فهرست مطالب

عنوان صفحه

فصل اول: خواص و کاربردهاي ليزر درمانی

مقدمه. 2

پیشرفت علم لیزر. 3

برهم کنش لیزر با لایه های پوستی.. 6

1- برهم کنش نور- شیمی.. 6

2- برهم کنش نور- حرارتی.. 6

3- قطع نوری(باانرژي زياد)7

4- قطع پلاسماي القايي.. 7

5- شکست نوری.. 7

کاربردها8

1- تشخيص نوع بيماري.. 8

2- درمان. 8

3- جراحی.. 9

4- دندانپزشکي.. 9

5- زيبايي.. 9

جذب مولکولي يک فتون. 10

راه ها و مسيرهاي تحريک... 11

1- برهم کنشهاي فتوشيميايي.. 11

2- استهلاک ارتعاشي- گرم کردن. 11

3- فلوئورسانس... 12

4- فسفرسانس... 12

درمان فتوديناميک... 14

فتوشيمي.. 14

مراحل يا روال بالينی.. 14

کاربردهای درمان فوتوديناميک 15

الف

فصل دوم: انتقال حرارت در بافت

1-2 گرماي بافت... 18

1-1-2 جذب... 18

2-1-2 استهلاک ارتعاشی.. 18

2-2 تأثيرات نور گرمایی.. 18

3-2 انتشار و جذب گرما19

1-3-2 تشعشع پيوسته. 19

2-3-2 انتشار يا تشعشع پالس دار يا تپ دار. 20

4-2 افزايش دما22

5-2 هدايت گرمايي.. 23

6-2 معادله انتشار گرما24

7-2معادله گرما- زيستي پنز. 28

8-2 راه حل هايي براي معادله انتشار گرما28

1-8-2 تابش پيوسته. 29

2-8-2 تابش تپ دار. 29

 

فصل سوم: شبیه سازی مونت کارلو

مقدمه. 34

1-3. شبيه سازي مونت كارلو. 36

1-1-3. مسائل و سيستم‌هاي مختصات مرتبط با شبیه سازی.. 36

2-3 نمونه گيري متغيرهاي تصادفی.. 39

3-3 معادلات توزیع فوتون. 42

1-3-3 پرتاب بسته فوتونی.. 42

2-3-3. اندازه گام فوتون. 43

3-3-3 حركت بسته فوتون. 44

4-3-3 جذب فوتون. 45

5-3-3 پراكندگي فوتون. 45

ب

6-3-3 شكست نور يا عبور از مرز. 47

7-3-3 بازتاب يا عبور از حد فاصل ميان دو فضا يا ماده49

8-3-3 پايان توزیع فوتون. 50

 

فصل چهارم: محاسبه کمیتهای فیزیکی (جذب و شار جذبی فوتونها در بافت)

1-4 بازتاب و عبور. 52

2-4 توزيع فوتون در داخل بافت................................................................................................ 53

3-4 فلوچارت حرکت فوتون در بافت... 54

 

فصل پنجم

 

فصل ششم: نتیجه گیری و پیشنهادات

6-1 نتیجه گیری.. 84

بخش اول. 84

بخش دوم. 85

6-2 پیشنهادات... 85

منابع. 86

 

فصل اول:

خواص و کاربردهاي ليزر درمانی

 

مقدمه

در تابش نور همواره امکان بر هم کنش هايي بين بافت زيستي و نور وجود دارد به عنوان مثال: آفتاب زدگي و تيرگی پوست چيز رايجي است که هر کس ممکن است آن را تجربه کرده باشد اماعلت این آفتاب زدگی چيست؟ آيا آفتاب زدگي نوعي سوختگي است؟

چرا وقتي پوستي در زير آفتاب گرم مي شود قهوه اي مي شود اما وقتي با آتش گرم مي شود اين اتفاق نمي‌افتد فعل و انفعال بافت و نور براي زندگي حياتي است گياهان، خزه هاي دريايي باکتريها براي ساختن قند از مواد آلي به نور خورشيد نياز دارند انسانها هم به فعل و انفعالات فتوشيميايي وابسته‌اند مثلاً نور فرابنفش براي توليد ويتامين D در پوست مورد نياز است.

