Introdução aos Lasers de CO 2 Em Ciências da Vida

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1 Introdução aos Lasers de CO 2 Em Ciências da Vida Denise Maria Zezell Laboratório rio de Biofotônica Centro de Lasers e Aplicações Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares IPEN/CNEN-SP

2 L A S E R IGHT MPLIFICATION BY TIMULATED MISSION OF ADIATION (Amplificação da Luz por Emissão Estimulada de Radiação ão)

3 Tipos de Radiação Partículas de matéria ria se movendo com velocidade muito alta, carregando energia devido ao seu movimento (energia cinética). Geradas por aceleradores lineares, betatrons, ciclotrons,, etc. Fótons (Do grego φοτος = luz) ou quanta: ou quanta: pacotes de pequenas unidades de energia. Não contém m matéria, não possui massa ou peso nem dimensão. Radiação Eletromagnética tica

4 ONDA ELETROMAGNÉTICA TICA COMPRIMENTO DE ONDA (λ) AMPLITUDE FREQUÊNCIA (Hz) VELOCIDADE

5 ArF ArF Excimer Excimer Lasers em Ciências da Vida KTP KTP He-NeNe Comprimento de onda, λ VISÍVEL Alexandrita Argônio Nd:YAG Ho:YLF Ho:YAG Er:YAG E = h.ν E[Kev]=1.24/λ [nm] E 1/λ Ga-Al-AsAs CO2 Energia RAIOS GAMA RAIOS X ULTRA- VIOLETA VISÍVEL ,6 μm MICRO- ONDAS ONDAS DE RÁDIO

6 Espectro Eletromagnético tico

7 Laser: radiação ionizante ou não? RADIAÇÃO NÃO IONIZANTE Não possui energia suficiente para remover elétrons e romper ligações químicas. RADIAÇÃO IONIZANTE A energia de ionização para os elementos encontrados no tecido biológico encontram-se na faixa entre 3,5eV e 20eV.

8 Valores de energia de fóton Tipo de laser Comprimento de onda (nm) Energia (ev) ArF 193nm 6,42 Argônio 488nm 2,5 He-Ne 632nm 1,96 Ga-As-Al 790nm 1,57 Nd:YAG 1064nm 1,16 Ho:YLF 2065nm 0,6 Er:YAG 2940nm 0,422 CO nm 0,12

9 ΔE Absorção Ressonante Emissão espontânea Fóton ton λ α ΔE

10 ABSORÇÃO E 2 -E 1 = h.ν= ΔE n 2 ~0 E 2 n 2 << n 1 elétrons E 1 n 1

11 EMISSÃO ESTIMULADA E 2 -E 1 = h.ν= ΔE n 2 >n 1 inversão de população n 2 E 2 h.ν ΔE = h.ν h.ν E 1 Einstein em 1917 de emissão estimulada pela radiação n 1

12 EMISSÃO ESTIMULADA P 1 P 1 λλ λ λ λλ λλ P 1 P 2 P 2 P 3 λλ λλ (P ) fótons n

13 EMISSÃO ESTIMULADA I trans. > I inc e a radiação é amplificada. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 1 fóton 8 fótons

14 Charles Townes (1954) MASER Schawlow & Townes (1958) MASER nas regiões do visível vel e infravermelho Theodore Maiman (1960) Cristal de Rubi Lâmpada de flash Kumar Patel Bell Labs (1964) Laser de dióxido de carbônio (CO 2 )

15 LASER Meio Ativo Sistema de Bombeio Cavidade Ressonante Radiação laser

16 Gasoso Gasoso 1 S 0 3 S 1 1s2s Hélio 2p 5 5s 6328 Å 2p 5 3s Neônio 2p 5 3p Região Espectral Tipo Comprimento de onda (nm) Ultravioleta He-Cd N 2 337,1 Kr 350,7 356,4 Ar 351,1 363,8 Visível Ar 441,6 Kr 676,4 He-Ne 632,8 Infravermelho CO 2 10,6 H 2 O 118,0

17 Níveis de energia do CO 2 modos vibracionais CO 2

18 Características da luz Laser Monocromático Coerência espacial Coerência temporal Toda a radiação produzida pelo laser consiste de um único comprimento de onda

19 Características da luz Laser Monocromático Coerência espacial Coerência temporal Um feixe produzido por um a laser tem uma divergência muito pequena. Assim pode manter uma alta intensidade do feixe mesmo após longas distâncias. Permite boa focalização.

