Lasery w chirurgii plastycznej

Na początku ubiegłego wieku Einstein teoretycznie wyjaśnił procesy, które muszą zachodzić, gdy laser emituje energię w artykule zatytułowanym „Quantum Theory of Radiation”. Maiman zbudował pierwszy laser w 1960 roku. Od tego czasu technologia laserowa szybko się rozwinęła, produkując różnorodne lasery obejmujące całe spektrum elektromagnetyczne. Od tego czasu zostały połączone z innymi technologiami, w tym systemami obrazowania, robotyką i komputerami, aby poprawić precyzję dostarczania lasera. Dzięki współpracy w dziedzinie fizyki i bioinżynierii lasery medyczne stały się ważną częścią narzędzi terapeutycznych chirurgów. Na początku były nieporęczne i używane tylko przez chirurgów specjalnie przeszkolonych w zakresie fizyki laserów. W ciągu ostatnich 15 lat konstrukcja laserów medycznych rozwinęła się, aby ułatwić ich używanie, a wielu chirurgów nauczyło się podstaw fizyki laserów w ramach swojego szkolenia podyplomowego.

W artykule omówiono: biofizykę laserów; interakcję tkanek z promieniowaniem laserowym; urządzenia obecnie stosowane w chirurgii plastycznej i rekonstrukcyjnej; ogólne wymagania bezpieczeństwa podczas pracy z laserami; zagadnienia dalszego wykorzystania laserów w zabiegach na skórze.

Biofizyka laserów

Lasery emitują energię świetlną, która porusza się w falach podobnych do zwykłego światła. Długość fali to odległość między dwoma sąsiednimi szczytami fali. Amplituda to rozmiar szczytu, który określa intensywność światła. Częstotliwość lub okres fali świetlnej to czas potrzebny fali na ukończenie jednego cyklu. Aby zrozumieć, jak działa laser, ważne jest zrozumienie mechaniki kwantowej. Termin LASER to akronim od Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania). Kiedy foton, jednostka energii świetlnej, uderza w atom, powoduje, że jeden z elektronów atomu przeskakuje na wyższy poziom energetyczny. Atom staje się niestabilny w tym stanie wzbudzonym, uwalniając foton, gdy elektron powraca do swojego pierwotnego, niższego poziomu energetycznego. Proces ten jest znany jako emisja spontaniczna. Jeśli atom znajduje się w stanie o wysokiej energii i zderzy się z innym fotonem, po powrocie do stanu o niskiej energii uwolni dwa fotony o identycznej długości fali, kierunku i fazie. Proces ten, zwany wymuszoną emisją promieniowania, jest podstawą zrozumienia fizyki laserów.

Niezależnie od typu, wszystkie lasery mają cztery podstawowe komponenty: mechanizm wzbudzenia lub źródło energii, ośrodek laserowy, wnękę optyczną lub rezonator oraz system wyrzutowy. Większość laserów medycznych stosowanych w chirurgii plastycznej twarzy ma mechanizm wzbudzenia elektrycznego. Niektóre lasery (takie jak laser barwnikowy wzbudzany lampą błyskową) wykorzystują światło jako mechanizm wzbudzenia. Inne mogą wykorzystywać fale radiowe o wysokiej energii lub reakcje chemiczne w celu zapewnienia energii wzbudzenia. Mechanizm wzbudzenia pompuje energię do komory rezonansowej zawierającej ośrodek laserowy, który może być ciałem stałym, cieczą, gazem lub materiałem półprzewodnikowym. Energia wprowadzona do wnęki rezonatora podnosi elektrony atomów w ośrodku laserowym do wyższego poziomu energii. Gdy połowa atomów w rezonatorze jest silnie wzbudzona, następuje inwersja populacji. Emisja spontaniczna rozpoczyna się, gdy fotony są emitowane we wszystkich kierunkach, a niektóre zderzają się z już wzbudzonymi atomami, co skutkuje wymuszoną emisją sparowanych fotonów. Stymulowana emisja jest wzmacniana, ponieważ fotony przemieszczające się wzdłuż osi między lustrami są odbijane preferencyjnie tam i z powrotem. Powoduje to sekwencyjną stymulację, gdy te fotony zderzają się z innymi wzbudzonymi atomami. Jedno lustro odbija w 100%, podczas gdy drugie lustro częściowo przekazuje emitowaną energię z komory rezonatora. Energia ta jest przenoszona do tkanki biologicznej przez system wyrzutowy. W przypadku większości laserów jest to światłowód. Godnym uwagi wyjątkiem jest laser CO2, który ma system luster na ramieniu przegubowym. Włókna optyczne są dostępne dla lasera CO2, ale ograniczają one rozmiar plamki i energię wyjściową.