اگر چه نور مي تواند تأثيرات نامطلوبي همچون سرطان زا بودن را بر روي پوست داشته باشد به عنوان مثال آسيب uv بر DNA در ملانوسيت ها منجر به نوعي سرطان به نام تومر مي شود وقتي از نور براي درمان استفاده مي شود آنچه مهم است کنترل خوب آن بوده و بنابراين منابع نور ليزري برای این هدف به کار مي روند. در این رساله هدف، بررسی اثر لیزر بر بافت و چگونگی و دلیل استفاده ی لیزر در مراحل درمانی متفاوت میباشد.

ليزر را بدلیل ويژگيهاي زير در درمان مورد استفاده قرار مي گيرد.

1- هر ليزر (بسته به نوع ليزر انتخابي) فوتونهايي با يک انرژي از خود خارج مي کند (فرکانس وطول موج يکسان) لذا با انتخاب نوع لیزر مي توان انرژي فوتونها را انتخاب کرد.

2- مي توان با دقت قدرت آن را روي گستره ای از شدت تابش کنترل کرد

3- مي توان شکل و ابعادباریکه لیزر را به خوبي کنترل کرد به عنوان مثال هم سوسازي باریکه های لیزر

4-خصوصیت دوام زمانی تپ لیزر حتی کمتر از 100فمتوثانیه یکی دیگر از ویژگیهای لیزر است.

پیشرفت علم لیزر

برای تقریبا 50 سال ، دانشمندان اپتیک غیر خطی الکترون های مقید در اتم ها و مولکول ها را، مطالعه کرده اند. اثرات غیر خطی در این مورد با توجه به حرکت نوسانی غیر هارمونیکی الکترون ها در ترکیب میدان های اتم و لیزر افزایش یافته است . مطالعه اپتیک غیر خطی با اختراع لیزرهای کیو سوئیچینگ^[1] ممکن شد که در آن شدت توان لیزر از نظر مقدار افزایش یافت . میزان پیشرفت در یادگیری ما از اپتیک غیر خطی کاملا سریع بود. به عنوان مثال تولید هارمونیک (دو برابر شدن فرکانس ) با بازدهی تقریبا واحد تنها در چند سال آشکار شد . در دو دهه گذشته ، لیزر های رو میزی ^[2] با جهشی در پیک توان از نظر مقدار به طور مشابه ایجاد شدند .(همانگونه که در شکل 2-1 دیده می شود .)

شکل 1-1 تاریخچه منابع نوری در قرن گذشته ،با افزایش شدت لیزر که باعث ایجاد رژیم جدیدی از نور شده است .

پالس های کوتاهتر (فمتو ثانیه)^[3]، افزایش توان ، کاهش اندازه و افزایش سرعت تکرار با استفاده از تکنیک تقویت پالس کشیده شده^[4] ]1 [در لیزرهای حالت جامد ممکن شد .پالس لیزر، ابتدا در تشدیدگر اپتیکی تولید می شود و سپس قبل از تقویت ، از نظر فرکانس فشرده شده و از نظر زمانی به کمک یک جفت توری پهن می شود. پالس پهن نسبت به پالس کوتاه این مزیت را دارد که در این حالت، امکان استخراج انرژی بیشتری از سیستم تقویت کننده بعدی وجود دارد. بعد از تقویت، پالس توسط یک جفت توری، فشرده می شود تا دوام زمانی آن به حدود یا زیر پیکو ثانیه برسد، شکل (2-2) ، میزان افزایش توان پالس برابر با نسبت دوام پالس اولیه به دوام زمانی پالس فشرده شده خواهد بود با استفاده از روش تقویت پالس کشیده شده انرژی پالس کوتاه، افزایش می یابد. البته بنحوی که از ایجاد توان های با پیک بسیار بالا، در خود سیستم تقویت کننده، جلوگیری شود. این کار با افزایش پهنای زمانی پالس، تقویت آن و سپس کاهش پهنای آن به دو روش برگشت پذیر از طریق فشرده سازی اپتیکی انجام می شود. در تکنیک تقویت پالس پالس های فوق سریع تولید شده از طریق لیزر قفل شدگی^[5] که بترتیب انرژی، سرعت تکرار و پهنای زمانی در حدود ^9-10ژول ، 10⁵ هرتز و 10^{- 14} ثانیه دارند، توسط فیبر اپتیکی یا توری های پراش، پهن می شوند. آنچنان که پهنای پالس از حدود 100 فمتو ثانیه به 100 پیکوثانیه می رسد، در نتیجه بیشینه توان آن بشدت افت می کند، اکنون باید پالس را تقویت کرد که برای افزایش انرژی آن به میزان 6 تا 9 برابر مقدار اولیه، پالس باید 4 الی 50 مرتبه از محیط تقویت کننده عبور کند.

