Okuma süresi: 6 dk

Lazer ile insan kesmek deyince ilk akla gelen şey ne diye sorsam herkes aynı cevabı verir diye düşünüyorum: Işın kılıcı! Lazerler üzerine araştırma yapmaya başladığımdan bugüne arkadaşlarımdan hep aynı soruyu duydum: “Bize ışın kılıcı yapabilir misin?” Ne yazık ki bu sorunun cevabı hayır… Işın kılıcı yapmak, Geleceğe Dönüş filmindeki gibi bir uçan kaykay yapmaktan daha zor bir bilimsel problem. Uçan kaykay prototipi filmde de öngörüldüğü gibi 2015 yılında duyurulmuştu(A).

 

Lazerden ışın kılıcı yapılır mı?

Işın kılıcı yapabilmek için çok yüksek şiddette ve iki ucu sınırlandırılmış bir ışın demetine ihtiyacımız var. Demetin çevresi açık olmalı ki insanları kesebilelim. Bu ihtiyacı lazerlerin karşılayabileceğini düşünmek normal. Çünkü lazer ışın demeti yüksek şiddete sahip! Fakat bir ışın demetinin ışın kılıcı olabilmesi için, sınırlı bir aralıkta da olması gerekli. Maalesef, ışın demetinin önüne soğurucu veya yansıtıcı bir yüzey koymadan onu sınırlamak mümkün değil. Bakkaldan satın alabildiğiniz lazerlerin ışın demeti bile kilometreler boyunca paralel kalabiliyorken, insan kesebilecek şiddetteki ışın demetinin ne kadar mesafe gidebileceğini sizin hayal gücünüze bırakıyorum.

 

Peki insan kesmek?

Yalnız, ışın kılıcı yapamıyoruz diye lazerle insan kesemeyiz demiyorum. Uluslararası dergilerde yayınlanmış birçok makalede lazer kullanılarak doku ve kemik kesilebildiği gösterildi1-4. Bu uygulama için farklı lazer kaynakları kullanılması mümkün(B). Bu uygulama için özel üretilmiş lazerlerin kullanılması ve ayrıca dokunun yüzeyden ayrılabilmesi için lazerle sağlanan enerjinin soğurulması ve saçılmadan dokuya nüfuz etmesi gerek. Bu nedenle, kesim için kullanılan lazerlerin çalışma aralığı (dalgaboyu) temelde suyun ışığı soğurma katsayısı(C) ve su içinde saçılma oranları göz önünde bulundurularak belirlenmiş. Suyun temel alınma nedeni ise insan vücudunun büyük bir oranda (~%70) su içermesi.

 

Kemik kesebilen lazerlerin özellikleri

Kemik kesmeye odaklandığımızda en çok kullanılan lazer çalışma dalgaboylarının 532 nm (nanometre, metrenin milyarda biri), 2.1 µm (mikrometre, metrenin milyonda biri), 3 µm ve 10.6 µm olduğunu görürüz5-6. Bu lazerlerlerin özelliklerine bağlı olarak, yüzeyde plazma üreterek(D) veya termal genleşme (bir tür buharlaşma) ile doku veya kemiğin kesilmesi mümkündür. Plazma temelli doku kesimi genellikle termal genleşme ile elde edilen kesiğe göre daha temiz bir kesik elde edilmesini sağlar. Çünkü termal genleşme ile kesimde kopan parçacıklar rastgele kesilen yüzeye yapıştığı gibi, kesim aletinin üzerinde de birikir. Ayrıca termal genleşme yönteminde kesimin bölgesel sıcaklık artışı sonucunda olması nedeniyle çevre dokular zarar görebilir. Yani aynı ışın kılıcında olduğu gibi çevresindeki dokuyu da yakabilir. Bu kesim yönteminde, bölgesel ısı genellikle su spreyleriyle azaltılır. Aksi takdirde kemik üzerinde kararmalar oluşabilir (Şekil 1A). Bu kararma “karbonize olma” veya “kömürleşme” diye adlandırılır. Karbonizasyonun azaltılması için darbeli lazer kullanılması gerekir. Böylece lazer ile etkileşim süresi azaltılarak ve su ile spreyleme yapılarak madde yüzeyinin sıcaklığı kontrol altına alınabilir. Böylece Şekil 1B’de görülen temiz kesikler elde edilebilir. Ancak suyun soğurma katsayısının yüksek olması sınırlandırıcı bir faktördür. Yüzeyde su birikmesi durumunda lazer malzemeye ulaşamaz ve kesme sağlanamaz. Özellikle suyun yüksek soğurma katsayısına sahip olduğu 3 µm dalgaboyunda kemiğin temel maddelerinin de yüksek soğurmaya sahip olması, 3 µm’de çalışan Erbiyum lazerlerini alanın en çok kullanılan lazerlerinden birisi yapmıştır.

