Лазерные медицинские системы и медицинские технологии на их основе

Посвящается памяти профессора
Митрофана Федоровича Стельмаха, 
много сделавшего для развития
лазерной медицинской техники 
и технологий в СССР и России

ЛАЗЕРНЫЕ МЕДИЦИНСКИЕ 
СИСТЕМЫ И МЕДИЦИНСКИЕ 
ТЕХНОЛОГИИ НА ИХ ОСНОВЕ

В.П. МИНАЕВ

Четвертое, исправленное и дополненное издание

Â.Ï. Ìèíàåâ
 Ëàçåðíûå ìåäèöèíñêèå ñèñòåìû è ìåäèöèíñêèå òåõíîëîãèè
íà èõ îñíîâå: Ó÷åáíîå ïîñîáèå / Â.Ï. Ìèíàåâ – 4-å, èñïðàâëåííîå è äîïîëíåííîå èçäàíèå – Äîëãîïðóäíûé: Èçäàòåëüñêèé Äîì «Èíòåëëåêò», 2020. – 360 ñ.
ISBN 978-5-91559-280-2

 ó÷åáíîì ïîñîáèè ðàññìàòðèâàþòñÿ:
- îñíîâû íåëèíåéíîé îïòèêè è ôèçèêè ëàçåðîâ;
- ðàçëè÷íûå òèïû ëàçåðîâ, èñïîëüçóåìûõ â ìåäèöèíå;
- ïðèíöèïû ðàçðàáîòêè ëàçåðíûõ ìåäèöèíñêèõ àïïàðàòîâ è èñïîëüçóåìûõ ñ íèìè èíñòðóìåíòîâ;
- ïðîöåññû âçàèìîäåéñòâèÿ ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ è áèîòêàíåé;
- ïðèìåðû èñïîëüçîâàíèÿ ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ äëÿ ëå÷åíèÿ è
äèàãíîñòèêè çàáîëåâàíèé â ðàçëè÷íûõ îáëàñòÿõ ìåäèöèíû;
- âîïðîñû îáåñïå÷åíèÿ áåçîïàñíîñòè ïðè ðàáîòå ñ ëàçåðíîé
ìåäèöèíñêîé òåõíèêîé;
- âîïðîñû ðåãèñòðàöèè ëàçåðíîé ìåäèöèíñêîé òåõíèêè è ìåäèöèíñêèõ òåõíîëîãèé.

Ó÷åáíîå ïîñîáèå ïðåäíàçíà÷åíî äëÿ ñòóäåíòîâ è ïðåïîäàâàòåëåé ôàêóëüòåòîâ è êàôåäð áèîìåäèöèíñêîé òåõíèêè è âðà÷åé, èñïîëüçóþùèõ ëàçåðíûå òåõíîëîãèè â êëèíè÷åñêîé ïðàêòèêå.

Ïðåäûäóùèå òðè èçäàíèÿ êíèãè ïîëó÷èëè âûñîêóþ îöåíêó íàó÷íîãî è ìåäèöèíñêîãî ñîîáùåñòâ.

Ðóêîâîäñòâî øèðîêî ïðèìåíÿåòñÿ ïðîôèëüíûìè êàôåäðàìè
âåäóùèõ ðîññèéñêèõ óíèâåðñèòåòîâ.

© 2020, Â.Ï. Ìèíàåâ
© 2020, ÎÎÎ Èçäàòåëüñêèé Äîì
«Èíòåëëåêò», îðèãèíàë-ìàêåò,
îôîðìëåíèå

ISBN 978-5-91559-280-2

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9

Глава 1.  ВВЕДЕНИЕ. СВЕТ И ЛАЗЕРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ В МЕДИЦИНЕ. 
КЛАССИФИКАЦИЯ МЕДИЦИНСКИХ ПРИМЕНЕНИЙ ЛАЗЕРОВ . . . . . . . .11

Глава 2. ФИЗИКА И ТЕХНИКА ЛАЗЕРОВ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26

