Lasery w chirurgii plastycznej

Na początku ubiegłego wieku, w publikacji zatytułowanej "Kwantowa teoria promieniowania", Einstein teoretycznie uzasadnił procesy, które muszą się odbyć, gdy laser emituje energię. Maiman zbudował pierwszy laser w 1960 roku. Od tego czasu szybki rozwój technologii laserowej, prowadzący do powstania różnorodnych laserów, obejmujących całe spektrum elektromagnetyczne. Następnie połączyły się z innymi technologiami, w tym systemami wizualizacji, robotyką i komputerami, aby poprawić dokładność transmisji promieniowania laserowego. W wyniku współpracy w dziedzinie fizyki i bioinżynierii, lasery medyczne jako środki terapeutyczne stały się ważną częścią arsenału chirurgów. Początkowo były niewygodne i były używane wyłącznie przez chirurgów, którzy zostali specjalnie przeszkoleni w zakresie fizyki laserów. W ciągu ostatnich 15 lat projektowanie laserów medycznych posuwało się naprzód w kierunku łatwości użytkowania, a wielu chirurgów studiowało podstawy fizyki laserowej w kształceniu podyplomowym.

W tym artykule omówiono: biofizykę laserów; interakcja tkanek z promieniowaniem laserowym; urządzenia stosowane obecnie w chirurgii plastycznej i rekonstrukcyjnej; ogólne wymagania bezpieczeństwa dotyczące pracy z laserem; pytania o dalsze zastosowanie laserów w interwencjach na skórze.

Biofizyka laserów

Lasery emitują energię świetlną, która porusza się w postaci fal podobnych do zwykłego światła. Długość fali to odległość między dwoma sąsiednimi falistymi wzlotami. Amplituda to wielkość maksimum, określa intensywność promieniowania świetlnego. Częstotliwość lub okres fali świetlnej to czas wymagany do wykonania jednego pełnego cyklu falowego. Aby zrozumieć efekt lasera, ważne jest rozważenie mechaniki kwantowej. Termin "laser" (LASER) jest skrótem od wyrażenia "wzmocnienie światła przez stymulowaną emisję promieniowania". Jeśli foton, jednostka energii świetlnej, koliduje z atomem, przenosi jeden z elektronów atomu na wyższy poziom energii. Atom w tak wzbudzonym stanie staje się niestabilny i ponownie uwalnia foton, gdy elektron przechodzi na początkowy, niższy poziom energii. Proces ten jest znany jako emisja spontaniczna. Jeśli atom jest w stanie wysokoenergetycznym i zderza się z innym fotonem, to po przejściu na poziom niskiego poziomu energii przydzieli dwa fotony o tej samej długości fali, kierunku i fazie. Proces ten, zwany stymulowaną emisją promieniowania, leży u podstaw rozumienia fizyki laserowej.

Niezależnie od typu, wszystkie lasery mają cztery główne komponenty: ekscytujący mechanizm lub źródło energii, ośrodek laserowy, wnękę optyczną lub rezonator oraz układ wyrzucania. Większość laserów medycznych stosowanych w chirurgii plastycznej twarzy ma mechanizm pobudzenia elektrycznego. Niektóre lasery (na przykład laser barwnikowy wzbudzony lampą błyskową) wykorzystują światło jako mechanizm wzbudzenia. Inni mogą używać fal radiowych o wysokiej energii lub reakcji chemicznych, aby zapewnić energię wzbudzenia. Mechanizm wzbudnicy pompuje energię do komory rezonansowej zawierającej ośrodek laserowy, który może być materiałem stałym, ciekłym, gazowym lub półprzewodnikowym. Energia rozładowana do wnęki rezonatora podnosi elektrony atomów ośrodka laserowego do wyższego poziomu energii. Kiedy połowa atomów w rezonatorze osiąga wysokie wzbudzenie, następuje odwrócenie populacji. Emisja spontaniczna zaczyna się, gdy fotony są emitowane we wszystkich kierunkach, a niektóre z nich zderzają się z już wzbudzonymi atomami, co prowadzi do stymulacji emisji fotonów parowych. Wzmocnienie wzbudzonej emisji następuje, gdy fotony poruszające się wzdłuż osi między zwierciadłami odbijają się głównie w przód iw tył. Prowadzi to do kolejnej stymulacji, ponieważ fotony zderzają się z innymi wzbudzonymi atomami. Jedno lustro ma 100% odbicia, a drugie - częściowo transmituje promieniowaną energię z komory jamy. Energia ta jest przekazywana do tkanek biologicznych przez system wyrzutowy. W większości laserów jest światłowodem. Godnym uwagi wyjątkiem jest laser C02, który ma układ lusterek na zawiasach. W przypadku lasera C02 istnieją włókna optyczne, ale ograniczają rozmiar plamki i energię wyjściową.

