Laserele în chirurgia plastică

La începutul secolului trecut, Einstein a explicat teoretic procesele care trebuie să aibă loc atunci când un laser emite energie într-o lucrare intitulată „Teoria cuantică a radiațiilor”. Maiman a construit primul laser în 1960. De atunci, tehnologia laser s-a dezvoltat rapid, producând o varietate de lasere care acoperă întregul spectru electromagnetic. Acestea au fost combinate de atunci cu alte tehnologii, inclusiv sisteme de imagistică, robotică și computere, pentru a îmbunătăți precizia administrării laserului. Prin colaborări în fizică și bioinginerie, laserele medicale au devenit o parte importantă a instrumentelor terapeutice ale chirurgilor. La început, erau voluminoase și erau folosite doar de chirurgii special instruiți în fizica laserelor. În ultimii 15 ani, designul laserelor medicale a avansat pentru a le face mai ușor de utilizat, iar mulți chirurgi au învățat elementele de bază ale fizicii laserelor ca parte a pregătirii lor postuniversitare.

Acest articol discută: biofizica laserelor; interacțiunea țesuturilor cu radiațiile laser; dispozitive utilizate în prezent în chirurgia plastică și reconstructivă; cerințe generale de siguranță atunci când se lucrează cu lasere; probleme legate de utilizarea ulterioară a laserelor în intervențiile cutanate.

Biofizica laserelor

Laserele emit energie luminoasă care se deplasează în unde similare luminii obișnuite. Lungimea de undă este distanța dintre două vârfuri adiacente ale undei. Amplitudinea este dimensiunea vârfului, determinând intensitatea luminii. Frecvența, sau perioada, unei unde luminoase este timpul necesar pentru ca unda să finalizeze un ciclu. Pentru a înțelege cum funcționează un laser, este important să înțelegem mecanica cuantică. Termenul LASER este un acronim pentru Amplificarea Luminii prin Emisie Stimulată de Radiații. Când un foton, o unitate de energie luminoasă, lovește un atom, acesta face ca unul dintre electronii atomului să sară la un nivel de energie mai ridicat. Atomul devine instabil în această stare excitată, eliberând un foton atunci când electronul revine la nivelul său de energie inițial, mai scăzut. Acest proces este cunoscut sub numele de emisie spontană. Dacă un atom se află într-o stare de energie ridicată și se ciocnește cu un alt foton, când revine la o stare de energie scăzută, va elibera doi fotoni care au lungime de undă, direcție și fază identice. Acest proces, numit emisie stimulată de radiații, este fundamental pentru înțelegerea fizicii laserelor.

Indiferent de tip, toate laserele au patru componente de bază: un mecanism de excitație sau o sursă de energie, un mediu laser, o cavitate optică sau rezonator și un sistem de ejecție. Majoritatea laserelor medicale utilizate în chirurgia plastică facială au un mecanism de excitație electrică. Unele lasere (cum ar fi un laser cu colorant excitat cu lampă flash) utilizează lumina ca mecanism de excitație. Altele pot utiliza unde de radiofrecvență de înaltă energie sau reacții chimice pentru a furniza energie de excitație. Mecanismul de excitație pompează energie într-o cameră rezonantă care conține mediul laser, care poate fi un solid, lichid, gaz sau material semiconductor. Energia deversată în cavitatea rezonatorului ridică electronii atomilor din mediul laser la un nivel de energie mai ridicat. Când jumătate dintre atomii din rezonator sunt puternic excitați, are loc o inversiune a populației. Emisia spontană începe pe măsură ce fotonii sunt emiși în toate direcțiile, iar unii se ciocnesc cu atomii deja excitați, rezultând emisia stimulată de fotoni perechi. Emisia stimulată este amplificată pe măsură ce fotonii care călătoresc de-a lungul axei dintre oglinzi sunt reflectați preferențial înainte și înapoi. Acest lucru are ca rezultat o stimulare secvențială pe măsură ce acești fotoni se ciocnesc cu alți atomi excitați. O oglindă este 100% reflectorizantă, în timp ce cealaltă oglindă transmite parțial energia emisă din camera rezonatorului. Această energie este transferată țesutului biologic printr-un sistem de ejecție. Pentru majoritatea laserelor, acesta este cu fibră optică. O excepție notabilă este laserul cu CO2, care are un sistem de oglinzi pe un braț articulat. Fibrele optice sunt disponibile pentru laserul cu CO2, dar acestea limitează dimensiunea spotului și energia de ieșire.

