Laserterapia: concetti preliminari e generatori di luce laser

Slide dall'Università degli Studi di Foggia su Laserterapia: concetti preliminari. Il Pdf descrive i generatori di luce laser, distinguendo tra mezzo attivo e sistema di pompaggio, e illustra il risonatore ottico, componente chiave per la generazione del raggio laser.

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48 pagine

MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA
LASERTERAPIA: concetti preliminari
PROF. SANTAMATO ANDREA
Direttore S.C. Medicina Fisica e Riabilitazione
Ospedali Riuniti di Foggia
PROF. A. SANTAMATO MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI FOGGIA
DIPARTIMENTI AREA MEDICA
CORSO DI LAUREA IN FISIOTERAPIA
LASER TERAPIA
L.A.S.E.R. è l’acronimo di Light
Amplification by Stimulated Emission of
Radiation (amplificazione di luce per
mezzo di un’emissione stimolata di
radiazioni).
PROF. A. SANTAMATO – MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA
Carico…
Cenni storici
➢ la prima sorgente di luce laser è stata messa a punto nel
1960 da T. H. Maiman; tuttavia i presupposti teorici del laser si
devono cercare nel modello atomico di Bohr (1911-1913) e
nella teoria di Einstein (1917).
➢ a partire dagli anni ’70, i laser cominciarono ad essere
utilizzati con successo in ambito prima chirurgico e poi medico.
➢ attualmente costituisce una delle forme di terapia fisica più
diffusa.
➢PROF. A. SANTAMATO – MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA
PRINCIPI FISICI
1917 – Teoria emissione stimolata di fotoni
➢ Il laser nasce dall’ipotesi di creare una emissione
stimolata di fotoni in un sistema atomico omogeneo.
➢ Se un fotone interagisce con un atomo già eccitato,
lo induce a produrre un altro fotone, ottenendo due
fotoni identici.
➢ Se il fenomeno viene moltiplicato da un’adeguata
stimolazione energetica, si realizza una emissione di
fotoni tutti identici al primo, coerenti per energia e
frequenza.
PROF. A. SANTAMATO – MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA
Carico…
PRINCIPI FISICI
1917 – Teoria emissione stimolata di fotoni
PROF. A. SANTAMATO – MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA
PRINCIPI FISICI
Inversione di popolazione
➢ il processo d’emissione stimolata non produce una radiazione
quantitativamente apprezzabile se non si ottiene l’inversione della
popolazione elettronica;
➢ è necessario riuscire a portare contemporaneamente la maggior parte
degli atomi di una sostanza idonea ad uno stato eccitato instabile;
➢ quando il numero di elettroni eccitati supera quello dei non
eccitati, si ha l’inversione di popolazione;
➢ la diseccitazione avviene contemporaneamente in un numero elevato
di elettroni ed è sufficiente a provocare la radiazione coerente, tipica del
laser;
PROF. A. SANTAMATO – MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA
PRINCIPI FISICI
Inversione di popolazione
➢ il processo d’inversione ,per essere mantenuto, ha bisogno di un
rifornimento energetico costante, il pompaggio.
PROF. A. SANTAMATO – MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA
PROPRIETA’ DELLE RADIAZIONI
LASER
1. monocromaticità;
2. coerenza;
3. direzionalità;
4. brillanza.
PROF. A. SANTAMATO – MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA 2
PROPRIETA’ DELLE RADIAZIONI
LASER
1. monocromaticità:
● l’emissione laser è costituita da un’onda
elettromagnetica di una sola frequenza, ciò dipende
dalla sorgente che ha generato l’emissione.
● facilita la selettività degli effetti sul bersaglio.
PROF. A. SANTAMATO – MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA
PROPRIETA’ DELLE RADIAZIONI
LASER
2. coerenza:
● le onde elettromagnetiche sono tutte in fase tra loro presentano cioè gli
stessi punti nodali e quindi non interagiscono tra loro nel tempo e nello
spazio.
PROF. A. SANTAMATO – MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA
Carico…
PROPRIETA’ DELLE RADIAZIONI
LASER
3. direzionalità
● una sorgente laser è in grado di irradiare fotoni che hanno una divergenza trascurabile
nello spazio;
PROF. A. SANTAMATO – MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA
PROPRIETA’ DELLE RADIAZIONI
LASER
4. brillanza
● l’estrema collimazione della sorgente luminosa
permette di concentrare elevate intensità su superfici di
piccole dimensioni (densità di potenza).
PROF. A. SANTAMATO – MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA
GENERATORI DI LUCE LASER
● Mezzo attivo;
● Sistema di pompaggio;
● Sistema di risonanza;
● Sistema di collimazione.
PROF. A. SANTAMATO – MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA
GENERATORI DI LUCE LASER
MEZZO ATTIVO (sorgente)
➢ è costituito da sostanze che, opportunamente eccitate, realizzano l’inversione della
popolazione elettronica;
➢ il laser prende il nome del mezzo attivo da cui è generato;
