Tıpta Kullanılan Lazerler
Tıpta yaygın olarak kullanılan lazer dalga boyları aşağıda belirtilmiştir :
-Argon : 488; 514,5 nm (mavi,yeşil)
-Helium-Neon : 632,8 nm (kırmızı)
-Krypton : 647,1 nm (kırmızı)
-Nd:YAG : 1064 nm (yakın kızılötesi)
-KTP : 532 nm (yeşil)
-CO2 : 10,6 mm (uzak kızılötesi)
-Dye (boya) : 400-700 nm (görünen renkler)
-Diyot : 800 nm civarı(çok yakın k.ötesi) 1 670 nm (kırmızı)
-Holmium:YAG : 2100 nm (orta kızılötesi)
-Erbium:YAG : 2940 nm (orta kızılötesi)
-Excimer : 193 ; 248 ; 308 ; 350 nm (morötesi)
Tıpta kullanılan lazerleri, kristal (YAG türleri), gaz (Argon, Krypton, Karbondioksit, Helium-Neon, Excimer), Dye (boya) ve yarı iletken (diyot) lazerler olarak ayırmak mümkündür. Mühendislik açısından her kategorinin içinde de bazen önemli farklar vardır. Bu farklar özellikle gaz lazerlerde belirgindir, mesela birkaç milliWatt'lık bir Helium-Neon'la birkaç Watt'lık bir Argon lazer yapı olarak birbirlerine hiç benzemezler, ancak temel çalışma prensipleri yine de yakındır.
I. KRİSTAL LAZERLER
1960 yılında ilk icat edilen lazer bir yakut çubuğu lazer ortamı olarak kullanıyordu. Çubuğun uçları düz kesilerek parlatılmıştı ve bir nevi ayna vazifesi görüyordu. Bu ilk lazer çıkar çıkmaz tıp camiası tarafından ilgi görmüş ve Argon lazer gelişene kadar Oftalmolojide kullanılmıştır.
Yakut lazeri takiben 1961 yılında Neodymium lazer geliştirilmiştir. Bu lazerde Neodymium atom larına evsahipliğini kalsyum tungstat'tan oluşan bir ortam yapmaktaydı. Modern lazerlerde ev sahipliği genellikle bir Yttrium Alüminyum Garnet (Y3A1SO12) ya da kısa adıyla YAG kristali yapmaktadır. Nd:YAG, 1064 nanometrelik quartz cam fiber optik kablolardan geçebilen dalga boyuyla hem Oftalmolojide, hem de cerrahide en çok kullanılan lazerlerden biridir. Son yıllarda YAG krisatline Neodymium yerine dopant olarak Holmium veya Erbium konularak değişik dalga boylarına sahip Ho:YAG (2100 nm) ve Er:YAG (2940 nm) lazerler elde edilmiştir.
Otuz yılı aşan bir geçmişe sahip bu lazerin temel çalışma prensibinde fazla önemli değişikler olmamış, parçaların güvenirliliğinin artmasıyla Nd:YAG, hızla gelişen lazer piyasasında yerini korumayı başarmıştır. Bugün kullanılan tedavi amaçlı kristal lazerlerin hemen hemen tümü YAG ve içine yerleştirilmiş bir dopant (genellikle Neodymium, bazen de Holmium veya Erbium)'dan oluşmaktadır.
Kristal lazerlerin ortak yapısı Şekilde görüldüğü gibi en az bir kristal çubuk, bir lamba ve iki uçta aynalar ihtiva eder. Bunlara ilaveten lazer ışığını istenildiğinde kesmek için bir shutter, dev darbeli lazerlerde Q-anahtarı ve güçlü lazerlerde soğutma tertibatı bulunmaktadır. Bazı yeni cihazlarda foton kaynağı (''pompa'' ) olarak lamba yerine diyot lazer kullanılmaktadır. Yaygın olarak kullanılan cerrahi Nd:YAG lazerlerde foton kaynağı olarak sürekli yanan bir lamba, darbeli Ho:YAG ve Er:YAG lazerlerde ve Q-anahtarlı oftalmik Nd:YAG lazerlerde ise bir flaş lambası bulunmaktadır
Lamba yandığında çıkardığı fotonlar kavitenin eliptik veya yuvarlak yansıyıcı yüzeyinden dolayı kristale ulaşmakta ve oradaki dış elektronları Bölüm l'de anlatılan şekilde yukarı yörüngelere itmekte ve lazer olayını başlatmaktadır. Uçlarda bulunan biri tam yansıtıcı, diğeri kısmen geçirgen olan iki ayna paralel olduğu takdirde lazer ışığı azami şiddetine ulaşmakta ve bir kısmı geçirgen aynadan dışarı çıkmaktadır. Cerrahi Nd:YAG kullanımında lazer ışığının kesilmesi veya darbeli olarak uygulanması amacıyla sürekli yanmaya göre tasarlanmış lambanın sık yanıp sönmesi ömrünü azaltacağından, kesilme mekanik bir kesici {''shut- ter'') ile yapılmaktadır. Bu kesici aynalar arasına girdiğinden foton hareketini engellemekte ve lazer olayını durdurmaktadır. Bazı düşük güçte çalışan modellerde kesicinin lazer kafasının dışında olduğu ve sürekli var olan lazer ışığını emerek kestiği görülmektedir. Lazer kafasının yapısını basitleştirmek için yapılan bu tasarımda kesicinin lazerin çıkardığı gücü emecek özelliklerde olması gerekmektedir. Aynalar arasında yerleştirilmiş bir kesici lazer olayının gerçekleşmesini önlediğinden böyle bir gereksinimi yoktur. Flaş lambasıyla çalışan darbeli Ho:YAG, Er:YAG ve Q-anahtarlı oftalmik Nd:YAG lazerlerinde kesiciye aslen ihtiyaç olmamakla birlikte, emniyet açısından bazen konuldukları görülmektedir.
