Lasery v plastickej chirurgii

Na začiatku minulého storočia v publikácii s názvom "Kvantová teória vyžarovania" Einstein teoreticky zdôvodnil procesy, ktoré sa musia uskutočniť, keď laser vyžaruje energiu. Maiman postavil prvý laser v roku 1960. Odvtedy rýchly vývoj laserovej technológie vedie k vytvoreniu množstva laserov pokrývajúcich celé elektromagnetické spektrum. Potom sa spojili s inými technológiami, vrátane vizualizačných systémov, robotiky a počítačov, aby sa zlepšila presnosť prenosu laserového žiarenia. V dôsledku spolupráce v oblasti fyziky a bioinžinierstva sa medicínske lasery ako terapeutické látky stali dôležitou súčasťou arzenálu lekárov. Spočiatku boli ťažkopádne a používali ich len lekári, ktorí boli špeciálne vyškolení vo fyzike laserov. V priebehu posledných 15 rokov sa dizajn lekárskych lekárov rozvíjal smerom k ľahkému použitiu a mnohí chirurgovia študovali základy laserovej fyziky v postgraduálnom vzdelávaní.

Tento článok sa zaoberá: biofyzika lasera; interakcia tkanív s laserovým žiarením; zariadenia používané v súčasnosti v oblasti plastických a rekonštrukčných chirurgických zákrokov; všeobecné bezpečnostné požiadavky na prácu s lasermi; otázky ďalšej aplikácie lasera pri zákrokoch na pokožke.

Biofyzika laserov

Lasery vyžarujú svetelnú energiu, ktorá sa pohybuje vo forme vlny podobnej bežnému svetlu. Vlnová dĺžka je vzdialenosť medzi dvoma susednými vlnovými maximami. Amplitúda je veľkosť maxima, určuje intenzitu svetelného žiarenia. Frekvencia alebo doba svetelnej vlny je čas potrebný pre jeden úplný cyklus vlny. Aby sme pochopili vplyv laseru, je dôležité zvážiť kvantovú mechaniku. Termín "laser" (LASER) je skratka výrazu "zosilnenie svetla stimulovanou emisiou žiarenia". Ak sa fotón, jednotka energie svetla, zrazí s atómom, prenáša jeden z elektrónov atómu na vyššiu energetickú úroveň. Atóm v takom excitovanom stave sa stáva nestabilným a opäť uvoľňuje fotón, keď elektrón prejde na počiatočnú, nižšiu úroveň energie. Tento proces je známy ako spontánna emisia. Ak je atóm vo vysokoenergetickom stave a zrazí sa s iným fotónom, potom pri prechode na nízku úroveň energie pridelí dva fotóny, ktoré majú rovnakú vlnovú dĺžku, smer a fázu. Tento proces, nazývaný stimulovaná emisia žiarenia, je základom pochopenia fyziky laserov.

Bez ohľadu na typ, všetky lasery majú štyri hlavné komponenty: vzrušujúci mechanizmus alebo zdroj energie, laserové médium, optickú dutinu alebo rezonátor a systém vyhadzovania. Väčšina lekárskych laserov používaných v plastickej chirurgii tváre má elektrický budiaci mechanizmus. Niektoré lasery (napríklad farbiace lasery vybuchnuté bleskom) používajú svetlo ako budiaci mechanizmus. Iní môžu využívať vysokoenergetické rádiové vlny alebo chemické reakcie na zabezpečenie energie budenia. Exciter mechanizmus čerpá energiu do rezonančnej komory obsahujúcej laserové médium, ktoré môže byť pevný, kvapalný, plynný alebo polovodivý materiál. Energia vypúšťaná do dutiny rezonátora zvyšuje elektróny atómov laserového média na vyššiu úroveň energie. Keď polovica atómov v rezonátore dosiahne vysoké excitácie, dôjde k inverzii populácie. Spontánna emisia začína, keď sú fotóny emitované vo všetkých smeroch a niektoré z nich sa zrazia s už excitovanými atómami, čo vedie k stimulovanému vyžarovaniu párových fotónov. Zosilnenie stimulovanej emisie nastáva, keď sa fotóny pohybujúce sa pozdĺž osi medzi zrkadlami odrážajú hlavne tam a späť. To vedie k následnej stimulácii, pretože tieto fotóny sa zrazia s inými vzrušenými atómami. Jedno zrkadlo má 100% odraz a druhé - čiastočne vysiela vyžarovanú energiu z komory dutiny. Táto energia sa prenáša do biologických tkanív systémom vyhadzovania. Vo väčšine laserov je to optické vlákno. Pozoruhodnou výnimkou je laser C02, ktorý má systém zrkadiel na kĺbovej tyči. Pre laser C02 sú optické vlákna, ale obmedzujú veľkosť škvrny a výstupnú energiu.