Światło laserowe jest bardziej zorganizowane i jakościowo intensywne niż zwykłe światło. Ponieważ ośrodek laserowy jest jednorodny, fotony emitowane przez emisję wymuszoną mają jedną długość fali, co tworzy monochromatyczność. Zwykle światło jest silnie rozpraszane, gdy oddala się od źródła. Światło laserowe jest kolimowane: jest słabo rozpraszane, zapewniając stałą intensywność energii na dużej odległości. Fotony światła laserowego nie tylko poruszają się w tym samym kierunku, ale mają tę samą fazę czasową i przestrzenną. Nazywa się to koherencją. Właściwości monochromatyczności, kolimacji i koherencji odróżniają światło laserowe od nieuporządkowanej energii zwykłego światła.

Interakcja lasera z tkanką

Spektrum efektów lasera na tkanki biologiczne rozciąga się od modulacji funkcji biologicznych do waporyzacji. Większość klinicznie stosowanych interakcji laser-tkanka dotyczy zdolności termicznych do koagulacji lub waporyzacji. W przyszłości lasery mogą być używane nie jako źródła ciepła, ale jako sondy do kontrolowania funkcji komórkowych bez cytotoksycznych skutków ubocznych.

Efekt konwencjonalnego lasera na tkankę zależy od trzech czynników: absorpcji tkanki, długości fali lasera i gęstości energii lasera. Kiedy wiązka lasera uderza w tkankę, jej energia może zostać pochłonięta, odbita, przesłana lub rozproszona. Wszystkie cztery procesy zachodzą w różnym stopniu w dowolnej interakcji tkanka-laser, z których absorpcja jest najważniejsza. Stopień absorpcji zależy od zawartości chromoforów w tkance. Chromofory to substancje, które skutecznie pochłaniają fale o określonej długości. Na przykład energia lasera CO2 jest pochłaniana przez tkanki miękkie ciała. Dzieje się tak, ponieważ długość fali odpowiadająca CO2 jest dobrze pochłaniana przez cząsteczki wody, które stanowią do 80% tkanki miękkiej. Natomiast absorpcja lasera CO2 jest minimalna w kościach ze względu na niską zawartość wody w tkance kostnej. Początkowo, gdy tkanka pochłania energię lasera, jej cząsteczki zaczynają wibrować. Absorpcja dodatkowej energii powoduje denaturację, koagulację i ostatecznie odparowanie białka (waporyzacja).

Gdy energia lasera odbija się od tkanki, ta ostatnia nie jest uszkadzana, ponieważ kierunek promieniowania na powierzchni ulega zmianie. Ponadto, jeśli energia lasera przechodzi przez tkanki powierzchniowe do warstwy głębokiej, tkanka pośrednia nie jest naruszona. Jeśli wiązka lasera jest rozproszona w tkance, energia nie jest pochłaniana na powierzchni, ale jest losowo rozprowadzana w warstwach głębokich.