Światło lasera w porównaniu ze zwykłym światłem jest bardziej zorganizowane i intensywniejsze pod względem jakości. Ponieważ ośrodek laserowy jest jednorodny, fotony emitowane w pobudzonej emisji mają jedną długość fali, co tworzy monochromatyczność. Zwykle światło dyfunduje silnie, gdy odsuwa się od źródła. Światło laserowe jest kolimowane: rozprasza się niewiele, zapewniając stałą intensywność energii z dużej odległości. Fotony światła laserowego nie tylko poruszają się w jednym kierunku, mają tę samą fazę czasową i przestrzenną. Nazywa się to spójnością. Własności monochromatyczności, kolimacji i koherencji odróżniają światło laserowe od nieuporządkowanej energii zwykłego światła.

Interakcja laser-tkanka

Spektrum efektów laserowych na tkankach biologicznych rozciąga się od modulacji funkcji biologicznych do parowania. Większość klinicznie stosowanych interakcji laser-tkanka obejmuje koagulację termiczną lub parowanie. W przyszłości lasery mogą być używane nie jako źródła ciepła, ale jako sondy do kontrolowania funkcji komórkowych bez efektów ubocznych efektów cytotoksycznych.

Wpływ zwykłego lasera na tkankę zależy od trzech czynników: absorpcji tkanki, długości fali lasera i gęstości energii lasera. Kiedy wiązka lasera koliduje z tkanką, jej energia może zostać pochłonięta, odbita, przesłana lub rozproszona. Przy każdej interakcji tkanki i lasera wszystkie cztery procesy zachodzą w różnym stopniu, z których najważniejsza jest absorpcja. Stopień wchłaniania zależy od zawartości chromoforu w tkance. Chromofory to substancje, które skutecznie pochłaniają fale o określonej długości. Na przykład energia lasera CO2 jest pochłaniana przez miękkie tkanki ciała. Wynika to z faktu, że długość fali odpowiadająca C02 jest dobrze pochłaniana przez cząsteczki wody, które stanowią do 80% tkanek miękkich. W przeciwieństwie do tego laser C02 jest minimalnie absorbowany przez kość, co wynika z niskiej zawartości wody w tkance kostnej. Początkowo, gdy tkanka pochłania energię lasera, jej cząsteczki zaczynają wibrować. Absorpcja dodatkowej energii powoduje denaturację, koagulację i wreszcie odparowanie białka (odparowanie).

Kiedy energia lasera jest odbijana przez tkankę, ta ostatnia nie jest uszkodzona, ponieważ zmienia się kierunek promieniowania na powierzchni. Ponadto, jeśli energia lasera przechodzi przez tkanki powierzchniowe do głębokiej warstwy, pośrednia tkanka nie ulega uszkodzeniu. Jeśli wiązka laserowa rozprasza się w tkance, energia nie jest absorbowana na powierzchni, ale losowo rozmieszczona w głębokich warstwach.