Svetlo laseru v porovnaní s obyčajným svetlom je organizovanejšie a kvalitatívne intenzívnejšie. Pretože laserové médium je homogénne, fotóny emitované pod stimulovanou emisiou majú jednu vlnovú dĺžku, ktorá vytvára monochromatickosť. Zvyčajne sa svetlo veľmi rozptýli, pretože sa odvráti od zdroja. Laserové svetlo je kolimované: rozptyľuje sa málo, čo zabezpečuje konštantnú intenzitu energie vo veľkej vzdialenosti. Fotóny laserového svetla sa nielen pohybujú v jednom smere, ale majú rovnakú časovú a priestorovú fázu. Toto sa nazýva súdržnosť. Vlastnosti monochromaticity, kolimácie a súdržnosti rozlišujú laserové svetlo od neusporiadanej energie bežného svetla.

Interakcia laser-tkaniva

Spektrum laserových účinkov na biologické tkanivá sa rozširuje od modulácie biologických funkcií po odparenie. Väčšina klinicky používaných interakcií laserového tkaniva zahŕňa tepelnú koaguláciu alebo odparovanie. V budúcnosti sa lasery môžu používať nie ako zdroje tepla, ale ako sondy na kontrolu bunkových funkcií bez vedľajších účinkov cytotoxických účinkov.

Účinok bežného laseru na tkanivo závisí od troch faktorov: absorpcia tkaniva, vlnová dĺžka lasera a hustota laserovej energie. Keď sa laserový lúč zrazí s tkanivom, jeho energia môže byť absorbovaná, odrazená, prenášaná alebo rozptýlená. Pri akejkoľvek interakcii tkaniva a laseru sa všetky štyri procesy vyskytujú v rôznej miere, z ktorých je najdôležitejšia absorpcia. Stupeň absorpcie závisí od obsahu chromofóru v tkanive. Chromofóry sú látky, ktoré účinne absorbujú vlny určitej dĺžky. Napríklad energia CO2 CO2 je absorbovaná mäkkými tkanivami tela. To je spôsobené skutočnosťou, že vlnová dĺžka zodpovedajúca C02 je dobre absorbovaná molekulami vody, ktoré tvoria až 80% mäkkých tkanív. Naproti tomu C02 laser je minimálne absorbovaný kosťou, čo je spôsobené nízkym obsahom vody v kostnom tkanive. Spočiatku, keď tkanivo absorbuje energiu lasera, jej molekuly začnú vibrovať. Absorpcia dodatočnej energie spôsobuje denaturáciu, koaguláciu a nakoniec odparenie proteínu (odparovanie).

Keď sa energia lasera odrazí v tkanive, táto je poškodená, pretože sa mení smer žiarenia na povrchu. Ak laserová energia prechádza cez povrchové tkanivá do hlbokej vrstvy, medzivrstva nie je ovplyvnená. Ak sa laserový lúč rozptýli do tkaniva, energia sa neabsorbuje na povrchu, ale náhodne sa distribuuje v hlbokých vrstvách.

