Metody optyczne w medycynie, cz.2

Metody optyczne w medycynie, cz.2
Lasery w medycynie
wybór konkretnego typu zależy od konkretnego zastosowania:
• absorpcji tkanek. Światło musi dotrzeć tam, gdzie ma działać
(prawo Grotthusa-Drapera)
• konieczna transmisja przez tkankę „po drodze” i
absorpcja światła „u celu” → widma chromoforów
Penetracja tkanki przez światło różnych laserów
(głębokość, po jakiej natężenie wiązki spada e-krotnie w typowej tkance miękkiej):
Ar+
→ 0,5-2 mm
Nd:YAG
→ 2-6 mm
Er:YAG
→ 0,4-0,6 mm
CO2
→ 0,1-0,2 mm
1
Znaczenie różnych własności światła laserowego w medycynie:
• duże natężenie – umożliwia dostarczenie dużej energii do ściśle
określonego miejsca
→ koagulację, ablację tkanek,
• monochromatyczność i przestrajalność – umożliwia selektywne
wzbudzanie określonych wybranych chromoforów → inicjację
określonej reakcji
• kolimacja wiązki laserowej – umożliwia osiągnięcie dużej gęstości
energii promieniowania i dobre zogniskowanie (użycie
światłowodów)
• koherencja – umożliwia silne ogniskowanie, zastosowanie
holograficzne metod
• krótkie impulsy – zmniejszanie ef. termicznych, możliwość
badania szybkich reakcji biol./chem.
Zastosowania chirurgiczne – wykorzystują przeważnie termiczne działanie
światła laserowego (lasery pracujące w bliskiej i średniej podczerwieni wzbudzają
oscylacyjne i rotacyjne stany molekuł w tkankach).
Główne zalety lasera w chirurgii:
• bezkontaktowe działanie ⇒ sterylność,
• możliwość zabiegów na dnie oka (światło przechodzi przez
przezroczystą soczewkę oczną, absorbowane przez siatkówkę),
• precyzja (możliwość ogniskowania do ok. 10µm),
• bezkrwawość (ważne przy operacjach rozległych obszarów np.
mastektomii),
• możliwość stosowania bezinwazyjnych technik wziernikowych
Ablacja = rozpad tkanek (dysocjacja cząsteczek) w wyniku bezpośredniego
rozrywania wiązań i nadania fragmentom energii kinetycznej przez krótkie
impulsy światła UV. Bardzo atrakcyjna dla precyzyjnej chirurgii dzięki
nietermicznemu działaniu – eliminacja blizn i efektów ubocznych termicznego
działania tradycyjnych laserów „chirurgicznych”.
2
Różne skutki działania światła
w zależności od długości
impulsu laserowego przy
zachowaniu tej samej
dawki promieniowania
świetlnego
Popularne typy laserów „medycznych”
ekscymerowe (193-351 nm) – głównie do korekcji wad widzenia
przez chirurgiczne modyfikowanie soczewki ocznej (zmiana
krzywizny przez ablację rogówki)
Ar+ (488 i 514,5 nm) – głównie w okulistyce (operacje siatkówki)
Nd:YAG (1,064 µm) – chirurgia (najczęściej stosowany laser
chirurgiczny)
Ho:YAG (2,09 µm) – chirurgia (ablacyjne operacje prostaty)
Er:YAG (2,94 µm) – ablacyjna chirurgia kosmetyczna (wygładzanie
zmarszczek)
CO2 (10,6 µm) – chirurgia (działanie głownie koagulacyjne – chyba,
że krótkie impulsy), obecnie coraz rzadziej stosowany
barwnikowy (równe dł. fali, głównie w obszarze widzialnym) – głównie
w terapii fotodynamicznej (PDT), okulistyce i dermatologii
Ti:szafir (bliska podczerwień) – głównie w okulistyce, PDT
diodowy (niebieski oraz czerwień i bliska podczerwień) – głównie w
biostymulacji (low-level laser therapy – LLLT) oroaz do wzbudzania
profiryny
3
Fotomedycyna
terapia żółtaczki u noworodków (niedojrzałość wątroby powoduje akumulację
bilirubiny w organizmie i może powodować uszkodzenia mózgu) – ok. 1958
obserwacja wpływu światła niebieskiego (425-475 nm), od ok. 1965 popularne
profilaktyczne naświetlanie noworodków
niebieskim światłem.