➢ si trova all’interno del risonatore;
➢ la composizione del mezzo attivo determina la lunghezza d’onda della radiazione.
PROF. A. SANTAMATO – MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA 2 - INTRODUZIONE
GENERATORI DI LUCE LASER
MEZZO ATTIVO (sorgente)
può presentarsi in tutti gli stati della materia:
• gassoso: di solito una miscela (es. elio-neon, radiazione a bassa potenza nel visibile). A
CO2 (radiazione di elevata potenza nel lontano infrarosso). A eccimeri (gas nobile + gas
reattivo).
• liquido: dye-laser (a coloranti) consentono di variare la lunghezza d’onda della
radiazione. Es. Rodamina radiazione nel rosso visibile. Problema: estrema tossicità.
• solido: cristalli che fungono da acceleratori di elettroni (neodimio Y+AG-ittrio, alluminio,
granato). A semiconduttori (a diodi): elementi donatori di elettroni (arsenico) ed elementi
accettatori di elettroni (alluminio)
PROF. A. SANTAMATO – MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA
GENERATORI DI LUCE LASER
SISTEMA DI POMPAGGIO
➢ rifornisce il mezzo attivo dell’energia necessaria per creare
lo stato di eccitazione atomica per l’inversione della
popolazione;
➢ può essere ottico, elettrico o chimico.
PROF. A. SANTAMATO – MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA 2 - INTRODUZIONE
GENERATORI DI LUCE LASER
RISONATORE (cavità ottica)
➢ cilindro cavo avente agli estremi due specchi, uno riflettente al 100 %, l’altro al 95-98%
(ha una piccola apertura);
➢ le radiazioni generate nel mezzo attivo si riflettono ripetutamente da uno specchio
all’altro;
➢ la lunghezza del cilindro deve essere un multiplo/sottomultiplo della lunghezza d’onda
che si vuole risonare;
➢ solo i raggi in fase colpiscono la piccola apertura dello specchio parzialmente
riflettente; i raggi non in fase sono riassorbiti dalle pareti laterali.
PROF. A. SANTAMATO – MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA
GENERATORI DI LUCE LASER
SISTEMI DI COLLIMAZIONE
➢ determina la forma finale del raggio laser (spot) che può
essere più o meno ampio a seconda dello scopo il cui raggio è
destinato.
PROF. A. SANTAMATO – MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA
MODALITA’ DI EROGAZIONE
➢ CONTINUA (continuos wave o CW);
➢ CONTINUA INTERROTTA (continuos wave interrupted o
CWI);
➢ PULSATA (pulsed wave o PW);
➢ Q- SWITCH.
PROF. A. SANTAMATO – MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA 2 - INTRODUZIONE
MODALITA’ DI EROGAZIONE
➢ CONTINUA
• potenza costante per il tutto il periodo di erogazione;
• per il laser di bassa potenza, questo tipo di erogazione è una condizione necessaria per
poter trasferire una sufficiente dose di energia ai tessuti;
➢ CONTINUA INTERROTTA
• variante della modalità continua.
PROF. A. SANTAMATO – MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA
MODALITA’ DI EROGAZIONE
➢ PULSATA
• gli impulsi sono emessi secondo una frequenza assai varia. Tale frequenza non deve
essere confusa con quella propria della sorgente che è costante;
• nei laser pulsati vi è un tempo attivo (t-on) e un tempo non attivo o pausa (t-off)(.
DUTY CICLE = ( T-on / t-on +t-off) spesso < 1%.
PROF. A. SANTAMATO – MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA
MODALITA’ DI EROGAZIONE
➢ Q-SWITCH
• emissione di impulsi ad altissima potenza di picco (milioni di Watt) della durata di pochi
nanosecondi;
• attualmente non usata in fisioterapia.
PROF. A. SANTAMATO – MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA
UNITA’ DI MISURA
➢ SPOT-SIZE
• area di distribuzione della radiazione laser sul bersaglio (cm2) determinata dal
collimatore;
• all’incremento dell’area dello spot, corrisponde un aumento dell’omogeneità del fascio
luminoso che attraversa i tessuti ed una minore dispersione della luce.
PROF. A. SANTAMATO – MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA
UNITA’ DI MISURA
➢ POTENZA
• energia espressa nell’unità di tempo e si misura in Watt (P=E/t);
• nei laser pulsati:
o potenza di picco Pp ( più alto livello di potenza raggiunto);
o potenza media Pm (valore medio della potenza) = Pp x t-on x f
PROF. A. SANTAMATO – MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA
UNITA’ DI MISURA
➢ DENSITA’ DI POTENZA
• rapporto tra la potenza e la dimensione dello spot;
• la potenza del laser può provocare effetti diversi in funzione della densità con cui viene
erogata I = P/ cm2
PROF. A. SANTAMATO – MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA
UNITA’ DI MISURA
➢ ENERGIA
• è la potenza erogata nel tempo (E=P x T);
• distinguiamo:
• energia totale: luce somministrata nel tempo totale di somministrazione (Joule);
• densità d’energia (fluenza): energia per unità di superficie (I/cm2). Se trattiamo una
superficie di 1 cm2 con 10 W di potenza per 10 sec, avremo 100 I/cm2 di fluenza; con
10 cm2 e 10 W avremo una fluenza di 10 I/cm2.