 

Şekil 1. Çizgi şeklinde kesim denemeleri yapılmış kemik örnekleri. Örnekler yerel kasaplardan (domuz ve inek kemikleri) edinilmiştir (Fotoğraflar izinle kullanılmıştır.)

Işın kılıçları sadece filmlerle sınırlı kalsa da, kemik örneklerinde görüldüğü gibi, lazerle insan kesmek mümkün. Bilim insanları bu çalışmaları daha ileri bir noktaya taşıma ve hastanelerde bir araç olarak kullanma yolunda ilerliyor. Çünkü, günümüzde ortopedi ameliyatlarında kullanılan yöntemler hâlâ oldukça ilkel. Doktorlar ameliyatlarda testere ve zımbalar ile kemik ve kıkırdak kesimi yapıyorlar. Bunlara alternatif olarak robot ile kontrol edilen lazer kesim cihazlarının geliştirilmesinde çalışmalar devam ediyor. Bu konuda yapılan araştırmalarla ilgili fikir sahibi olmak için, benim de bir parçası olduğum MIRACLE projesinin https://dbe.unibas.ch/en/research/flagship-project-miracle/ sayfasını ziyaret edebilirsiniz.

 

Yazar: Ferda Canbaz

Editör: Mehmet Ali Öztürk, Bilge San

 

Yazardan notlar

(A)  Uçan kaykay videosu: https://www.youtube.com/watch?v=cum47f3ApQk

(B) İlk lazer kırmızı renkteydi ve 1960 yılında bir kristalden elde edilmişti. Yıllar içinde görünür (380-780 nm), kızılaltı (780 nm-1 mm) ve ultraviyole (10-380 nm) dalgaboyu aralıklarında çalışan birçok lazer geliştirildi. Lazeri isimlendirirken genelde ışıma yapan iyonun adı kullanılır. Örneğin Titanyum ile katkılandırılmış safir kristalinden elde edilen lazere Ti:safir lazeri  adı verilir. Her kullanılan iyonun kendine has bir lazer çalışma dalgaboyu vardır. Uygulamaya bağlı olarak lazer türü seçilebilir.

(C) Soğurma katsayısı, bir malzemenin belirli bir dalgaboyundaki soğurma miktarını tanımlamak için kullanılır ve ölçüm için spektrometreler kullanılır. Spektrometreden elde edilen soğurma eğrisi kullanılarak malzemenin birim uzunluktaki soğurma miktarı belirlenir ve soğurma katsayısı tanımlanır.

(D) Plazma: Maddenin 4 temel halinden biridir. Plazma sıcaklığı Kelvin cinsinden ölçülür ve genellikler çok yüksek değerlere (>1000K) sahiptir.

 

Kaynakça

  1. Baek, K.w., et al., A comparative investigation of bone surface after cutting with mechanical tools and Er: YAG laser. 2015. 47(5): p. 426-432.
  2. Nuss, R.C., et al., Infrared laser bone ablation. 1988. 8(4): p. 381-391.
  3. Jowett, N., et al., Bone Ablation without Thermal or Acoustic Mechanical Injury via a Novel Picosecond Infrared Laser (PIRL). Otolaryngology-Head and Neck Surgery, 2014. 150(3): p. 385-393.
  4. Beltran, L., Abbasi, H., Rauter, G., Friederich, N., Cattin, P. C. and Zam, A. ‘Effect of laser pulse duration on ablation efficiency of hard bone in microseconds regime’, in Progress in biomedical optics and imaging. Bellingham, Washington: Society of Photo-optical Instrumentation Engineers (Proceedings of SPIE). 2017, doi: 10.1117/12.2272253.
  5. https://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_spectrum
  6. Gunaratne, G. D. Et al., A review of the physiological and histological effects of laser osteotomy, 2017. 41(1):p. 1-12. http://dx.doi.org/10.1080/03091902.2016.1199743

 

Görsel kaynakları:

Kapak fotoğrafı: EpiSTEM Türkiye

Şekil 1: Ferda Canbaz