Lasere in chirurgie plastica

La începutul secolului trecut, într-o publicație intitulată "Teoria cuantică a radiației", Einstein a fundamentat teoretic procesele care trebuie să aibă loc când laserul emite energie. Maiman a construit primul laser în 1960. De atunci, dezvoltarea rapidă a tehnologiei laser, ducând la crearea unei varietăți de lasere, acoperind întregul spectru electromagnetic. Apoi au fuzionat cu alte tehnologii, inclusiv sisteme de vizualizare, robotică și calculatoare, pentru a îmbunătăți acuratețea transmiterii radiațiilor laser. Ca urmare a cooperării în domeniul fizicii și al bioingineriei, laserele medicale ca agenți terapeutici au devenit o parte importantă a arsenalului chirurgilor. Inițial, au fost greoaie și au fost folosite numai de către chirurgi care au fost special instruiți în fizica laserelor. În ultimii 15 ani, designul de lasere medicale a avansat în direcția ușurinței utilizării și mulți chirurgi au studiat elementele de bază ale fizicii laser în învățământul postuniversitar.

Acest articol discută: biofizica laserelor; interacțiunea țesuturilor cu radiațiile laser; dispozitive utilizate în prezent în chirurgie plastică și reconstructivă; cerințele generale de siguranță pentru lucrul cu laserele; întrebări privind aplicarea ulterioară a laserelor la intervențiile pe piele.

Biofizica laserelor

Laserele emit energie luminoasă, care se mișcă sub formă de valuri asemănătoare cu lumina obișnuită. Lungimea de undă este distanța dintre două valuri adiacente. Amplitudinea este magnitudinea maximului, determină intensitatea radiației luminoase. Frecvența sau perioada de undă luminoasă reprezintă timpul necesar pentru un ciclu complet de undă. Pentru a înțelege efectul unui laser, este important să luați în considerare mecanica cuantică. Termenul "laser" (LASER) este o abreviere a expresiei "amplificarea luminii prin emisia stimulată de radiație". Dacă un foton, o unitate de energie luminoasă, se ciocnește cu un atom, acesta transferă unul din electronii atomului la un nivel de energie mai ridicat. Atomul într-o astfel de stare excitat devine instabil și eliberează din nou un foton atunci când electronul trece la nivelul inițial, mai scăzut de energie. Acest proces este cunoscut ca emisie spontană. Dacă un atom este în stare de energie înaltă și se ciocnește cu un alt foton, atunci, la trecerea la un nivel de energie redus, va aloca doi fotoni care au aceeași lungime de undă, direcție și fază. Acest proces, numit emisie stimulată de radiații, subliniază înțelegerea fizicii laser.

Indiferent de tip, toate laserele au patru componente principale: un mecanism incitant sau o sursă de energie, un mediu laser, o cavitate optică sau un rezonator și un sistem de ejecție. Cele mai multe lasere medicale folosite în chirurgia plastică faciale au un mecanism de excitație electrică. Unele lasere (de exemplu, un laser de colorare excitat de o lampă flash) utilizează lumină ca mecanism de excitație. Alții pot folosi unde radio radio de mare energie sau reacții chimice pentru a furniza energie de excitație. Mecanismul de excitare pompează energia într-o cameră rezonantă care conține un mediu laser, care poate fi un material solid, lichid, gazos sau semiconductor. Energia descărcată în cavitatea rezonatorului ridică electronii atomilor mediului laser la un nivel de energie mai ridicat. Atunci când jumătate din atomii din rezonator ating o excitație mare, apare inversarea populației. Emisia spontană începe atunci când fotonii sunt emise în toate direcțiile și unele dintre ele se ciocnesc cu atomii deja excitați, ceea ce duce la emisia stimulată de fotoni de perechi. Amplificarea emisiei stimulate apare deoarece fotonii care se deplasează de-a lungul axei dintre oglinzi sunt reflectați în principal înainte și înapoi. Aceasta conduce la o stimulare succesivă, deoarece acești fotoni se ciocnesc cu alți atomi excitați. O oglindă are o reflectare de 100%, iar cealaltă - transmite parțial energia radiată din camera cavității. Această energie este transferată țesuturilor biologice prin sistemul de evacuare. În cele mai multe lasere este fibră optică. O excepție notabilă este laserul C02, care are un sistem de oglinzi pe o bară articulată. Pentru laserul C02 există fibre optice, dar limitează dimensiunea spotului și energia de ieșire.

