Lasery v plastickej chirurgii

Začiatkom minulého storočia Einstein teoreticky vysvetlil procesy, ktoré musia nastať pri vyžarovaní energie laserom, v článku s názvom „Kvantová teória žiarenia“. Maiman zostrojil prvý laser v roku 1960. Odvtedy sa laserová technológia rýchlo rozvíjala a vznikla celá škála laserov, ktoré pokrývajú celé elektromagnetické spektrum. Odvtedy sa kombinovali s inými technológiami vrátane zobrazovacích systémov, robotiky a počítačov, aby sa zlepšila presnosť dodávania laserového žiarenia. Vďaka spolupráci vo fyzike a bioinžinierstve sa lekárske lasery stali dôležitou súčasťou terapeutických nástrojov chirurgov. Spočiatku boli objemné a používali ich iba chirurgovia, ktorí boli špeciálne vyškolení v laserovej fyzike. Za posledných 15 rokov sa dizajn lekárskych laserov zlepšil, aby sa ľahšie používali, a mnohí chirurgovia sa základy laserovej fyziky naučili ako súčasť svojho postgraduálneho vzdelávania.

Tento článok sa zaoberá: biofyzikou laserov; interakciou tkanív s laserovým žiarením; zariadeniami v súčasnosti používanými v plastickej a rekonštrukčnej chirurgii; všeobecnými bezpečnostnými požiadavkami pri práci s lasermi; otázkami ďalšieho využitia laserov pri kožných zákrokoch.

Biofyzika laserov

Lasery vyžarujú svetelnú energiu, ktorá sa šíri vo vlnách podobných bežnému svetlu. Vlnová dĺžka je vzdialenosť medzi dvoma susednými vrcholmi vlny. Amplitúda je veľkosť vrcholu, ktorá určuje intenzitu svetla. Frekvencia alebo perióda svetelnej vlny je čas, ktorý vlna potrebuje na dokončenie jedného cyklu. Aby sme pochopili, ako laser funguje, je dôležité pochopiť kvantovú mechaniku. Termín LASER je skratka pre Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (zosilnenie svetla stimulovanou emisiou žiarenia). Keď fotón, jednotka svetelnej energie, zasiahne atóm, spôsobí, že jeden z elektrónov atómu preskočí na vyššiu energetickú hladinu. Atóm sa v tomto excitovanom stave stáva nestabilným a uvoľňuje fotón, keď elektrón klesne späť na svoju pôvodnú, nižšiu energetickú hladinu. Tento proces je známy ako spontánna emisia. Ak je atóm vo vysokoenergetickom stave a zrazí sa s iným fotónom, keď sa vráti do nízkoenergetického stavu, uvoľní dva fotóny, ktoré majú rovnakú vlnovú dĺžku, smer a fázu. Tento proces, nazývaný stimulovaná emisia žiarenia, je základom pre pochopenie laserovej fyziky.

Bez ohľadu na typ majú všetky lasery štyri základné komponenty: excitačný mechanizmus alebo zdroj energie, laserové médium, optickú dutinu alebo rezonátor a ejekčný systém. Väčšina medicínskych laserov používaných v plastickej chirurgii tváre má elektrický excitačný mechanizmus. Niektoré lasery (napríklad farbivý laser budený zábleskovou lampou) používajú ako excitačný mechanizmus svetlo. Iné môžu na zabezpečenie excitačnej energie používať vysokoenergetické rádiofrekvenčné vlny alebo chemické reakcie. Excitačný mechanizmus pumpuje energiu do rezonančnej komory obsahujúcej laserové médium, ktorým môže byť pevný, kvapalný, plynný alebo polovodičový materiál. Energia dodávaná do rezonátorovej dutiny zvyšuje elektróny atómov v laserovom médiu na vyššiu energetickú hladinu. Keď je polovica atómov v rezonátore vysoko excitovaná, dochádza k populačnej inverzii. Spontánna emisia začína, keď sú fotóny emitované vo všetkých smeroch a niektoré sa zrážajú s už excitovanými atómami, čo vedie k stimulovanej emisii párových fotónov. Stimulovaná emisia sa zosilňuje, keď sa fotóny pohybujúce sa pozdĺž osi medzi zrkadlami odrážajú prednostne tam a späť. To vedie k sekvenčnej stimulácii, keď sa tieto fotóny zrážajú s inými excitovanými atómami. Jedno zrkadlo je 100 % odrazivé, zatiaľ čo druhé zrkadlo čiastočne prepúšťa vyžarovanú energiu z rezonančnej komory. Táto energia sa prenáša do biologického tkaniva pomocou ejektorového systému. Pre väčšinu laserov ide o optické vlákna. Významnou výnimkou je CO2 laser, ktorý má systém zrkadiel na výklopnom ramene. Pre CO2 laser sú k dispozícii optické vlákna, ale tie obmedzujú veľkosť bodu a výstupnú energiu.