Trzecim czynnikiem dotyczącym interakcji tkanki z laserem jest gęstość energii. W interakcji lasera z tkanką, gdy wszystkie inne czynniki są stałe, zmiana rozmiaru plamki lub czasu ekspozycji może wpłynąć na stan tkanki. Jeśli rozmiar plamki wiązki laserowej maleje, moc działająca na określoną objętość tkanki wzrasta. Odwrotnie, jeśli rozmiar plamki wzrasta, gęstość energii wiązki laserowej maleje. Aby zmienić rozmiar plamki, system wyrzutu na tkankę może być skupiony, wstępnie skupiony lub rozogniskowany. W przypadku wstępnie skupionych i rozogniskowanych wiązek rozmiar plamki jest większy niż skupiona wiązka, co skutkuje niższą gęstością mocy.

Innym sposobem na zmianę efektów tkankowych jest pulsowanie energii lasera. Wszystkie tryby pulsacyjne naprzemiennie występują w okresach włączania i wyłączania. Ponieważ energia nie dociera do tkanki w okresach wyłączania, istnieje szansa na rozproszenie ciepła. Jeśli okresy wyłączania są dłuższe niż czas relaksacji termicznej tkanki docelowej, prawdopodobieństwo uszkodzenia otaczającej tkanki przez przewodzenie jest zmniejszone. Czas relaksacji termicznej to czas potrzebny na rozproszenie połowy ciepła w celu. Stosunek aktywnego interwału do sumy aktywnych i pasywnych interwałów pulsacji nazywa się współczynnikiem wypełnienia.

Cykl pracy = wł./wł. + wył.

Istnieją różne tryby impulsowe. Energia może być uwalniana w seriach poprzez ustawienie okresu, w którym laser emituje (np. 10 sek.). Energia może być blokowana, gdzie stała fala jest blokowana w pewnych odstępach czasu przez mechaniczną migawkę. W trybie superpulse energia nie jest po prostu blokowana, ale przechowywana w źródle energii lasera w okresie wyłączenia, a następnie uwalniana w okresie włączenia. Oznacza to, że szczytowa energia w trybie superpulse jest znacznie wyższa niż w trybie stałym lub blokującym.

W gigantycznym laserze impulsowym energia jest również magazynowana w okresie wyłączenia, ale w ośrodku laserowym. Jest to realizowane przez mechanizm migawki w komorze wnękowej między dwoma lustrami. Gdy migawka jest zamknięta, laser nie świeci, ale energia jest magazynowana po obu stronach migawki. Gdy migawka jest otwarta, lustra oddziałują na siebie, aby wytworzyć wiązkę lasera o wysokiej energii. Energia szczytowa gigantycznego lasera impulsowego jest bardzo wysoka przy krótkim współczynniku wypełnienia. Laser z blokadą modów jest podobny do gigantycznego lasera impulsowego, ponieważ między dwoma lustrami w komorze wnękowej znajduje się migawka. Laser z blokadą modów otwiera i zamyka migawkę synchronicznie z czasem potrzebnym światłu do odbicia się między dwoma lustrami.

Charakterystyka laserów

• Laser dwutlenku węgla

Laser dwutlenku węgla jest najczęściej stosowany w otolaryngologii/chirurgii głowy i szyi. Jego długość fali wynosi 10,6 nm, jest to niewidzialna fala w dalekiej podczerwieni widma elektromagnetycznego. Konieczne jest prowadzenie wzdłuż wiązki lasera helowo-neonowego, aby chirurg mógł zobaczyć obszar działania. Medium lasera jest CO2. Jego długość fali jest dobrze pochłaniana przez cząsteczki wody w tkance. Efekty są powierzchowne ze względu na wysoką absorpcję i minimalne rozpraszanie. Promieniowanie może być przesyłane tylko przez lustra i specjalne soczewki umieszczone na przegubowym pręcie. Ramię korby można przymocować do mikroskopu w celu precyzyjnej pracy pod powiększeniem. Energia może być również wyrzucana przez uchwyt ogniskujący przymocowany do przegubowego pręta.

