Laser Systems For Biomedicine : İntroducing The 980 Nm Diode Laser

Abstract

The motivation of this study was to develop and study new surgical laser delivery systems for medical use. This manuscript consists of three main parts: the background chapter describing the basic physical principals of lasers (collimated, coherent and monochromatic nature of lasers), major parameters of laser-tissue interaction mechanisms (such as power, pulse duration, wavelength, absorption, scattering, propagation of light in biological tissue), laser-tissue interaction mechanisms (photochemical, thermal interactions, photoablation, plasma-induced ablation and photodisruption), recent medical applications of lasers; and secondly, chapters presenting and discussing the results of the studies (computer simulations performed; computer controlled laser beam delivery systems designed and developed; in vitro and in vivo experiments done, histologic examination procedures followed); and finally a conclusion chapter. In appendices, computer simulation technique applied; laser systems utilized (1064 nm Nd:YAG laser, 2094 nm Er:YAG laser; 980 nm diode laser) and power measurement methods were described. The original contributions of the present study are summarized below: 1. Different biological tissues were compared in terms of laser fluence distribution. The homogeneity of cardiac tissue due to Nd:YAG laser irradiation were pronounced. Experiments showed the coagulative effect of the widely known Nd:YAG laser and results provided evidence for the relevancy of Monte Carlo simulation technique. 2. Er:YAG laser was first applied on cardiac tissue and showed that it was a candidate for ablative purposes. 3. Original data were presented dealing with the effect of EnYAG laser within cerebellar and cerebral tissues. Results were significant for the future applications of Er: YAG laser within brain tissue as an ablator. 4. The 980 nm diode laser was presented as a new surgical device for brain tissue. A computer controlled laser delivery system for the 980 nm diode laser was designed and developed. This surgical laser delivery system was adapted to stereotaxic surgical procedure and tested through in vitro and in vivo animal experiments. All possible aspects (laser dosimetry, different regimes of laser irradiation, histological examination of thermally altered tissue) of laser-tissue interaction implications were studied and the results providing concrete evidence for the benefits of this new laser system was reported first in the literature. 5. New possibilities of the 980 nm laser system were searched. It was tested for LEP (Laser Evoked Potential) studies as a pain stimulant. The experiments done on human subjects showed that this new laser system can be a better candidate than Nd: YAG laser for pain studies.

Bu çalışmanın amacı, tıbbi uygulamalar için yeni cerrahi laser aktarım sistemleri geliştirmektir. Bu tez metni üç ana bölümden oluşmaktadır: laserlerin temel fiziksel ilkelerini (laserlerin dağılmadan düz gitme, tek renkli ve koheran olma özelliklerini), laser-doku etkileşim mekanizmalarının (güç, darbe süresi, dalgaboyu, soğurulma, saçılma ve biyolojik dokunun içinde ışığın yayılması gibi) başlıca parametrelerini, laser-doku etkileşim mekanizmalarım (fotokimyasal, ısıl etkileşimler, fotoablasyon, plazma kaynaklı ablasyon ve fotodisropsiyon), ve laserlerin tıptaki en son uygulamalarım açıklayan bir arkaplan bölümü; ikinci olarak yapılan çalışmaların (gerçekleştirilen bilgisayar benzetimleri, tasarlanıp geliştirilen bilgisayar denetimli laser işim aktarma sistemleri, yapılan in vitro ve in vivo deneyler, izlenen histolojik inceleme süreci) sunulduğu ve tartışıldığı bölümler; ve son olarak bir sonuç bölümü. Eklerde uygulanan bilgisayar benzetim tekniği, kullanılan laser sistemleri (1064 nm Nd:YAG laser, 2094 nm EnYAG laser; 980 nm diyot laser) ve güç ölçüm yöntemleri betimlenmiştir. Bu çalışmanın özgün katkıları aşağıda özetlenmiştir: 1. Farklı biyolojik dokular laser akısının dağılımı açısından karşılaştınlmıştır. Kardiyak dokunun Nd:YAG laser ışımasına göre homojenliği belirtilmiştir. Deneyler, yaygın olarak bilinen Nd:YAG laserinin koagülatif etkisini göstermiş ve sonuçlar Monte Carlo benzetim yönteminin uygunluğu yönünde kanıt sağlamıştır. 2. EnYAG laseri kardiyak doku üzerinde ilk kez denenmiş ve ablasyon amaçlan için aday bir sistem olduğu gösterilmiştir. 3. Er:YAG laserinin serebral ve serebellar dokulardaki etkilerine ilişkin özgün bulgular sunulmuştur. Sonuçlar, gelecekteki EnYAG laserinin beyin dokusunda bir ablatör olarak kullanımı açısından önemli bulunmuştur. 4. 980 nm diyot laseri beyin dokusu için yeni bir cerrahi aygıt olarak sunulmuştur. 980 nm diyot laseri için bilgisayar denetimli laser aktarım sistemi tasarlanmış ve geliştirilmiştir. Bu aktarım sistemi stereotaksik cerrahi sürecine uyarlanmış ve in vitro ve in vivo hayvan deneylerinde sınanmıştır. Laser-doku etkileşim kapsamındaki tüm özellikler (laser dozimetrisi, laser ışımasının farklı rejimleri, ısıl olarak değişmiş olan dokuların histolojik incelenmesi) üzerinde çalışılmış ve bu yeni laser sisteminin yaran yönünde somut kanıtlar sağlayan sonuçlar literatürde ilk kez sunulmuştur. 5. 980 nm laser sisteminin yeni olanaklan araştırılmıştır. LEP (Laserle Uyarılmış Potansiyeller) çalışmalan için bir ağn uyancısı olarak denenmiştir. İnsan denekler üzerinde yapılan deneyler bu yeni laser sisteminin ağn çalışmalan için Nd:YAG laserinden daha iyi bir aday olduğunu göstermiştir.