20 Características da luz Laser Monocromático Coerência espacial Coerência temporal As ondas da radiação laser estão todas em fase entre sí

21 COERÊNCIA INCOERÊNCIA

22 Luz comum: vários comprimentos de onda, sem coincidência de fase, não direcional Luz laser monocromática, direcional, fótons em fase

23 Regimes de Operação Emissão Contínua nua Emissão Pulsada P cw largura de pulso típica t [s] ms μs (CO 2 diodo ~ 10) s Q- Switched μs ns ns (Nd:YAG) P Mode-Locked ps fs (Ti:Al 2 O 3 ) pulsado s

24 Perfil gaussiano de um feixe laser E max Centro do feixe Intensidade E e max 2 ω Diâmetro 0,135 E max

25 Sistemas de entrega de feixe Fibras Ópticas (Sílica-Quartzo, Safira) - com contacto, - fibroscópios com sistema de visualização Guia de Onda Oco - tubos flexíveis com superfície interna refletora Braço Articulado Endoscópio

26 Endoscópio rígidor acoplado a microscópio

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28 Laser de Neodímio Lasers de CO 2

29 cintura do feixe 2w0 Δ a profundidade de foco Feixe Gaussiano focalizado em diferentes lentes comprimento focal

30 INTERAÇÃO DA LUZ LASER COM A MATÉRIA Transmissão Espalhamento Absorção Reflexão

31 Atenuação de um feixe laser durante a absorção I 0 I 0 /2 I 0 /4 I 0 /8 I 0 /16 Fração absorvida = (I( saída - I entrada )/ I entrada

32 Absorção A A absorção é devido à conversão parcial de energia luminosa em calor ou certa vibração das moléculas no material absorvedor. A A propriedade de transparência ou opacidade dependem do comprimento de onda. Ex. A córnea c é transparente no visível vel e absorvedora no UV Absorção seletiva: - Superfícies coloridas (reflectância( [λ]) - Corpos de luz (gerados por luz que penetra e é retroespalhada)

33 Espalhamento O espalhamento no tecido limita a penetração da radiação. Permite que os fótons f atinjam regiões distantes do ponto de aplicação. Ex. Para o comprimento de onda de 1 μm m, em tecidos moles, o espalhamento limita a profundidade de penetração a uns poucos milimetros. Espalhamento Absorção Decaimento de intensidade de um feixe colimado

34 O grau de espalhamento depende do comprimento de onda do laser e das propriedades ópticas do tecido. Para os comprimentos de onda UV ( nm) - IR (2-10 μm), a profundidade de penetração no tecido está entre 1 e 20 μm. (abs >> espalhamento) Para os comprimentos de onda entre e 590 nm, a profundidade de penetração no tecido está entre 0,5-2,5 mm. (abs ~ espalhamento) Para os comprimentos de onda entre e 1,5 μm, a profundidade de penetração no tecido está entre 2-8 mm. (abs << espalhamento) (cuidado com o aquecimento de estruturas distantes, perigoso!)

35 Mecanismos de Interação Tecido: Laser-tecido propriedades ópticas (coeficientes de reflexão, absorção e espalhamento) propriedades térmicast (condutividade térmica t e capacidade térmica) t Radiação laser: comprimento de onda energia aplicada potência de pico área focalizada (densidades de energia e de potência) tempo de exposição

36 Mecanismos de Interação Laser-tecido Químicas Térmicas Elétricas Mecânicas Fotoquímicas Térmicas Fotoablação Ablação induzida por plasma Fotoruptura