Tretím faktorom týkajúcim sa interakcie tkanív s laserom je hustota energie. Keď sa laser a tkanivo vzájomne ovplyvňujú, keď sú všetky ostatné faktory konštantné, zmena veľkosti bodu alebo čas expozície môže ovplyvniť stav tkaniva. Ak sa veľkosť škvrny laserového lúča zníži, výkon pôsobiaci na určitý objem tkaniva sa zvýši. Naopak, ak sa veľkosť škvrny zvyšuje, hustota energie laserového lúča klesá. Ak chcete zmeniť veľkosť bodu, môžete zaostrovať, zaostriť alebo rozložiť systém vyhadzovania na tkaninu. Pri predfocovaní a rozostrení lúčov je veľkosť škvrn väčšia ako zaostrený lúč, čo vedie k nižšej hustote výkonu.

Ďalším spôsobom, ako zmeniť účinky tkaniva, je pulzácia laserovej energie. Všetky pulzné režimy žiarenia prerušujúcej doby zapnutia a vypnutia. Pretože energia nedosahuje tkanivo počas prestávok, je možné odvádzať teplo. Ak sú obdobia uzávierky dlhšie ako doba tepelného uvoľňovania cieľového tkaniva, pravdepodobnosť poškodenia okolitého tkaniva tepelnou vodivosťou klesá. Doba tepelnej relaxácie je čas potrebný na rozptýlenie polovičky tepla objektu. Pomer trvania aktívnej medzery k súčtu aktívnych a pasívnych intervalov pulzácie sa nazýva pracovný cyklus.

Prevádzkový cyklus = zapnutý / zapnutý + vypnutý

Existujú rôzne pulzné režimy. Energiu možno vyrábať v šaržiach nastavením doby, kedy laser vydáva (napr. OD c). Energia sa môže prekrývať, keď je konštantná vlna blokovaná v určitých intervaloch pomocou mechanickej uzávierky. V režime super impulzov sa energia nie je jednoducho zablokovaná, ale je uložená v zdroji energie lasera počas obdobia vypnutia a potom sa vytiahne v priebehu periódy. To znamená, že špičková energia v superpulznom režime je výrazne vyššia ako v konštantnom režime alebo v režime prekrytia.

Pri laseru generujúceho režim obrovských impulzov sa energia zachováva aj počas vypínania, ale v prostredí laseru. To sa dosiahne použitím mechanizmu klapky v priestore dutiny medzi dvoma zrkadlami. Uzavretá klapka zabraňuje generovaniu v lase, ale umožňuje uloženie energie na každej strane chlopne. Keď je klapka otvorená, zrkadlá sa vzájomne ovplyvňujú a spôsobujú tvorbu vysokoenergetického laserového lúča. Maximálna energia laseru generujúceho sa v obrovskom pulznom režime je veľmi vysoká s krátkym pracovným cyklom. Laser so synchronizovanými režimami je podobný laseru, ktorý generuje v obrovskom impulznom móde, tým, že medzi dve zrkadlá v komore dutiny je vytvorená klapka. Laser so synchronizovanými režimami otvára a zatvára klapku v synchronizácii s časom potrebným na odrážanie svetla medzi dvoma zrkadlami.

Charakteristika lasera

• Kysličník uhličitý

Laserový oxid uhličitý sa najčastejšie používa v chirurgii otorinolaryngológie / chirurgie hlavy a krku. Dĺžka vlny je 10,6 nm - neviditeľná vlna vzdialenej infračervenej oblasti spektra elektromagnetického žiarenia. Vedenie pozdĺž lúča hélia-neónového lasera je nevyhnutné, aby lekár mohol vidieť oblasť vplyvu. Laserové médium je C02. Jeho vlnová dĺžka je dobre absorbovaná molekulami vody v tkanive. Účinky sú povrchné kvôli vysokej absorpcii a minimálnej disperzii. Žiarenie môže byť prenášané iba cez zrkadlá a špeciálne šošovky umiestnené na kĺbovej tyči. Kľudová tyč môže byť pripojená k mikroskopu pre presnú prácu pri zväčšení. Energiu je tiež možné vysunúť pomocou zaostrovacej rukoväte pripevnenej k tyči závesu.

