گزارش کارآموزی آشنایی با لیزر و بررسی دستگاه های لیزر در پزشکی

چکیده

کلمه لیزر از حروف اول عبارت

Light Amplification by Sitmulated Emission of Radiation

تشکیل شده است . امروزه علم استفاده از لیزرهای کم توان بسیار گسترده شده و به نام لیزر درمانی یا Low Level Laser Therapy (LLLT) شناخته می‌شود .

 تاثیر لیزرهای کم توان ،‌گرمایی و تخریبی نبوده ، بلکه به صورت فتو شیمیایی است . فوتون وارد بافت شده ، در میتوکندری‌ها و غشای سلولی جذب شده ، انرژی نوراتی به انرژی شیمیایی ( به صورت ATP) تبدیل شده و ATP منجر به تحریک و پرولیفراسیون سلولی می‌شود . نفوذ پذیری غشای سلولی تغییر می‌کند و منجر به تغییرات فیزیولوژیک می‌شود . این تغییرات ماکروفاژها ، فیبروبلاست‌ها ، سلول‌های اندوتلیال ،ماست‌سل‌ها ،برادی کینین و سرعت هدایت عصبی را تحت تاثیر قرار می‌دهند . در واقع لیزرهای کم توان اثر تنظیمی بر روی فعل و انفعالات حیاتی ( Biomodulatory Effect) دارند ( به همین علت لیزر سرد نیز نامیده می‌شوند .)‌ با مطالعات و تحقیقاتی که در سراسر دنیا بر روی لیزر تراپی انجام می‌شود کاربردهای درمانی این روش طیف وسیعی از ترمیم بافت و التیام زخم تا کاهش درد را در بر می‌گیرد . این امر بیانگر اهمیت طول موج ، دوز درمانی و فرکانس های انتخاب شده است .

 طول موج‌های قرمز ( 700- 600 نانومتر ) و مادون قرمز (700 نانومتر به بالا) نورهای اصلی در لیزر تراپی هستند . عمق نفوذ اشعه لیزر به بافت برای تحریک فیزیولوژیک سلول‌ها و بافت ، به طور موج اشعه بستگی دارد . تنها 5 درصد شدت نور قرمز ، قابلیت نفوذ به بافت زیر جلدی داشته و بیشترآن در سطح جذب می‌شوند. بنابراین از نور قرمز بیشتر در سطح (مانند بیماری‌های پوستی و نظیر آن ) استفاده می‌شود . امنا در مورد لیزرهای مادون قرمز 20 درصد شدت اشعه به بافت زیر جلدی می‌رسد و در نتیجه در درمان مفاصل ، عضلات ، کاهش درد و... کاربرد دارد .

کاربردهای لیزر درمانی

اشعه لیزر پس از تابش و رسیدن به سطح داخل سلول دارای اثراتی است . از جمله تنظیم و متعادل ساختن :

متابولیسم سلولی

تولید کلاژن

حرکت و دگرانولاسیون ماست‌سل‌ها

حرکت و فعالیت ماکروفاژها

ساخت فیبروبلاست ها (‌از جمله باز جذب فیبرین )

پروتئین سازی

تولید ADP-ATP

تغییر نفوذ پذیری و پتانسیل غشای سلولی و تحریک پمپ سدیم / پتاسیم و در نهایت برداشت بیشتر کلسیم

وازودیلاتاسیون ( خون غنی از اکسیژن )‌

آنژیوژنز ( بهبود تغذیه بافتی )

 پاسخ‌های سیستمیک

 افزایش سیر کولاسیون اکسیژن و بهبود مصرف گلوکز

 ساخت DNA (‌از طریق تحریک فیتوهماگلوتینین )

تحریک فاگوسیتوز

تغییر سطوح مدیاتورها ( هیستامین و پروستاگلاندین‌ها ) یا اندروفین ها

آزاد سازی اندروفین‌ها

 افزایش متابولیسم سراتونین ( در کاهش درد )

 سرکوب فعالیت نوسی سپتورها ( Nociceptor)