2.1.  Основные физические принципы работы лазеров . . . . . . . . . . . . . . . .26
2.1.1. Спонтанное и вынужденное излучение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26
2.1.2. Инверсная населенность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30
2.1.3.  Положительная обратная связь. 
Оптический резонатор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36
2.1.4. Первый лазер . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37
2.2.  Свойства лазерного излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40
2.2.1. Расходимость излучения. Пространственная 
когерентность  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40
2.2.2.  Спектр излучения. Временная когерентность. 
Однородное и неоднородное уширение линии 
люминесценции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41
2.3.  Оптические резонаторы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45
2.3.1. Резонатор и характеристики лазера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45
2.3.2.  Принцип Гюйгенса-Френеля. Интеграл 
Френеля-Кирхгофа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46
2.3.3.  Собственные функции и собственные типы колебаний . . . . .47
2.3.4. Резонаторы Фабри-Перо. Метод Фокса-Ли . . . . . . . . . . . . . . . .50
2.3.5. Симметричный конфокальный резонатор . . . . . . . . . . . . . . . . .52
2.3.6.  Резонаторы с произвольными сферическими зеркалами . . .55
2.3.7. Диаграмма устойчивости резонаторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57
2.3.8.  Неустойчивые резонаторы (геометрическое 
приближение) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .59
2.3.9.  Влияние активной среды на свойства резонаторов . . . . . . . . .62
2.4.  Балансные уравнения для расчёта лазерных характеристик . . . . . .65
2.4.1. Уравнения для интенсивности излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . .65
2.4.2.  Уравнения для инверсной населенности. 
Трехуровневая схема . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69
2.4.3. Четырехуровневые системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72
2.5.  Различные режимы работы лазеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .75

Оглавление

2.5.1. Непрерывный режим . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .75
2.5.2. Лазеры с накоплением инверсной населенности . . . . . . . . . . .78
2.5.3. Лазеры с пассивными затворами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .84
2.5.4. Лазеры с накоплением инверсной населенности 
и непрерывной накачкой . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .86
2.5.5. Лазеры с накоплением интенсивности излучения 
(режим разгрузки резонатора) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .87
2.5.6. Режим синхронизации мод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .88
2.6.   Устройства для пространственной и временной модуляции 
лазерного излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .91
2.6.1. Естественная анизотропия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .91
2.6.2. Электрооптический эффект . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .93
2.6.3.  Вращение плоскости поляризации, 
магнитооптический эффект . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97
2.6.4.  Акустооптический эффект и его использование 
в лазерной технике . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .99
2.6.5 Сканирующие системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
2.7.   Нелинейные оптические явления и их использование 
в лазерной технике . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
2.7.1. Генерация оптических гармоник . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
2.7.2. Параметрические генераторы света  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
2.7.3. Вынужденное комбинационное рассеяние . . . . . . . . . . . . . . 110
2.8.  Типы лазеров, применяемых в медицине . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
2.8.1. Твердотельные лазеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
2.8.2. Полупроводниковые лазеры  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
2.8.3. Волоконные лазеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
2.8.4. Газовые лазеры на нейтральных атомах . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
2.8.5. Молекулярные газовые лазеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
2.8.6. Ионные газовые лазеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
2.8.7. Эксимерные лазеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
2.8.8. Лазеры на парах металлов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
2.8.9. Лазеры на органических красителях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

Глава 3.  ОСОБЕННОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 
С БИОТКАНЯМИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .163

3.1.   Распространение света в биотканях. 
Спектры поглощения и рассеяния . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
3.2.  Действие излучения на биоткани . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
3.2.1.  Фотодинамичеcкий эффект, флюоресценция
биотканей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
3.2.2. Тепловые эффекты при воздействии
лазерного излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
3.2.3. Обратимая потеря упругости хрящей при нагреве . . . . . . . 182
3.2.4.  Процессы, происходящие при эндовенозной 
лазерной коагуляции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
3.2.5. Другие применения неабляционного воздействия 
на биоткани. Использования фракционного 
фототермолиза . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188

Оглавление

3.2.6. Воздействие лазерного излучения 
на жировые клетки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
3.2.7. Особенности контактного воздействия на биоткани . . . . . . 191
3.2.8. Влияние временных параметров лазерного излучения 
на характер воздействия на биоткани . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
3.2.9. Абляция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
3.2.10. Зависимость характера воздействия на биоткани 
от параметров излучения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
3.2.11. Зависимость характера воздействия на биоткани 
от параметров излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203

Глава 4.  ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ЛАЗЕРНОЙ 
МЕДИЦИНСКОЙ АППАРАТУРЫ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .210