Tipik bir cerrahi lazerde kiloWatt nertebesinde lambalar kullanıldığından, lambanın ve kristalin sıcaklıktan zarar görmemeleri için genellikle suyla soğutma kullanılmaktadır. Yaygın olan uygulama suyun lambanın ve kristalin yüzeylerine doğrudan temas etmesidir. Bu durumda lambanın fotonları kristale erişebilmek için suyun içinden geçeceğinden, suyun azami derecede berrak olması zorunludur. Suda bulunabilecek yabancı atomların lambanın sıcak camına veya kristale yapışması, fotonların hareketini engelleyecek ve lazer gücünün düşmesine sebep olacaktır. Bu nedenle soğutma için mümkün olduğu kadar saf bir su filtre edilerek kullanılmalıdır.
Cerrahi Nd:YAG lazerlerde yaygın olarak kullanılan çıkış gücü 50-100 Watt mertebesindedir. Bu güçlere tekabül eden kaviteler takriben 10-
Lamba ile pompalanan Nd:YAG lazerlerde randıman %3'ü aşmamakta, diyot lazer ile pompalananlarda ise %10'a kadar çıkabilmektedir. Geriye kalan enerji sadece ortamı ısıttığından bu düşük randıman değerleri cerrahi Nd:YAG lazerlerin soğutulma ihtiyaçlarını açıkça ortaya koymaktadır.
Oftalmolojide kullanılan dev darbeli Nd:YAG lazerlerde yarı geçirgen aynanın arkasında Q-anahtarı adı verilen bir optik rezonasyon filtresi bulunmaktadır. Q-anahtarı lazer ışığını ilk aşamalarda bir ayna gibi geri yansıtarak, sonra da amplifikasyon belirli bir seviyeye gelince aniden şeffaf olup geçirerek darbe süresini nanosaniye seviyesine indirir ve bu süre zarfında milliJoule mertebesindeki toplam bir enerj iden çok yüksek güçler elde edilmesini sağlar.
Güç = Enerji/Süre
olduğundan, 10 mJ'luk bir enerji Q-anahtarı sayesinde 10 nanosaniyelik bir sürede verildiğinde ortaya 1 MegaWatt'lık bir güç ortaya çıkar. Bu güç optik sistemlerle küçük bir alana odaklanarak çok yüksek bir güç yoğunluğu elde edilir. Örnek olarak odaklanan alan
Oftalmolojide kullanılan dev darbeli Nd:YAG lazerlerin bir önemli parametreleri de çıkardıkları ışığın modudur. En yaygın olarak kullanılanlar düşük mertebe, fundamental ve yeni çıkan super-gaussian modlardır. Düşük mertebeli bir lazer ışını biomikroskobun objektifinden çıkarken onun apertür'ünü iyi kullanmakta, ancak istenilen noktaya zor odaklanmakta ve bunun neticesinde belirli bir kesme veya delme işlemi için daha fazla enerji gerektirmektedir. Fundamental (TEMoo) modunda çalışan lazerler daha iyi odaklanabilmeleri sayesinde az enerjiyle aynı işi yapabilmekte, ancak biomikroskop objektifinin apertürünü tam olarak kullanamamaktadır. Yeni çıkan super-gaussian lazerler aşağıda Şekil 2.2 (b)'de gösterildiği gibi apertürü iyi kullanmakta, aynı zamanda da diğer modlara nazaran odak noktasında daha üstün bir enerji konsantrasyonuna imkan sağlayarak müdahelenin daha az toplam enerjiyle yapılabilmesini sağlamaktadır. Bu yöntem adını odak noktasındaki dik yükselen Gaussian özellikli enerji dağılımından almaktadır. Her üç yöntem açısındaki teknolo- jik fark hekimin nişan lazerini gözün istediği noktasına iyi odaklayabilmesi unsurunun yanında önemsiz kalmaktadır.
Nd:YAG lazerin tıp alanında bir başka önemli özelliği de elde edilen 1064 nm dalga boyundaki ışınının lineer olmayan bir kristalden geçirilerek frekansının katlanabilmesi, ve sürekli dalgalarla (CW) çalışan ışık elde etmek mümkün olmaktadır. Nd:YAG lazerin normal 1064 nm ışığının ünitelerde bu lineer olmayan kristalin lazer kavitesinin içine yerleştirilebilmesidir. Darbeli çalışan lazerlerde de frekans katlaması yapılabilmekte, ancak yüksek güçlerden dolayı lineer olmayan kristal genellikle kavitenin dışında yer almaktadır.
Frekans katlayıcılarla ikinci ve dördüncü har- monikler frekans doğrudan katlanarak, üçüncü harmonik ise ikinci harmoniği fundamentalle birleştirerek elde edilir. Bu durumda tek bir Nd:YAG lazerden 1064, 532, 355 ve 266 nm dalga boylarında yanında, elde edildiği KTP (potasyum titanil fosfat) frekans katlayıcı kristalden adını alan 532 nm dalga boylu yeşil ışık da nisbeten yaygın olarak tedavi amaçlı lazerler arasında yerini almaktadır.
Şekil 2 (a) Fundamental ve düşük mertebe modlarındaki lazer kavitesi yapısı ve lazer ışınındaki enerji yapısı (modun fundamental veya düşük mertebe oluşu aynaların ve mod seçme apertürünün birbirleriyle ilişkisine bağlıdır)
Şekil 2 (b) Super-gaussian modundaki lazer kavitesi yapısı (ayna ve mod seçme apertürü tek bir optik komponentte birleşmiştir.)