• Laser Nd:YAG

Długość fali lasera Nd:YAG (ytr-aluminium-granat z neodymem) wynosi 1064 nm, tj. znajduje się w obszarze bliskiej podczerwieni. Jest niewidoczny dla ludzkiego oka i wymaga prowadzenia wiązki lasera helowo-neonowego. Medium lasera jest itr-aluminium-granat z neodymem. Większość tkanek ciała słabo pochłania tę długość fali. Jednak tkanki pigmentowane pochłaniają ją lepiej niż tkanki niepigmentowane. Energia jest przesyłana przez powierzchniowe warstwy większości tkanek i rozprasza się w warstwach głębokich.

W porównaniu z laserem dwutlenku węgla, rozproszenie Nd:YAG jest znacznie większe. Dlatego głębokość penetracji jest większa, a Nd:YAG dobrze nadaje się do koagulacji głębokich naczyń. W eksperymencie maksymalna głębokość koagulacji wynosi około 3 mm (temperatura koagulacji +60 °C). Zgłoszono dobre wyniki w leczeniu głębokich naczyń włosowatych okołoustnych i jamistych przy użyciu lasera Nd:YAG. Istnieje również doniesienie o udanej fotokoagulacji laserowej naczyniaków, naczyniaków limfatycznych i wrodzonych formacji tętniczo-żylnych. Jednak większa głębokość penetracji i nieselektywne niszczenie predysponują do zwiększonego bliznowacenia pooperacyjnego. Klinicznie jest to minimalizowane przez bezpieczne ustawienia mocy, punktowe podejście do zmiany i unikanie leczenia obszarów skóry. W praktyce stosowanie ciemnoczerwonego lasera Nd:YAG zostało praktycznie zastąpione laserami o długości fali leżącej w żółtej części widma. Jest jednak stosowany jako laser wspomagający leczenie ciemnoczerwonych (w kolorze wina porto) zmian guzkowych.

Wykazano, że laser Nd:YAG hamuje produkcję kolagenu zarówno w hodowli fibroblastów, jak i w normalnej skórze in vivo. Sugeruje to skuteczność w leczeniu blizn przerostowych i keloidów. Jednak klinicznie wskaźniki nawrotów po wycięciu keloidu są wysokie, pomimo silnego wspomagającego miejscowego leczenia sterydami.

• Laser kontaktowy Nd:YAG

Użycie lasera Nd:YAG w trybie kontaktowym znacząco zmienia właściwości fizyczne i absorpcję promieniowania. Końcówka kontaktowa składa się z szafirowego lub kwarcowego kryształu bezpośrednio przymocowanego do końca włókna laserowego. Końcówka kontaktowa oddziałuje bezpośrednio na skórę i działa jak skalpel termiczny, tnąc i koagulując jednocześnie. Istnieją doniesienia o stosowaniu końcówki kontaktowej w szerokim zakresie interwencji w tkankach miękkich. Zastosowania te są bliższe elektrokoagulacji niż bezkontaktowemu trybowi Nd:YAG. Ogólnie rzecz biorąc, chirurdzy wykorzystują obecnie wrodzone długości fal lasera nie do cięcia tkanek, ale do podgrzewania końcówki. Dlatego zasady interakcji laser-tkanka nie mają tutaj zastosowania. Czas reakcji na laser kontaktowy nie jest tak bezpośrednio związany, jak w przypadku włókna swobodnego, dlatego występuje okres opóźnienia w podgrzewaniu i chłodzeniu. Jednak wraz z doświadczeniem laser ten staje się wygodny w izolowaniu płatów skóry i mięśni.