با توجه به اثراتی که در بالا اشاره شد می‌توان به برخی از کاربردهای لیزر کم توان در درمان بیماری‌های مختلف اشاره کرد:

التیام زخم ( از جمله زخم‌های فشاری و یا عفونی )

ترمیم آسیب‌های بافت نرم (‌هماتوم ، ضرب دیدگی‌ها ، درد و... )

 بیما‌ری‌های پوستی (‌سوختگی ، خراشیدگی ، اگزما ، آکنه ، هرپس و ... )‌

کاهش درد (‌حاد و مزمن ) و اثرات ضد التهابی

 بیماری‌های روماتولوژیک یا فیزیوتراپی (‌تاندونیت ، بورسیت ،‌کپسولیت ، آرتریت و..)

تحریک نقاط طب سوزنی با استفاده از اشعه لیزر به جای سوزن

افزایش قدرت کشش بافت آسیب دیده پس از ترمیم (TensileStrength)

 متعادل ساختن کلاژن و کاهش اندازه اسکار به دنبال بریدگی ، سوختگی و یا جراحی .

تحریک و تقویت سیستم ایمنی بدن

 کمک به مقابله با عفونت

 بهبود فونکسیون عصب (‌ترمیم تدریجی اعصاب آسیب دیده یا حتی قطع شده )

فصل اول

مقدمه

تعریف و تاریخچه لیزر و لیزر تراپی

 در دوران تمدن یونان – روم (‌تقریباً از 6 قرن پیش از میلاد تا قرن دوم میلادی ) ، لیزر به خوبی شناخته شده بود . لیزر ،‌گیاهی خودرو (‌احتمالاً از رده گیاهان چتر ) بود که در ناحیه وسیعی در اطراف سیرن (لیبی امروز) می‌رویید . این گیاه در مواردی نیز « لیزر پیتیوم » نامیده می‌شد و مردم به علت خواص اعجاز آمیزش آن را هدیه‌ای جانب خدا می‌پنداشتند .

 لیزر برای درمان بسیاری از بیماری‌ها از ذات الریه گرفته تا تعدادی از بیماری‌های واگیردار بکار می رفت و پادزهر موثری برای مارگزیدگی ، عقرب گزیدگی و نیش پیکان‌های زهر آلود دشمن محسوب می‌شد . همچنین به علت طعم لذیذش ،‌ چاشنی عالی محسوب می‌شد و در غذاها به کار می رفت . یونانی‌ها و رومی‌ها بسیار کوشیدند تا بتوانند لیزر را کشت کنند اما در این کار موفق نبودند و به تدریج لیزر کمیاب شد . به نظر می‌رسد که این گیاه در حدود قرن دوم میلادی کاملاً از بین رفته باشد . از آن زمان تا کنون با وجود کوشش‌های بسیار ،‌ کسی موفق نشده است لیزر را در صحراهای جنوبی سیرن پیدا کند .

لذا به نظر می‌رسد که این لیزر طبیعی به صورت گنجیه گمشده تمدن یونان – روم در آمده باشد .

 با این مقدمه باستانی ،‌که شاید تنها از نظر کلامی و برخی کاربردها با مفهوم جدید « لیزر» شباهت داشته باشد ، تاریخ تولد لیزر را از نور آغاز می‌کنیم .

 نور چیست ؟

این سئوالی است که احتمالاً پیشینیان ما هزاران سال پیش از خود می‌پرسیدند . پاسخ این سئوال در طول سالیان دراز و همراه با پیشرفت علوم و دانش انسان ( به تدریج از زمان اعتقاد به خدایان روشنایی تا لیزر )، بدست آمده است . البته ، همواره جنبه‌های تاریکی در توضیح ماهیت نور وجود داشته است که حتی هنوز هم بطور کامل مشخص نشده اند . لذا هرگاه انسان اطلاعات جدیدتری از ماهیت و خواص نور بدست می آورد ، تعریف جامع‌تری برای آن ارائه می‌کند .

 در دوران قدیم ، بسیاری از جوامع بشری خدایان خورشید را مسئول سلامتی و بهبود می‌دانستند .

