Курсовая работа (т): Применение лазеров в офтальмологии

Применение лазеров в офтальмологии

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

"Кубанский государственный университет"

(ФГБОУ ВПО "КубГУ")

Физико-технический факультет

Кафедра физики и информационных систем

Курсовая работа

Применение лазеров в офтальмологии

Работу выполнил

Семенов Евгений Евгеньевич

Курс 3

Направление 010700- Физика

Научный руководитель

канд. пед. наук, доц. Л.Ф. Добро

Нормоконтролер

канд. пед. наук, доц. Л.Ф. Добро

Краснодар 2013

Реферат

Курсовая работа: 51 с., 25 рис., 3 таблицы, 8 источников.

Лазеры, используемые в медицине, органы зрения, современные методы коррекции зрения.

Объектом исследования данной курсовой работы являются лазеры используемые в офтальмологии.

Целью данной работы является изучение механизма лечения органов зрения с помощью лазеров.

В результате выполнения курсовой работы были изучены механизмы лечения органов зрения с помощью разнообразных лазеров. Рассмотрены перспективы диагностики органов зрения. Проведены сравнения лазеров используемых для коррекции зрения.

Содержание

Введение

1. История открытия лазеров

1.1 Открытие лазеров

1.2 Свойства лазеров

. Лазеры, используемые в медицине

.1 Лазеры, применяемые в медицине

.2 Лазеры, используемые для коррекции зрения

.3 Методы коррекции зрения

. Органы зрения

.1 Строение глаза и его функции

.2 Заболевания органов зрения и методы их диагностики

.3 Современные методы коррекции зрения с помощью лазеров

Заключение

Список использованных источников

Введение

Первой отраслью медицины, в которой нашли применение лазеры, была офтальмология. Слово "LASER" является аббревиатурой от английского "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation". Активная среда (кристаллы, газы, растворы, полупроводники) чаще всего определяет тип лазера (например, рубиновый, аргоновый, диодный и др.).

Офтальмология - область медицины, изучающая глаз, его анатомию, физиологию и болезни, а также разрабатывающая методы лечения и профилактики глазных болезней.

Лазерное излучение характеризуется когерентностью и монохроматичностью. Поскольку лучи лазера почти параллельны, то с расстоянием световой пучок лишь незначительно увеличивается в диаметре. Монохроматичность и параллельность света лазера позволяет с его помощью избирательно и локально воздействовать на различные биологические ткани.

Для большинства заболеваний постоянно требуются все новые методы лечения. Но лазерное лечение является таким методом, который сам ищет болезни, чтобы их вылечить.

Целью данной работы является изучение механизма лечения болезней связанных со зрительным органом с помощью лазеров. При этом существенно важным является изучение следующих механизмов:

изучить механизмы лечения органов зрения с помощью лазеров;

рассмотреть перспективы лечения и диагностики органов зрения с помощью лазеров.

1. История открытия лазеров

.1 Открытие лазеров

Физической основой работы лазера служит квантовомеханическое явление вынужденного (индуцированного) излучения. Излучение лазера может быть непрерывным, с постоянной мощностью, или импульсным, достигающим предельно больших пиковых мощностей. В некоторых схемах рабочий элемент лазера используется в качестве оптического усилителя для излучения от другого источника.

Существует большое количество видов лазеров, использующих в качестве рабочей среды все агрегатные состояния вещества. Некоторые типы лазеров, например лазеры на растворах красителей или полихроматические твердотельные лазеры, могут генерировать целый набор частот (мод оптического резонатора) в широком спектральном диапазоне. Габариты лазеров разнятся от микроскопических для ряда полупроводниковых лазеров до размеров футбольного поля; для некоторых лазеров на неодимовом стекле.

Уникальные свойства излучения лазеров позволили использовать их в различных отраслях науки и техники, а также в быту, начиная с чтения и записи компакт-дисков и заканчивая исследованиями в области управляемого термоядерного синтеза. Слово "лазер" образовано из начальных букв длинной фразы на английском языке, означающей в дословном переводе: "усиление света с помощью вынужденного излучения".

"Ученые давно обращали внимание на явление самопроизвольного испускания света атомами, - пишет в книге "Мир физики" М.М. Колтун, - происходящее благодаря тому, что возбужденный каким-либо способом электрон вновь возвращается с верхних электронных оболочек атома на нижние. Недаром явление химической, биологической и световой люминесценции, вызванное такими переходами, издавна привлекало исследователей своей красотой и необычностью. Но свет люминесценции слишком слаб и рассеян, Луны ему не достичь..."

Рисунок 1 - Схема работы лазера

- активная среда; 2 - энергия накачки лазера; 3 - непрозрачное зеркало; 4 - полупрозрачное зеркало; 5 - лазерный луч.