• Laser argonowy

Laser argonowy emituje fale widzialne o długości 488-514 nm. Ze względu na konstrukcję komory rezonatora i strukturę molekularną ośrodka laserowego, ten typ lasera wytwarza zakres fal długich. Niektóre modele mogą mieć filtr, który ogranicza promieniowanie do pojedynczej długości fali. Energia lasera argonowego jest dobrze absorbowana przez hemoglobinę, a jej rozpraszanie jest pośrednie między rozpraszaniem lasera dwutlenku węgla i lasera Nd:YAG. System promieniowania dla lasera argonowego jest nośnikiem światłowodowym. Ze względu na wysoką absorpcję przez hemoglobinę, nowotwory naczyniowe skóry również absorbują energię lasera.

• Laser KTF

Laser KTP (fosforan potasu i tytanu) to laser Nd:YAG, którego częstotliwość jest podwojona (długość fali jest zmniejszona o połowę) poprzez przepuszczenie energii lasera przez kryształ KTP. Powoduje to powstanie zielonego światła (długość fali 532 nm), które odpowiada szczytowi absorpcji hemoglobiny. Jego penetracja tkanek i rozpraszanie są podobne do tych w przypadku lasera argonowego. Energia lasera jest przesyłana przez włókno. W trybie bezkontaktowym laser odparowuje i koaguluje. W trybie półkontaktowym końcówka włókna ledwo dotyka tkanki i staje się narzędziem tnącym. Im wyższa energia, tym bardziej laser działa jak nóż termiczny, podobnie jak laser dwutlenku węgla. Niższe jednostki energii są używane głównie do koagulacji.

• Lampa błyskowa wzbudzająca laser barwnikowy

Laser barwnikowy wzbudzany lampą błyskową był pierwszym laserem medycznym specjalnie zaprojektowanym do leczenia łagodnych zmian naczyniowych skóry. Jest to laser światła widzialnego o długości fali 585 nm. Ta długość fali pokrywa się z trzecim szczytem absorpcji oksyhemoglobiny, a zatem energia tego lasera jest głównie absorbowana przez hemoglobinę. W zakresie 577-585 nm występuje również mniejsza absorpcja przez konkurujące chromofory, takie jak melanina, i mniejsze rozpraszanie energii lasera w skórze właściwej i naskórku. Medium lasera jest barwnikiem rodaminowym, który jest optycznie wzbudzany przez lampę błyskową, a układem emisyjnym jest nośnik światłowodowy. Końcówka lasera barwnikowego ma wymienny system soczewek, który umożliwia tworzenie plamki o rozmiarze 3, 5, 7 lub 10 mm. Laser pulsuje z okresem 450 ms. Ten wskaźnik pulsacji został wybrany na podstawie czasu relaksacji termicznej naczyń ektatycznych występujących w łagodnych zmianach naczyniowych skóry.

• Laser na parę miedzi

Laser miedziany wytwarza światło widzialne o dwóch oddzielnych długościach fal: pulsującą zieloną falę o długości 512 nm i pulsującą żółtą falę o długości 578 nm. Medium lasera jest miedź, która jest pobudzana (odparowywana) elektrycznie. System włókien przesyła energię do końcówki, która ma zmienną wielkość plamki wynoszącą 150-1000 µm. Czas ekspozycji waha się od 0,075 s do stałego. Czas między impulsami również waha się od 0,1 s do 0,8 s. Żółte światło lasera miedzianego jest stosowane do leczenia łagodnych zmian naczyniowych na twarzy. Zielona fala może być stosowana do leczenia zmian pigmentacyjnych, takich jak piegi, plamy soczewicowate, znamiona i rogowacenie.

• Nieblaknący żółty barwnik laserowy

Żółty laser barwnikowy CW to laser światła widzialnego, który wytwarza żółte światło o długości fali 577 nm. Podobnie jak laser barwnikowy wzbudzany lampą błyskową, jest on dostrajany poprzez zmianę barwnika w komorze aktywacji lasera. Barwnik jest wzbudzany przez laser argonowy. System wyrzutu tego lasera to również kabel światłowodowy, który można skupić na różnych rozmiarach plamki. Światło lasera może być pulsowane za pomocą mechanicznej migawki lub końcówki Hexascanner, która jest przymocowana do końca układu światłowodowego. Hexascanner losowo kieruje impulsy energii lasera w obrębie wzoru heksagonalnego. Podobnie jak laser barwnikowy wzbudzany lampą błyskową i laser miedziany, żółty laser barwnikowy CW idealnie nadaje się do leczenia łagodnych zmian naczyniowych na twarzy.