Lumina laser este mai organizată și calitativ mai intensă decât lumina obișnuită. Deoarece mediul laser este omogen, fotonii emiși prin emisie stimulată au o singură lungime de undă, ceea ce creează monocromaticitate. În mod normal, lumina este puternic împrăștiată pe măsură ce se îndepărtează de sursă. Lumina laser este colimată: este puțin împrăștiată, oferind o intensitate energetică constantă pe o distanță mare. Fotonii luminii laser nu numai că se mișcă în aceeași direcție, dar au și aceeași fază temporală și spațială. Aceasta se numește coerență. Proprietățile monocromaticității, colimației și coerenței disting lumina laser de energia dezordonată a luminii obișnuite.

Interacțiunea laser-țesut

Spectrul efectelor laserului asupra țesuturilor biologice se extinde de la modularea funcțiilor biologice până la vaporizare. Majoritatea interacțiunilor laser-țesut utilizate clinic se referă la capacitățile termice de coagulare sau vaporizare. În viitor, laserele ar putea fi utilizate nu ca surse de căldură, ci ca sonde pentru controlul funcțiilor celulare fără efecte secundare citotoxice.

Efectul unui laser convențional asupra țesutului depinde de trei factori: absorbția țesuturilor, lungimea de undă a laserului și densitatea energiei laserului. Când un fascicul laser atinge țesutul, energia sa poate fi absorbită, reflectată, transmisă sau împrăștiată. Toate cele patru procese au loc în grade diferite în orice interacțiune țesut-laser, dintre care absorbția este cea mai importantă. Gradul de absorbție depinde de conținutul de cromofori al țesutului. Cromoforii sunt substanțe care absorb eficient undele de o anumită lungime. De exemplu, energia laserului cu CO2 este absorbită de țesuturile moi ale corpului. Acest lucru se datorează faptului că lungimea de undă corespunzătoare CO2 este bine absorbită de moleculele de apă, care reprezintă până la 80% din țesutul moale. În schimb, absorbția laserului cu CO2 este minimă în os, din cauza conținutului scăzut de apă al țesutului osos. Inițial, când țesutul absoarbe energia laserului, moleculele sale încep să vibreze. Absorbția energiei suplimentare provoacă denaturarea, coagularea și, în final, evaporarea proteinei (vaporizare).

Când energia laser este reflectată de țesut, acesta din urmă nu este deteriorat, deoarece direcția radiației la suprafață se schimbă. De asemenea, dacă energia laser trece prin țesuturile superficiale în stratul profund, țesutul intermediar nu este afectat. Dacă fasciculul laser este împrăștiat în țesut, energia nu este absorbită la suprafață, ci este distribuită aleatoriu în straturile profunde.

Al treilea factor care privește interacțiunea țesutului cu laserul este densitatea energiei. În interacțiunea dintre laser și țesut, atunci când toți ceilalți factori sunt constanți, modificarea dimensiunii spotului sau a timpului de expunere poate afecta starea țesutului. Dacă dimensiunea spotului fasciculului laser scade, puterea care acționează asupra unui anumit volum de țesut crește. În schimb, dacă dimensiunea spotului crește, densitatea energiei fasciculului laser scade. Pentru a modifica dimensiunea spotului, sistemul de ejecție de pe țesut poate fi focalizat, prefocalizat sau defocalizat. În fasciculele prefocalizate și defocalizate, dimensiunea spotului este mai mare decât fasciculul focalizat, rezultând o densitate de putere mai mică.

O altă modalitate de a varia efectele asupra țesuturilor este prin pulsarea energiei laser. Toate modurile pulsate alternează între perioade de activare și dezactivare. Deoarece energia nu ajunge la țesut în timpul perioadelor de activare, există posibilitatea ca energia să se disipeze. Dacă perioadele de activare sunt mai lungi decât timpul de relaxare termică al țesutului țintă, probabilitatea deteriorării țesutului înconjurător prin conducție este redusă. Timpul de relaxare termică este timpul necesar pentru ca jumătate din căldura din țintă să se disipeze. Raportul dintre intervalul activ și suma intervalelor de pulsație active și pasive se numește ciclu de funcționare.

