• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Zastosowanie laserów w neurochirurgii

    03.07.2012. 17:17
    opublikowane przez: Redakcja Naukowy.pl

    Operacje chirurgiczne niemal spowszedniały, niemniej subtelność procedur medycznych dotyczących mózgu i rdzenia kręgowego zmusza lekarzy i pacjentów do rozważania rozwiązań alternatywnych. Europejscy naukowcy mogą jednak to zmienić dzięki opracowaniu lasera, umożliwiającego przeprowadzanie minimalnie inwazyjnej operacji neurochirurgicznej. Osiągnięcie to jest wynikiem prac prowadzonych w ramach interdyscyplinarnego projektu unijnego przez partnerów z siedmiu państw europejskich, którzy opracowali stołowy system laserowy na ciele stałym do cięcia tkanki mózgowej z bezprecedensową precyzją. Wyniki stanowią dorobek projektu MIRSURG (Systemy laserowe na ciele stałym w podczerwieni średniej do minimalnie inwazyjnych zabiegów chirurgicznych), który otrzymał niemal 2,8 mln EUR dofinansowania z tematu "Technologie informacyjne i komunikacyjne" (TIK) Siódmego Programu Ramowego (7PR) UE.

    Inspiracji do projektu należy szukać w roku 1999, kiedy to naukowcy z Uniwersytetu Vanderbilt w USA usunęli guza mózgu za pomocą lasera na swobodnych elektronach o długości fali 6,45 mikrona. Długość fali ma istotne znacznie, gdyż zakres widmowy podczerwieni średniej został uznany w toku wielu wczesnych eksperymentów z różnymi tkankami miękkimi za najlepiej sprawdzający się w operacjach chirurgicznych. Mimo tego, specjalistyczna wiedza technologiczna nie trafiła do sal operacyjnych, gdyż potrzebnego sprzętu nie można było tam zmieścić. Na przykład lasery na swobodnych elektronach to ogromne obiekty bazujące na akceleratorach, które są zarówno drogie, jak i zazwyczaj nieprzystosowane do rutynowego używania w warunkach klinicznych.

    Celem rozpoczętego w 2008 r. projektu MIRSURG było opracowanie źródła laserowego, które emitowałoby falę o długości zbliżonej do 6,45 mikronów (um) i zapewniało wysoką energię pojedynczego impulsu oraz średnią moc, umożliwiając minimalnie inwazyjny zabieg neurochirurgiczny. Partnerzy projektu są przekonani, że to osiągnięcie wypełni lukę w zakresie laserów na ciele stałym pompowanych diodami w zakresie widmowym średniej podczerwieni około 6,45 mikronów.

    "Nie było jak do tej pory zwartych i niezawodnych laserów na ciele stałym o pożądanej długości fali średniej podczerwieni" - zauważył dr Valentin Petrov z Instytutu Optyki Nieliniowej i Spektroskopii Krótkich Impulsów im. Maxa Borna (MBI), który kierował pracami w ramach projektu.

    W czasie niedawnego spotkania w Saint-Louis we Francji zespół MIRSURG zaprezentował dosyć zwarty prototyp na ciele stałym, który mieści się na blacie. Pożądana fala optyczna o długości 6,45 mikronów jest generowana poprzez przemianę częstotliwości. Wiązka laserowa o długości fali niemal 2,0 mikronów jest przekształcana na średnią podczerwień za pomocą nieliniowych kryształów optycznych.

    Nowy laser emituje krótkie impulsy o długości dokładnie 6,45 mikronów o częstotliwości powtarzania 100 - 200 herców (Hz), co zapewnia docelową, średnią moc ponad 1,0 wata. Znacząco zredukowane straty poboczne przy tej długości fali wynikają z połączenia absorpcji wody i rezonansowego nagrzewania laserowego niewodnych komponentów (białek). Głębokość penetracji w tej długości fali stanowi rząd kilku mikronów, co jest porównywalne z wielkością komórki, a przez to bliskie wartości optymalnej, nieosiągalnej dla żadnego innego, nowoczesnego lasera.

    Partnerzy MIRSURG planują dalszą optymalizację nowego lasera stołowego, ocenę jego zdolności do ablacji tkanek oraz, być może w toku kolejnego projektu, zaprezentowanie rzeczywistej operacji z użyciem lasera 6,45 mikrona na ciele stałym "Mam nadzieję, że w najbliższej przyszłości tego typu laser będzie mógł się stać praktycznym narzędziem chirurgicznym w każdej, specjalistycznej sali operacyjnej" - stwierdził dr Petrov.