Trzecim czynnikiem dotyczącym interakcji tkanek z laserem jest gęstość energii. Kiedy laser i tkanka oddziałują, gdy wszystkie inne czynniki są stałe, zmiana rozmiaru punktu lub czasu ekspozycji może wpływać na stan tkanki. Jeżeli wielkość plamki wiązki laserowej zmniejsza się, siła działająca na pewną objętość tkanki wzrasta. I odwrotnie, jeśli rozmiar plamki wzrasta, gęstość energii wiązki laserowej maleje. Aby zmienić rozmiar plamki, możesz ustawić ostrość, ostrość lub nieostrość systemu wyrzucania na tkaninie. Przy ustawieniu wstępnym i rozogniskowaniu promieni, plamka jest większa niż wiązka skupiona, co powoduje mniejszą gęstość mocy.

Innym sposobem na zmianę efektów tkankowych jest pulsacja energii lasera. Wszystkie tryby impulsów promieniowania przerywane okresy włączania i wyłączania zasilania. Ponieważ energia nie dociera do tkanki podczas okresów przestoju, możliwe jest rozproszenie ciepła. Jeżeli okresy wyłączania są dłuższe niż czas relaksacji termicznej tkanki docelowej, prawdopodobieństwo uszkodzenia otaczającej tkanki przez przewodnictwo cieplne maleje. Czas relaksacji termicznej to czas potrzebny do rozproszenia połowy ciepła obiektu. Stosunek czasu trwania aktywnego odstępu do sumy okresów aktywnej i pasywnej pulsacji nazywa się cyklem roboczym.

Cykl operacyjny = włączony / wyłączony + wyłączony

Istnieją różne tryby impulsów. Energia może być wytwarzana w partiach przez ustawienie okresu, w którym emitowany jest laser (np. OD c). Energia może się pokrywać, gdy w pewnych odstępach czasu fala stała jest blokowana przez mechaniczną migawkę. W trybie super-pulsu energia nie jest po prostu zablokowana, ale jest przechowywana w źródle energii lasera podczas okresu wyłączenia, a następnie zostaje wyrzucona podczas okresu włączenia. Oznacza to, że energia szczytowa w trybie super-pulsu jest znacznie wyższa niż w trybie stałym lub w trybie nakładania.

W laserze generującym gigantyczny reżim impulsowy, energia jest również zachowywana podczas okresu wyłączenia, ale w środowisku lasera. Osiąga się to za pomocą mechanizmu tłumienia w komorze wnęki między dwoma zwierciadłami. Zamknięta klapka zapobiega generowaniu w laserze, ale pozwala na przechowywanie energii po każdej stronie klapy. Kiedy klapka jest otwarta, lustra oddziałują, powodując powstanie wysokoenergetycznej wiązki laserowej. Energia szczytowa lasera generującego w trybie gigantycznego pulsu jest bardzo wysoka przy krótkim cyklu działania. Laser z trybami zsynchronizowanymi jest podobny do lasera, który generuje w reżimie gigantycznego pulsu, ponieważ pomiędzy dwoma zwierciadłami w komorze wnęki znajduje się przepustnica. Laser z synchronizowanymi trybami otwiera i zamyka tłumik w synchronizacji z czasem potrzebnym na odbicie światła między dwoma zwierciadłami.

Charakterystyka laserów

• Laser dwutlenku węgla

Laser węglowy jest najczęściej stosowany w otorynolaryngologii / chirurgii głowy i szyi. Długość jego fali wynosi 10,6 nm - niewidoczna fala obszaru dalekiej podczerwieni widma promieniowania elektromagnetycznego. Prowadzenie wzdłuż wiązki lasera helowo-neonowego jest konieczne, aby chirurg mógł zobaczyć obszar oddziaływania. Ośrodek laserowy to CO2. Jego długość fali jest dobrze absorbowana przez cząsteczki wody w tkance. Efekty są powierzchowne ze względu na wysoką absorpcję i minimalne rozproszenie. Promieniowanie może być transmitowane tylko przez lustra i specjalne soczewki umieszczone na zawiasach. Drążek korby może być przymocowany do mikroskopu w celu precyzyjnej pracy przy powiększeniu. Energię można również wysunąć za pomocą rączki do ustawiania ostrości przymocowanej do pręta zawiasowego.