Ciclu de funcționare = pornit/pornit + oprit

Există diverse moduri de impuls. Energia poate fi eliberată în rafale prin setarea perioadei în care laserul emite (de exemplu, 10 secunde). Energia poate fi blocată, unde unda constantă este blocată la anumite intervale de un obturator mecanic. În modul superpuls, energia nu este pur și simplu blocată, ci stocată în sursa de energie laser în timpul perioadei de oprire și apoi eliberată în timpul perioadei de pornire. Adică, energia de vârf în modul superpuls este semnificativ mai mare decât cea din modul constant sau de blocare.

Într-un laser cu impulsuri gigantice, energia este stocată și în timpul perioadei de inactivitate, dar în mediul laser. Acest lucru se realizează printr-un mecanism obturator în camera cavității dintre cele două oglinzi. Când obturatorul este închis, laserul nu emite laser, ci energia este stocată pe fiecare parte a obturatorului. Când obturatorul este deschis, oglinzile interacționează pentru a produce un fascicul laser de înaltă energie. Energia de vârf a unui laser cu impulsuri gigantice este foarte mare, cu un ciclu de funcționare scurt. Un laser cu mod blocat este similar cu un laser cu impulsuri gigantice prin faptul că există un obturator între cele două oglinzi din camera cavității. Laserul cu mod blocat își deschide și închide obturatorul în sincronizare cu timpul necesar pentru ca lumina să se reflecte între cele două oglinzi.

Caracteristicile laserelor

• Laser cu dioxid de carbon

Laserul cu dioxid de carbon este cel mai frecvent utilizat în otorinolaringologie/chirurgia capului și gâtului. Lungimea sa de undă este de 10,6 nm, o undă invizibilă în regiunea infraroșie îndepărtată a spectrului electromagnetic. Ghidarea de-a lungul fasciculului laser heliu-neon este necesară pentru ca chirurgul să poată vedea zona de acțiune. Mediul laser este CO2. Lungimea sa de undă este bine absorbită de moleculele de apă din țesut. Efectele sunt superficiale datorită absorbției ridicate și împrăștierii minime. Radiația poate fi transmisă doar prin oglinzi și lentile speciale plasate pe o tijă articulată. Brațul manivelei poate fi atașat la un microscop pentru lucrări de precizie sub mărire. Energia poate fi, de asemenea, ejectată printr-un mâner de focalizare atașat la tija articulată.

• Laser Nd:YAG

Lungimea de undă a laserului Nd:YAG (ytriu-aluminiu-granat cu neodim) este de 1064 nm, adică se află în regiunea infraroșului apropiat. Este invizibil pentru ochiul uman și necesită un fascicul laser de heliu-neon ghidat. Mediul laser este ytriu-aluminiu-granat cu neodim. Majoritatea țesuturilor corpului absorb slab această lungime de undă. Cu toate acestea, țesutul pigmentat o absoarbe mai bine decât țesutul nepigmentat. Energia este transmisă prin straturile superficiale ale majorității țesuturilor și se disipează în straturile profunde.

Comparativ cu laserul cu dioxid de carbon, împrăștierea Nd:YAG este semnificativ mai mare. Prin urmare, adâncimea de penetrare este mai mare, iar Nd:YAG este potrivit pentru coagularea vaselor profunde. În experiment, adâncimea maximă de coagulare este de aproximativ 3 mm (temperatura de coagulare +60 °C). Au fost raportate rezultate bune în tratamentul formațiunilor capilare periorale profunde și cavernoase folosind laserul Nd:YAG. Există, de asemenea, un raport despre fotocoagularea cu laser cu succes a hemangioamelor, limfangioamelor și formațiunilor congenitale arteriovenoase. Cu toate acestea, adâncimea mai mare de penetrare și distrugerea neselectivă predispun la creșterea cicatricilor postoperatorii. Clinic, acest lucru este redus la minimum prin setări sigure de putere, o abordare punctuală a leziunii și evitarea tratării zonelor cutanate. În practică, utilizarea laserului Nd:YAG roșu închis a fost practic înlocuită de lasere cu o lungime de undă situată în partea galbenă a spectrului. Cu toate acestea, este utilizat ca laser adjuvant pentru leziunile nodulare de culoare roșu închis (vin de Porto).

S-a demonstrat că laserul Nd:YAG inhibă producția de colagen atât în culturile de fibroblaste, cât și în pielea normală in vivo. Acest lucru sugerează succesul în tratarea cicatricilor hipertrofice și a cheloidelor. Cu toate acestea, clinic, ratele de recurență după excizia cheloidelor sunt ridicate, în ciuda tratamentului adjuvant puternic cu steroizi topici.