PROF. A. SANTAMATO – MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA
INTERAZIONE LASER E TESSUTI
Le interazioni della luce laser con i tessuti biologici dipendono da una serie di
fattori legati a:
➢ tessuti irradiati
MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA
LASERTERAPIA: concetti preliminari
PROF. SANTAMATO ANDREA
Direttore S.C. Medicina Fisica e Riabilitazione
Ospedali Riuniti di Foggia
PROF. A. SANTAMATO MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI FOGGIA
DIPARTIMENTI AREA MEDICA
CORSO DI LAUREA IN FISIOTERAPIA
LASER TERAPIA
L.A.S.E.R. è l’acronimo di Light
Amplification by Stimulated Emission of
Radiation (amplificazione di luce per
mezzo di un’emissione stimolata di
radiazioni).
PROF. A. SANTAMATO – MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA
Carico…
Cenni storici
➢ la prima sorgente di luce laser è stata messa a punto nel
1960 da T. H. Maiman; tuttavia i presupposti teorici del laser si
devono cercare nel modello atomico di Bohr (1911-1913) e
nella teoria di Einstein (1917).
➢ a partire dagli anni ’70, i laser cominciarono ad essere
utilizzati con successo in ambito prima chirurgico e poi medico.
➢ attualmente costituisce una delle forme di terapia fisica più
diffusa.
➢PROF. A. SANTAMATO – MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA
PRINCIPI FISICI
1917 – Teoria emissione stimolata di fotoni
➢ Il laser nasce dall’ipotesi di creare una emissione
stimolata di fotoni in un sistema atomico omogeneo.
➢ Se un fotone interagisce con un atomo già eccitato,
lo induce a produrre un altro fotone, ottenendo due
fotoni identici.
➢ Se il fenomeno viene moltiplicato da un’adeguata
stimolazione energetica, si realizza una emissione di
fotoni tutti identici al primo, coerenti per energia e
frequenza.
PROF. A. SANTAMATO – MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA
Carico…
PRINCIPI FISICI
1917 – Teoria emissione stimolata di fotoni
PROF. A. SANTAMATO – MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA
PRINCIPI FISICI
Inversione di popolazione
➢ il processo d’emissione stimolata non produce una radiazione
quantitativamente apprezzabile se non si ottiene l’inversione della
popolazione elettronica;
➢ è necessario riuscire a portare contemporaneamente la maggior parte
degli atomi di una sostanza idonea ad uno stato eccitato instabile;
➢ quando il numero di elettroni eccitati supera quello dei non
eccitati, si ha l’inversione di popolazione;
➢ la diseccitazione avviene contemporaneamente in un numero elevato
di elettroni ed è sufficiente a provocare la radiazione coerente, tipica del
laser;
PROF. A. SANTAMATO – MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA
PRINCIPI FISICI
Inversione di popolazione
➢ il processo d’inversione ,per essere mantenuto, ha bisogno di un
rifornimento energetico costante, il pompaggio.
PROF. A. SANTAMATO – MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA
PROPRIETA’ DELLE RADIAZIONI
LASER
1. monocromaticità;
2. coerenza;
3. direzionalità;
4. brillanza.
PROF. A. SANTAMATO – MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA 2
PROPRIETA’ DELLE RADIAZIONI
LASER
1. monocromaticità:
● l’emissione laser è costituita da un’onda
elettromagnetica di una sola frequenza, ciò dipende
dalla sorgente che ha generato l’emissione.
● facilita la selettività degli effetti sul bersaglio.
PROF. A. SANTAMATO – MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA
PROPRIETA’ DELLE RADIAZIONI
LASER
2. coerenza:
● le onde elettromagnetiche sono tutte in fase tra loro presentano cioè gli
stessi punti nodali e quindi non interagiscono tra loro nel tempo e nello
spazio.
PROF. A. SANTAMATO – MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA
Carico…
PROPRIETA’ DELLE RADIAZIONI
LASER
3. direzionalità
● una sorgente laser è in grado di irradiare fotoni che hanno una divergenza trascurabile
nello spazio;
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PROPRIETA’ DELLE RADIAZIONI
LASER
4. brillanza
● l’estrema collimazione della sorgente luminosa
permette di concentrare elevate intensità su superfici di
piccole dimensioni (densità di potenza).
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GENERATORI DI LUCE LASER
● Mezzo attivo;
● Sistema di pompaggio;
● Sistema di risonanza;
● Sistema di collimazione.
PROF. A. SANTAMATO – MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA
GENERATORI DI LUCE LASER
MEZZO ATTIVO (sorgente)
➢ è costituito da sostanze che, opportunamente eccitate, realizzano l’inversione della
popolazione elettronica;
➢ il laser prende il nome del mezzo attivo da cui è generato;
➢ si trova all’interno del risonatore;
➢ la composizione del mezzo attivo determina la lunghezza d’onda della radiazione.
PROF. A. SANTAMATO – MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA 2 - INTRODUZIONE