4.1.   Структурно-функциональная схема лазерного аппарата. . . . . . . . 210
4.2.  Устройства доставки лазерного излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
Дополнение к разделу 4.2. 
Волоконные световоды для среднего и дальнего ИК диапазонов . . . . . 218
4.3.  Устройства контроля и управления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
4.4.   Способы воздействия лазерным излучением на ткани 
и инструменты для их осуществления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
4.5.   Вспомогательные инструменты и приспособления . . . . . . . . . . . . . 226

Глава 5.  ЛАЗЕРНЫЕ МЕДИЦИНСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И АППАРАТУРА 
ДЛЯ ИХ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232

5.1.   Лазерная аппаратура, выпускаемая для хирургии 
и силовой терапии  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
5.1.1. 10,6 мкм –  аппараты на основе CO2-лазеров . . . . . . . . . . . . 232
5.1.2. Аппараты с длиной волны излучения 0,8–1,1 мкм . . . . . . . 235
5.1.3. Аппараты, работающие в видимом спектре . . . . . . . . . . . . . 242
5.1.4. Аппараты, работающие в диапазоне 1,3–1,7 мкм . . . . . . . . 245
5.1.5. Диапазон 2 мкм . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
5.1.6.  Диапазон 2,9 мкм –  максимальное поглощение в воде . . . 249
5.1.7. Аппараты, работающие в УФ диапазоне . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
5.1.8. Диапазон 6,1–6,5 мкм –  новые возможности . . . . . . . . . . . . 251
5.1.9. Двухволновые аппараты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
5.2.   Лазерные технологии в хирургии и силовой терапии . . . . . . . . . . . 256
5.2.1. Применение лазеров в онкологии  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
5.2.2. Лазерные технологии в оториноларингологии . . . . . . . . . . . 261
5.2.3.  Лазерные технологии в лечении сосудистой патологии . . . 267
5.2.4. Применение лазеров в кардиологии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
5.2.5. Лазерные технологии в дермато-косметологии . . . . . . . . . . 276
5.2.6. Использование лазеров в стоматологии . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
5.2.7.  Применение лазерного излучения в гинекологии 
и проктологии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
5.2.8. Лазерные технологии в урологии  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
5.2.9.  Применение лазеров в лечении опорно-двигательного 
аппарата . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293

Оглавление

5.2.10. Применение лазеров в нейрохирургии . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
5.2.11. Применение лазеров в общей хирургии . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
5.2.12. Лазерные технологии в лечении туберкулеза . . . . . . . . . . . . 300
5.3.   Лазерные технологии в офтальмологии и аппараты 
для их осуществления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
5.3.1. Особенности анатомического строения глаза . . . . . . . . . . . . 302
5.3.2. Лазерные технологии в офтальмологии . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
5.3.3. Лазерная аппаратура для офтальмологии . . . . . . . . . . . . . . . 310
5.4.   Низкоинтенсивная лазерная терапия (НИЛТ) и аппаратура 
для ее осуществления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316

5.4.1.  Воздействие низкоинтенсивного лазерного излучения 
на биообъекты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
5.4.2.  Аппаратура для низкоинтенсивной лазерной терапии . . . . 318
5.5.   Методы и аппаратура для лазерной диагностики. . . . . . . . . . . . . . . 322
5.6.   Примеры других лазерных технологий медицинского
назначения  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
5.6.1. Лазерная биоинженерия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
5.6.2. Лазерные технологии в медицинской 
промышленности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334

Глава 6.  ОБЩИЕ ВОПРОСЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ
ЛАЗЕРНОЙ АППАРАТУРЫ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338

6.1.  Техника безопасности при работе с лазерами. . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
6.1.1. Особенность воздействия лазерного излучения 
на органы зрения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
6.1.2. Воздействие лазерного излучения на кожу . . . . . . . . . . . . . . 340
6.1.3. Нормативные документы по лазерной безопасности . . . . . 341
6.1.4. Средства защиты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
6.1.5. Вторичные факторы воздействия лазерного излучения . . . 347
6.2.  Общие вопросы разработки и внедрения медицинских 
техники и технологий. Сертификация и внедрение разработок 
в медицинскую практику  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
6.2.1. Основные этапы разработки и внедрения 
медицинской техники  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
6.2.2. Лицензирование производства медицинских изделий . . . . 354
6.2.3. Регистрация медицинских технологий . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355

Глава 7.  ЗАКЛЮЧЕНИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358

ПРЕДИСЛОВИЕ

Создание лазеров в 60-х годах ХХ столетия привело к революционным изменениям во многих областях человеческой деятельности. К одной из 
этих областей относится и медицина. Лазерное излучение оказалось уникальным инструментом, позволившим расширить возможности врачей в части диагностики и лечения различных заболеваний. Колоссальные успехи лазерной науки и техники сопровождались быстрым внедрением лазеров в медицинскую 
аппаратуру, улучшением ее эксплуатационных свойств, разработкой новых 
медицинских технологий, основанных на использовании лазерного излучения. 
Растет выпуск разнообразной лазерной аппаратуры, благодаря чему лазерные 
медицинские технологии находят все более широкое применение в медицинской практике.
Большой выбор рабочих длин волн и временных режимов работы позволяет в широких пределах менять характер воздействия лазерного излучения на 
биологические объекты, выбирая оптимальный для решения конкретных медицинских задач. В то же время, несущественные на первый взгляд изменения 
параметров излучения могут серьёзно сказаться на результатах. Весьма плодотворным оказывается перенос подходов из одной области медицины в другие. 
В связи с этим, необходимым условием успешного использования лазерных 
медицинских аппаратуры и технологий и, особенно, их разработки требует знания физических процессов, происходящих в лазерах, технических особенностей 
различных типов лазеров, принципов построения лазерных медицинских аппаратов, используемого с ними инструментария. Эффективное использование 
лазерного излучения в качестве инструмента врача невозможно без понимания 
физических и физиологических процессов, происходящих при взаимодействии 
лазерного излучения с биообъектами и после воздействия лазерного излучения.
На получение основ этих знаний и направлен настоящий курс написанный 
на основе опыта чтения автором лекций в рамках дисциплины «Лазерные медицинские системы», на факультете Биомедицинской техники МГТУ им. Н. Э. Баумана, а также в рамках физических разделов тематических курсов повышения 
квалификации врачей. Он предназначен прежде всего студентам и выпускникам технических ВУЗов, готовящих специалистов по разработке и применению 
лазерной медицинской техники и технологий, а также медицинской физике. Он 
будет полезен (за исключением инженерной части раздела II) студентам медицинских ВУЗов и врачам, интересующимся использованием лазерных медицинских технологий.

Предисловие

Настоящий курс преследует следующие цели:
1. Дать представление о развитии фотомедицины и методов лечения, основанных на использовании лазерного излучения в мире, СССР и России, представить классификацию медицинских применений лазеров.
2. Познакомить с принципами работы лазеров, основными характеристиками лазерного излучения.
3. Показать, чем определяются пространственные, спектральные, энергетические и временные характеристики лазерного излучения, каким образом 
и в каких пределах можно эти характеристики изменять.
4. Познакомить с особенностями и возможностями лазеров, работающими 
на различных активных средах, способах преобразования лазерного излучения 
методами нелинейной оптики, методами инженерной оценки характеристик 
лазеров.
5. Познакомить с принципами построения лазерной медицинской аппаратуры, устройствами транспортировки лазерного излучения и инструментами, 
обеспечивающими различный характер воздействия на объекты.
6. Дать представление о физических и биофизических процессах, происходящих при взаимодействии лазерного излучения с биообъектами и после этого 
взаимодействия, показать, как изменяя характеристики лазерного излучения 
можно влиять на результат воздействия.
7. Показать, каким образом возможности лазерного излучения реализуются 
конкретными медицинскими технологиями в различных областях медицины.
8. Познакомить с принципами и нормативной базой организации безопасной работы с лазерным оборудованием.
Предполагается, что данный курс позволит ознакомившемуся с ним решать 
задачи разработки и грамотной эксплуатации лазерной медицинской техники, 
а также создания и использования лазерных медицинских технологий, и при 
необходимости самостоятельно углубленно изучить проблему по приведенной 
в курсе специальной литературе.
Автор выражает глубокую признательность доценту кафедры БМТ-1 
МГТУ им. Н.Э Баумана Г. Н. Змиевскому за плодотворные обсуждения и предложения.
Предыдущее (третье) издание книги в 2018 году было удостоено звания 
«Лауреат конкурса ЛАС 2018 года» в номинации «Монографии, учебные пособия, справочные и научно-популярные издания лазерной тематики». Конкурс 
организован Международной научно-технической организацией «Лазерная ассоциация».