• Laser de contact Nd:YAG

Utilizarea laserului Nd:YAG în modul de contact modifică semnificativ proprietățile fizice și absorbția radiației. Vârful de contact este alcătuit dintr-un cristal de safir sau cuarț atașat direct la capătul fibrei laser. Vârful de contact interacționează direct cu pielea și acționează ca un bisturiu termic, tăind și coagulând simultan. Există rapoarte despre utilizarea vârfului de contact într-o gamă largă de intervenții pe țesuturi moi. Aceste aplicații sunt mai apropiate de cele ale electrocoagulării decât de modul Nd:YAG fără contact. În general, chirurgii folosesc acum lungimile de undă inerente ale laserului nu pentru tăierea țesutului, ci pentru încălzirea vârfului. Prin urmare, principiile interacțiunii laser-țesut nu sunt aplicabile aici. Timpul de răspuns la laserul de contact nu este la fel de direct legat ca în cazul fibrei libere și, prin urmare, există o perioadă de întârziere pentru încălzire și răcire. Cu toate acestea, odată cu experiența, acest laser devine convenabil pentru izolarea lambourilor de piele și mușchi.

• Laser cu argon

Laserul cu argon emite unde vizibile cu o lungime de 488-514 nm. Datorită designului camerei de rezonanță și structurii moleculare a mediului laser, acest tip de laser produce o gamă de unde lungi. Unele modele pot avea un filtru care limitează radiația la o singură lungime de undă. Energia laserului cu argon este bine absorbită de hemoglobină, iar împrăștierea sa este intermediară între cea a unui laser cu dioxid de carbon și cea a unui laser Nd:YAG. Sistemul de radiații pentru laserul cu argon este un purtător cu fibră optică. Datorită absorbției ridicate de către hemoglobină, neoplasmele vasculare ale pielii absorb, de asemenea, energia laserului.

• Laser KTF

Laserul KTP (fosfat de titanil de potasiu) este un laser Nd:YAG a cărui frecvență este dublată (lungimea de undă este redusă la jumătate) prin trecerea energiei laserului printr-un cristal KTP. Aceasta produce lumină verde (lungime de undă 532 nm), care corespunde vârfului de absorbție al hemoglobinei. Penetrarea și împrăștierea sa în țesuturi sunt similare cu cele ale unui laser cu argon. Energia laserului este transmisă printr-o fibră. În modul fără contact, laserul se vaporizează și coagulează. În modul semi-contact, vârful fibrei atinge abia țesutul și devine un instrument de tăiere. Cu cât energia utilizată este mai mare, cu atât laserul acționează mai mult ca un cuțit termic, similar unui laser cu dioxid de carbon. Unitățile de energie mai mici sunt utilizate în principal pentru coagulare.

• Laser cu colorant excitat cu lampă flash

Laserul cu colorant excitat cu lampă flash a fost primul laser medical special conceput pentru tratamentul leziunilor vasculare benigne ale pielii. Este un laser cu lumină vizibilă cu o lungime de undă de 585 nm. Această lungime de undă coincide cu al treilea vârf de absorbție al oxihemoglobinei și, prin urmare, energia acestui laser este absorbită predominant de hemoglobină. În intervalul 577-585 nm există, de asemenea, o absorbție mai mică de către cromoforii concurenți, cum ar fi melanina, și o împrăștiere mai mică a energiei laserului în derm și epidermă. Mediul laser este colorantul rodamină, care este excitat optic de o lampă flash, iar sistemul de emisie este un purtător cu fibră optică. Vârful laserului cu colorant are un sistem de lentile interschimbabile care permite crearea unei dimensiuni a spotului de 3, 5, 7 sau 10 mm. Laserul pulsează cu o perioadă de 450 ms. Acest indice de pulsatilitate a fost ales pe baza timpului de relaxare termică a vaselor ectatice găsite în leziunile vasculare benigne ale pielii.

• Laser cu vapori de cupru

Laserul cu vapori de cupru produce lumină vizibilă cu două lungimi de undă separate: o undă verde pulsată de 512 nm și o undă galbenă pulsată de 578 nm. Mediul laser este cuprul, care este excitat (vaporizat) electric. Un sistem de fibre transmite energie către vârf, care are o dimensiune variabilă a spotului de 150-1000 µm. Timpul de expunere variază de la 0,075 s la o valoare constantă. Intervalul de timp dintre impulsuri variază, de asemenea, de la 0,1 s la 0,8 s. Lumina galbenă a laserului cu vapori de cupru este utilizată pentru a trata leziunile vasculare benigne de pe față. Unda verde poate fi utilizată pentru a trata leziunile pigmentate, cum ar fi pistrui, lentigine, nevi și keratoză.