Laserové svetlo je organizovanejšie a kvalitatívne intenzívnejšie ako bežné svetlo. Keďže laserové médium je homogénne, fotóny emitované stimulovanou emisiou majú jednu vlnovú dĺžku, čo vytvára monochromatickosť. Normálne je svetlo pri pohybe od zdroja silne rozptýlené. Laserové svetlo je kolimované: je málo rozptýlené, čo poskytuje konštantnú energetickú intenzitu na veľkú vzdialenosť. Fotóny laserového svetla sa nielen pohybujú rovnakým smerom, ale majú aj rovnakú časovú a priestorovú fázu. Toto sa nazýva koherencia. Vlastnosti monochromatickosti, kolimácie a koherencie odlišujú laserové svetlo od neusporiadanej energie bežného svetla.

Interakcia laseru s tkanivom

Spektrum laserových účinkov na biologické tkanivá siaha od modulácie biologických funkcií až po vaporizáciu. Väčšina klinicky používaných interakcií medzi laserom a tkanivom sa týka tepelných schopností koagulácie alebo vaporizácie. V budúcnosti sa lasery nemusia používať ako zdroje tepla, ale ako sondy na riadenie bunkových funkcií bez cytotoxických vedľajších účinkov.

Účinok konvenčného laseru na tkanivo závisí od troch faktorov: absorpcie tkaniva, vlnovej dĺžky laseru a hustoty laserovej energie. Keď laserový lúč zasiahne tkanivo, jeho energia sa môže absorbovať, odrážať, prepúšťať alebo rozptýliť. Všetky štyri procesy prebiehajú v rôznej miere pri akejkoľvek interakcii tkaniva a laseru, z ktorých najdôležitejšia je absorpcia. Stupeň absorpcie závisí od obsahu chromofórov v tkanive. Chromofóry sú látky, ktoré účinne absorbujú vlny určitej dĺžky. Napríklad energia CO2 laseru je absorbovaná mäkkými tkanivami tela. Je to preto, že vlnová dĺžka zodpovedajúca CO2 je dobre absorbovaná molekulami vody, ktoré tvoria až 80 % mäkkého tkaniva. Naproti tomu absorpcia CO2 laseru je v kostiach minimálna kvôli nízkemu obsahu vody v kostnom tkanive. Spočiatku, keď tkanivo absorbuje laserovú energiu, jeho molekuly začnú vibrovať. Absorpcia dodatočnej energie spôsobuje denaturáciu, koaguláciu a nakoniec odparovanie proteínu (vaporizácia).

Keď sa laserová energia odrazí od tkaniva, toto tkanivo nie je poškodené, pretože sa zmení smer žiarenia na povrchu. Taktiež, ak laserová energia prechádza cez povrchové tkanivá do hlbokej vrstvy, medziľahlé tkanivo nie je ovplyvnené. Ak je laserový lúč rozptýlený v tkanive, energia sa neabsorbuje na povrchu, ale je náhodne rozložená v hlbokých vrstvách.