Каждый атом при люминесценции испускает свой свет в разное время, не согласованное с атомами-соседями. В результате возникает хаотичное вспышечное излучение. У атомов нет своего дирижера!

В 1917 году Альберт Эйнштейн в одной из статей теоретически показал, что согласовать вспышки излучения отдельных атомов между собой позволило бы... внешнее электромагнитное излучение. Оно может заставить электроны разных атомов одновременно взлететь на одинаково высокие возбужденные уровни. Этому же излучению нетрудно сыграть роль и спускового крючка при "световом выстреле": направленное на кристалл, оно может вызвать одновременное возвращение на исходные орбиты сразу нескольких десятков тысяч возбужденных электронов, что будет сопровождаться могучей ослепительно яркой вспышкой света, света практически одной длины волны, или, как говорят физики, монохроматического света.

Работа Эйнштейна была почти забыта физиками: исследования по изучению строения атома занимали тогда всех значительно больше.

В 1939 году молодой советский ученый, ныне профессор и действительный член Академии педагогических наук В.А. Фабрикант вернулся к введенному Эйнштейном в физику понятию вынужденного излучения. Исследования Валентина Александровича Фабриканта заложили прочный фундамент для создания лазера. Еще несколько лет интенсивных исследований в спокойной мирной обстановке, и лазер был бы создан". Но это произошло только в пятидесятые годы благодаря творческой работе советских ученых Прохорова, Басова и американца Чарльза Харда Таунса (1915).

Александр Михайлович Прохоров (1916-2001) родился в Атортоне (Австралия) в семье рабочего революционера, бежавшего в 1911 году в Австралию из сибирской ссылки. После Великой Октябрьской социалистической революции семья Прохорова возвратилась на родину в 1923 году и через некоторое время поселилась в Ленинграде.

В 1934 году здесь Александр окончил среднюю школу с золотой медалью. После школы Прохоров поступил на физический факультет Ленинградского государственного университета (ЛГУ), который оканчивает в 1939 году с отличием. Далее он поступает в аспирантуру Физического института имени П.Н. Лебедева АН СССР. Здесь молодой ученый занялся исследованием процессов распространения радиоволн вдоль земной поверхности. Им был предложен оригинальный способ изучения ионосферы с помощью радиоинтерференционного метода.

год - исследователь Рангасвани Шринивасон обнаружил, что излучение эксимерного лазера способно производить сверхточные разрезы живой ткани, при этом, не повреждая окружающие ткани высокими температурами. Принцип воздействия излучения ультрафиолетового диапазона на органическое соединение заключается в разъединении межмолекулярных связей и, как результат, перевод части ткани из твердого состояния в газообразное (фотоабляция - испарение).

год - начинается сотрудничество с офтальмологами для усовершенствования лазерной системы и применения его для воздействия на роговице глаза.

год - в Берлине была произведена первая лазерная коррекция зрения по методике ФРК (PRK) с использованием эксимерного лазера. Все современные эксимерные лазеры, используемые в офтальмологии, работают в одном диапазоне длин волн, в импульсном режиме (обычно - с частотой 100 Гц и длиной импульса около 10 нс, иногда эти значения могут достигать 200 Гц и 30 нс) и различаются только формой лазерного пучка (сканирующая щель или летающая точка (пятно)) и составом активного тела (инертного газа). Лазерный пучок, в поперечном разрезе представляющий собой щель или пятно, перемещается по определенной траектории, постепенно снимая (испаряя) слои роговицы, исходя из заданных параметров, и придавая ей новую форму. Температура в зоне абляции практически не повышается (не более 5°-6°) вследствие кратковременности воздействия. С каждым импульсом лазер удаляет слой, толщиной 0,25 мкм (приблизительно 1/500 часть толщины человеческого волоса). Такая точность позволяет добиваться идеального результата лазерной коррекции зрения.

.2 Свойства лазеров

Лазерные лучи - это электромагнитные волны, обладающие весьма своеобразными, можно сказать, уникальными свойствами. Здесь мы остановимся вкратце на четырех особенностях лазерного излучения. К ним относится, прежде всего, очень высокая направленность светового луча. Угол его расходимости примерно в 10000 раз меньше, чем луча хорошего прожектора. На поверхности Луны лазерный луч создает пятно диаметром около 10 км.

Благодаря высокой направленности энергия лазерного луча может передаваться на очень большие, в том числе и космические, расстояния. Это создает основу для осуществления связи, передачи по лазерному лучу как телефонных разговоров, так и телевизионных изображений.

При этом мощность передатчика (лазера) может быть в десятки и сотни тысяч раз меньше мощности обычных радиостанций. В будущем лазерный луч будет использоваться и для передачи энергии.