GENERATORI DI LUCE LASER
MEZZO ATTIVO (sorgente)
può presentarsi in tutti gli stati della materia:
• gassoso: di solito una miscela (es. elio-neon, radiazione a bassa potenza nel visibile). A
CO2 (radiazione di elevata potenza nel lontano infrarosso). A eccimeri (gas nobile + gas
reattivo).
• liquido: dye-laser (a coloranti) consentono di variare la lunghezza d’onda della
radiazione. Es. Rodamina radiazione nel rosso visibile. Problema: estrema tossicità.
• solido: cristalli che fungono da acceleratori di elettroni (neodimio Y+AG-ittrio, alluminio,
granato). A semiconduttori (a diodi): elementi donatori di elettroni (arsenico) ed elementi
accettatori di elettroni (alluminio)
PROF. A. SANTAMATO – MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA
GENERATORI DI LUCE LASER
SISTEMA DI POMPAGGIO
➢ rifornisce il mezzo attivo dell’energia necessaria per creare
lo stato di eccitazione atomica per l’inversione della
popolazione;
➢ può essere ottico, elettrico o chimico.
PROF. A. SANTAMATO – MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA 2 - INTRODUZIONE
GENERATORI DI LUCE LASER
RISONATORE (cavità ottica)
➢ cilindro cavo avente agli estremi due specchi, uno riflettente al 100 %, l’altro al 95-98%
(ha una piccola apertura);
➢ le radiazioni generate nel mezzo attivo si riflettono ripetutamente da uno specchio
all’altro;
➢ la lunghezza del cilindro deve essere un multiplo/sottomultiplo della lunghezza d’onda
che si vuole risonare;
➢ solo i raggi in fase colpiscono la piccola apertura dello specchio parzialmente
riflettente; i raggi non in fase sono riassorbiti dalle pareti laterali.
PROF. A. SANTAMATO – MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA
GENERATORI DI LUCE LASER
SISTEMI DI COLLIMAZIONE
➢ determina la forma finale del raggio laser (spot) che può
essere più o meno ampio a seconda dello scopo il cui raggio è
destinato.
PROF. A. SANTAMATO – MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA
MODALITA’ DI EROGAZIONE
➢ CONTINUA (continuos wave o CW);
➢ CONTINUA INTERROTTA (continuos wave interrupted o
CWI);
➢ PULSATA (pulsed wave o PW);
➢ Q- SWITCH.
PROF. A. SANTAMATO – MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA 2 - INTRODUZIONE
MODALITA’ DI EROGAZIONE
➢ CONTINUA
• potenza costante per il tutto il periodo di erogazione;
• per il laser di bassa potenza, questo tipo di erogazione è una condizione necessaria per
poter trasferire una sufficiente dose di energia ai tessuti;
➢ CONTINUA INTERROTTA
• variante della modalità continua.
PROF. A. SANTAMATO – MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA
MODALITA’ DI EROGAZIONE
➢ PULSATA
• gli impulsi sono emessi secondo una frequenza assai varia. Tale frequenza non deve
essere confusa con quella propria della sorgente che è costante;
• nei laser pulsati vi è un tempo attivo (t-on) e un tempo non attivo o pausa (t-off)(.
DUTY CICLE = ( T-on / t-on +t-off) spesso < 1%.
PROF. A. SANTAMATO – MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA
MODALITA’ DI EROGAZIONE
➢ Q-SWITCH
• emissione di impulsi ad altissima potenza di picco (milioni di Watt) della durata di pochi
nanosecondi;
• attualmente non usata in fisioterapia.
PROF. A. SANTAMATO – MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA
UNITA’ DI MISURA
➢ SPOT-SIZE
• area di distribuzione della radiazione laser sul bersaglio (cm2) determinata dal
collimatore;
• all’incremento dell’area dello spot, corrisponde un aumento dell’omogeneità del fascio
luminoso che attraversa i tessuti ed una minore dispersione della luce.
PROF. A. SANTAMATO – MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA
UNITA’ DI MISURA
➢ POTENZA
• energia espressa nell’unità di tempo e si misura in Watt (P=E/t);
• nei laser pulsati:
o potenza di picco Pp ( più alto livello di potenza raggiunto);
o potenza media Pm (valore medio della potenza) = Pp x t-on x f
PROF. A. SANTAMATO – MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA
UNITA’ DI MISURA
➢ DENSITA’ DI POTENZA
• rapporto tra la potenza e la dimensione dello spot;
• la potenza del laser può provocare effetti diversi in funzione della densità con cui viene
erogata I = P/ cm2
PROF. A. SANTAMATO – MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA
UNITA’ DI MISURA
➢ ENERGIA
• è la potenza erogata nel tempo (E=P x T);
• distinguiamo:
• energia totale: luce somministrata nel tempo totale di somministrazione (Joule);
• densità d’energia (fluenza): energia per unità di superficie (I/cm2). Se trattiamo una
superficie di 1 cm2 con 10 W di potenza per 10 sec, avremo 100 I/cm2 di fluenza; con
10 cm2 e 10 W avremo una fluenza di 10 I/cm2.
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INTERAZIONE LASER E TESSUTI
Le interazioni della luce laser con i tessuti biologici dipendono da una serie di
fattori legati a:
➢ tessuti irradiati