شکل 2-1 طرح کلی سیستم تقویت کننده (تکنیک CPA )

 

بعد از تقویت پالس دومین جفت توری پراش برای برگرداندن پهنای زمانی اولیه (فمتوثانیه ) به پالس، مورد استفاده قرار می گیرند. طراحی اپیتکی مناسب برای سیستم تقویت کننده، در فشرده سازی دوباره و رسیدن به مقدار پهنای اولیه پالس، بسیار اهمیت دارد. با استفاده از این تکنیک در شدت های بالا باعث ایجاد اثرات غیر خطی حتی در الکترون های آزاد نیز می شود . اثرات غیر خطی در این مورد به علت نوسان الکترون ها با سرعت های نسبیتی در میدان های لیزر بالاتر از ، 10 ، است که باعث تغییر در جرم سکون شده و میدان مغناطیسی ، مهم می شود. کار انجام شده توسط میدان الکترومغناطیسی روی الکترون در فاصله طول موج لیزر با انرژی جرم سکون الکترون m₀c² برابر می شود .بدین ترتیب رژیم جدیدی از اپتیک غیر خطی از الکترون های نسبیتی ایجاد شد .بر اساس این رژیم تولید هامونیک های مراتب بالا[19,20]، خود مدولاسیون^[6] ، خود تمرکزی^[7] [18] و غیره در این رژیم در مکانیسم های متفاوت فیزیکی استنباط شد . رژیم فیزیکی بعدی در شدت های بالاتر از 10 ²⁴ایجاد شد. که در آن،حتی پروتون ها به طور نسبیتی شروع به ارتعاش می کنند. یعنی کار انجام شده روی یک پروتون در فاصله طول موج لیزر ، با انرژی جرم سکون آن m_pc² برابر می شود. که رژیم هسته ای در برهم کنش لیزر - پلاسما نامیده می شود[2] .

 

برهم کنش لیزر با لایه های پوستی:

فرآیند برهم کنش بین لیزر و بافت به پنج گروه وسیع به صورت زیر تقسیم بندی می شود:

1- برهم کنش نور- شیمی:

با جذب فوتونی در یک مولکول ، انرژی فوتون به الکترونهای مولکول منتقل می شود.الکترونهای پر انرژی تر قادرند به آسانی از فشارهای هسته ای بگریزند و آنها را به هسته ی اصلی نزدیک نگه داردو احتمال اینکه مولکولهای پر انرژی واکنشهای شیمیایی با مولکولهای دیگر راتحمل کنند بیشتر است (از جمله تبادل الکترونی)

برای مثال در درمان فوتودینامیک(PDT)یک داروی حساس به نور(که شامل مولکولهایی است که پس از جذب نور فعال میشوند)این دارو باعث ایجاد شکل هایی از اکسیژن واکنشی شده که منجر به مرگ نسوج زنده و مرگ سلولي مي شود. درمان فوتوديناميک به طور وسيعي در تخريب تومورهاي سرطاني وغده شناسی کاربرد دارد.

2- برهم کنش نور- حرارتی:

در این برهم کنش ، انرژي فوتون ها توسط کروموفورها جذب مي شود.

و انرژي آن به انرژي گرمايي تبديل مي شود. که منجر به گستره ای از تأثيرات دمايي از انعقاد بافت به تبخير مي شود. کاربردها شامل قطع بافت و پيوند در جراحي ليزر مي شود.