از همین رو ، فنیقی‌های دوران باستان ، « بال » را به عنوان خدای خورشید و سلامتی می‌پرستیدند .

یونانی‌ها نیز « هلیوس » خدای نور ،‌خورشید و بهبودی را به علت تاثیرات منحصر بفردش ستایش می‌کردند و عبارت « هلیوتراپی » از همین کلمه اقتباس شد . نور درمانی را نیز مصریان باستان انجام می‌دادند . آنان در سال 440 پیش از میلاد ، از تاثیرات تسکینی نور بر زخم‌ها ، شکستگی‌ها و درمان آبله استفاده می‌کردند .

یونانی‌ها ، نخستین کسانی بودند که کوشیدند طبیعت نور و چگونگی دیدن را توضیح دهند .پس از ظهور علوم تجربی ، دو نظریه‌ درباره‌ی ماهیت نور مطرح شد . یکی از آنها ، نظریه‌ی ذره‌ای نیوتن بود که نور را متشکل از باریکه‌ای از ذرات می دانستند که تابع قوانین حرکت می‌باشند و دیگری ، نظریه‌ موجی بود که طبیعت موجی را برای نور پیشنهاد می‌کرد .

 تفکر در خصوص لیزر ، در اواخر قرن 19 و اوایل قرن 20 میلادی و بر مبنای فیزیک کوانتومی پایه گذاری شد . در آغاز دانشمندانی نظیر « بور » و « پلانک » تئوری‌هایی مطرح کردند که در ادامه توسط نابغه قرن،« آلبرت اینشتین»،‌تکمیل شد‌.(‌شکل 1-1) « اینشتین » در سال 1917 ،‌اصل و جوهره پیچیده نور را به عنوان یک سیستم الکترودینامیکی در مقاله‌اش تحت عنوان « تئوری کوآنتومی تشعشع » بیان کرد . این کشف که بر پایه تئوری‌های کوانتومی استوار بود ، به این موضوع می‌پرداخت که تابش نور را می‌توان بسته‌های گسسته انرژی ( به نام فوتون ) به حساب آورد که در آن هر فوتون دارای انرژی خاصی ( مطابق با فرکانس امواج آن بسته) می‌باشد .

 « اینشتین » ، نظریه‌ وجود فوتون‌ها و گسیل‌آ»ها را براساس پدیده نشر برانگیخته ( گسیل القایی یا تحریک شده ) مطرح کرد ، اما این موضوع مدت‌های طولانی تنها در یک کنجکاوی در آزمایشگاه باقی ماند و تا دهه‌ی پنجاه ، هیچ کس پتانسیل باور نکردنی این مفهوم را درک نکرد . اما سرانجام ، با تحقیقات کاربردی براساس این نظریه ، امکان استفاده از آن و تولید « میزر » و به دنبال آن لیزر ، فراهم شد .

پیدایش میزر

 ایده اولیه پدیده لیزر توسط « اینشتین» مطرح شد و پس از او در سال 1940، دانشمندی روسی به نام « فابریکانت » در رساله دکتری خود ، تولید تابش‌های تقویت شده را به اثبات رساند . سپس در سال 1954، « چالز تانز » فیزیکدان دانشگاه کلمبیا ، با استفاده از گاز آمونیاک در ناحیه مایکروویو ، موفق به ساخت « میزر» شد که این نخستین کاربرد برای پدیده گسیل القایی محسوب می‌شد (‌شکل 1-2) این پدیده تقریباً بطور همزمان در آمریکا و شوروی بررسی شد اما درهر حال ، میزر همواره با نام « چالز تانز » همراه می‌باشد ؛ زیرا این ام را او و براساس حروف اول کلمات "Microwave Amplification by the Stimulated Emission of Radiation" برای این پدیده برگزید .