• Nd: YAG laser

Vlnová dĺžka laseru Nd: YAG (ytrium-hliníkový granát s neodymom) je 1064 nm, čo znamená, že je v blízkosti infračervenej oblasti. Je neviditeľný pre ľudské oko a vyžaduje sugestívny hélium-neónový laserový lúč. Laserové médium je granát ytrium-hliník s neodymom. Väčšina telesných tkanív neabsorbuje túto vlnovú dĺžku dobre. Pigmentované tkanivo však absorbuje lepšie ako nepigmentované tkanivo. Energia sa prenáša cez povrchové vrstvy väčšiny tkanív a je rozptýlená v hlbokých vrstvách.

V porovnaní s laserom s oxidom uhličitým je rozptyl Nd: YAG omnoho väčší. Preto je hĺbka prieniku väčšia a Nd: YAG je vhodná na koaguláciu hlboko ležiacich nádob. V experimente je maximálna hĺbka koagulácie asi 3 mm (koagulačná teplota +60 ° C). Boli hlásené dobré výsledky liečby hlbokých periorálnych kapilárnych a kavernóznych útvarov pomocou laseru Nd: YAG. Existuje tiež správa o úspešnej laserovej fotokoagulácii s hemangiómami, lymfangiómami a arteriovenóznymi kongenitálnymi formáciami. Avšak väčšia hĺbka penetrácie a nerozlišená deštrukcia predurčujú zvýšenie pooperačných zjazvenia. Klinicky je to minimalizované bezpečným nastavením výkonu, bodovým prístupom k vypuknutiu a vyhýbaním sa oblastiam pokožky. V praxi bolo používanie tmavočerveného laseru Nd: YAG prakticky nahradené lasery s vlnovou dĺžkou ležiacou v žltej časti spektra. Používa sa však ako pomocný laser pre uzlové formácie tmavo červenej farby (farba portu).

Bolo preukázané, že laser Nd: YAG inhibuje produkciu kolagénu, a to ako vo fibroblastovej kultúre, tak v normálnej pokožke in vivo. To naznačuje úspech tohto laseru pri liečbe hypertrofických jaziev a keloidov. Klinicky je však frekvencia relapsu po keloidoch vysoká, aj napriek silnej dodatočnej lokálnej liečbe steroidmi.

• Obráťte sa na laser Nd: YAG

Použitie laseru Nd: YAG v kontaktnom režime významne mení fyzikálne vlastnosti a absorpciu žiarenia. Kontaktný hrot sa skladá z kryštálu zo zafíru alebo kremeňa, ktorý je priamo pripojený na koniec laserového vlákna. Kontaktný hrot interaguje priamo s pokožkou a pôsobí ako tepelný skalpel, súčasne reza a koaguluje. Existujú správy o používaní kontaktného tipu so širokou škálou intervencií na mäkkých tkanivách. Tieto aplikácie sú bližšie k elektrokoagulácii ako nekontaktné Nd: YAG. V podstate lekári teraz používajú laserovo špecifické vlnové dĺžky nie na rezanie tkanív, ale na zahrievanie špičky. Zásady interakcie laseru s tkanivami preto nie sú použiteľné. Doba odozvy na kontaktný laser nie je taká priama funkcia, ako pri použití voľného vlákna, a preto je časové oneskorenie pre ohrev a chladenie. Avšak so skúsenosťami sa tento laser stáva vhodným na rozdelenie kožných a svalových štepov.