37 Efeitos Térmicosrmicos em tecidos moles 400 o Rápida Incisão e Carbonização 100 o 90 o 60 o 40 o 35 o Aquecimento Tecidual o C Vaporização Incisional Vaporização Excisional Desidratação Tecidual, Contração Superficial, Coagulação Desnaturação Tecidual

38 INTERAÇÕES TÉRMICAST Efeitos térmicost Regra geral (radiação laser) : intensidades acima de 10 W / cm 2 radiação contínua nua (CW)) ou com duração de pulsos acima de aproximadamente 1μs Disposição dos efeitos térmicos t dentro do tecido : Feixe laser Vaporização Carbonização Coagulação Hipertermia Tecido Maldonado, E.P, Zezell,D.M.

39 Definições e conceitos Potência Radiante (P) (potência) Radiância Energia Radiante Unidade (S.I) (Watt) W Exposição radiante Potência emitida, transferida ou recebida numa forma de radiação, fluxo de energia (J/s)

40 Definições e conceitos Potência Radiante Radiância (E) (densidade de potência - Intensidade) Energia Radiante Unidade (S.I) Exposição radiante W 2 m Fluxo de energia incidente sobre uma determinada área Grandeza física f que avalia a possibilidade de dano microtérmico rmico

41 Definições e conceitos Potência Radiante Radiância Energia Radiante (Q) (energia) Exposição radiante Unidade (S.I) (Joule) J Tempo integral do fluxo radiante sobre um intervalo de tempo

42 Definições e conceitos Potência Radiante Radiância Energia Radiante Exposição radiante (H) (densidade de energia - fluência) Unidade (S.I) J 2 m Quantidade de energia incidente em uma determinada área Grandeza física que avalia a possibilidade de inibição de efeitos

43 fluência (J/cm 2 ) = E (J) A (cm 2 ) I (W/cm 2 ) P (W) = A (cm 2 )

44 Definições e conceitos Laser de Potência P = 10 W c.w. Diâmetro do feixe d = 3 mm Radiância (Intensidade) P A P πr 10 π(1,5x10 1,41x10 W m 6 E = = = = = ) P MW 1,41 2 m cw s Energia radiante em 1,0 s Q = P Δt = 10W 1s = 10J Exposição radiante (Fluência) Q Q 10 H = = = = 1,41x A πr π(1,5x10 ) 6 J m 2

45 Definições e conceitos Energia por pulso Q = 100 mj Largura do pulso τ = 20 ns Freqüência f = 10 Hz Diâmetro do feixe d = 3 mm Potência média P pulsado s P = Q f = 100mJ 10Hz = 1W Radiância (Intensidade) P P 1,0 E = = = = 1, A πr π(1,5x10 ) MW 2 m Exposição radiante (Fluência) -3 Q Q kj H = = = = 14, A πr π(1,5 10 ) m 2

46 Definições e conceitos Exemplo: Intensidade E 1 E 2 0,5mm 5mm 50mm E 3 P = 10W α = 5mrad 10cm 1m 10m P 10W E = A π (0,5 10 ) 1 = = 12, MW m 2 P 10W E 2 = = = 127 kw 3 2 A π(5 10 ) m 2 P 10W E 3 = = = 1, 27kW 3 2 A π(50 10 ) m 2

47 Exemplo: Calcular da densidade de energia, potência pico e potência média, de um laser pulsado de Nd:YAG emitindo 100 mj de energia por pulso, com largura temporal de 100 µs e freqüência de 10 Hz. Sabendo-se que a área iluminada é de 0,2 cm 2 (raio 2,5 mm) Densidade de energia (fluência) Potência pico E 100 mj H = = = 2 A 0,2 cm 0,5 E 100 mj P p = = = 1000W = 1kW A 100 μ s J cm 2 2,5 mm Potência média E P = = E f = 100mJ 10Hz = 1W 1 f

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50 Aplicações de lasers em ciências da vida

51 Excimer ou Ho

52 Laser de Hólmio- Revascularização do Miocárdio

53 Colecistectomia CO 2 Cirurgia por Laparoscopia

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56 CO 2 Dr. Mauricio de Maio HC/FMUSP