Özellik olarak Argon'un 514 nm'lik yeşil dalga boyuna yakın olan KTP lazer (daha doğru söylemek gerekirse KTP frekans katlamalı Nd:YAG lazer) oftalmolojik fotokoagülasyon ve Argon'un sahası olan diğer cerrahi müdahelelerde de kullanılabilmektedir. KTP lazerin Argon'a göre avantajı aynı miktarda ışığı daha az elektrik sarfederek verebilmesi, daha kompakt bir yapıya sahip olması ve birkaç yılda bir değiştirilmesi gereken pahalı bir tüp kullanmamasıdır. Dezavantajları Nd:YAG kristalinin pompalayan lambanın her birkaç yüz saatlik kullanımdan sonra servis personeli tarafından değiştirilmesi gereği, Argon'un 488 nm'lik dalga boyuna sahip olmaması, fiyatı ve piyasaya geç çıkışından dolayı doktorlar tarafından Argon'a nazaran daha az bilinmesidir.
Frekans katlamasıyla Nd:YAG'dan elde edilen 355 ve 266 nm'lik morötesi dalga boylarının da tıpta uygulama potansiyelleri araştırılmaktadır. Excimer lazerlerinkine yakın, ancak güçleri düşük bu dalga boylarının da gelecekte kullanılmaları muhtemeldir.
Son yıllarda ayrıca KTP'ye alternatif olarak LBO (Lithium Triborat) frekans katlamalı Nd:YAG lazerler tıpta kullanılmaya başlanmıştır. Daha pahalı olmakla beraber, LBO frekans katlayıcılı 532 nm lazerler daha uzun ömüre, daha yüksek güçte çalışabilme imkanına ve KTP'nin 1064 nm'lik gücün %20'si kadar randımanına karşılık %40'lara varan randımana sahiptirler.
Şekil 3 : Lazer ışığının kristalin dışına çıka- madan alt ve üst sınırlar arasında zigzag yapması frekansın ikiye katlanmasını sağlamaktadır.
ll. GAZ LAZERLER
Tedavi amaçlı lazerler arasında kristal lazerlerle başa baş giden gaz lazerlerin de tarihçesi 1960'lı yıllara kadar uzanır. Modern gaz lazerler arasında en çok kullanılanları Argon, Krypton, Karbondioksit, Excimer türleri ve pilot ışık olarak Helium-Neon'dur.
Kristal lazerlere nazaran, değişik gaz lazerle rin mekanik yapıları birbirilerine gôre daha fazla farklılıklar ortaya koyar. Buna ilaveten, önemli randıman farklılıkları da mevcuttur.
ll.l. lon lazerler
Birçok lazer ionik tranzisyonla çalışır, ancak bir lazere ion lazer adı lazer ortamının ionize bir soy gaz olduğu zaman verilir. En yaygın olarak kullanılan ion lazer, 488 ve Sl4 nm dalga boylarında mavi-yeşil ışık çıkaran Argon'dur. Bunu 647 nm dalga boyunda kırmızı ve daha düşük güçlerde sarı, yeşil ve mor renkleri çıkarabilen ancak pazar payı çok daha küçük olan Krypton takip eder.
lon lazerlerin eksitasyonu gaz ihtiva eden tübün içinden bir yüksek akım deşarjı geçirmekle gerçekleşir. İlk aşamada birkaç bin Voltluk bir kıvılcım sağlanır, ardından da voltaj birkaç yüz Volta inerken, yüksek bir akım deşarjın devamını sağlar.
Harici bir miknatısın yarattığı manyetik alan deşarjın istenilen yerde vuku bulmasını temin eder. Bu yüksek enerji seviyeleri Argon veya Krypton atomunun dış elektronlarının zemin seviyesinin çok üzerlerindeki yörünge değiştirmelerine sebep olur. Bilindiği gibi bir elektronun daha alt bir yörüngeye düşmesi belirli bir dalga boyunda bir ışık taneciği (foton) yaratır. Bu fotonların paralel iki ayna arasında gidip gelmeleri ve aynalardan birinin az miktarda geçirgen olmasından dolayı bir kısmının dışarı çıkmaları lazer ışığını oluşturur. Tübün iki ucunda, üretici tarafından konulmuş ışığın polarize bir biçimde çıkaran Brewster pencereleri ile aynalar bulunur.
Günümüzde üretilen Argon/Krypton lazer tüplerinin çoğu seramik veya metal-seramik bir yapıdadır. Tüplerin içindeki yüksek enerji ve sıcaklıktan dolayı üretimleri çok özel teknolojiler gerektirir. Yüksek akımlar içerideki metal malzemenin gazı kontamine etmesine ve yüzeyleri kaplamasına neden olurken; bir taraftan deşarjdaki kuvvetli elektron akımı, diğer taraftan, pozitif ionların negatif katoda hareketleri tübün içindeki elektriksel hareketi oluşturur.
Argon lazerlerin en önemli sorunlarından biri düşük randımanlı çalışmalarıdır. Ortalama bir hesap yapılırken % 0,1 (binde bir) randıman, yani verilen her kW elektriğe 1 W ışık düşünülmelidir. Bu oran Krypton için 3-10 misli daha da azdır. Oftalmolojide genelde 1-5 W tüp çıkışı olan Argon lazerler kullanılmaktadır. Bunun neticesinde orta- ya çıkan sıcaklığın giderilmesi için bir soğutma sistemine ihtiyaç vardır. Lazerlerin gücüne göre hava, devridaimli su ve harici su olmak üzere üç değişik soğutma yöntemi kullanılmaktadır.