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UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI FOGGIA

DIPARTIMENTI AREA MEDICA

CORSO DI LAUREA IN FISIOTERAPIA MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA LASERTERAPIA: concetti preliminari PROF. SANTAMATO ANDREA Direttore S.C. Medicina Fisica e Riabilitazione Ospedali Riuniti di Foggia

PROF. A. SANTAMATO MEDICINA FISICA E RIABILITATIVALASER TERAPIA

L.A.S.E.R. è l'acronimo di Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (amplificazione di luce per mezzo di un'emissione stimolata di radiazioni).

Cenni storici

  • la prima sorgente di luce laser è stata messa a punto nel 1960 da T. H. Maiman; tuttavia i presupposti teorici del laser si devono cercare nel modello atomico di Bohr (1911-1913) e nella teoria di Einstein (1917).
  • a partire dagli anni '70, i laser cominciarono ad essere utilizzati con successo in ambito prima chirurgico e poi medico. attualmente costituisce una delle forme di terapia fisica più diffusa.

Principi fisici

1917 - Teoria emissione stimolata di fotoni

  • Il laser nasce dall'ipotesi di creare una emissione stimolata di fotoni in un sistema atomico omogeneo.
  • Se un fotone interagisce con un atomo già eccitato, lo induce a produrre un altro fotone, ottenendo due fotoni identici.
  • Se il fenomeno viene moltiplicato da un'adeguata stimolazione energetica, si realizza una emissione di fotoni tutti identici al primo, coerenti per energia e frequenza.