Lumina laserului în comparație cu lumina obișnuită este mai organizată și intensivă din punct de vedere calitativ. Deoarece mediul laser este omogen, fotonii emise sub emisie stimulată au o lungime de undă, care creează monochromaticitate. De obicei, lumina difuzează puternic când se îndepărtează de sursă. Lampa laser este colimată: se disipează puțin, oferind o intensitate constantă a energiei la o distanță mare. Fotonii de lumină laser nu numai că se mișcă într-o singură direcție, ci au aceeași fază temporală și spațială. Aceasta se numește coerență. Proprietățile monochromaticității, colimării și coerenței disting lumina laser de energia dezordonată a luminii obișnuite.

Interacțiunea laser-țesut

Spectrul de efecte laser asupra țesuturilor biologice se extinde de la modularea funcțiilor biologice la evaporare. Cele mai multe interacțiuni laser-țesut utilizate clinic implică coagularea termică sau evaporarea. În viitor, laserele nu pot fi folosite ca surse de căldură, ci ca sonde pentru controlul funcțiilor celulare fără efecte secundare ale efectelor citotoxice.

Efectul unui laser obișnuit asupra țesutului depinde de trei factori: absorbția țesutului, lungimea de undă a laserului și densitatea energiei laser. Când un fascicul laser se ciocnește cu un țesut, energia sa poate fi absorbită, reflectată, transmisă sau împrăștiată. Cu orice interacțiune de țesut și laser, toate cele patru procese apar în grade diferite, dintre care absorbția este cea mai importantă. Gradul de absorbție depinde de conținutul cromoforului din țesut. Cromoforii sunt substanțe care absoarbe efectiv valuri de o anumită lungime. De exemplu, energia laserului 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 țesuturile moi. În contrast, laserul C02 este absorbit minim de os, datorită conținutului scăzut de apă din țesutul osos. Inițial, atunci când țesutul absoarbe energia laserului, moleculele sale încep să vibreze. Absorbția de energie suplimentară determină denaturarea, coagularea și, în final, evaporarea proteinei (vaporizare).

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

Al treilea factor privind interacțiunea țesuturilor cu un laser este densitatea energetică. Atunci când laserul și țesutul interacționează, atunci când toți ceilalți factori sunt constanți, modificarea dimensiunii spotului sau timpul de expunere poate afecta starea țesutului. Dacă mărimea spotului fasciculului laser scade, puterea care acționează asupra unui anumit volum de țesut crește. Dimpotrivă, dacă mărimea spotului crește, densitatea energetică a fasciculului laser scade. Pentru a schimba dimensiunea locului, puteți focaliza, pre-focaliza sau defocaliza sistemul de evacuare pe material. Cu prefocalizarea și defocalizarea razei, dimensiunea spotului este mai mare decât fasciculul focalizat, ceea ce conduce la o densitate de putere mai mică.

O altă modalitate de a schimba efectele țesutului este pulsația energiei laser. Toate modurile de impulsuri ale perioadei de radiație intermitente de pornire și oprire. Deoarece energia nu ajunge la țesut în timpul perioadelor de oprire, este posibilă disiparea căldurii. Dacă perioadele de oprire sunt mai lungi decât timpul de relaxare termică a țesutului țintă, probabilitatea de deteriorare a țesutului înconjurător prin conductivitatea termică scade. Timpul de relaxare termică este timpul necesar pentru a disipa jumătate din căldura unui obiect. Raportul dintre durata intervalului activ și suma mediilor de pulsație active și pasive se numește ciclul de funcționare.

Ciclu de funcționare = pornit / oprit + dezactivat

Există diferite moduri de impuls. Energia poate fi produsă în loturi prin stabilirea perioadei în care laserul emite (de exemplu, OD c). Energia se poate suprapune atunci când un val constant este blocat la anumite intervale de un declanșator mecanic. În modul de super-puls, energia nu este pur și simplu blocată, ci stocată în sursa de energie laser în timpul perioadei de oprire și apoi expulzată în timpul perioadei de pornire. Aceasta înseamnă că energia de vârf în modul super-puls este semnificativ mai mare decât cea în mod constant sau în modul suprapus.