 «‌تانز » می‌‌گوید ایده میزر ، پیش از تشکیل جلسه « انجمن فیزیک آمریکا » و در یک صبح بهاری در سال 1951 در زمانی که روی نیمکتی در پارکی واقع در واشنگتن نشسته بود ، در ذهنش جرقه زد . او ایده خود را برای « هربرت زیگر » و « جیمز گوردون » و «نیکلای باسوف » در « موسسه‌ی فیزیک لبدوف » در مسکو ، محاسبات دقیقی به منظور تعیین شرایط مورد نیاز جهت عملکرد میزر انجام دادند و مدت کوتاهی پس از ارائه گزارش « تانز » ، نتایج خود را منتشر کردند . سهم این افراد به همراه « تانز » در عرضه‌ی میزر ، در سال 1964 با اهدای جایزه نوبل فیزیک به این سه تن ، به رسمیت شناخته شد .

(نمودار و جداول در فایل اصلی موجود است)

 ساخت لیزر

پس از ساخت میزر « تانز » و دیگر فیزیکدانان ، به فعالیت در محدوده طول موج‌های کوتاه‌تر از مایکروویو (‌محدوده مرئی و مادون قرمز ) پرداختند . آنان دریافتند که برای تولید گسیل القایی در این محدود جدید ، شرایط فیزیکی در مقایسه با میزر ،‌مشکل‌تر می‌باشد . در نهایت ، « تانز » و «‌آرتور شاولو» در سال 1958 با چاپ مقاله‌ای جامع ،‌تفاوت‌های کار درمحدوده مرئی و و مایکروویو را مشخص کردند .

 در همین سال‌ها « گوردن گلد » دانشجوی دکترای دانشگاه کلمبیا ، به فعالیت در زمینه تعیین شرایط و امکانات مورد نیاز برای گسیل القائی ، در ناحیه طول موج مرئی پرداخت و نتایج کار خود را در سال 1957 در دفترچه‌ای یادداشت کرد ؛ اما تلاشی در جهت چاپ این نتایج به عمل نیاورد . او پس از مدتی سعی کرد تا کار خود را به ثبت برساند . لذا به سرعت یادداشت‌های خود را برای ثبت رسمی ارائه داد .

اما علت مشاوره حقوقی نادرست ، این کار تا اوایل سال 1959 ( 9 ماه پس از ثبت فعالیت تانز و شاولو ) انجام نشد. با وجود این « گلد » نخستین کسی بود که در یادداشت‌های خود ، کلمه « لیزر » را بکار برد در حالی که « تانز» و « شاولو» ایده خود را تحت عنوان « میزر نوری » توصیف کرده بودند .

 به انتشار نتایج کار « تانز » و « شاولو» ، مسابقه‌ای برای ساخت لیزر آغاز شد . شرکتی به نام TRG با همکاری « گلد » توانست با ارائه پیشنهاد برای ساخت لیزر به « پنتاگون » یک میلیون دلار برای این کار دریافت کند .« شاولو » ، « گلد » و بیشتر محققان تصور می‌کردند که گازها ، بهترین مواد برای ساخت لیزر می‌باشند ، اما فیزیکدان جوانی به نام « تئودور میمن » در « آزمایشگاه تحقیقاتی هاگز » در کالیفرنیا با این عقدیه موافق نبود . او از کریستال‌های « یاقوت مصنوعی » برای ساخت لیزر استفاده کرد ؛ علی رغم این که نظریه‌های موجود ، کاربرد این ماده را تایید نمی کردند . در نهایت او توانست در اواسط سال 1960 ، نخستین لیزر جهان را با استفاده از میله یاقوت مصنوعی بسازد ( شکل 1-3) این لیزر ( لیزر یاقوت ) ، از نوع « لیزر جامد » و با نور قرمز رنگ بود . بدین ترتیب ، « عصر لیزر» آغاز شد .

 مسیر « میمن » برای ساخت وارائه این لیزر ساده نبود مدیر آزمایشگاه « هاگز » پس از مدتی فعالیت « میمن » ، از او خواست تا کار روی لیزر یاقوت را متوقف کند . مجله معتبر "Physical Review Letters" نیز گزارش او را تحت این عنوان که میزر دیگری ساخته شده است ، رد کرد . اما سرانجام مطلب کوتاهی از کار « میمن » در مجله "British Journal Nature" درسال 1960 به چاپ رسید و او به عنوان نخستین سازنده لیزر معرفی شد .