Tretím faktorom týkajúcim sa interakcie tkaniva s laserom je hustota energie. Pri interakcii laseru a tkaniva, keď sú všetky ostatné faktory konštantné, môže zmena veľkosti bodu alebo času expozície ovplyvniť stav tkaniva. Ak sa veľkosť bodu laserového lúča zníži, výkon pôsobiaci na určitý objem tkaniva sa zvýši. Naopak, ak sa veľkosť bodu zvýši, hustota energie laserového lúča sa zníži. Na zmenu veľkosti bodu je možné systém vyhadzovania na tkanivo zaostriť, predostriť alebo rozostriť. Pri predostriach a rozostriach je veľkosť bodu väčšia ako zaostriť lúč, čo má za následok nižšiu hustotu výkonu.

Ďalším spôsobom, ako meniť účinky na tkanivo, je pulzovanie laserovej energie. Všetky pulzné režimy sa striedajú medzi zapnutými a vypnutými obdobiami. Keďže energia nedosahuje tkanivo počas vypnutých období, existuje možnosť rozptýlenia tepla. Ak sú vypnuté obdobia dlhšie ako čas tepelnej relaxácie cieľového tkaniva, pravdepodobnosť poškodenia okolitého tkaniva vedením sa znižuje. Čas tepelnej relaxácie je čas potrebný na rozptýlenie polovice tepla v cieli. Pomer aktívneho intervalu k súčtu aktívnych a pasívnych pulzačných intervalov sa nazýva pracovný cyklus.

Pracovný cyklus = zapnuté/zapnuté + vypnuté

Existujú rôzne pulzné režimy. Energia sa môže uvoľňovať v dávkach nastavením periódy, počas ktorej laser vyžaruje (napr. 10 sekúnd). Energia sa môže blokovať, pričom konštantná vlna je v určitých intervaloch blokovaná mechanickou uzávierkou. V superpulznom režime sa energia nielen blokuje, ale ukladá sa v zdroji laserovej energie počas vypnutia a potom sa uvoľňuje počas zapnutia. To znamená, že špičková energia v superpulznom režime je výrazne vyššia ako v konštantnom alebo blokovacom režime.

V obrovskom pulznom laseri sa energia ukladá aj počas vypnutia, ale v laserovom médiu. To sa dosahuje mechanizmom uzávierky v dutinovej komore medzi dvoma zrkadlami. Keď je uzávierka zatvorená, laser nevyžaruje, ale energia sa ukladá na každej strane uzávierky. Keď je uzávierka otvorená, zrkadlá interagujú a vytvárajú laserový lúč s vysokou energiou. Špičková energia obrovského pulzného laseru je veľmi vysoká s krátkym pracovným cyklom. Módovo synchronizovaný laser je podobný obrovskému pulznému laseru v tom, že medzi dvoma zrkadlami v dutinovej komore je uzávierka. Módovo synchronizovaný laser otvára a zatvára svoju uzávierku synchronizovane s časom potrebným na odraz svetla medzi dvoma zrkadlami.

Charakteristiky laserov

• Laser s oxidom uhličitým

Oxidový laser uhličitý sa najčastejšie používa v otorinolaryngológii/chirurgii hlavy a krku. Jeho vlnová dĺžka je 10,6 nm, čo je neviditeľná vlna v ďalekej infračervenej oblasti elektromagnetického spektra. Vedenie pozdĺž héliovo-neónového laserového lúča je nevyhnutné, aby chirurg videl oblasť pôsobenia. Laserovým médiom je CO2. Jeho vlnová dĺžka je dobre absorbovaná molekulami vody v tkanive. Účinky sú povrchové vďaka vysokej absorpcii a minimálnemu rozptylu. Žiarenie sa môže prenášať iba cez zrkadlá a špeciálne šošovky umiestnené na kĺbovej tyči. Kľukové rameno je možné pripevniť k mikroskopu pre presnú prácu pod zväčšením. Energiu je možné tiež vypúšťať cez zaostrovaciu rukoväť pripevnenú ku kĺbovej tyči.