Bu kadar çok güç harcayan bir cihazın normal elektrik prizinden beslenmesi imkansız olduğundan yüksek akımlı (mesela 60 Amper) tek faz, veya 3 fazlı elektrik gerekmektedir. Tüpün elektrik ge- reksinimi son derece özel olduğundan genellikle güç kaynakları ve hatta soğutma sistemleri de tQp üreticileri tarafından imal edilmektedir.
Frekans katlamalı Nd:YAG ve diyot gibi yeni gelişen teknolojilerin pazar payından parça almaya çalışmalarına rağmen Argon lazer oftalmik fotokoagülasyon alanında yerini korumayı başarmıştır. Diyot lazerlere nazaran daha fazla bakım gerektirmesi, birkaç yılda bir pahalı tübünün değişmesi ihtiyacı ve sık sık kalibrasyon gerektirmesine rağmen pazar liderliğini şimdiye kadar sürdürebilmiş olmasının en başlıca sebebi teknolojisinin yerleşmiş olması, ve tıp camiası tarafından kesin olarak kabul edilmiş olmasıdır. Buna bir de şu andaki Diyot lazer teknolojisinin Argon kadar koagülasyon yapacak güce kavuşamamış olmasını eklemek gerekir. Frekans katlamalı Nd:YAG lazerlerin daha yüksek randımanlarına rağmen pompa lambalarının sık sık değiştirilmesi ihtiyacı ve Argon'dan daha yüksek fiyatları, ciddi bir rakip olmalarını ônlemiştir.
Krypton lazer artık iyice nadirleşmiş olmakla birlikte, Argon'un bir müddet daha yaygın bir biçimde kullanılacağı tahmin edilmektedir.
II.2. Karbondioksit lazerler
Yaygın olarak kullanılan gaz lazerler arasında Karbondioksit, randımanı en yüksek olanıdır. %20 randımana ulaşabilen bu cihazlar tıpta 100-150 Watt, sanayide kiloWatt, askeri araştırmada da yüzlerce kiloWatt sürekli güç vermektedir. Yüksek güç ve darbeli enerji verebilme özelliklerinden dolayı nükler füzyon çalışmalarında da kullanıldıkları bilinmektedir.
Karbondioksit lazerin dalga boyu uzak kızılötesinde 10,6 mm'dir. Bu dalga boyunun en önemli özelliği su tarafından çok iyi absorbe olması ve bu sayede doku ablasyonu elde edilebilmesidir. Bir başka özelliği de normal camdan geçememesidir. Fiber optik kablo kullanamadıklarından, Karbon- dioksit lazer cihazlarının çıkışları mafsallı aynalı kollarla olmaktadır. Bu nedenle Karbon- dioksit lazerin endoskopla kullanımı direkt veya aynadan yansımalı atışlarla sınırlıdır. Ayrıca bu dalga boyundaki ışık gözün kornea tabakasından geçemediğinden, cihazın Oftalmolojide kullanımı pratikte yaygın olmayan harici müdahelelerden ileri gidememektedir.
Karbondioksit lazerin çalışma prensibi lon , lazerlerinkine benzemekle birlikte bazı farklılıklar içerir. Tıpta kullanılan cihazların bir kısmı kapalıi ( ''sealed-off'' ) tüplü , bir kısmı da harici gaz depoludur. Kullanılan gaz genelde bir Karbondioksit (CO2), Azot (N2) ve Helium (He) karışımından oluşur. lnert bir gaz olan Helium, karışımın çoğunluğunu oluşturur. Elektriksel deşarjın yarattığı enerji N2 'yi eksitasyona uğratır ve N2, CO2'de aynı enerji seviyesine takabül eden bir eksitasyon sağlar. Enerjinin doğrudan CO2 tarafından da yakalanması mümkündür, ancak karışıma N2 katılması randımanı yükseltir. Tüp tasarımı yapılırken dikkat edilmesi gereken bir başka husus da elektrik deşarjının CO2 molekülünü Karbon Monoksit ve Oksijen olarak bölmesidir. Bölünen molekülü tekrar birleştirmek için gaz karışımına Hidrojen veya su ilave edilebileceği gibi
Eksitasyon klasik tüplerde iki uç arasından verilen bir doğru akım deşarjı ile sağlanmaktadır. Son yıllarda ortaya çıkan radio-frekans (RF) kaynaklı eksitasyon ise, tüpe dik açıda verilen radyo dalgalarıyla sağlanmaktadır. RF yöntemi doğru akıma göre iki avantaja sahiptir: Çok yüksek voltajlara ihtiyacı yoktur, ve 10 kHz'e kadar varan modülasyon imkanı sağlamaktadır. Buna karşılık daha karmaşık yapısı fiyat ve güvenirlilik açısından sorunlar yaratmaktadır.
Kompakt yapısı ve harici gaz rezervuarı ihtiyacı olmayışının cazip kıldığı kapalı tüp teknolojisi, tüpte yaratılan ısının dışarı verilebilmesi hususunda sınırlıdır. Pratikte kapalı tüpler tüp uzunluğuna göre en fazla 50 Watt/metre sağlayabilmektedir. Tüpün katlanması yöntemi ile kompakt bir cihazdan kapalı tüple alınabilen güç genellikle 25-100 Watt arasındadır. Kapalı tübün ömrü birkaç bin kullanım saatini bulmaktadır.