Principi fisici: emissione stimolata

1917 - Teoria emissione stimolata di fotoni

Prima Durante Dopo l'emissione Atomo nello stato eccitato E2 1 N Fotone uscente Fotone incidente Fotone uscente Fotone uscente E1 1 Atomo nello stato fondamentale

Principi fisici: inversione di popolazione

  • il processo d'emissione stimolata non produce una radiazione quantitativamente apprezzabile se non si ottiene l'inversione della popolazione elettronica;
  • è necessario riuscire a portare contemporaneamente la maggior parte degli atomi di una sostanza idonea ad uno stato eccitato instabile;
  • quando il numero di elettroni eccitati supera quello dei non eccitati, si ha l'inversione di popolazione;
  • la diseccitazione avviene contemporaneamente in un numero elevato di elettroni ed è sufficiente a provocare la radiazione coerente, tipica del laser;

Principi fisici: pompaggio

Inversione di popolazione

  • il processo d'inversione ,per essere mantenuto, ha bisogno di un rifornimento energetico costante, il pompaggio.

Proprietà delle radiazioni laser

  1. monocromaticità; coerenza;
  2. direzionalità; brillanza.

Proprietà delle radiazioni laser: monocromaticità

  1. monocromaticità: l'emissione laser è costituita da un'onda elettromagnetica di una sola frequenza, ciò dipende 1) dalla sorgente che ha generato l'emissione. · facilita la selettività degli effetti sul bersaglio.

0.001 nm 0.01 nm - 0.1 nm - 1 nm 10 nm- 100 nm 1 pm- 1000 nm - lunghezze d'onda 10 um 100 um 1 mm 1000 µm 10 mm 100 mm 1000 mm

Proprietà delle radiazioni laser: coerenza

  1. coerenza: · le onde elettromagnetiche sono tutte in fase tra loro presentano cioè gli stessi punti nodali e quindi non interagiscono tra loro nel tempo e nello spazio.

LUCE ORDINARIA RAGGIO LASER Coerenza: relazione di fase della luce ordinaria e di un raggio laser.

Proprietà delle radiazioni laser: direzionalità

  1. direzionalità · una sorgente laser è in grado di irradiare fotoni che hanno una divergenza trascurabile nello spazio;

Proprietà delle radiazioni laser: brillanza

  1. brillanza ● l'estrema collimazione della sorgente luminosa permette di concentrare elevate intensità su superfici di piccole dimensioni (densità di potenza).

Generatori di luce laser

  • Mezzo attivo;
  • Sistema di pompaggio;
  • Sistema di risonanza;
  • Sistema di collimazione.

Generatori di luce laser: mezzo attivo

MEZZO ATTIVO (sorgente)

  • è costituito da sostanze che, opportunamente eccitate, realizzano l'inversione della popolazione elettronica;
  • il laser prende il nome del mezzo attivo da cui è generato;
  • si trova all'interno del risonatore;
  • la composizione del mezzo attivo determina la lunghezza d'onda della radiazione.

Generatori di luce laser: stati della materia

MEZZO ATTIVO (sorgente)

può presentarsi in tutti gli stati della materia:

  • gassoso: di solito una miscela (es. elio-neon, radiazione a bassa potenza nel visibile). A CO2 (radiazione di elevata potenza nel lontano infrarosso). A eccimeri (gas nobile + gas reattivo).
  • liquido: dye-laser (a coloranti) consentono di variare la lunghezza d'onda della radiazione. Es. Rodamina radiazione nel rosso visibile. Problema: estrema tossicità.
  • solido: cristalli che fungono da acceleratori di elettroni (neodimio Y+AG-ittrio, alluminio, granato). A semiconduttori (a diodi): elementi donatori di elettroni (arsenico) ed elementi accettatori di elettroni (alluminio)

Generatori di luce laser: sistema di pompaggio

SISTEMA DI POMPAGGIO

rifornisce il mezzo attivo dell'energia necessaria per creare lo stato di eccitazione atomica per l'inversione della popolazione; può essere ottico, elettrico o chimico.

Generatori di luce laser: risonatore

RISONATORE (cavità ottica)

  • cilindro cavo avente agli estremi due specchi, uno riflettente al 100 %, l'altro al 95-98% (ha una piccola apertura);
  • le radiazioni generate nel mezzo attivo si riflettono ripetutamente da uno specchio all'altro;
  • la lunghezza del cilindro deve essere un multiplo/sottomultiplo della lunghezza d'onda che si vuole risonare;
  • solo i raggi in fase colpiscono la piccola apertura dello specchio parzialmente riflettente; i raggi non in fase sono riassorbiti dalle pareti laterali.