• Nd:YAG laser

Vlnová dĺžka Nd:YAG (ytrium-hliník-granát s neodýmom) laseru je 1064 nm, teda nachádza sa v blízkej infračervenej oblasti. Pre ľudské oko je neviditeľný a vyžaduje si vodiaci hélium-neónový laserový lúč. Laserovým médiom je ytrium-hliník-granát s neodýmom. Väčšina tkanív tela absorbuje túto vlnovú dĺžku zle. Pigmentované tkanivo ju však absorbuje lepšie ako nepigmentované tkanivo. Energia sa prenáša cez povrchové vrstvy väčšiny tkanív a rozptyľuje sa v hlbokých vrstvách.

V porovnaní s uhličitým laserom je rozptyl Nd:YAG výrazne väčší. Preto je hĺbka penetrácie väčšia a Nd:YAG je vhodný na koaguláciu hlbokých ciev. V experimente bola maximálna hĺbka koagulácie približne 3 mm (koagulačná teplota +60 °C). Boli hlásené dobré výsledky pri liečbe hlbokých periorálnych kapilárnych a kavernóznych útvarov pomocou Nd:YAG laseru. Existuje tiež správa o úspešnej laserovej fotokoagulácii hemangiómov, lymfangiómov a arteriovenóznych vrodených útvarov. Väčšia hĺbka penetrácie a neselektívna deštrukcia však predisponujú k zvýšenému pooperačnému zjazveniu. Klinicky sa to minimalizuje bezpečným nastavením výkonu, bodovým prístupom k lézii a vyhýbaním sa liečbe kožných oblastí. V praxi bolo použitie tmavočerveného Nd:YAG laseru prakticky nahradené lasermi s vlnovou dĺžkou v žltej časti spektra. Používa sa však ako adjuvantný laser pre tmavočervené (portské víno) sfarbené nodulárne lézie.

Ukázalo sa, že Nd:YAG laser inhibuje produkciu kolagénu v kultúre fibroblastov aj v normálnej koži in vivo. To naznačuje úspech pri liečbe hypertrofických jaziev a keloidov. Klinicky je však miera recidívy po excízii keloidov vysoká, a to aj napriek silnej doplnkovej lokálnej liečbe steroidmi.

• Kontaktný Nd:YAG laser

Použitie Nd:YAG laseru v kontaktnom režime výrazne mení fyzikálne vlastnosti a absorpciu žiarenia. Kontaktný hrot pozostáva zo zafírového alebo kremenného kryštálu priamo pripojeného ku koncu laserového vlákna. Kontaktný hrot priamo interaguje s pokožkou a funguje ako tepelný skalpel, ktorý súčasne reže a koaguluje. Existujú správy o použití kontaktného hrotu v širokej škále zákrokov na mäkkých tkanivách. Tieto aplikácie sú bližšie k elektrokoagulácii ako k bezkontaktnému režimu Nd:YAG. Vo všeobecnosti chirurgovia teraz nepoužívajú inherentné vlnové dĺžky laseru na rezanie tkaniva, ale na ohrev hrotu. Preto tu nie sú uplatniteľné princípy interakcie laseru s tkanivom. Doba odozvy kontaktného laseru nie je tak priamo úmerná ako pri voľnom vlákne, a preto existuje oneskorenie pre ohrev a chladenie. So skúsenosťami sa však tento laser stáva vhodným na izoláciu kožných a svalových lalokov.

