторов получило в офтальмологической практике, где оно успешно используется для безоперационного лечения отслойки сетчатой оболочки и некоторых других патологических изменений глаз. Н. Г. Басов (1967), один из создателей оптических квантовых генераторов, отмечает, что в ряде клиник и институтов Академии медицинских наук освоена методика «приваривания» отслоившейся сетчатки к глазному дну строго дозированной вспышкой лазерного излучения. Больной даже не успевает увидеть и почувствовать эту вспышку — настолько она кратковременна. Эти операции постепенно становятся обычными. Лазер дает в руки хирургов совершенно уникальный «бескровный нож», которым можно делать операции на паренхиматозных органах. Дело в том, что, продвигаясь вглубь ткани, луч лазера одновременно как бы «заваривает» все капиллярные кровеносные сосуды.

Ряд отечественных и зарубежных авторов отмечают, что основанием для применения излучения лазером в офтальмологии послужил уже применявшийся в течение многих лет метод фотокоагуляции при лечении некоторых глазных заболеваний.

Известно, что интенсивное воздействие на открытый глаз инфракрасными лучами, сфокусированными на глазное дно и направленными на определенный его участок, вызывает термические повреждения сетчатки, ее ожог с последующим развитием некроза. Нa этом принципе был основан метод лечения фотокоагуляцией отслойки сетчатки. Этот метод в настоящее время широко применяется в офтальмологической практике. Показаниями к лечебному применению фотокоагуляци являются: макулярные разрывы сетчатки, периферические ее разрывы без отслойки сетчатки, ангиомы сетчатки, перифлебит сетчатки, периферические опухоли сетчатки, наружные заболевания коньюктивы, кожи век и др.

Хирургия. Несмотря на значительные достижения современной хирургии, техника хирургических вмешательств продолжает нуждаться в дальнейшем совершенствовании. В частности, хирурги постоянно и настойчиво ищут более щадящие и безопасные способы и новые принципы рассечения тканей, разрабатывают методы «бескровных операций», обеспечивающие минимальное кровотечение и кровопотерю, особенно при операциях, при которых остановка кровотечения до сих пор является далеко не решенной проблемой. Как известно, кровотечение и кровопотеря особенно опасны при операциях у лиц с пониженной свертываемостью крови (гемофилия, лучевая болезнь и др.). В борьбе с кровотечением и кровопотерей большие надежды в последние годы возлагаются на операции с помощью сфокусированного луча лазера или лазерного скальпеля.

По понятным причинам возможность использования лазерного луча в качестве нового и своеобразного режущего инструмента представляет определенный интерес для ряда хирургических специальностей. Не удивительно, что именно этому аспекту применения лазеров в медицине уделяется большое внимание.

Применение лазерного скальпеля для рассечения различных тканей и органов основано главным образом на термическом эффекте воздействия на биологические объекты лазерного излучения непрерывного действия: углекислотного (длина волны 10,6 мкм), аргонового (длина волны 0,4880 и 0,5145 мкм) и др. В технике оперативных вмешательств применяются специальные лазерные хирургические установки.

Нейрохирургия. Весьма эффективным оказалось использование лазерного скальпеля в нейрохирургической практике. Ф. Хепнер и П. Ашер (1978) произвели с помощью лазерной установки «Шарплан 791», работающей на основе СО₂, оперативные вмешательства у 127 больных по поводу менингиом, астроцитом, нейрином, метастазов злокачественных опухолей в мозг, кровоточащих кистозных образований, экстрамедуллярных опухолей спинного мозга и др. Достаточно большой объем клинических наблюдений позволил авторам наметить пути использования лазерного излучения в нейрохирургии. Были отмечены очень важные для нейрохирургов положительные качества лазерного скальпеля: высокая топографическая точность разрезов, особенно при сочетании лазера с операционным микроскопом, и коагулирующая способность лазерного луча. Максимальная выходная мощность лазерной установки составляла 50 Вт. Воздействие расфокусированным лучом лазера при оперативных вмешательствах позволяло быстро коагулировать ткань и останавливать кровотечения.