Gaz akışının hızına bağlı olarak harici depolu sistemlerden tübün her metresi için 80-800 Watt elde etmek mümkündür.
Karbondioksit lazerlerde kullanılan yüksek
güçlerden dolayı aynalar genellikle parlatılmış bakır veya molybdenumdan üretilir. Çıkış aynası da ışığın bir kısmını geçirecek şekilde kesilir.
Normal ışığı geçiren cam vb. malzeme 10,6 mm dalga boyunda saydam değildir. Bu dalga boyundaki optik malzeme genellikle Galyum Arsenid (GaAs) veya Germanyum (Ge) yarı iletkenlerinden üretilmektedir. Görünen ışığın da geçmesi gereken durumlarda bazen turuncu renkli ZnSe kullanılmaktadır.
Yeni gelişen teknolojilere rağmen, yüksek güç verme imkanı, randımanı, kolimasyonu (paralelliği) ve su tarafından iyi absorbe edilmesi sayesinde Karbondioksit lazerin önümüzdeki yıllarda da tıp ve diğer alanlarda kullanımının yaygın olarak süreceği tahmin edilmektedir.
II.3 Helium-Neon lazerler
İlk gaz lazer olarak 1961 yılında çalıştırılan Helium-Neon (He-Ne) lazer, ucuzluğu, güvenirliliği ve ışın kalitesi sayesinde tıp ve diğer alanlarda en çok kullanılmakta olan lazerlerden biridir. Helium-Neon lazerlerin tedavi sistemlerindeki esas kullanımı pilot ışık kapasitesindedir. Karbon-dioksit, Nd:YAG, Ho:YAG, Er:YAG, Excimer gibi kızılötesi ve morötesi tedavi lazerlerinin çıkardıkları kuvvetli ışıklar gözle görülemediğinden, bunların nereye gittikleri koaksiyal bir Helium-Neon lazerle anlaşılır. Gözle görülen Argon lazerlerde bile bazen nişan lazeri olarak hekimin gözü için daha emin kırmızı Helium-Neon kullanılmaktadır.
Helium-Neon lazerlerin en yaygın kullanılanı, 632.8 nm (kırmızı) dalga boyunda olanıdır. Bu dalga boyu en yüksek gücü vermekle birlikte, Helium-Neon lazerlerden kızılötesi, turuncu, sarı ve yeşil ışık da elde etmek mÜmkündür. Helium-Neon pilot ışık olarak Oftalmolojide 1 mW, cerrahide de genellikle 5-10 mW güçlerinde kullanılır.
Helium-Neon tübünün yapısı diğer lazerlere göre daha basittir. Silindir şeklindeki tübün içinde Neon'a göre takriben 10 kat daha fazla Helium bulunur. 10 kVolt mertebesinde bir kıvılcım gazı geçirgen hale getirir, bunu takiben de 1000-2000 Voltluk bir gerilim birkaç milliamperlik bir akımın geçmesini sağlar. Tüpte sayıca daha fazla bulunan Helium atomları enerjinin çoğunu toplar ve aynı eksitasyon seviyesi olan Neon atomlarına geçirir. Neon atomlarının yükselmiş yörüngelerdeki elektronlarının aşağı yörüngelere inmesinden ortaya çıkan fotonlar da lazer olayını başlatır- lar. Kullanılmakta olan optik sistem ve enerji şartları, ışığın dalga boyunu tesbit eder.
Lazer tübünün içinde bulunan ve çapı takriben
Helium-Neon lazerlerin pilot ışık olarak kullanılmalarına sebep olan en önemli kısıtlamaları çıkardıkları ışığın gücüdür. Ticari olarak sunulan en kuvvetli tüpler kırmızı renkte 75 mW'lık yayın yapabilmektedir.
Yarı iletken teknolojisindi gelişmeler, yüksek voltaj gerektirmeyen, dahi ucuz ve çok daha küçük olan diyot lazerlerin yavaş yavaş Helium-Neon'un yerini almaya başlamasını sağlamıştır. Buna karşılık insan gözünün 632.8 nm'lik dalga boyuna, diyotların çıkardığı 670 nm'lik dalga boyundan daha hassas olması, 25.000 kullanım saatine varan Helium-Neon tüp ömrü, ve otuz yıldır satılan milyonlarca Helium-Neon lazerin mühendislik açısından getirdiği alışkanlıklar bu en eski gaz lazerin de bir müddet daha yerini koruyacağını göstermektedir.
II.4. Excimer lazerler
''Excited'' ve ''dimer'' kelimelerinden oluşan Excimer sözcüğü, eksite durumda birleşik, ancak normal durumda ayrı duran atomlardan oluşan molekülleri tanımlamakta kullanılır. Kelime ilk çıktığında He2 veya Xe2 gibi iki aynı atomdan oluşan bu tip molekülleri kasdetmekle birlikte günümüzde bu özelliğe sahip iki veya hatta üç ayrı atomlu molekülden oluşan gazlar için de kullanılmaktadır. Yapı itibariyle bu moleküllerin lazer olayına uygun oldukları görülerek ilk Excimer lazerler 1970'li yıllarda ortaya çıkmıştır.