Într-un laser care generează în regimul de impulsuri gigant, energia este, de asemenea, conservată în timpul perioadei de oprire, dar într-un mediu cu laser. Acest lucru se realizează prin utilizarea unui mecanism de amortizare în camera cavității dintre cele două oglinzi. O clapetă închisă previne generarea în laser, dar permite stocarea energiei pe fiecare parte a clapei. Când clapeta este deschisă, oglinzile interacționează, determinând formarea unui fascicul laser cu energie înaltă. Energia de vârf a unui laser care generează în regimul de impulsuri gigant este foarte mare, cu un ciclu de funcționare scurt. Un laser cu moduri sincronizate este similar cu un laser care generează în modul de impulsuri gigant, prin faptul că este prevăzut un amortizor între cele două oglinzi din camera cavității. Un laser cu moduri sincronizate deschide și închide amortizorul în sincronizare cu timpul necesar pentru a reflecta lumina între două oglinzi.

Caracteristicile laserelor

• Bioxid de carbon cu laser

Laserul cu dioxid de carbon este cel mai adesea utilizat în chirurgia otorinolaringologică / chirurgia capului și a gâtului. Lungimea undei sale este de 10,6 nm - un val invizibil al regiunii infraroșii îndepărtate a spectrului de radiații electromagnetice. Orientarea de-a lungul fasciculului unui laser de heliu-neon este necesară pentru ca chirurgul să vadă zona de influență. Mediul laser este C02. Lungimea de undă este bine absorbită de moleculele de apă din țesut. Efectele sunt superficiale datorită absorbției mari și dispersiei minime. Radiațiile pot fi transmise numai prin oglinzi și lentile speciale plasate pe o bară articulată. Bara de manivelă poate fi atașată la microscop pentru lucrul cu precizie sub mărire. De asemenea, energia poate fi evacuată printr-un mâner de focalizare atașat la bara de articulație.

• Nd: laser YAG

Lungimea de undă a laserului Nd: YAG (granat de ytriu-aluminiu cu neodim) este de 1064 nm, adică este în regiunea infraroșie apropiată. Ea este invizibilă pentru ochiul uman și necesită un fascicul laser heliu-neon sugestiv. Mediul laser este granat de ytriu-aluminiu cu neodim. Cele mai multe țesuturi ale corpului nu absorb această lungime de undă bine. Cu toate acestea, țesutul pigmentat îl absoarbe mai bine decât cel nepigmentat. Energia este transmisă prin straturile superficiale ale majorității țesuturilor și este dispersată în straturi profunde.

În comparație cu un laser cu dioxid de carbon, împrăștierea Nd: YAG este mult mai mare. Prin urmare, adâncimea de penetrare este mai mare și Nd: YAG este foarte potrivit pentru coagularea vaselor profund mincinoase. În cadrul experimentului, adâncimea maximă a coagulării este de aproximativ 3 mm (temperatura de coagulare +60 ° C). Au fost raportate rezultate bune ale tratamentului formărilor capilare și cavernoase profunde periorale cu ajutorul laserului Nd: YAG. Există, de asemenea, un raport privind fotocoagularea cu succes a laserului cu hemangioame, limfangiomi și formațiuni congenitale arteriovenoase. Cu toate acestea, o profunzime mai mare a penetrării și a distrugerii nediscriminatorii predispune la o creștere a cicatricilor postoperatorii. Din punct de vedere clinic, acest lucru este minimizat de setările de siguranță sigure, o abordare punctuală a focarului și evitarea regiunilor cutanate. În practică, utilizarea unui laser roșu închis Nd: YAG a fost practic înlocuită de lasere cu o lungime de undă situată în partea galbenă a spectrului. Cu toate acestea, este folosit ca un laser auxiliar pentru formarea nodală de culoare roșu închis (culoare port).

Sa demonstrat că laserul Nd: YAG inhibă producerea de colagen, atât în cultura fibroblastelor cât și în pielea normală in vivo. Acest lucru sugerează succesul acestui laser în tratamentul cicatricelor și cheloidelor hipertrofice. Dar, din punct de vedere clinic, frecvența recidivei după cheloide este ridicată, în ciuda tratamentului local suplimentar puternic cu steroizi.