• Laser Nd: YAG

Długość fali lasera Nd: YAG (lasera itrowo-aluminiowego z neodymem) wynosi 1064 nm, czyli w obszarze bliskiej podczerwieni. Jest niewidoczny dla ludzkiego oka i wymaga sugestywnego lasera helowo-neonowego. Środkiem laserowym jest granat itrowo-aluminiowy z neodymem. Większość tkanek ciała nie absorbuje dobrze tej długości fali. Jednak zabarwiona tkanka absorbuje je lepiej niż bez pigmentu. Energia jest przenoszona przez warstwy powierzchniowe większości tkanek i jest rozproszona w głębokich warstwach.

W porównaniu z laserem z dwutlenkiem węgla rozpraszanie Nd: YAG jest znacznie większe. Dlatego głębokość penetracji jest większa, a Nd: YAG dobrze nadaje się do koagulacji głęboko leżących naczyń. W eksperymencie maksymalna głębokość koagulacji wynosi około 3 mm (temperatura koagulacji +60 ° C). Zgłaszano dobre wyniki leczenia głębokich okostnych form kapilarnych i jamistych za pomocą lasera Nd: YAG. Istnieje również raport na temat skutecznej fotokoagulacji laserowej z naczyniakami krwionośnymi, naczyniakami limfatycznymi i tętniczo-żylnymi formacjami wrodzonymi. Jednak większa głębokość penetracji i masowe niszczenie predysponują do wzrostu pooperacyjnych blizn. Klinicznie jest to minimalizowane dzięki bezpiecznym ustawieniom mocy, punktowemu podejściu do wybuchu i unikaniu obszarów skóry. W praktyce użycie ciemnoczerwonego lasera Nd: YAG zostało praktycznie zastąpione przez lasery o długości fali leżącej w żółtej części widma. Jest on jednak stosowany jako laser pomocniczy do formacji węzłowych ciemnoczerwonego koloru (kolor portu).

Wykazano, że laser Nd: YAG hamuje produkcję kolagenu, zarówno w hodowli fibroblastów, jak i zdrowej skórze in vivo. Sugeruje to powodzenie tego lasera w leczeniu przerosłych blizn i bliznowców. Ale klinicznie częstość nawrotów po bliznowcach jest wysoka, pomimo silnego dodatkowego leczenia miejscowego steroidami.

• Skontaktuj się z laserem Nd: YAG

Zastosowanie lasera Nd: YAG w trybie kontaktu znacząco zmienia fizyczne właściwości i chłonność promieniowania. Końcówka kontaktowa składa się z kryształu szafiru lub kwarcu, bezpośrednio przymocowanego do końca włókna laserowego. Końcówka kontaktowa oddziałuje bezpośrednio ze skórą i działa jak termiczny skalpel, jednocześnie tnąc i koagulując. Istnieją doniesienia o stosowaniu końcówki kontaktowej z szerokim zakresem interwencji na tkanki miękkie. Te zastosowania są bliższe elektrokoagulacji niż bezdotykowe Nd: YAG. Zasadniczo, chirurdzy używają teraz specyficznych dla lasera długości fal, nie do cięcia tkanek, ale do podgrzewania końcówki. Dlatego zasady interakcji lasera z tkankami nie mają tutaj zastosowania. Czas reakcji na laser kontaktowy nie jest tak bezpośredni jak w przypadku użycia wolnego włókna, a zatem istnieje okres opóźnienia dla ogrzewania i chłodzenia. Jednak z doświadczeniem ten laser staje się wygodny do przydzielania przeszczepów skóry i mięśni.