• Laser cu colorant galben care nu se decolorează

Laserul galben cu colorant CW este un laser cu lumină vizibilă care produce lumină galbenă cu o lungime de undă de 577 nm. La fel ca laserul cu colorant excitat cu lampă bliț, acesta este reglat prin schimbarea colorantului în camera de activare a laserului. Colorantul este excitat de un laser cu argon. Sistemul de ejecție pentru acest laser este, de asemenea, un cablu cu fibră optică care poate fi focalizat pe diferite dimensiuni ale spotului. Lumina laser poate fi pulsată folosind un obturator mecanic sau un vârf Hexascanner care se atașează la capătul sistemului cu fibră optică. Hexascanner direcționează aleatoriu impulsuri de energie laser într-un model hexagonal. La fel ca laserul cu colorant excitat cu lampă bliț și laserul cu vapori de cupru, laserul galben cu colorant CW este ideal pentru tratamentul leziunilor vasculare benigne de pe față.

• Laser cu erbiu

Laserul Erbium:UAS utilizează banda de absorbție a apei de 3000 nm. Lungimea sa de undă de 2940 nm corespunde acestui vârf și este puternic absorbită de apa din țesuturi (de aproximativ 12 ori mai mult decât laserul CO2). Acest laser în infraroșu apropiat este invizibil pentru ochi și trebuie utilizat cu un fascicul de direcționare vizibil. Laserul este pompat de o lampă cu bliț și emite macroimpulsuri cu o durată de 200-300 μs, care constau dintr-o serie de microimpulsuri. Aceste lasere sunt utilizate cu o piesă de mână atașată la un braț articulat. De asemenea, un dispozitiv de scanare poate fi integrat în sistem pentru o îndepărtare mai rapidă și mai uniformă a țesuturilor.

• Laser rubin

Laserul rubin este un laser pompat cu lampă flash care emite lumină la o lungime de undă de 694 nm. Acest laser, care se află în regiunea roșie a spectrului, este vizibil cu ochiul liber. Poate avea un obturator laser pentru a produce impulsuri scurte și a obține o penetrare mai profundă a țesuturilor (mai adâncă de 1 mm). Laserul rubin cu impulsuri lungi este utilizat pentru a încălzi preferențial foliculii de păr în epilarea cu laser. Această lumină laser este transmisă folosind oglinzi și un sistem de braț articulat. Este slab absorbită de apă, dar este puternic absorbită de melanină. Diverși pigmenți utilizați pentru tatuaje absorb, de asemenea, razele de 694 nm.

• Laser cu alexandrit

Laserul Alexandrite, un laser în stare solidă care poate fi pompat de o lampă cu bliț, are o lungime de undă de 755 nm. Această lungime de undă, în partea roșie a spectrului, nu este vizibilă cu ochiul liber și, prin urmare, necesită un fascicul ghid. Este absorbită de pigmenții albaștri și negri pentru tatuaje, precum și de melanină, dar nu și de hemoglobină. Este un laser relativ compact care poate transmite radiații printr-un ghid de lumină flexibil. Laserul pătrunde relativ adânc, fiind potrivit pentru îndepărtarea părului și a tatuajelor. Dimensiunile spoturilor sunt de 7 și 12 mm.

• Laser cu diodă

Recent, diodele de pe materiale supraconductoare au fost cuplate direct la dispozitive cu fibră optică, rezultând emisia de lumină laser la diferite lungimi de undă (în funcție de caracteristicile materialelor utilizate). Laserele cu diode se disting prin eficiența lor. Acestea pot converti energia electrică primită în lumină cu o eficiență de 50%. Această eficiență, asociată cu o generare de căldură și o putere de intrare mai mici, permite proiectarea laserelor cu diode compacte fără sisteme mari de răcire. Lumina este transmisă prin fibră optică.

• Lampă cu bliț filtrat

Lampa pulsată cu filtru utilizată pentru epilare nu este un laser. În schimb, este un spectru pulsat intens, necoerent. Sistemul folosește filtre de cristal pentru a emite lumină cu o lungime de undă de 590-1200 nm. Lățimea și densitatea integrală a impulsului, de asemenea variabile, îndeplinesc criteriile pentru fototermoliză selectivă, ceea ce plasează acest dispozitiv la egalitate cu laserele pentru epilare.

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