• Argónový laser

Argónový laser vyžaruje viditeľné vlny s dĺžkou 488-514 nm. Vzhľadom na konštrukciu komory dutiny a molekulárnu štruktúru laserového média tento typ laseru vytvára rozsah dlhých vlnových dĺžok. Jednotlivé modely môžu mať filter, ktorý obmedzuje vyžarovanie na jednu vlnovú dĺžku. Energia argónového lasera je dobre absorbovaná hemoglobínom a jeho disperzia je medzi oxidom uhličitým a Nd: YAG laserom. Radiačný systém pre argónový laser je nosič optických vlákien. Vzhľadom na veľkú absorpciu hemoglobínu, vaskulárne novotvary kože tiež absorbujú energiu laseru.

• KTP laser

KTP (laser na báze draselného titánfosfátu) je laserom Nd: YAG, ktorého frekvencia sa zdvojnásobuje (vlnová dĺžka je polovičná) prechodom laserovej energie cez kryštál KT. Toto poskytuje zelené svetlo (vlnová dĺžka 532 nm), čo zodpovedá absorpčnému maximu hemoglobínu. Jeho penetrácia do tkanív a rozptyl je podobná argonovému laseru. Energia laseru prenáša vlákno. V bezkontaktnom režime sa laser vyparuje a zráža. V semi-kontaktnom režime sa špička vlákna sotva dotýka tkaniny a stáva sa rezacím nástrojom. Čím viac energie sa používa, tým viac pôsobí laser ako termálny nôž, podobný laseru s uhlíkovou kyselinou. Zariadenia s nižšou energiou sa používajú predovšetkým na zrážanie.

• Farbivový laser excitovaný bleskom

Farbivový laser excitovaný bleskovým svetlom bol prvým lekárskym laserom špeciálne vyvinutým na liečbu benígnych cievnych novotvarov kože. Ide o laser s viditeľným svetlom s vlnovou dĺžkou 585 nm. Táto vlnová dĺžka sa zhoduje s tretím vrcholom absorpcie oxyhemoglobínom, a preto je energia tohto laseru prevažne absorbovaná hemoglobínom. V rozmedzí 577-585 nm je tiež menej absorpcie konkurenčných chromofórov, ako je melanín, a menej rozptylu laserovej energie v dermis a epidermis. Laserovým médiom je farbivo rhodamín, ktorý je opticky excitovaný bleskovou lampou a radiačný systém je nosič optických vlákien. Špička laserového farbiva má vymeniteľný systém šošoviek, ktorý umožňuje vytvoriť bodovú veľkosť 3, 5, 7 alebo 10 mm. Laser pulzuje s časom 450 ms. Tento pulzačný index bol vybraný na základe doby tepelnej relaxácie ektatálnych ciev, ktoré sa nachádzajú v benígnych cievnych novotvaroch kože.

• Laserová meď výparov

Laser s meďou parou produkuje viditeľné žiarenie, ktoré má dve oddelené vlnové dĺžky: pulznú zelenú vlnu s dĺžkou 512 nm a pulznú žltú vlnu s dĺžkou 578 nm. Laserovým médiom je meď, ktorá je elektricky excitovaná (odparená). Systém vláknového vlákna prenáša energiu na špičku, ktorá má variabilnú veľkosť škvrny 150-1000 μm. Doba expozície sa pohybuje od 0,075 s do konštanty. Čas medzi impulzmi sa tiež pohybuje od 0,1 s do 0,8 s. Laserové žltozelené laserové svetlo sa používa na liečbu benígnych cievnych lézií na tvári. Zelená vlna sa môže použiť na ošetrenie takých pigmentovaných foriem ako sú pihy, lentigo, nevi a keratóza.

• Žltý farbivý laser bez tlmenia

Žltý farbivý laser s nevlnenou vlnou je laserom s viditeľným svetlom, ktorý produkuje žlté svetlo s vlnovou dĺžkou 577 nm. Rovnako ako laser na farbivu, ktorý je vzrušený bleskom, je naladený zmenou farby v aktivačnej komore lasera. Farbivo je excitované argónovým laserom. Ejekčný systém pre tento laser je tiež kábel z optických vlákien, ktorý môže byť zameraný na rôzne rozmery škvŕn. Laserové svetlo môže pulzovať pomocou mechanickej uzávierky alebo špičky Hexascanner pripojenej ku koncu systému optických vlákien. Hexascanner náhodne nasmeruje impulzy laserovej energie do šesťuholníkového obrysu. Rovnako ako farbový laser excitovaný bleskovou lampou a laserom s medenými parami, je žltý farbičkový laser s nerušenou vlnou ideálny na liečbu benígnych cievnych lézií na tvári.