57 Dr. Mauricio de Maio HC/FMUSP

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59 Interações Fotoquímicas Ocorrem para densidades de potência muito baixas 1 W/cm 2 Exemplo na natureza: fotosíntese Tipos de interações: - TERAPIA FOTODINÂMICA DE TUMORES (PDT) - Bioestimulação ão,, ou Low Intensity Level Therapy (LILT)

60 Faringite CO 2 Dra. Ester Nicola- FM-UNICAMP

61 Frenectomia com laser de CO 2 desidratação in Pick, R.

62 Segurança a e Proteção Física F no Normas Internacionais: FDA, IEC Nacionais: Uso de Lasers COBREN, ABNT,, INMETRO, SINMETRO Agencia Nacional de Vigilância Sanitária ANVISA - MS leis de fabricação e comercialização

63 Noções Básicas B de Segurança no uso de Lasers Segurança a da Sala Acessórios não refletores Proteção do equipamento Laser Proteção Física F Operador Auxiliar Paciente

64 Proteção FísicaF Incidência do Feixe Pele Olhos Alvos: Perigos Letais do Equipamento Alta tensão Perigo de Fogo

65 PRINCIPAIS PERIGOS Eletrochoque : MORTE Prevenção: Técnicos qualificados Exposição Acidental: OLHOS e PELE Danos à retina, córnea c e queimaduras Prevenção: Equipamentos de Proteção Pessoal Adequação da Sala e Instrumental

66 PRINCIPAIS PERIGOS Fumaça a Gerada Pelo Tecido Irradiado Desagradável, pode conter células c viáveis veis Diminui a intensidade da radiação laser no alvo Prevenção: Deve ser aspirada e evacuada da sala Fogo Prevenção: Anestésicos sicos não inflamáveis Campo umedecido Proteção de instrumental e acessórios

67 Proteção FísicaF INDISPENSÁVEL Óculos de proteção Densidade óptica adequada à classe do laser Filtros acoplados aos sistemas ópticos

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69 Proteção FísicaF INDISPENSÁVEL Proteção dos olhos Sinais de advertência Interlocks

70 Danos à RETINA Danos à CÓRNEA Laser Visível 400 nm nm Ultravioleta λ < 300 nm Infravermelho 700 nm - 1,4 μm (focalizáveis) Nd, Diodo Infravermelho λ >1,4 μm Er, CO 2

71 Classe 1: são seguros Classificação de Lasers incluindo o uso de instrumentos ópticos potência menor que MPE Classe 1M : 302,5 a 4000 nm são seguros não podem ser utilizados com instrumentos ópticos.

72 Classificação de Lasers Classe 2: 400 a 700 nm seguros devido ao reflexos de aversão incluindo instrumentos ópticos de visualização Classe 2M: 400 a 700 nm seguros devido ao reflexos de aversão danosos se visualizados com instrumentos ópticos Classe 3R: 302,4 nm a 1 mm visualização intrafeixe é perigosa mas o risco é menor que o para lasers Classe 3B

73 Classificação de Lasers Classe 3B: são perigosos quando a visualização intrafeixe ocorre dentro da Distância de Risco Ocular Nominal (DRON). visualização de reflexões difusas normalmente é segura Classe 4: 4 são lasers perigosos mesmo para reflexões difusas Eles podem causar danos à pele e olhos e oferecem risco de fogo

74 Rótulos de advertência RADIAÇÃO LASER VISÍVEL E INVISÍVEL EVITE A EXPOSIÇÃO DOS OLHOS OU DA PELE À RADIAÇÃO DIRETA OU ESPALHADA PRODUTO A LASER CLASSE 4 IEC

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76 O que eu preciso saber para trabalhar com lasers em segurança? a? Sua classificação Comprimento de onda Potência de saída ângulo aparente regime de operação largura do pulso divergência do feixe distância da fonte sinalização normas técnicas óculos apropriados roupas apropriadas

77 Usuários Capacitação Treinamento auxiliares Busca contínua nua de informações

78 Obrigada pela atenção!