    Za: CORDIS

    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)
    Laser rubinowy – laser na ciele stałym, którego ośrodkiem czynnym jest rubin (Al2O3:Cr). Ten skład chemiczny zapewnia występowanie trójpoziomowego układu stanów energetycznych. Emitowana długość fali jest równa 694,3 nm. Laser ten pracuje w trybie impulsowym. Refrakcja - zmiana kierunku rozchodzenia się fali (załamanie fali) związana ze zmianą jej prędkości, gdy przechodzi do innego ośrodka. Zmiana prędkości wiąże się ze zmianą długości fali, podczas gdy częstotliwość pozostaje stała. Niebieski laser półprzewodnikowy – potoczna nazwa diody laserowej zbudowanej na bazie azotku galu (GaN). Nazwa pochodzi od koloru światła, które emituje dioda. Nazwa ta jest zresztą w znacznym stopniu myląca ze względu na to, że najbardziej typowa konstrukcja tego lasera emituje światło o długość fali 405 nm. Oko ludzkie widzi takie światło jako fioletowe.

    Prawo Wawiłowa – fenomenologiczne prawo mówiące, że wydajność energetyczna luminescencji wzrasta wprost proporcjonalnie do wzrostu długości fali λ pochłanianego promieniowania, aż do osiągnięcia wartości maksymalnej λmax. Wzrost ten jest proporcjonalny do długości fali. Przy dalszym zwiększaniu długości fali wydajność energetyczna gwałtownie spada do zera. NIRS (z ang. near infrared spectroscopy) - technika wizualizacji aktywności mózgu, polegająca na przepuszczeniu promieni lasera przez czaszkę. Lasery te są bardzo słabe, jednak pracują z częstotliwością fali świetlnej (bliskiej podczerwieni), dla której czaszka jest przeźroczysta. Krew zawierająca tlen absorbuje inne częstotliwości fal świetlnych niż krew, w której tlen został już pochłonięty. Stąd obserwując ilość światła o różnych częstotliwościach odbijającą się od mózgu naukowcy mogą śledzić przepływ krwi.

    Termografia to proces obrazowania w paśmie średniej podczerwieni (długości fali od ok. 0,9 do 14 μm). Pozwala on na rejestrację promieniowania cieplnego emitowanego przez ciała fizyczne w przedziale temperatur spotykanych w warunkach codziennych, bez konieczności oświetlania ich zewnętrznym źródłem światła; oraz, dodatkowo, na dokładny pomiar temperatury tych obiektów. Antena prostoliniowa (antena linearna) – rodzaj anteny zbudowanej z przewodu lub zespołu przewodów o długości znacznie przekraczającej jej szerokość. Długość anteny linearnej porównywalna jest z długością fali elektromagnetycznej, do której odbioru lub nadawania przeznaczona jest antena. Wymiar poprzeczny anteny jest pomijalnie mały (zazwyczaj nie przekracza 0,01λ) w porównaniu z długością fali.

    Laser molekularny na dwutlenku węgla (laser CO2) - laser gazowy, w którym ośrodkiem czynnym jest mieszanina dwutlenku węgla, azotu, wodoru i helu. Laser molekularny emituje falę w zakresie podczerwieni, główne linie widmowe znajdują się w zakresie długości fal 9,4 µm i 10,6 µm. Emitowana moc dochodzi do 100 kW przy pracy ciągłej i 10 W przy pracy impulsowej. Molowy współczynnik absorpcji (oznaczany przez ε) - stała proporcjonalności związana z pochłanianiem promieniowania przez częściowo absorbujący i rozpraszający ośrodek. Wartość ε jest stała dla danego chromoforu oraz bezpośrednio zależy od długości fali promieniowania elektromagnetycznego. Wartość molowego współczynnika absorpcji podaje się w dm·mol·cm.

    Ajnsztajn (einstein, E) – jednostka liczności fotonów. Jeden ajnsztajn zawiera 6,02214179(30) · 10 (liczba Avogadra) fotonów, a więc jeden ich mol. Ponieważ energia niesiona przez fotony zależy od ich częstotliwości (E = h · ν), energię oraz irradiancję fotonów o znanej liczności wyrażonej w ajnsztajnach można obliczyć jedynie w przypadku światła monochromatycznego, o stałej długości fali. Światło niesione przez promieniowanie słoneczne składa się z fotonów o różnych długościach i częstotliwościach, więc liczność jego kwantów nie jest miarą irradiancji.

    Dyfrakcja (ugięcie fali) to zjawisko fizyczne zmiany kierunku rozchodzenia się fali na krawędziach przeszkód oraz w ich pobliżu. Zjawisko zachodzi dla przeszkód, które mają dowolną wielkość, ale wyraźnie jest obserwowane dla przeszkód o rozmiarach porównywalnych z długością fali.

    Dodano: 03.07.2012. 17:17  


    Najnowsze