Excimer gazı olarak kullanılanlar arasında en sık 193 nm dalga boyunda yayın yapan Argon Flüorid (ArF), 248 nm'de yayın yapan Krypton Flüorid (KrF), 308'nm'de yayın yapan Xenon Klorid (XeCl) ve 350 nm'de yayın yapan Xenon Flüorid (XeF) kullanılmaktadır. 157 nm'de aynı sistemin içine konulduğunda yayın yapan Flüor (F2) molekülünün yukarıda belirtilen özelliği olmamasına rağmen kullanım benzerliğinden dolayı Excimer lazer gazı olarak adlandırıldığına rastlanmaktadır. Yukarıda belirtilen morötesi dalga boylarında yayın yapan Excimer lazerlerin verebildikleri yüksek güç ve kısa darbe süresi onların bilimsel araştırmada, sanayide ve son yıllarda da tıpta kullanılmalarına olanak sağlamıştır. Excimer lazerlerin de tıpkı Karbondioksit gibi nükler füzyon alanında yeterli enerji verebilecek kadar güçlü olabilecekleri bilinmektedir.
Tıbbi tedavide Excimer lazer henüz sadece 193 nm ile Oftalmoloji alanında gözün korneasının şekli- nin değiştirilmesi ile miyopluk tedavisinde,308 nm dalga boyunda da anjioplasti uygulamasıyla tıkanık kalp damarlarının açılmasında kullanılmaktadır. 308 nm dalga boyunun etraftaki dokulara zarar vermeden kataraktları parçalayabildiğinden, bu konuda da araştırmalar devam etmektedir.
Excimer lazer tüpünün yapısı prensip olara harici gaz depolu Karbondioksit lazerinkine benzemekle birlikte kullanılmakta olan gazlarır özelliklerinden dolayı daha karmaşıktır. Kavitf halojen gazların korozif etkisine dayanıklı biJ yapıya sahip olmalıdır. Eksitasyon onbinlercı Voltluk bir deşarjla veya bir mikrodalg, deşarjıyla sağlanmaktadır. Excimer lazer tüpler genellikle verilen değişik gazlara göre o gazı dalga boyunda yayın yapabilmektedir. Laze özelliklerini Excimer molekülleri tayin etmekl birlikte, bunlar toplam gazın sadece % 1 -10'unu oluşturur. Geriye kalan ise enerji transferinde aracı olan Helium veya Neon gibi inert bir gazdır. XeCl lazerlerde quartz optik mercekler kullanılmakla birlikte, diğer Excimer lazerlerdeki Flüor'un quartz'a zarar vermesinden dolayı Manyezyum Flüorid (MgF2) veya Kalsiyum Flüorid (CaF2) tercih edilmektedir. Tamamen yansıtıcı arka aynanın aksi- ne, yüksek kazançtan dolayı ön aynanın %S-l0 ara- sında yansıtması lazer olayı için yeterlidir. Bu seviyede bir yansıtma, özel işlem görmemiş optik yüzeylerden kendiliğinden elde edilmektedir.
Excimer lazerlerin en önemli sorunları çalışmaları için gerekli olan tehlikeli gazların temini ve depolanmalarıyla ilgilidir. Kullanım miktarına göre yenilenme süreleri değişen bu gazlar Excimer lazer kullanımında önemli bir maliyet unsurunu da oluştururlar.
Karmaşık yapısı ve gazlarla ilgili zorluklara rağmen Excimer lazerlerin tıp alanında kullanımları gitgide yaygınlaşmaktadır. Frekans katlamalı kristallerden elde edilen morötesi dalga boyları ve diyot lazer teknolojisindeki dalga boyunu küçültme yönündeki çalışmalara rağmen, morötesinde ıOO Watt gücü rahatııkıa veren ve darbe süresi 100 femtosaniye (10-13 saniye)'ye kadar kısalabilen Excimer lazerlerin yerlerini bir süre daha koruya- cakları tahmin edilmektedir.
III. DYE (BOYA) LAZERLER
Yukarıda anlatılan sabit dalga boylu lazerlerin aksine Dye lazerler 400-700 nm arasında, yani görünen spektrumda ışık verme özelliğine sahiptir.
Dye lazerlerin çalışması, sıvı bir solventin içinde eritilmiş bir organik boyanın ışıkla eksitasyonu prensibine dayanır. Dye lazerin bilimsel araştırma alanında çok değişik çeşitleri olmasına karşılık, oftalmolojik koagülasyon amaçlı Dye lazerlerde pompa ışığı kaynağı genelde bir Argon lazer, dermatolojide kullanılan bazı darbeli ünitelerde de flaş lambasıdır.
Şekil 7'deki örnekte görüldüğü gibi pompa ışığını alan boyadaki bazı elektronlar daha yüksek yörüngelere çıkar ve düşerken foton üretmeye başlarlar. tlk aşamada muhtelif dalga boylarındaki fotonların sadece belirli bir dalga boyunda olanları prizmadan geçerek aynalar arasında gidip gelmeyle amplifikasyon ve lazer olayına sebebiyet verirler. Arka aynanın mekanik olarak oynatılması prizmadan gelen değişik dalga boylarındaki foton- ları aynı yönde geri göndereceğinden, ışığın rengini tesbit etmede bir yöntem oluşturur.
Mevcut boyalarla tüm görünen ışık spektrumunu kapsayan lazer ışığı elde etmek mümkün olmadığından, böyle bir gereksinimi olan cihazlar birkaç değişik boya kullanırlar. Ayrıca şiddetli pompa ışığının altında bulunan boyalar zamanla renklerini kaybederler. Buna engel olmak için boyalı solüsyonun pompa ışığının önünden akması sağlanır. Boyalar yine de zamanla özelliğini kaybederler ve değiştirilmeleri gerekir. Mevcut boyaların dayanıklılığı litre başına Watt-saat olarak ölçülür. Belirli bir kullanımdan sonra çıkış ışığının gücü %50 veya bazı cihazlarda %75 seviyesine düştüğünde solüsyon değiştirilir. Yaygın olarak kullanılmakta olan boyaların ömrü birkaç yüz Watt-saattir. En uzun ömürlü boyalardan biri olan ve 580 nm (sarı) renkte maksimum ışık veren Rhodamine 6G, ortalama 2000 Watt-saatlik bir ömüre sahiptir. Kullanılan pompanın şiddeti ve dalga boyu boyanın ömrünü etkileyen önemli bir unsurdur.