Mechanizm – absorpcja nieb. światła
powoduje przegrupowanie (rozrywanie)
wiązań wodorowych w cząsteczkach
bilirubiny dzięki czemu stają się one
wystarczająco polarne by być usunięte
przez wątrobę.
terapia łuszczycy (fotodermatologia) Łuszczyca = niekontrolowany podział
komórek epidermy
Od dawna znana terapia: UV + smoła
Od 1974 stosowane uczulanie przez 8-methoxypsoralen i naświetlanie lampami
emitującymi bliski UV
Fotofarmakologia : ani sam UV, ani sam psoralen nie są aktywne. Po
wprowadzeniu do komórki, dopiero uaktywnienie psoralenu za pomocą UV
wyzwala reakcję fotochemiczną.
4
Terapia i diagnostyka fotodynamiczna (PDT)
• Niektóre barwniki wiążą się silniej z komórkami
neoplazmatycznymi niż ze zdrowymi i akumulują w
nich dłużej niż w zdrowych
→ np. pochodne hematoporfiryny (HPD)
• Po oświetleniu światłem, dostrojonym do
absorpcyjnego pasma Soreta (ok. 405 nm dla HPD),
widoczna charakterystyczna czerwona fluorescencja
miejsc, w których jest kumulacja barwnika –
uwidocznienie chorych miejsc – b. czuła diagnostyka
• Po wzbudzeniu HPD światłem czerwonym – inicjacja
reakcji fotodynamicznej: przekaz energii do stanów
trypletowych T1 HDP, które są bliskie energetycznie
wzbudzonym stanom O2 (aktywny tlen singletowy) →
lokalne utlenienie chorych miejsc → terapia
nowotworów z minimalnymi skutkami
bocznymi (zdrowa tkanka nie uszkadzana
bo zawiera mało HPD)
5
Przykład diagnostyki fluorescencji HPD
(podobne metody są też stosowane dla detekcji autofluorescencji)
Obecnie często jest stosowny egzogenny uczulacz kwas 5- Aminolewulinowy
(5 ALA), który stymuluje lokalną produkcję endogennego chromforu protoporfiryny pP IX
Przykład diagnostyki raka pęcherza z 5-ALA
(ENAC-LPAS, Photomedicine Group, Dr Georges Wagnières)
:
Endoskopowe obrazy wnętrza
pęcherza pacjenta potraktowanego
5-ALA
po prawej – endoskopowy obraz
wnętrza pęcherza w świetle białym
po lewej ten sam fragment po
oświetleniu światłem niebieskim
(405 nm). Widoczna wyraźna
czerwona fluorescencja tkanek
6
Przykłady terapii fotodynamicznej
nowotwór szczura przed i po terapii PDT (HPD + światło lasera)
tumor 2.5 x 2.5 x 2.5 cm
2 tyg. po drugim zabiegu
4 dni po drugim zabiegu z HPD i
naświetlaniu (1 h, 15 mW/cm2, 620-640 nm)
6 tyg. po zabiegu
Zależność przeżywalności komórek
nowotworowych w hodowli od
czasu i stężenia HDP (komórki bez
HPD wykazywały 1% śmiertelności)
7
Zastosowanie wzierników i światłowodów w terapii PDT
możliwa aplikacja
promieniowania
laserowego w głąb tkanki,
dzięki światłowodom i
igłom iniekcyjnym
8
Biopsja laserowa
9
Biostymulacja laserowa
(biomodulacja, LLLT – low-level laser therapy)
oświetlenie tkanki laserem małej mocy → gojenie ran,
uśmierzanie bólu, zrastanie się kosci, leczenie stanów
zapalnych
mechanizm - ???
efekt istnieje naprawdę ???