• Laser argonowy

Laser argonowy emituje widoczne fale o długości 488-514 nm. Ze względu na konstrukcję komory wnękowej i strukturę molekularną ośrodka laserowego, ten typ lasera wytwarza długi zakres długości fal. Poszczególne modele mogą mieć filtr ograniczający promieniowanie do pojedynczej długości fali. Energia lasera argonowego jest dobrze absorbowana przez hemoglobinę, a jego dyspersja jest pośrednia między dwutlenkiem węgla a laserem Nd: YAG. System promieniowania lasera argonowego jest nośnikiem światłowodowym. Ze względu na duże wchłanianie przez hemoglobinę, nowotwory naczyniowe skóry również pochłaniają energię lasera.

• Laser KTP

Laserem KTP (fosforan potasu) jest laser Nd: YAG, którego częstotliwość jest podwojona (długość fali jest o połowę mniejsza) poprzez przekazywanie energii lasera przez kryształ KT. Daje to zielone światło (długość fali 532 nm), co odpowiada szczytowi absorpcji hemoglobiny. Jego przenikanie do tkanek i rozproszenie jest podobne do działania lasera argonowego. Energia lasera jest przenoszona przez włókno. W trybie bezkontaktowym laser odparowuje i koaguluje. W trybie półkontaktowym czubek włókna ledwo dotyka tkaniny i staje się narzędziem tnącym. Im więcej energii zużywasz, tym bardziej laser działa jak nóż termiczny, podobnie jak laser węglowy. Instalacje o niższej energii są używane przede wszystkim do koagulacji.

• Laser barwnikowy wzbudzany przez lampę błyskową

Laser barwnikowy wzbudzony przez lampę błyskową był pierwszym laserem medycznym specjalnie opracowanym do leczenia łagodnych nowotworów naczyniowych skóry. Jest to laser o widzialnym świetle o długości fali 585 nm. Ta długość fali zbiega się z trzecim szczytem absorpcji przez oksyhemoglobinę, a zatem energia tego lasera jest w przeważającej mierze absorbowana przez hemoglobinę. W zakresie 577-585 nm jest również mniej absorpcji przez konkurujące chromofory, takie jak melanina, oraz mniejsze rozpraszanie energii laserowej w skórze właściwej i naskórku. Środkiem laserowym jest barwnik rodaminowy, który jest optycznie wzbudzany przez lampę błyskową, a układ promieniowania jest nośnikiem światłowodu. Końcówka lasera barwnika ma wymienny system soczewek, który umożliwia utworzenie plamki o wymiarach 3, 5, 7 lub 10 mm. Laser pulsuje z czasem 450 ms. Ten wskaźnik pulsacji wybrano w oparciu o czas relaksacji termicznej naczyń ektycznych stwierdzonych w łagodnych nowotworach naczyniowych skóry.

• Laser z parami miedzi

Laser z parą miedzi wytwarza widoczne promieniowanie o dwóch różnych długościach fali: pulsowej zielonej fali o długości 512 nm i pulsującej żółtej fali o długości 578 nm. Ośrodek laserowy to miedź, która jest elektrycznie wzbudzana (odparowywana). System włókien światłowodowych przekazuje energię do końcówki, która ma zmienny rozmiar plamki 150-1000 μm. Czas ekspozycji wynosi od 0,075 s do stałej. Czas pomiędzy impulsami zmienia się także od 0,1 s do 0,8 s. Światło lasera z żółtym opadem miedzi jest stosowane w leczeniu łagodnych zmian naczyniowych na twarzy. Zieloną falę można stosować do leczenia takich barwionych formacji, takich jak piegi, soczewki, zapalenie powieki i rogowacenie.