Первые клинические наблюдения по использованию лазерного излучения в нейрохирургии показали перспективность этого метода при оперативных вмешательствах. Весьма необходимо в настоящее время проведение комплекса экспериментальных разработок по созданию специальных лазерных установок для нейрохирургических целей и обучение специалистов-нейрохирургов работе с лазерными установками

Оториноларингология. Использование лазерного излучения в оториноларингологии развивается по двум направлениям: для иссечения или рассечения тканей — лазерная хирургия и для облучения тканей с целью достижения противовоспалительного эффекта — лазерная терапия. В 1972 г. М. Strong и G. Jako сообщили о первых 15 успешных оперативных вмешательствах на гортани с использованием лазерного скальпеля. Оперативное лечение было проведено по поводу певческих узелков, полипов, кист, кератоза, папиллом и карциномы in situ. В 1976 г. М. Strong с соавторами сообщили об эффективных результатах лечения 110 больных с рецидивирующим папилломатозом гортани. Операции были проведены под наркозом с использованием хирургического микроскопа при прямой ларингоскопии

О высокой результативности использования лазерного излучения при лечении различных заболеваний гортани (папилломы, полипы, гемангиомы, певческие узелки, лейкоплакии, гиперкератозы, карцинома in situ и опухоли гортани) сообщили G. Lyons с соавторами (1976) у 67 больных и A. Andrews, H. Moss (1974) у 41 больного. Благодаря высокой точности воздействия лазерного луча сравнительно легко удалялись патологические образования Рубцовых мембран в области передней комиссуры. Глубина ожога тканей при этом контролировалась с учетом мощности лазерного излучения и длительности экспозиции (от 0,1 до 0,5 с). При необходимости разрушения небольших поражений на свободном крае голосовой складки можно использовать только часть луча, при этом операционное поле, не подлежащее разрушению, прикрывают ватным тампоном, смоченным изотоническим раствором. Для подведения патологического очага под лазерное облучение, а также с целью одновременно и защиты окружающих тканей обычно используется набор специальных ннструментов-ретракторов. С их помощью легко, например, подвести кпереди одну из голосовых складок и одновременно защитить противолежащую. В тех случаях, когда невозможно пользоваться прямым воздействием лазерного луча при сложных топографических особенностях патологического очага, следует применять метод непрямого воздействия луча путем его зеркального отражения. Комбинация ретракторов и зеркал позволяет при достаточном навыке производить лазерное облучение практически любого отдела гортани. С целью хирургического лечения различных заболеваний уха, горла и носа создаются и начинают применяться в клиниках специальные лазерные установки, совмещенные с операционным микроскопом.

Онкология. Целенаправленные исследования по изучению возможностей применения лазерного излучения при лечении злокачественных новообразований ведутся с 1964 г. Первые же работы, выполненные в эксперименте на культурах тканей, показали, что лазерное излучение оказывает разрушающее действие на опухолевые клетки. Эти обнадеживающие результаты привлекли внимание широкого круга ученых к новому виду изучения, вследствие чего увеличился диапазон этих исследований. Появились работы о влиянии лазерного излучения на различные перевиваемые и индуцированные опухоли: меланома Клаумана-91, Гардинг-Пасси, В-16, карцинома РМС, карцинома Уокера, саркома Льюиса Т-241, карцинома щитовидной железы, карцинома Брауна — Пирс. При анализе полученных данных авторы пришли к единому мнению, что под воздействием лазерного излучения происходит разрушение опухоли, а животное-опухоленоситель выздоравливает. Характер и степень выраженности изменений, вызываемых излучением лазеров, во многом зависят от параметров самого излучения: длины волны, мощности в выходном пучке, плотности энергии на объекте, способности проникать в те или иные биологические среды и др. В ходе экспериментов было установлено, что лазерное излучение не оказывает ионизирующего воздействия на организм. Это положение является очень важным при применении лазеров в клинических условиях, так как дает возможность лечить больных, у которых лучевая терапия была безуспешной или приводила к осложнениям. Факторами, приводящими к гибели опухолевых клеток при воздействии луча лазера, по мнению исследователей, являются: некроз цитоплазмы злокачественных клеток, разрушение клеточных мембран, изменение биосинтетических и ферментативных процессов, нарушение кровообращения в опухоли и др.

Дерматология. При лечении злокачественных и доброкачественных новообразований кожи в основном используются неодимовый, рубиновый и углекислотный лазеры. О хороших терапевтических результатах лечения доброкачественных и злокачественных новообразований кожи лучами неодимового лазера сообщали А. П. Козлов, К. Г. Москалик (1976, 1980). Облучение очагов поражения проводилось без предварительной анестезии. Под воздействием лазерного излучения опухоль и окружающая ее здоровая ткань в пределах 0,5—1 см разрушалась от коагуляционного некроза, полное отторжение некроза и рубцевание наступало через 2—5 недели после проведенной терапии. Наблюдения за больными от 2 до 36 мес. показали, что рецидивов за это время не наступило.