• Contactați laserul Nd: YAG

Utilizarea laserului Nd: YAG în modul de contact modifică semnificativ proprietățile fizice și absorbția radiației. Sfatul de contact constă dintr-un cristal de safir sau cuarț, atașat direct la capătul fibrei laser. Sfatul de contact interacționează direct cu pielea și acționează ca un bisturiu termic, tăind și coagulând simultan. Există rapoarte privind utilizarea unui vârf de contact cu o gamă largă de intervenții asupra țesuturilor moi. Aceste aplicații sunt mai aproape de electrocoagulare decât Nd: YAG fără contact. Practic, chirurgii folosesc acum lungimi de undă specifice laserului, nu pentru tăierea țesuturilor, ci pentru încălzirea vârfului. Prin urmare, principiile interacțiunii laserului cu țesuturile nu se aplică aici. Timpul de răspuns la laserul de contact nu este la fel de direct ca în cazul utilizării unei fibre libere și, prin urmare, există o perioadă de întârziere pentru încălzire și răcire. Cu toate acestea, cu experiență acest laser devine convenabil pentru alocarea grefei pielii și a mușchilor.

• Argon laser

Laserul cu argon emite valuri vizibile cu o lungime de 488-514 nm. Datorită designului camerei de cavitate și structurii moleculare a mediului laser, acest tip de laser produce o gamă de lungimi de undă lungi. Modelele individuale pot avea un filtru care limitează radiația la o singură lungime de undă. Energia laserului cu argon este bine absorbită de hemoglobină, iar dispersia sa este intermediară între dioxidul de carbon și laserul Nd: YAG. Sistemul de radiații pentru un laser cu argon este un purtător cu fibră optică. Datorită absorbției mari a hemoglobinei, neoplasmele vasculare ale pielii absorb, de asemenea, energia laserului.

• Cu laser KTP

Laserul KTP (titanil fosfat de potasiu) este un laser Nd: YAG a cărui frecvență este dublată (lungimea de undă este înjumătățită) prin trecerea energiei laser prin cristalul KT. Aceasta oferă lumină verde (lungime de undă 532 nm), care corespunde vârfului de absorbție al hemoglobinei. Pătrunderea sa în țesuturi și împrăștierea este similară cu cea a unui laser cu argon. Energia laserului este transferată prin fibră. În modul fără contact, laserul se evaporă și coagulează. În modul semi-contact, vârful fibrei atinge abia țesătura și devine o unealtă de tăiere. Cu cât este folosită mai multă energie, cu atât laserul acționează mai mult ca un cuțit termic, similar cu un laser cu acid carbonic. Instalațiile cu energie redusă sunt utilizate în principal pentru coagulare.

• Un laser de colorare excitat de o lampă cu bliț

Laserul colorant excitat de lampa flash a fost primul laser medical special dezvoltat pentru tratarea neoplasmelor vasculare benigne ale pielii. Acesta este un laser cu lumină vizibilă, cu o lungime de undă de 585 nm. Această lungime de undă coincide cu cel de-al treilea vârf al absorbției cu oxihemoglobină și, prin urmare, energia acestui laser este absorbită preponderent de hemoglobină. În gama 577-585 nm, există, de asemenea, o absorbție mai redusă de cromofori concurenți, cum ar fi melanina, și o mai mică împrăștiere a energiei laser în dermă și epidermă. Mediul laser este colorantul rodamină, excitat optic de o lampă cu bliț, iar sistemul de radiații este un purtător cu fibră optică. Vârful laserului colorant are un sistem de lentile înlocuibile, care permite crearea unei dimensiuni de 3, 5, 7 sau 10 mm. Laserul pulsează cu o perioadă de 450 ms. Acest indice de pulsatie a fost ales pe baza timpului de relaxare termica a vaselor ectatice gasite in neoplasmele vasculare benigne ale pielii.

• Vapor laser cu cupru

Un laser cu vapori de cupru produce radiații vizibile care au două lungimi de undă separate: un val pulsatoriu verde cu lungime de 512 nm și un val galben pulsatoriu de 578 nm în lungime. Mediul laser este cuprul, care este excitat (evaporat) electric. Sistemul cu fibră de fibră transferă energia către vârful care are o dimensiune variabilă a spotului de 150-1000 μm. Timpul de expunere variază de la 0,075 s până la o constantă. Timpul dintre impulsuri variază de asemenea între 0,1 s și 0,8 s. Galbenul cu laser de vapori de cupru este utilizat pentru a trata leziunile vasculare benigne de pe față. Valul verde poate fi utilizat pentru a trata astfel de formații pigmentate, cum ar fi pistrui, lentigo, nevi și keratoză.