• Niewzmocniony żółty laser barwnikowy

Żółty laser barwnikowy z nieuszkodzoną falą jest laserem widzialnym wytwarzającym żółte światło o długości fali 577 nm. Jak laser na barwniku, wzbudzony lampą błyskową, jest dostrajany poprzez zmianę barwnika w komorze aktywacji lasera. Barwnik jest wzbudzany laserem argonowym. System wyrzutu dla tego lasera to także kabel światłowodowy, który może skupiać się na różnych rozmiarach plamek. Światło lasera może pulsować za pomocą mechanicznej migawki lub końcówki Hexascanner dołączonej do końca systemu światłowodowego. Hexascanner losowo kieruje impulsy energii laserowej do heksagonalnego konturu. Podobnie jak laser barwnikowy wzbudzony lampą błyskową i laser z parą miedzi, żółty laser barwnikowy z nieuszkodzoną falą idealnie nadaje się do leczenia łagodnych zmian naczyniowych na twarzy.

• Laser erbowy

Erbium: laser UAS wykorzystuje pasmo widma absorpcyjnego z wodą o długości 3000 nm. Jego długość fali 2940 nm odpowiada temu szczytowi i jest silnie absorbowana przez wodę z tkanek (około 12 razy większa niż laser na dwutlenku węgla). Ten laser, emitujący widmo w bliskiej podczerwieni, jest niewidoczny dla oka i powinien być używany z widoczną wiązką prowadzącą. Laser jest pompowany przez lampę błyskową i emituje makropulsy o czasie trwania 200-300 μs, które składają się z szeregu mikropulsów. Lasery te są używane z końcówką przymocowaną do listwy zawiasowej. W systemie można również zintegrować urządzenie skanujące, aby szybciej i bardziej równomiernie usunąć tkankę.

• Ruby laser

Laser rubowy - laser pompowany przez pulsacyjną lampę emitującą światło o długości fali 694 nm. Ten laser, znajdujący się w czerwonym obszarze widma, jest widoczny za pomocą oka. Może mieć migawkę laserową do wytwarzania krótkich impulsów i osiągnięcia głębszej penetracji tkanki (głębiej niż 1 mm). Długotrwały laser rubinowy służy do preferencyjnego ogrzewania mieszków włosowych podczas depilacji laserowej. To promieniowanie laserowe jest transmitowane za pomocą luster i układu odchylanego pręta. Jest słabo wchłaniany przez wodę, ale silnie wchłaniany przez melaninę. Różne pigmenty stosowane w tatuażach pochłaniają również promienie o długości fali 694 nm.

• Laser aleksandrytowy

Laser aleksandrytowy, laser półprzewodnikowy, który może być nadmuchiwany lampą błyskową, ma długość fali 755 nm. Ta długość fali, umieszczona w czerwonej części widma, nie jest widoczna dla oka i dlatego wymaga belki prowadzącej. Pochłaniają go niebieskie i czarne pigmenty do tatuaży, a także melaniny, ale nie hemoglobiny. Jest to stosunkowo kompaktowy laser, który może przenosić promieniowanie na elastyczne włókno. Laser wnika głęboko, co sprawia, że jest wygodny do usuwania włosów i tatuaży. Rozmiar plamki wynosi 7 i 12 mm.

• Laser diodowy

Niedawno diody na materiałach nadprzewodnikowych sprzężono bezpośrednio z urządzeniami światłowodowymi, co doprowadziło do emisji promieniowania laserowego o różnych długościach fali (w zależności od właściwości użytych materiałów). Lasery diodowe wyróżniają się swoją wydajnością. Mogą przenosić napływającą energię elektryczną do światła z wydajnością 50%. Ta wydajność, związana z mniejszym wytwarzaniem ciepła i mocą wejściową, umożliwia kompaktowym laserom diodowym projektowanie pozbawione dużych układów chłodzenia. Światło jest transmitowane światłowodowo.

• Filtrowana lampa impulsowa

Filtrowana lampa impulsowa używana do depilacji nie jest laserem. Przeciwnie, jest to intensywne, niespójne widmo impulsu. W przypadku emisji światła o długości fali 590-1200 nm system wykorzystuje filtry kryształów. 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]