 خبر ساخت نخستین لیزر به سرعت در سراسر جهان طنین انداز شد و در مدت کوتاهی ، لیزرهای مختلف با طول موج‌ها و مواد فعال مختلف به بازار عرضه شدند . پیش از پایان سال 1960 ، دومین لیزر حالت جامد توسط « پیتر سوروکین » و « استیونسون » در شرکت IBM از ماده فلوریدا کلسیم حاوی یون‌های سه ظرفیتی اورانیم ساخته شد ؛ اما این لیزر هرگز کاربرد مهم و عمده‌ای پیدا نکرد . پس از آن ، نخسیت لیزر گازی جهان ( لیزر هلیم – نئون ) توسط پروفسور ایرانی ، « علی جوان» ، با همکاری « بنت » و « دونالد هریوت » در «‌آزمایشگاه تلفن بل » در نیوجرسی آمریکا در دسامبر سال 1961 متولد شد (‌شکل 1-4) این لیزر در محدوده مادون قرمز نزدیک عمل می‌کرد . پس از « علی جوان » ، نوع دیگری از این لیزر توسط دیگر محققان در محدوده نور قرمز ساخته شد . در سال 1961 ، « جانسون » و « ناسو» ، لیزر حالت جامد « نئودیمیم» را از ماده « تنگستات کلسیم » به عنوان ماده میزبان حاوی یون‌های « نئودیمیم» تولید کردند و به دنبال آن نیز در همین سال ، « الیاس اسنیتزر »، نخستین لیزر « نئودیمیم – شیشه » را ساخت . سه سال بعد ، « گسیک » ، « مارکوس » و « ون اوترت » ، لیزر « نئودیمیم – یاگ» را ابداع کردند که امروزه یکی از پر مصرف‌ترین انواع لیزر در کاربردهای تجاری است .

 در پاییز 1962 ، نخستین « لیزرهای نیمه هادی » را « رابرت هال » و همکارانش و دو گروه مستقل دیگر ارائه کردند . این سه تیم در « آزمایشگاه تحقیقات جنرال الکتریک » ، «مرکز تحقیقات واتسن IBM » و «‌ آزمایشگاه لینکلن MIT» توانستند به سرد کردن دیودهای « آرسنید گالیم » در نیتروژن مایع ، لیزر نیمه هادی تولید کنند . در سا‌ل‌های بعد ، برخی از مهم‌ترین لیزرهایی که در حال حاضر مورد استفاده می‌گیرند ، ساخته شدند .

« ویلیام بریج » در سال 1964، اساس « لیزر آرگن » را پایه ریزی کرد . در همین سال ، « کومار پتل » نخستین « لیزرگاز کربنیک » را ساخت که امروزه یک اسب کاری نیرومند در صنایع بکار گرفته می‌شود . نخستین « لیزر شیمیایی » را « کاسپار » و « پیمنتل » در سال 1965 از کلرید هیدروژن تولید کردند . « سوروکین » و « لانکارد » نیز در « مرکز تحقیقات واتسن IBM» در سال 1966، نخستین « لیزر رنگی» را از مواد آلی ساختند .

 دهه 60 با رشد ناگهانی و سریع ساخت انواع لیزر همراه بود ، اما این سرعت در دهه‌ی 70 کاهش یافت . مهم‌ترین ابداعات در این سال ها ، ساخت « لیزرهای اگزایمر » و « لیزر الکترون آزاد » بود . در لیزرهای اگزایمر اولیه ،‌ از تحریک اتم‌های گاز خنثی ،‌در حین اتصال به یکدیگر و تشکیل مولکول ، استفاده می‌شد ؛ اما از اواسط دهه‌ 70، علاقه به ترکیب‌های هالیدی گازهای کمیاب افزایش یافت . امروزه این لیزرها بخش عمده‌ای از تجارت لیزر را تشکیل می‌دهند . لیزر الکترون آزاد را نیز در سال 1975، « جان مدی » در دانشگاه « استانفورد » ساخت . اما این لیزر تا مدت‌ها به صورت آزمایشگاهی باقی ماند .