• Laserul de colorare galben ne-amortizat

Un laser de colorare galben cu undă de undă este un laser cu lumină vizibilă care produce lumină galbenă cu o lungime de undă de 577 nm. Ca un laser pe un colorant, excitat de o lampă flash, este reglat prin schimbarea vopselei 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 spoturilor. Lumina laser poate pulsa folosind un obturator mecanic sau un vârf de tip Hexascanner atașat la capătul sistemului cu fibră optică. Hexascanner direcționează aleator impulsuri ale energiei laser în interiorul conturului hexagonal. Ca un laser de colorare excitat de o lampă flash și un laser cu vapori de cupru, un laser de colorare galben cu undă de undă este ideal pentru tratarea leziunilor vasculare benigne pe față.

• Erbium laser

Erbium: Laserul UAS utilizează o bandă de spectru de absorbție cu apă de 3000 nm. Lungimea de undă de 2940 nm corespunde acestui vârf și este puternic absorbită de apa de țesut (aproximativ 12 ori mai mare decât laserul cu dioxid de carbon). Acest laser, care emite spectrul cu infraroșu apropiat, este invizibil pentru ochi și ar trebui folosit cu un fascicul de ghidaj vizibil. Laserul este pompat de o lampă cu bliț și emite pulsuri macro de 200-300 μs, care constau dintr-o serie de micropulsuri. Aceste lasere sunt folosite cu un vârf atașat la bara de articulație. Un dispozitiv de scanare poate fi, de asemenea, integrat în sistem pentru o îndepărtare mai rapidă și mai uniformă a țesutului.

• Ruby laser

Rubid laser - un laser pompat de o lampă pulsată care emite lumină cu o lungime de undă de 694 nm. Acest laser, situat în regiunea roșie a spectrului, este vizibil cu ochiul. Poate avea un obturator cu laser pentru a produce impulsuri scurte și pentru a obține o penetrare mai profundă în țesut (mai adânc de 1 mm). Un laser cu puls lung cu puls este folosit pentru a încălzi preferențial foliculii de păr în timpul îndepărtării părului cu laser. Această radiație laser este transmisă prin intermediul oglinzilor și a sistemului unei tije articulate. Este slab absorbit de apă, dar puternic absorbit de melanină. Pigmenții diferiți utilizați pentru tatuaje absorb și raze cu o lungime de undă de 694 nm.

• Alexandrite cu laser

Laserul de tip Alexandrite, un laser solid, care poate fi umflat de o lampă flash, are o lungime de undă de 755 nm. Această lungime de undă, situată în partea roșie a spectrului, nu este vizibilă pentru ochi și, prin urmare, necesită un fascicul de ghidare. Acesta este absorbit de pigmenții albastru și negru pentru tatuaje, precum și melanina, dar nu și hemoglobina. Acesta este un laser relativ compact care poate transmite radiații printr-o fibră flexibilă. Laserul pătrunde relativ adânc, ceea ce îl face convenabil pentru îndepărtarea părului și a tatuajelor. Dimensiunea spotului este de 7 și 12 mm.

• Diodă cu laser

Recent, diodele pe materiale superconductoare au fost direct cuplate cu dispozitive cu fibră optică, ceea ce a condus la emisia de radiații laser cu diferite lungimi de undă (în funcție de caracteristicile materialelor utilizate). Dozatoarele de diode se disting prin performanța lor. Aceștia pot transfera energia electrică care intră în lumină cu o eficiență de 50%. Această eficiență, asociată cu generarea mai redusă a căldurii și a puterii de intrare, permite laserelor compacte cu diode să aibă un design lipsit de sisteme mari de răcire. Lumina este transmisă prin fibră optică.

• Filtru impuls

Lampa pulsată filtrat utilizată pentru îndepărtarea părului nu este un laser. Dimpotrivă, este un spectru intens, incoerent, de impulsuri. Pentru emisia de lumină cu o lungime de undă de 590-1200 nm, sistemul folosește filtre de cristal. Lățimea și densitatea integrală a pulsului, de asemenea variabile, îndeplinesc criteriile pentru fototermoliza selectivă, ceea ce pune acest dispozitiv la același nivel cu cel al laserului pentru îndepărtarea părului.

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