Dye lazerlerin en önemli sorunları çoğu yanıcı, zehirli veya karsinojen, büyük floresan moleküllerden oluşan boyaların sık sık değiştirilme ihtiyaçları, atılmalarındaki çevre kirliliği sorunları ve cihazın karmaşık mekanik yapısından dolayı ortaya çıkan sık arıza yapma problemidir. Son zamanlarda ortaya çıkan kristal Titanium- Sapphire lazerin Dye lazerlerin sonunu getireceği söylentilerine karşılık, Dye lazerin Ti:Sapphire'e nazaran şimdilik daha geniş bir spektrumda yayın yapabilmesi ve pompa kaynağına göre picosaniye ve hatta modelock yöntemi ile 100 femtosaniye (10-13 saniye) mertebesinde çok kısa süreli darbeler verebilmesi şu ana kadar yerini korumasını sağlamıştır. Ancak son yıllarda tedavi amaçlı Dye lazer satışında ciddi bir düşüş gözlenmektedir. Bunun sebebi artık Oftalmoloji dünyasında gitgide,Dye'ın problemlerinin getirdiği tıbbi avantajdan daha fazla olduğu inancının yerleşmesidir. Buna karşılık Dermatolojide Dye lazerlerin kullanımı yagınlaşmaktadır. Frekans katlamalı kristalleri Dye lazer ile pompalayarak dalga boyu değiştirilebilen morötesi ışık elde etmek mümkündür. Bu dalga boylarının da son yıllarda tedavi amaçlı kullanımları konusunda araştırmalar sürdürülmekte- dir.
IV. DİYOT LAZERLER
Son yıllarda tedavi alanına girmelerine rağme diyot lazerin icadı 1962 yılında olmuştur. Diyot lazerin teknolojisi elektronik deverelerde yaygın olarak kullanılmakta olan ışıklı diyot (LED) teknolojisine benzer.
Yarı iletken diyotlar p ve n adı verilen ikj ayrı bölüm içerir. n bölümündeki maddede elektronlar fazlalıkta bulunur, p bölümünde ise delikler fazlalıktadır. Burada ''delik'''ten kasıt elektronun olması gereken yerde olmayışıdır. Bu tip malzemeler evsahibi maddeye, dış yörüngesinde daha fazla (n tipi için) veya daha az (p tip için) elektron olan dopant atomlarını az miktarda (genellikle milyonda bir mertebesinde) ilave etmekle elde edilir. Belirtilen n ve p tipi malzemelerin birleştiği bölgeye p-n jonksiyonu adı verilir. p-n jonksiyonunun en önemli özelliği harici voltaj verildiğinde, voltajın polaritesine göre akımı geçirip geçirmemesidir.
Jonksiyon bölgesindeki n-tipi malzemedeki serbest elektronlar p-tipi malzemedeki delikler tarafından kapıldığında, rekombinasyon olayından ortaya enerji çıkar. Elektronik devrelerde kullanılan Silisyum veya Germanyum diyotlarda bu enerji ısı şeklinde oluşur. Başka ve ôzellikle dış elektronları III-V veya bazen II-VI olan malzemelerde bu enerji foton olarak ortaya çıkar. Işıklı diyotların (LED'lerin) de çalışma prensibi budur.
DALGA BOYUNUN ETKİSİ
Lazer seçimi yapılırken en önemli unsur dokuda değişik absorpsiyona sebebiyet veren dalga boyudur; bunu cihazın çıkış gücü ve darbe özellikleri takip eder (burada darbe kelimesiyle,Q-tetiklemeli soğuk lazerlerin dev darbelerini değil, ısıtma yöntemiyle çalışan lazerlerin darbeleri kastedilmektedir).
Dalga boyu ve güç seçimi aynı zamanda cihazın lazer ortamını, kristal, gaz, boya veya diyot oluşunu ve dolayısıyla maliyetini, elektrik sarfiyatını, soğutma sistemini, su veya gaz gibi harici bağlantı ihtiyacını, boya veya gaz gibi sarf malzemesi ihtiyacını tayin eder.
Darbe yapısı ve süresi tıbbi açıdan önemli olmakla beraber, belirli bir teknoloji ile üretilip piyasaya sürülen lazerlerin çoğu birbirine benzer darbe özelliklerine sahip olduklarından, bu seçim daha ikinci planda kalmaktadır.
Işığın dalga boyuna göre su, hemoglobin ve melanin tarafından absorpsiyonu Şekil 9'da tedavi lazerlerinin dalga boylarıyla birlikte görülmektedir. Belirli bir müdahele için graff aslında ısıtıcı tedavi lazerlerinin seçiminin nasıl yapılmakta olduğunu anlamaya büyük ölçüde yeterlidir. İhtiyaç olan diğer bilgiler gerekli güç, ve tedavinin yapılacağın yerin kolay erişilebilecek bir konumda mı, yoksa fiber optik kablo gerektirecek bir yerde mi olduğudur.