• Argónový laser

Argónový laser vyžaruje viditeľné vlny s dĺžkou 488 – 514 nm. Vďaka konštrukcii rezonátorovej komory a molekulárnej štruktúre laserového média tento typ laseru produkuje dlhovlnný rozsah. Niektoré modely môžu mať filter, ktorý obmedzuje žiarenie na jednu vlnovú dĺžku. Energia argónového laseru je dobre absorbovaná hemoglobínom a jej rozptyl je medzi rozptylom oxidu uhličitého a Nd:YAG laseru. Žiarením argónového laseru je nosič z optických vlákien. Vďaka vysokej absorpcii hemoglobínom absorbujú laserovú energiu aj cievne neoplazmy kože.

• KTF laser

KTP (draselno-titaničitanfosfátový) laser je Nd:YAG laser, ktorého frekvencia sa zdvojnásobí (vlnová dĺžka sa zníži na polovicu) prechodom laserovej energie cez KTP kryštál. Takto sa vytvára zelené svetlo (vlnová dĺžka 532 nm), ktoré zodpovedá absorpčnému píku hemoglobínu. Jeho prenikanie do tkaniva a rozptyl sú podobné ako pri argónovom lasere. Laserová energia sa prenáša vláknom. V bezkontaktnom režime sa laser odparuje a koaguluje. V polokontaktnom režime sa hrot vlákna sotva dotýka tkaniva a stáva sa rezným nástrojom. Čím vyššia je použitá energia, tým viac laser funguje ako tepelný nôž, podobne ako laser s oxidom uhličitým. Jednotky s nižšou energiou sa používajú predovšetkým na koaguláciu.

• Farbivový laser s excitáciou zábleskovou lampou

Farbivový laser excitovaný zábleskovou lampou bol prvým medicínskym laserom špeciálne navrhnutým na liečbu benígnych cievnych lézií kože. Ide o laser s viditeľným svetlom a vlnovou dĺžkou 585 nm. Táto vlnová dĺžka sa zhoduje s tretím absorpčným píkom oxyhemoglobínu, a preto je energia tohto laseru prevažne absorbovaná hemoglobínom. V rozsahu 577 – 585 nm dochádza tiež k menšej absorpcii konkurenčnými chromofórmi, ako je melanín, a k menšiemu rozptylu laserovej energie v derme a epiderme. Laserovým médiom je rodamínové farbivo, ktoré je opticky excitované zábleskovou lampou, a emisným systémom je nosič z optických vlákien. Hrot farbivového laseru má vymeniteľný systém šošoviek, ktorý umožňuje vytvorenie bodu s veľkosťou 3, 5, 7 alebo 10 mm. Laser pulzuje s periódou 450 ms. Tento index pulzatility bol zvolený na základe tepelného relaxačného času ektatických ciev nachádzajúcich sa v benígnych cievnych léziách kože.

• Medený parný laser

Medený laser produkuje viditeľné svetlo dvoch samostatných vlnových dĺžok: pulznú zelenú vlnu 512 nm a pulznú žltú vlnu 578 nm. Laserové médium je meď, ktorá je elektricky excitovaná (vyparovaná). Vláknový systém prenáša energiu do hrotu, ktorý má variabilnú veľkosť bodu 150 – 1 000 µm. Doba expozície sa pohybuje od 0,075 s do konštantnej. Čas medzi impulzmi sa tiež pohybuje od 0,1 s do 0,8 s. Žlté svetlo medeného laseru sa používa na liečbu benígnych cievnych lézií na tvári. Zelená vlna sa môže použiť na liečbu pigmentových lézií, ako sú pehy, lentigíny, névy a keratóza.

• Nevyblednúci žltý farbivý laser

Žltý CW farbivový laser je laser s viditeľným svetlom, ktorý produkuje žlté svetlo s vlnovou dĺžkou 577 nm. Podobne ako farbivový laser budený zábleskovou lampou, aj jeho ladenie prebieha zmenou farbiva v aktivačnej komore lasera. Farbivo je budené argónovým laserom. Ejekčný systém tohto laseru je tiež tvorený optickým káblom, ktorý je možné zaostriť na rôzne veľkosti bodov. Laserové svetlo je možné pulzovať pomocou mechanickej uzávierky alebo hrotu Hexascanner, ktorý sa pripája na koniec systému optických vlákien. Hexascanner náhodne smeruje impulzy laserovej energie v rámci šesťuholníkového vzoru. Podobne ako farbivový laser budený zábleskovou lampou a laser s medenými parami, aj žltý CW farbivový laser je ideálny na liečbu benígnych cievnych lézií na tvári.