Второе уникальное свойство лазерного луча - его монохроматичность, т. е. необычайно узкий спектральный состав. Спектральная ширина его излучения во много раз меньше, чем у всех других источников света и радиоволн. Приведем простейший пример. Ширина линии люминесценции рубина равна ~3-10и Гц.

Необычайно высокая монохроматичность лазерного излучения широко используется для решения важнейших научных и технических проблем.

Не следует думать, что высокая монохроматичность свойственна всем типам лазеров. В ряде случаев (полупроводниковые лазеры, лазеры на растворах красителей) полоса излучений весьма широка, что также может быть использовано на практике.

Третье важнейшее свойство лазерного луча - его высокая когерентность. Фазы различных электромагнитных волн, выходящих за пределы резонатора, или одинаковы, или взаимосогласованы. Испускание всех других источников света некогерентно. Отметим, однако, что в радиообласти спектра многие источники излучения дают именно когерентное излучение.

Чтобы представить себе, что такое _ когерентность, проведем следующий простой эксперимент. Бросим на поверхность воды два камня. Вокруг каждого из них образуется волна, распространяющаяся во всех направлениях. В точках соприкосновения волн возникает интерференционная картина, сложение волн. В результате в некоторых местах амплитуда колебаний удвоится, в других - станет равной нулю (волны погасят друг друга). В данном случае волны когерентны.

Бросим теперь в воду горсть песка. На поверхности волн образуется рябь, отдельные песчинки падают в воду в случайные моменты времени, интерференции не будет. Волны, вызываемые песчинками, некогерентны.

Можно привести и другой наглядный пример. Если по мосту идет много случайных прохожих, то никаких особых эффектов не наблюдается. Если же по нему проходит группа людей, шагающих в ногу, то мост может начать сильно колебаться и при наличии резонанса даже разрушиться. В первом случае удары ног людей хаотичны, воздействие на мост некогерентно, во втором случае оно согласованно, когерентно.

В одной из первых научно-популярных брошюр, посвященных квантовой электроники, дается очень удачное объяснение понятия когерентности: "В раскаленной нити лампы накаливания, в ярком светящемся шнуре ртутной лампы царит полный хаос. То здесь, то там вспыхивают возбужденные атомы, испускающие длинные цуги световых волн. Эти вспышки отдельных атомов никак не согласованы между собой. Свечение таких источников напоминает гул неорганизованной, чем-то возбужденной толпы. Совсем иная картина в (квантовом) генераторе света. Здесь все похоже на стройный хор - сначала вступают одни хористы, затем другие, и сила звучания могуче нарастает. Хор грандиозен по числу участников, как это бывает на праздниках песни в Прибалтике.

Расстояния между отдельными группами хористов настолько велики, что слова песни долетают с заметным запозданием от одной группы к другой. Дирижера нет, но это не мешает стройности общего звучания, так как хористы сами подхватывают песню в нужные моменты. То же происходит и с атомами генератора света. Цуги волн, испускаемых отдельными атомами, согласованы друг с другом благодаря явлению индуцированного излучения. Каждый возбужденный атом начинает свою "песню" в унисон с дошедшей до него "песней" другого атома. Вот это и есть когерентность".

Когерентность широко используется в голографии, интерферометрии и во многих других отраслях науки и техники. Ранее, до появления лазеров, малоинтенсивные когерентные волны в видимой области спектра создавались только искусственно, путем разделения одной волны на несколько.

Сказанного достаточно, чтобы понять всю специфичность лазерного излучения. Энергия этого излучения обладает несравненно более высоким качеством, чем энергия источников накачки. Лазерная энергия может быть предельно сконцентрирована и передана на значительные расстояния. Лазерный луч является самым емким носителем информации, принципиально новым средством ее передачи и обработки. Лазерный луч можно сфокусировать в очень малом объеме, например в сфере диаметром 0,1 мм.

Различные лазеры обладают разной интенсивностью и длительностью свечения - от очень малых до очень больших. Выбор типа лазеров для его практического использования зависит от поставленной задачи. Есть лазеры непрерывного действия. Однако большинство лазерных систем излучает отдельные световые импульсы или целую серию импульсов.

Длительности импульсов также различны. В режиме свободной генерации длительность генерации близка к длительности свечения ламп накачки 10^-4-10^-3 с. В так называемых моноимпульсных генераторах длительность свечения ~10^-8 с. В последнее время разработаны генераторы пикосекундной длительности (10^-12-10^-10 с). Для сокращения длительности импульсов излучения внутрь резонатора лазера вставляют обычно различные управляющие устройства.

Широкое распространение получили сейчас гелий-неоновые лазеры непрерывного действия. Они излучают чаще всего красный свет. Мощность лазера 0,002-0,020 Вт, что во много раз меньше мощности лампочки карманного фонаря.