• Erbium laser

Erbium: UAS laser používa pás absorpčného spektra s vodou 3000 nm. Jeho vlnová dĺžka 2940 nm zodpovedá tomuto vrcholu a je silne absorbovaná tkanivovou vodou (asi 12 krát väčšou ako laserom na báze oxidu uhličitého). Tento laser, ktorý vyžaruje v blízkej infračervenej oblasti, je neviditeľný pre oko a mal by byť použitý s viditeľným vodiacim lúčom. Laser sa čerpá bleskovou lampou a vyžaruje makropalivá s trvaním 200-300 μs, ktoré pozostávajú zo série mikropulzov. Tieto lasery sa používajú so špičkou pripevnenou k závesu. Skenovacie zariadenie môže byť tiež integrované do systému pre rýchlejšie a rovnomernejšie odstránenie tkaniva.

• Ruby laser

Rubínový laser - laser čerpal impulznou lampou vyžarujúcou svetlo s vlnovou dĺžkou 694 nm. Tento laser, umiestnený v červenej oblasti spektra, je viditeľný s očkom. Môže mať laserovú uzávierku, aby vytvorila krátke impulzy a dosiahla hlbšiu penetráciu do tkaniva (hlbšie ako 1 mm). Dlhý impulzový rubínový laser sa používa na prednostné zahrievanie vlasových folikulov počas odstraňovania laserového chĺpkov. Toto laserové žiarenie je prenášané pomocou zrkadiel a systémom kĺbovej tyče. Je slabo absorbovaný vodou, ale silne absorbovaný melanínom. Rôzne pigmenty používané na tetovanie absorbujú aj lúče s vlnovou dĺžkou 694 nm.

• Alexandrite laser

Alexandrite laser, pevný laser, ktorý môže byť nafúknutý bleskovou lampou, má vlnovú dĺžku 755 nm. Táto vlnová dĺžka, ktorá sa nachádza v červenej časti spektra, nie je viditeľná pre oko, a preto vyžaduje vodiaci lúč. Absorbuje modré a čierne pigmenty na tetovanie, rovnako ako melanín, ale nie hemoglobín. Jedná sa o pomerne kompaktný laser, ktorý dokáže prenášať žiarenie cez flexibilné vlákno. Laser preniká pomerne hlboko, čo ho robí vhodným na odstránenie vlasov a tetovanie. Veľkosť bodky je 7 a 12 mm.

• Diodový laser

Nedávno boli diódy na supravodivých materiáloch priamo spojené s optickými zariadeniami, čo viedlo k emisii laserového žiarenia s rôznymi vlnovými dĺžkami (v závislosti od charakteristík použitých materiálov). Diódové lasery sa vyznačujú ich výkonnosťou. Môžu prenášať prichádzajúcu elektrickú energiu do svetla s účinnosťou 50%. Táto účinnosť, spojená s menšou tvorbou tepla a vstupným výkonom, umožňuje kompaktným diodovým laseriam mať dizajn bez veľkých chladiacich systémov. Svetlo je prenášané optickým vláknom.

• Filtrovaná impulzná lampa

Filtrovaná impulzná lampa používaná na odstraňovanie chĺpkov nie je laserom. Naopak, ide o intenzívne, nesúvislé impulzové spektrum. Pre emisiu svetla s vlnovou dĺžkou 590 - 1200 nm systém používa kryštálové filtre. Šírka a integrálna hustota pulzu, tiež variabilná, spĺňajú kritériá pre selektívnu fototerolmolýzu, čím sa toto zariadenie vyrovná s lasery na odstránenie chĺpkov.

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