• Erbiový laser

Erbiový:UAS laser využíva absorpčné pásmo vody s vlnovou dĺžkou 3000 nm. Jeho vlnová dĺžka 2940 nm zodpovedá tomuto píku a je silne absorbovaná vodou v tkanive (približne 12-krát viac ako CO2 laser). Tento blízky infračervený laser je pre oko neviditeľný a musí sa používať s viditeľným zameriavacím lúčom. Laser je čerpaný zábleskovou lampou a vyžaruje makropulzy s trvaním 200 – 300 μs, ktoré pozostávajú zo série mikropulzov. Tieto lasery sa používajú s násadcom pripevneným na kĺbovom ramene. Do systému je možné integrovať aj skenovacie zariadenie pre rýchlejšie a rovnomernejšie odstraňovanie tkaniva.

• Rubínový laser

Rubínový laser je laser s výbojkou, ktorý vyžaruje svetlo s vlnovou dĺžkou 694 nm. Tento laser, ktorý sa nachádza v červenej oblasti spektra, je viditeľný pre oko. Môže mať laserovú uzávierku na vytváranie krátkych impulzov a dosiahnutie hlbšieho prenikania do tkaniva (hlbšie ako 1 mm). Rubínový laser s dlhým impulzom sa používa na prednostné zahrievanie vlasových folikulov pri laserovom odstraňovaní chĺpkov. Toto laserové svetlo sa prenáša pomocou zrkadiel a kĺbového ramenného systému. Je slabo absorbované vodou, ale silne absorbované melanínom. Rôzne pigmenty používané na tetovanie tiež absorbujú lúče s vlnovou dĺžkou 694 nm.

• Alexandritový laser

Alexandritový laser, laser v pevnej fáze, ktorý je možné čerpať zábleskovou lampou, má vlnovú dĺžku 755 nm. Táto vlnová dĺžka v červenej časti spektra nie je viditeľná pre oko, a preto vyžaduje vodiaci lúč. Je absorbovaná modrými a čiernymi tetovacími pigmentmi, ako aj melanínom, ale nie hemoglobínom. Je to relatívne kompaktný laser, ktorý dokáže prenášať žiarenie cez flexibilný svetlovod. Laser preniká relatívne hlboko, vďaka čomu je vhodný na odstraňovanie chĺpkov a tetovaní. Veľkosti bodov sú 7 a 12 mm.

• Diódový laser

Nedávno boli diódy na supravodivých materiáloch priamo prepojené s optickými vláknami, čo viedlo k emisii laserového svetla na rôznych vlnových dĺžkach (v závislosti od charakteristík použitých materiálov). Diódové lasery sa vyznačujú svojou účinnosťou. Dokážu premeniť prichádzajúcu elektrickú energiu na svetlo s účinnosťou 50 %. Táto účinnosť, spojená s nižším generovaním tepla a vstupným výkonom, umožňuje navrhovať kompaktné diódové lasery bez veľkých chladiacich systémov. Svetlo sa prenáša cez optické vlákna.

• Filtrovaná záblesková lampa

Filtrovaná pulzná lampa používaná na odstraňovanie chĺpkov nie je laser. Namiesto toho ide o intenzívne, nekoherentné pulzné spektrum. Systém využíva kryštálové filtre na vyžarovanie svetla s vlnovou dĺžkou 590 – 1200 nm. Šírka a integrálna hustota pulzu, ktoré sú tiež variabilné, spĺňajú kritériá pre selektívnu fototermolýzu, čo stavia toto zariadenie na rovnakú úroveň ako lasery na odstraňovanie chĺpkov.

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