Р. И. Вагнер с соавторами (1977) провели анализ результатов лечения онкологических заболеваний кожи лучами лазеров и нашли, что в 85,6% случаев были получены хорошие или удовлетворительные результаты. При этом отмечалось, что лазеротерапия назначалась в тех случаях, когда общепринятые методы лечения оказывались недостаточными. Лазеротерапия должна проводиться в дозах, достаточных для разрушения патологического очага, обязательно тщательное наблюдение за ходом терапии и состоянием больного.

При лечении многих заболеваний кожи наряду с высокоэнергетическими лазерами с успехом применяется низкоинтенсивное лазерное излучение. К настоящему времени имеются сообщения о хорошем терапевтическом эффекте излучения гелий-неоновых, небольших мощностей углекислотных и рубиновых лазеров при лечении трофических язв различного генеза, зудящих дерматозов, склеродермии.

Отмечается, что под влиянием излучения лазеров активизируется регенераторный процесс, уменьшаются и исчезают боли в очагах поражения, происходит активация обмена клеточных элементов. Наряду с местными выявляются и общие изменения в обмене и реакциях организма. Повышается содержание белка в сыворотке крови, ферментативная активность, общая реактивность организма. Анализ данных литературы показывает, что взаимодействие лазерного излучения с кожей носит комплексный характер. Ответная реакция зависит от физических факторов излучения и биологических свойств облучаемого участка кожи. Основополагающим фактором лазерного излучения является величина энергии. В зависимости от ее уровня в коже отмечаются изменения от едва заметных до глубокого некроза и распада тканей облученного участка.

Особенностью низкоинтенсивного лазерного излучения является то, что после облучения в коже не возникает грубых деструктивных изменений, однако в облученном участке и в организме в целом наблюдается активация обменных и регенераторных процессов.

Стоматология. Применение излучений лазеров в стоматологической практике открывает большие перспективы. Оптические квантовые генераторы можно использовать для препарирования зубов, сваривания пломб, глазирования эмали и качестве вспомогательного средства для диагностики различных заболеваний зубов. Разработанные экспериментально-теоретические обоснования и анализ результатов позволили определить нозологические формы поражения слизистой оболочки полости рта, при которых целесообразно использование излучения гелиево-неонового лазера в терапевтических целях. К ним относятся: пародонтоз, герпес губ и герпетический стоматит у взрослых и детей, синдром Мелькерссона — Розенталя, хронический рецидивирующий афтозный стоматит, десквамативный глоссит, травматические повреждения слизистой оболочки полости рта, многоформная экссудативная эритема.

Неврология. В течение последних 10 лет в невропатологии с успехом используется низкоэнергетическое лазерное излучение. Уже накоплен достаточный опыт и получены удовлетворительные результаты лечения многих неврологических заболеваний периферического и центрального генеза: радикулит, неврит лицевого нерва, невралгия тройничного нерва, параличи центрального происхождения, мигрени, сирингомиелия, диэнцефальный синдром, рассеянный склероз и др. В основу лечения был положен принцип воздействия лазерным излучением на рефлексогенные зоны и точки акупунктуры. Наилучший результат лечения был получен при сочетанном воздействии лазерным излучением на точки акупунктуры и на кожу соответственно пораженным сегментам спинного мозга, а также и на участки кожи больной конечности. Положительный эффект воздействия лазерным излучением был получен при лечении энцефалопатии и диэнцефального синдрома, рассеянного склероза и некоторых других заболеваний нервной системы. Очень хороший результат был получен при лечении таких пограничных заболеваний, как неврозы и реактивные депрессивные состояния.

Н. К. Мингарт с соавторами (1974) применили лазеротерапию у больных с невралгией тройничного нерва, невритом лицевого нерва, пояснично-крестцовым радикулитом и гипертонической болезнью. Воздействие производили на рефлексогенные зоны и точки акупунктуры при помощи лазерной установки ЛГ-75 и мощностью излучения 20 мВт. Было отмечено, что после 12—20 сеансов лазеротерапии снимается болевой синдром, улучшается общее самочувствие, нормализуется артериальное давление у большинства больных в начальной стадии гипертонической болезни.

Хорошие результаты в случаев были получены Н. Stemp-linger (1978) у больных с такими заболеваниями, как невралгии различной этиологии, при нервнфункциональном синдроме нарушения сна, бронхиальной астме, ночном недержании мочи, поясничпо-крестцовом и шейном остеохондрозе, стрессовых реакциях и депрессивных состояниях, истерии, мигрени и др. Больным была проведена лазерная акупунктура точек тела и ушной раковины. В настоящее время на основании достаточного количества клинических наблюдений можно с уверенностью рекомендовать лазерную терапию при указанных выше патологиях нервной системы.