1. Šviesos ir lazerių technologijos pagrindai

1.1 Šviesos prigimtis

Šviesa yra elektromagnetinės spinduliuotės forma, kuri elgiasi tiek kaip banga, tiek kaip dalelė (fotonas). Ji apima bangos ilgių spektrą – nuo aukštos energijos gama spindulių ir rentgeno spindulių iki žemos energijos radijo bangų. Matomas spektras, kuris apima maždaug nuo 400 iki 700 nanometrų (nm), yra elektromagnetinio spektro dalis, kurią žmogaus akis gali aptikti. Kiekvienas bangos ilgis atitinka tam tikrą spalvą – nuo violetinės (trumpesnis bangos ilgis) iki raudonos (ilgesnis bangos ilgis). Tačiau daugeliui medicininių diagnostinių taikymų efektyvesni yra nematomi bangos ilgiai, ypač artimoji infraraudonoji (NIR, 700–1400 nm) ir ultravioletinė (UV, <400 nm) šviesa, dėl jų specifinių sąveikų su biologiniais audiniais (Barsom ir kt., 2016).

Šviesos sąveika su medžiaga, ypač su biologiniais audiniais, priklauso nuo tokių savybių kaip absorbcija, sklaida, atspindys ir pralaidumas. Šias sąveikas lemia audinių molekulinė sudėtis ir struktūra, o jos kinta priklausomai nuo bangos ilgio. Pavyzdžiui, artimoji infraraudonoji šviesa gali prasiskverbti kelis milimetrus į audinį su minimaliu absorbcijos lygiu, todėl ji ypač naudinga giliųjų audinių vaizdavimui ir kraujo tėkmės analizei (Zafar ir kt., 2021).

1.2 Kas yra lazeris?

Lazeris—šviesos stiprinimas sužadintos emisijos būdu (angl. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)—yra prietaisas, kuris skleidžia šviesą optinio stiprinimo proceso metu. Skirtingai nei įprasti šviesos šaltiniai, kurie skleidžia nekoherentinę ir plataus spektro šviesą, lazeris sukuria spindulį, kuris yra:

• Monochromatinis: sudarytas iš vieno bangos ilgio arba spalvos,
• Koherentiškas: šviesos bangos yra fazėje, sklinda ta pačia kryptimi,
• Koliduotas: spindulys išlieka siauras ir sufokusuotas dideliais atstumais.

Šios savybės leidžia lazeriams tiksliai perduoti koncentruotą energiją, todėl jie ypač naudingi tiek diagnostinėms, tiek terapinėms medicinos reikmėms. Lazerio šviesa gali būti nukreipta į specifinius audinius nepažeidžiant gretimų sričių, taip sudarant sąlygas taikiniams poveikiams ląstelių ar subląsteliniame lygmenyje (Akçayır & Akçayır, 2017; Albrecht ir kt., 2013).

1.3 Medicinoje naudojamų lazerių tipai

Lazeriai skiriasi pagal terpę, naudojamą šviesai generuoti, kuri lemia jų bangos ilgį ir energijos išėjimą. Pagrindiniai tipai:

• Dujiniai lazeriai (pvz., argono, CO₂): Dažnai naudojami oftalmologijoje ir dermatologijoje. Argono lazeriai skleidžia mėlynai žalią šviesą, tinkamą tinklainės fotokoaguliacijai.
• Kietojo kūno lazeriai (pvz., Nd:YAG): Generuoja artimojo infraraudonųjų spindulių šviesą, plačiai naudojami audinių abliacijai, koaguliacijai ir vaizdavimui.
• Diodiniai lazeriai: Kompaktiški, efektyvūs ir reguliuojami visame NIR diapazone. Vis dažniau naudojami nešiojamuose diagnostikos prietaisuose.

Eksimeriniai lazeriai (UV diapazonas): Naudojami refrakcinėse akių operacijose, tokiose kaip LASIK, dėl jų tikslumo šalinant ragenos audinį nepažeidžiant aplinkinių sričių.

Bangos ilgis lemia, su kokiu audiniu ar molekule lazeris sąveikaus. Pavyzdžiui, melaninas ir hemoglobinas stipriai sugeria matomą šviesą, o vanduo yra pagrindinis infraraudonųjų bangų sugerėjas (Bacca ir kt., 2014).

1.4 Lazerio ir audinio sąveika diagnostikoje

Lazerių sąveika su audiniais lemia jų diagnostinę vertę. Diagnostiniai lazeriai paprastai veikia žemos galios režimu, kad būtų išvengta pažeidimų ir maksimaliai padidintas duomenų gavimas per optinius signalus.

Dažniausi sąveikos mechanizmai yra šie:

• Elastingas sklaida: Šviesa atsispindi nuo audinio nepakeisdama energijos, naudojama tokiuose metoduose kaip difuzinė optinė vizualizacija.
• Neelastingas sklaida (Ramano efektas): Šviesa praranda arba įgyja energijos, atskleidžiant molekulinę sudėtį—naudinga Ramano spektroskopijoje.
• Fluorescencija: Šviesa sužadina audinių molekules, kurios išskiria antrinę šviesą. Tai panaudojama lazeriu sukeltoje fluorescencijoje (LIF) siekiant nustatyti nenormalų medžiagų apykaitos aktyvumą.
• Interferencija: Naudojama optinėje koherentinėje tomografijoje (OCT) vidinėms struktūroms atkurti pagal atspindėtų bangų fazės pokyčius (Barsom ir kt., 2016).

Šių sąveikų supratimas leidžia tyrėjams ir gydytojams kurti neinvazinius diagnostinius įrankius, galinčius aptikti tokias ligas kaip vėžys, geltonosios dėmės degeneracija ir širdies bei kraujagyslių ligos, nereikalaujant pjauti audinių ar imti mėginių.

1.5 Ateities tendencijos šviesos pagrindu veikiančiose medicinos technologijose

Fototonikos, biosensorių ir dirbtinio intelekto konvergencija stumia lazerinę diagnostiką į naujas ribas. Kuriami miniatiūriniai optiniai lustai, daugiamodalinės vaizdinimo sistemos ir išmanūs dėvimi lazeriniai jutikliai, leidžiantys realiuoju laiku stebėti biomarkerius, tokius kaip gliukozės, laktato ar deguonies lygiai per odą (Zafar ir kt., 2021; De Miguel & Martínez, 2023). Šios sistemos pasitelkia tiek lazerio tikslumą, tiek išmanų duomenų apdorojimą, kad diagnostika būtų arčiau paciento – tiek priežiūros vietoje, tiek namų aplinkoje.

Tuo pačiu metu lazerinių technologijų mokymas ir mokymai tobulinami naudojant įtraukiančias priemones, tokias kaip papildyta realybė (AR). Projektuojant lazerio ir audinio sąveikas, spindulio savybes bei molekulinius modelius ant 3D simuliacijų, AR gali suteikti patirtinį sudėtingų optinių principų suvokimą. Tai ypač vertinga besimokantiesiems, pirmą kartą susiduriantiems su tokiomis sąvokomis kaip sklaida, koherencija ar spektrinis sugėrimas (Akçayır & Akçayır, 2017).