3- قطع نوری(باانرژي زياد):

در اين مکانيسم فوترن هاي UV جذب شده و به دليل پر انرژي تربودن آنها از باند شيميايي نگهدارنده مولکول منجر به واپاشی مولکول ها مي شود.(اين امر با ازدیاد حجم تابش و رهایی از سطح بافت میسر مي‌شود) يکي از کاربردهاي اين روش جراحي چشم مي‌‌باشد.

 

4- قطع پلاسماي القايي:

در اين روش يک الکترون آزاد به وسيله ميدان اکتريکي شديد و در مجاورت باریکه ليزر متمرکز شتاب مي گيرد با برخورد اين الکترون پر انرژي با مولکول مقداري از انرژي خود را به مولکول انتقال یافته و باعث آزاد شدن گروهی دیگر از الکترونها می شود و واکنش زنجيره اي از برخوردهاي مشابه ایجاد میشود که حاصل آن در پلاسما مخلوطي از يونهاوالکترونهاي آزاد مي باشد.

يکي از کاربردهاي اين روش درمان آب مرواريد ثانويه مي باشد.

 

5- شکست نوری:

این فرآیند شامل تأثيرات مکانيکي است که با توليد پلاسما همراه مي باشد ه بصورت تشکيل حباب، کاواک زايي، فشار و موج ضربه اي میتواند اثرگذار باشد.

از کاربردهاي اين روش شکستن سنگهاي کليه و صفرا میباشد

شکل 3-1 انواع برهمکنش لیزر با بافت

کاربردها:

امروزه از ليزر در زمینه هاي مختلف از جمله در سازه ها در ارتباطات و امنیت و کاربردهای نظامی و به خصوص در پزشکي مورد استفاده قرار مي گيرد.

کاربردهاي پزشکي لیزر به شرح ذیل می باشد.

1- تشخيص نوع بيماري

1-1- تشخيص نوع غدد سرطاني

2-1- تشخيص نوع بيماريهاي چشمي در چشم پزشکي

2- درمان

1-2- درمان انواع سرطان

الف- درمان سرطان پروستات با استفاده از فيبر نوري

 

3- جراحی

1-3- جراحي مغز و اعصاب

2-3- جراحي گرفتگي رگهاي قلب

4- دندانپزشکي

1-4- انواع درمان بيماريهاي لثه و دندان

5- زيبايي

1-5- برداشتن خال و زگيل

2-5- از بين بردن موهاي زايد بدن

3-5- پاک کردن تاتو.

 

تا قبل از کشف ليزر درماني پاک کردن تاتو امري مشکل وناشدني بودوتنها راه پاک کردن تاتو از بين بردن لايه هاي بالايي پوست بود. امروزه پاک کردن تاتو با استفاده از ليزر ميسر است و کيفيت و چگونگي آن از فردي به فرد ديگر متفاوت است.

غالباً پاک کردن کامل غير ممکن است و شايد زخم هايي هم به وجود بيايد پاک کردن تاتوهاي حرفه‌اي که در آن جوهر به عمق پوست نفوذ کرده سخت تر از تاتوهايي است که افراد آماتور انجام مي‌دهند.

جوهر تاتو رنگ متفاوتي با پوست دارد بنابراين اولين چيز براي انجام اين کار انتخاب طول موج مناسب ليزر است که به وسيله جوهر تاتو جذب شده ولی که بنابراين توسط بافت پوست جذب نمي شود اگر جوهر تاتو شناخته شود بیشترین میزان جذب میتواند اندازه گیری شده و سپس پاک سازي انجام شود.

شايان ذکر است بدانيم نوع مولکول که بافت از آن ايجاد شده و جزئياتش، همچنين فرکانس يا طول موج نور، قدرتي که به وسيله ليزر از هر واحد سطح رها مي شود، همچنين مدت روشنايي و ميزان تکرار تپ براي ليزرهاي پالس دار ، مشخص کننده ي اين است که از ميان انواع فرآیند برهم کنش ليزربا بافت کدام يک در مورد خاص بايد انتخاب شود. هر کدام از برهم کنش های یاد شده به نوعی ليزر خاص نیازمندند.