Generatori di luce laser: sistemi di collimazione

SISTEMI DI COLLIMAZIONE

  • determina la forma finale del raggio laser (spot) che può essere più o meno ampio a seconda dello scopo il cui raggio è destinato.

Modalità di erogazione

CONTINUA (continuos wave o CW); CONTINUA INTERROTTA (continuos wave interrupted o CWI); PULSATA (pulsed wave o PW); Q- SWITCH.

Modalità di erogazione: continua

CONTINUA

  • potenza costante per il tutto il periodo di erogazione;
  • per il laser di bassa potenza, questo tipo di erogazione è una condizione necessaria per poter trasferire una sufficiente dose di energia ai tessuti;

CONTINUA INTERROTTA

  • variante della modalità continua.

Modalità di erogazione: pulsata

PULSATA

  • gli impulsi sono emessi secondo una frequenza assai varia. Tale frequenza non deve essere confusa con quella propria della sorgente che è costante;
  • nei laser pulsati vi è un tempo attivo (t-on) e un tempo non attivo o pausa (t-off)(. DUTY CICLE = ( T-on / t-on +t-off) spesso < 1%.

Modalità di erogazione: Q-SWITCH

Q-SWITCH

  • emissione di impulsi ad altissima potenza di picco (milioni di Watt) della durata di pochi nanosecondi; . attualmente non usata in fisioterapia.

Unità di misura: SPOT-SIZE

SPOT-SIZE

  • area di distribuzione della radiazione laser sul bersaglio (cm2) determinata dal collimatore;
  • all'incremento dell'area dello spot, corrisponde un aumento dell'omogeneità del fascio luminoso che attraversa i tessuti ed una minore dispersione della luce.

Unità di misura: potenza

  • POTENZA · energia espressa nell'unità di tempo e si misura in Watt (P=E/t); · nei laser pulsati: o potenza di picco Pp ( più alto livello di potenza raggiunto); o potenza media Pm (valore medio della potenza) = Pp x t-on x f

Unità di misura: densità di potenza

DENSITA' DI POTENZA

  • rapporto tra la potenza e la dimensione dello spot;
  • la potenza del laser può provocare effetti diversi in funzione della densità con cui viene erogata I = P/ cm2

Unità di misura: energia

  • ENERGIA · è la potenza erogata nel tempo (E=P x T); · distinguiamo: · energia totale: luce somministrata nel tempo totale di somministrazione (Joule); · densità d'energia (fluenza): energia per unità di superficie (l/cm2). Se trattiamo una superficie di 1 cm2 con 10 W di potenza per 10 sec, avremo 100 I/cm2 di fluenza; con 10 cm2 e 10 W avremo una fluenza di 10 l/cm2.

Interazione laser e tessuti

Le interazioni della luce laser con i tessuti biologici dipendono da una serie di fattori legati a:

  • tessuti irradiati · spessore della cute · colore della cute (il bianco induce maggior riflessione) · presenza di peli · proprietà ottiche del tessuto, in particolare il tipo e la concentrazione dei cromofori presenti.
  • caratteristiche delle radiazioni luminose · modalità di emissione · dimensioni dello spot.

Interazione laser e tessuti: fenomeni ottici

Le interazioni della luce laser con i tessuti biologici dipendono da una serie di fattori legati a:

  • RIFLESSIONE: un'aliquota della radiazione incidente non penetra nei tessuti ma viene riflessa con un angolo uguale all'angolo incidente. Per minimizzarla l'angolo del raggio incidente con la superficie del tessuto deve essere il più possibile a 90°;
  • ASSORBIMENTO: è determinato dalla caratteristiche chimico-fisiche del tessuto irradiato. La luce laser interagisce con i CROMOFORI (assorbono le radiazioni in maniera selettiva) i più comuni cromofori endogeni sono: acqua, emoglobina, melanina, proteine ed amminoacidi). I laser con lunghezza d'onda compresa tra 600 e 1200 nm vengono scarsamente assorbiti e penetrano in profondità nei tessuti (finestra terapeutica)
  • SCATTERING: particolare rifrazione a cui un raggio luminoso va incontro in un tessuto biologico. Più il tessuto è disomogeneo, più lo scattering è evidente.

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