• Laser erbowy

Laser Erbium:UAS wykorzystuje pasmo absorpcji wody o długości 3000 nm. Jego długość fali 2940 nm odpowiada temu szczytowi i jest silnie absorbowana przez wodę tkankową (około 12 razy bardziej niż laser CO2). Ten laser bliskiej podczerwieni jest niewidoczny dla oka i musi być używany z widoczną wiązką celowniczą. Laser jest pompowany przez lampę błyskową i emituje makroimpulsy o czasie trwania 200-300 μs, które składają się z serii mikroimpulsów. Lasery te są używane z rękojeścią przymocowaną do ramienia przegubowego. Urządzenie skanujące można również zintegrować z systemem w celu szybszego i bardziej równomiernego usuwania tkanek.

• Laser rubinowy

Rubinowy laser to pompowany laser błyskowy, który emituje światło o długości fali 694 nm. Ten laser, który znajduje się w czerwonym obszarze widma, jest widoczny dla oka. Może mieć migawkę laserową, aby wytwarzać krótkie impulsy i osiągać głębszą penetrację tkanek (głębszą niż 1 mm). Długoimpulsowy laser rubinowy jest używany do preferencyjnego podgrzewania mieszków włosowych w laserowym usuwaniu owłosienia. To światło laserowe jest przesyłane za pomocą luster i przegubowego systemu wysięgników. Jest słabo absorbowane przez wodę, ale jest silnie absorbowane przez melaninę. Różne pigmenty stosowane do tatuaży również absorbują promienie 694 nm.

• Laser aleksandrytowy

Laser aleksandrytowy, laser półprzewodnikowy, który może być pompowany lampą błyskową, ma długość fali 755 nm. Ta długość fali, w czerwonej części widma, nie jest widoczna dla oka i dlatego wymaga wiązki prowadzącej. Jest ona pochłaniana przez niebieskie i czarne pigmenty tatuażu, a także przez melaninę, ale nie przez hemoglobinę. Jest to stosunkowo kompaktowy laser, który może przesyłać promieniowanie przez elastyczny światłowód. Laser penetruje stosunkowo głęboko, dzięki czemu nadaje się do usuwania włosów i tatuaży. Rozmiary plamki wynoszą 7 i 12 mm.

• Laser diodowy

Ostatnio diody na materiałach nadprzewodzących zostały bezpośrednio połączone z urządzeniami światłowodowymi, co spowodowało emisję światła laserowego o różnych długościach fal (w zależności od właściwości użytych materiałów). Lasery diodowe wyróżniają się wydajnością. Mogą one przekształcać przychodzącą energię elektryczną w światło ze sprawnością 50%. Ta wydajność, związana z niższą generacją ciepła i mocą wejściową, pozwala na projektowanie kompaktowych laserów diodowych bez dużych systemów chłodzenia. Światło jest przesyłane za pomocą światłowodów.

• Lampa błyskowa z filtrem

Filtrowana lampa pulsacyjna używana do usuwania włosów nie jest laserem. Zamiast tego jest to intensywne, niekoherentne, pulsujące widmo. System wykorzystuje filtry kryształowe do emisji światła o długości fali 590-1200 nm. Szerokość i całkowita gęstość impulsu, również zmienna, spełniają kryteria selektywnej fototermolizy, co stawia to urządzenie na równi z laserami do usuwania włosów.

[ 1 ], [ 2 ], [ 3 ], [ 4 ], [ 5 ], [ 6 ], [ 7 ]