400-700 nm'lik görülen ışık dalga boylarında suyun, bilindiği gibi şeffaf olduğu, buna karşılık 300 nm'nin altındaki morötesi bölgesinde ve kızılötesinde enerjiyi iyi absorbe ettiği görülmektedir. Bu durumda iyi bir kesim yapılmak istendiğinde suyun absorpsiyonunun kuvvetli olduğu bir dalga boyu seçilmelidir. Görüldüğü gibi klasik kesme lazeri Karbondioksit'in dalga boyu suyun iyi absorpsiyon yaptığı bir yerdedir. Buna karşılık o dalga boyunun camdan geçememesi fiber optik kablo kullanımına imkan tanımadığından, suyun yine iyi absorpsiyon yaptığı daha.düşük dalga boylarında araştırmalar yapılmış ve 2100 nm ile 2940 nm dalga boylarında yayın yapan Holmium:YAG ve Erbium:YAG lazerler geliştirilmiştir.
Kesme yerine, daha derine inen koagülasyon istendiğinde seçim, suyun daha az absorbe ettiği 1064 nm'lik Nd:YAG dalga boyu olmaktadır. Fiber optik kablolardan geçebilme özelliği Nd:YAG!ın vücutta erişilmesi güç yerlerde kesim için kullanılmasını da gerektirmektedir. Nd:YAG lazer ışığı ile dokuda vuku bulacak değişiklikler Şekil 3.3'te gösterilmektedir.
Miyopluk tedavisinde kornea şekillendirmesi için doku ablasyonu yapılacağı zamanki gibi enerjinin hemen yüzeyde absorbe edilmesini gerektiren bir durumda ArF excimer lazer en iyi çôzüm olarak gözükmektedir.
Buna karşılık, gözün ön kısmından ve içindeki sıvıdan nisbeten etkilenmeden retinaya kadar gidip oradaki hemoglobini yüksek dokuyu koagüle etme ihtiyacı olduğunda Argon'un seçimi anlaşılmakta, Krypton'un da koagülasyonu neden daha hafifçe yapabileceği görülmektedir.
LAZER KULLANIMINDA EMNiYET
Gerek tıp, gerek bilimsel araştırma, ve de gerek sanayide olsun, yeterli emniyet tertibatı a1ınmadan kullanılan bir lazer kullanıcıya ve çevresindekilere büyük zarar verebilir. Bu zararlar ışıktan, elektrikten, kimyasal maddelerden ve nadiren de radyasyondan kaynaklananlar olarak dorde ayırmak mümkündür. Bu bölümde tehlike türlerine değinilecek ve alınması gereken tedbirler kısaca anlatılacaktır.
I. LAZER IŞIĞINDAN KAYNAKLANAN TEHLİKELER
Lazer tehlikesi denilince, herhalde kurgu-bilim filimlerinden dolayı, akla ilk olarak güçlü bir lazerin kesici özelliği gelir. Oysa hakikatte bu cok nadiren rastlanan bir durumdur. Lazerlerin yarattığı en önemli risk gözler içindir.
Daha önceki bölümlerde de ele alındığı gibi, tıpta kullanılan lazerlerin çoğu insan gözünün göremeyeceği dalga boylarındadır. Karbondioksit, Nd:YAG, Holmium:YAG, Erbium:YAG, oftalmik Diyot lazerler bir taraftan kızılötesinde; Excimer lazerler de diğer taraftan morötesinde ışık verirler. Görünen spektrumda sadece Argon, Dye, Krypton ve nisbeten zararsız Helium-Neon lazerler yer almaktadır. Lazerin görünmez oluşu ve dalga boyuyla bağlantılı olarak değişik yüzeylerden yansıyabilmesi tehlikesini daha da arttırmaktadır. Özellikle Karbondioksit lazer düz fakat mat bazı yüzeylerden, görünen ışığın aynadan yansıdığı gibi yansımaktadır.
Vücudun herhangi bir yerine lazer değmesi bir yanma hissi uyandıracağından, sağlık alanı dışında kullanılan çok yüksek güçteki lazerler hariç, lazerin ciltle temas etmesi ufak yanıklar hariç genelde çok önemli bir tehlike teşkil etmez. Buna karşılık göz gibi hassas bir organ için lazer ışığı fevkalade önemli bir tehlike unsurudur.
1.1. Lazer tehlike sınıfları
Lazerler IEC 825 normu çerçevesinde dört ayrı tehlike sınıfına ayrılır :
I.Sınıf : Bu lazerler tehlikeli ışık çıkarmazlar. Bu kategoride genelde çok düşük güçlü Diyot lazerler bulunur.
2.Sınıf : Güçleri 1 mW'ın altında olan ve ışığı gözle görülen lazerler (mesela Helium- Neon gibi). Doğrudan içlerine bakılmadıkça bu lazerler tehlike teşkil etmezler. Gözün kırpma refleksinin bu lazerlere karşı yeterli bir savunma mekanizması olduğu varsayılır.
3.Sınıf : Ciltle temas ettiklerinde tehlike teşkil etmeyen, yangın tehlikesi yaratacak kadar gücü olmayan,ancak doğrudan veya yansıyan ışıklarına bakılmasında tedbir gerektiren lazerlerdir. Bu lazerler iki alt sınıfa ayrılır :
3a Sınıfı : Işığa büyüteç, mikroskop gibi optik sistemlerle korumasız gözle bakılma- ması gereken lazerler
3b Sınıfı : Işığa gözlüksüz bakılmamasını gerektiren lazerler
4.Sınıf : Yangın tehlikesi oluşturan, cilt ve tabii gözler için tehlike teşkil eden lazerler. Bu lazerlerin yansıyan veya genişleyerek saçılan ışıkları dahi gözler için tehlikelidir. Kat'i emniyet tedbirlerinin alınması gereklidir. Tedavi lazerlerinin çoğu bu kategoriye girmektedir.
Hiç yorum yok:
Yorum Gönder