مثلاً در موردفرآیند قطع نوری به نور UV يا براي فرآیندشکست نوری به پالسهاي با دوام خيلي کوتاه نياز داريم.

امانوع مولکول بافتي براي انتخاب فرآیندمهم است زیرا زماني که نور و ماده (بافت)باهم برهمکنش میکنند از برهمکنش فوتون و مولکول، جذب مولکول وتحريک الکترون بعدي اتفاق می افتد. بنابراین باید به نکات زیر توجه کرد:

1- بايد به خاطر داشت که بافت متشکل از مولکول مي باشد اين بافتها از صدها نوع مولکول متفاوت تشکيل شده اند (پروتئين، DNA ، آب، چربي و ...) وقتي در باره برهم کنش نور با بافت صحبت مي کنيم منظورمان برهم کنش نور با برخي از مولکولهاي بافتي است.

2- مولکولهاي متفاوت نور را با طول موجهاي متفاوت جذب مي کنند (به طورمثال خون قرمز رنگ است رنگ چشم آبي است يا مثلاً موها قهوه اي هستند) پس با انتخاب طول موج ليزر مي توان مولکول خاصي را مورد هدف قرار داد.

3- مولکولهاي مختلف وقتي براي اولين بار فوتوني را جذب مي کنند رفتارهاي مختلفي داشته و اتفاقهاي متفاوتي ممکن است رخ دهد که بستگي به مولکول خاص و انرژی فتون جذب شده دارد.

 

جذب مولکولي يک فتون:

ملکولي که تحريک نشده در حالت پايه قرار دارد و داراي پايين تري سطح انرژي است. این حالت پايه ناميده مي شود زيرا الکتروني که دور هسته مي چرخد براي يک اتم يا هسته ها براي يک ملکول از نقطه نظر مکانيک کوانتومي داراي اسپین بالاوپایین هستند و فقط يک جهت يابي خاص وواحد در فضا براي الکترونها با چنين اسپين هايي وجود دارد

با جذب یک فوتون باندی چرخشی از الکترونها با ميدان الکتريکي فتون برهم کنش مي کند (فتون‌ها نوسانات محلي در ميدان الکترومغناطيسي هستند) لذا انرژي فتونها به صورت انرژي جنبشي الکترون منتقل مي شود و الکترونها به سطح انرژي بالاتری انتقال می یابند. انتقال انرژي بصورت جذب زماني اتفاق مي افتد که سطح انرژي به مقداري افزایش یابدکه درآن الترونهای اتمی قادر به حرکت شوند، طيف جذب شامل منطقه کامل و خط هاي مجزا مي باشد. اگر چه، براي ملکول هاي بزرگ مثل ملکول هايي که در بافت پيدا مي شوند سطح انرژي زيادي وجود دارد که طيف جذب تقريباً پيوسته مي باشند. اگر چه طيف مسطح نيست امادر برخی ازفرکانس ها جذب بیشتر است و شايد اساساً از بقيه پر اهميت تر باشند.

 

راه ها و مسيرهاي تحريک:

حال،‌ با جذب يک فتون، ملکول در حالت برانگيخته قرار مي گيرد يعني الکتروني دارد که در سطح انرژي بالاتري نسبت به حالت قبل از ترکیب میباشد زیرا قبل از ترکیب در سطح انرژی پايين تري که مي‌تواند اشغال کند، قرار گرفته بود. اتفاقي که ممکن است براي آن بيفتد"عاقبت گونه‌هاي برانگيخته" نامگذاري مي شود.

1- برهم کنشهاي فتوشيميايي:

با توجه به اینکه الکترونهای تحریک شده انرژي بيشتري دارند، به دور هسته در فاصله بيشتری قرار می‌گیرند. از آنجا که نيروي جاذبه هسته با فاصله به سرعت کم مي شود، در چنین شرایطی الکترون کمتر مي پرد (حرکت مي کند) و باند شيميايي با ملکول ديگري که آماده تر است تشکيل مي دهد. اين اصول، اساس فتوشيميايي است.

 

[1] Q-switching

[2] Table-top

[3] Femto second (10-15)

[4] Chirp pulse amplification (CPA)

[5] Mode-locking

[6] Self-modulate

[7] Self-focusing