Efekt naświetlania laserem (780 nm, 50 mW) krwi
(ludzkiej, wynaczynionej, traktowanej środkiem antykrzepliwym)
- praca magisterska Agnieszki Płachty, IFUJ 2002:
http://www.if.uj.edu.pl/pl/ZF/qnog_pub_pl.htm
Wyniki pracy M. Schaffer et al. J. Photochem. Photobiol. B 54, 55
(2000) potwierdzają poprawę ukrwienia tkanki pod wpływem światła
780 nm za pomocą MRI
MR image in transverse orientation prior to (a) and
5 min after injection of contrast medium (b).
The signs: + and * correspond to the three SNR
curves shown in Fig. 1, and describe the local
accumulation of
contrast medium (Gadolinium-DPTA) in the cutis
and the subcutis.
The arrow indicates the border between the areas
exposed (+ ) and unexposed (– ) to laser light. The
asterisk (*) is positioned at the major blood vessels.
10
Kryteria selekcji źródła światła dla selektywnego
działania fotomedycznego:
1. Widmo światła
Pp
a) odpowiednia długość fali
• dopasowana do danego chromoforu
– np. pasma Soreta protoporfiryny →
Przykłady widm fluorescencji wzbudzanych światłem:
lewy rysunek : 337 nm (niedostrojonym do pasma Soreta); prawy rysunek: 405 nm (dostrojone do pasma
Soreta) [C. Klintenberg et al.]
• dopasowana do
transmisji tkanki
11
b) odpowiednia czystość spektralna
(monochromatyczność)
Modelowanie efektywnego oświetlenia
przez różne źródła (z szerokim widmem –
ciągła linia i z wąskim widmem
– linia przerywana)
Widmo transmisji skóry
(szczura)
Efektywne oświetlenie
Pp IX na różnych
głębokościach z uwzględnieniem
widma absorpcji PpIX, transmisji
tkanki i rozkładu widmowego
źródła (górny rys. – źródło
szerokopasmowe,
dolny – źródło wąskopasmowe)
[w.g. A. Juzeniene et al.]
Widmo szerokie powoduje efekty
uboczne (podgrzewanie tkanki)
i ma mniejszą wydajność (większa przeżywalność komórek) przy określonym natężeniu
światła
12
Pozostałe kryteria doboru źródła światła:
2. Moc (natężenie) wiązki światła
3. Możliwość aplikacji światła do tkanki
4. Prostota użycia
5. Cena
Popularne współczesne źródła światła dla medycyny
1. Lampy termiczne
na ogół emitują szerokie widma
i wymagają stosowania filtrów
spektralnych
2. Diody luminescencyjne
(LEDy) Light Emitting Diodes)
- małe
- wąskie widmo optyczne
- dostępne dla wielu różnych dł. fali
- bardzo tanie
3. Lasery – półprzewodnikowe (diodowe)
• tańsze od laserów gazowych i na ciele stałym
• na ogół za słabe do chirurgii
• doskonałe do PDD/PDT
Widma lasera i LED:
13
Problem aplikacji światła
dla laserów łatwe:
- oświetlanie zewnętrzne
- zastosowanie światłowodów
dla diod LED:
- utrudnione stosowanie światłowodów
- możliwe oświetlenie zewnętrzne → oświetlacze matrycowe
14
Inne zastosowania - kosmetyka
Przykład usuwania owłosienia
ponadto, usuwanie tatuaży, przebarwień skóry, itp.
Inne ważne zastosowania św. laserowego i metod optycznych:
obrazowanie medyczne - połączenie spektroskopii i mikroskopii
(mikroskopia konfokalna), mikroskopia wielofotonowa, biosensory
optyczne (wykorzystujące zjawiska całkowitego wew. odbicia i
polarytonu powierzchniowego)
i wiele innych...
15