Ласери у пластичној хирургији

Почетком прошлог века, Ајнштајн је теоретски објаснио процесе који се морају догодити када ласер емитује енергију у раду под називом „Квантна теорија зрачења“. Мајман је направио први ласер 1960. године. Од тада се ласерска технологија брзо развијала, производећи разне ласере који обухватају цео електромагнетни спектар. Од тада су комбиновани са другим технологијама, укључујући системе за снимање, роботику и рачунаре, како би се побољшала прецизност испоруке ласера. Кроз сарадњу у физици и биоинжењерингу, медицински ласери су постали важан део терапијских алата хирурга. У почетку су били гломазни и користили су их само хирурзи који су били посебно обучени за ласерску физику. Током протеклих 15 година, дизајн медицинских ласера је напредовао како би их учинио лакшим за употребу, а многи хирурзи су научили основе ласерске физике као део своје постдипломске обуке.

Овај чланак разматра: биофизику ласера; интеракцију ткива са ласерским зрачењем; уређаје који се тренутно користе у пластичној и реконструктивној хирургији; опште безбедносне захтеве при раду са ласерима; питања даље употребе ласера у интервенцијама на кожи.

Биофизика ласера

Ласери емитују светлосну енергију која путује у таласима сличним обичној светлости. Таласна дужина је растојање између два суседна врха таласа. Амплитуда је величина врха, која одређује интензитет светлости. Фреквенција, или период, светлосног таласа је време које је потребно да талас заврши један циклус. Да бисмо разумели како ласер ради, важно је разумети квантну механику. Термин ЛАСЕР је скраћеница за Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Појачавање светлости стимулисаном емисијом зрачења). Када фотон, јединица светлосне енергије, удари у атом, он узрокује да један од електрона атома скочи на виши енергетски ниво. Атом постаје нестабилан у овом побуђеном стању, ослобађајући фотон када се електрон врати на свој првобитни, нижи енергетски ниво. Овај процес је познат као спонтана емисија. Ако је атом у стању високе енергије и судари се са другим фотоном, када се врати у стање ниске енергије, ослободиће два фотона који имају идентичну таласну дужину, смер и фазу. Овај процес, назван стимулисана емисија зрачења, је фундаменталан за разумевање физике ласера.

Без обзира на тип, сви ласери имају четири основне компоненте: механизам побуђивања или извор енергије, ласерски медијум, оптичку шупљину или резонатор и систем за избацивање. Већина медицинских ласера који се користе у пластичној хирургији лица имају електрични механизам побуђивања. Неки ласери (као што је ласер са бојом побуђен бљескалицом) користе светлост као механизам побуђивања. Други могу користити високоенергетске радиофреквентне таласе или хемијске реакције да би обезбедили енергију побуђивања. Механизам побуђивања пумпа енергију у резонантну комору која садржи ласерски медијум, који може бити чврст, течан, гасовит или полупроводнички материјал. Енергија која се убацује у резонаторску шупљину подиже електроне атома у ласерском медијуму на виши енергетски ниво. Када је половина атома у резонатору високо побуђена, долази до инверзије популације. Спонтана емисија почиње када се фотони емитују у свим правцима, а неки се сударају са већ побуђеним атомима, што резултира стимулисаном емисијом упарених фотона. Стимулисана емисија се појачава како се фотони који путују дуж осе између огледала преференцијално рефлектују напред-назад. Ово резултира секвенцијалном стимулацијом док се ови фотони сударају са другим побуђеним атомима. Једно огледало је 100% рефлектујуће, док друго огледало делимично преноси емитовану енергију из резонаторске коморе. Ова енергија се преноси на биолошко ткиво помоћу система за избацивање. За већину ласера, то су оптичка влакна. Значајан изузетак је CO2 ласер, који има систем огледала на шаркама. Оптичка влакна су доступна за CO2 ласер, али она ограничавају величину тачке и излазну енергију.

Ласерска светлост је организованија и квалитативније интензивнија од обичне светлости. Пошто је ласерски медијум хомоген, фотони које емитује стимулисана емисија имају једну таласну дужину, што ствара монохроматскост. Нормално, светлост се јако расејава док се удаљава од извора. Ласерска светлост је колимирана: мало се расејава, пружајући константан интензитет енергије на великој удаљености. Фотони ласерске светлости се не само крећу у истом смеру, већ имају и исту временску и просторну фазу. То се назива кохеренција. Својства монохроматскости, колимације и кохеренције разликују ласерску светлост од неуређене енергије обичне светлости.

Интеракција ласера и ткива

Спектар ласерских ефеката на биолошка ткива протеже се од модулације биолошких функција до испаравања. Већина клинички коришћених интеракција ласера и ткива тиче се термалних способности коагулације или испаравања. У будућности, ласери би се могли користити не као извори топлоте, већ као сонде за контролу ћелијских функција без цитотоксичних нежељених ефеката.

Ефекат конвенционалног ласера на ткиво зависи од три фактора: апсорпције ткива, таласне дужине ласера и густине енергије ласера. Када ласерски зрак погоди ткиво, његова енергија може бити апсорбована, рефлектована, пропуштена или расејана. Сва четири процеса се одвијају у различитом степену у било којој интеракцији ткива и ласера, од којих је апсорпција најважнија. Степен апсорпције зависи од садржаја хромофора у ткиву. Хромофори су супстанце које ефикасно апсорбују таласе одређене дужине. На пример, енергију CO2 ласера апсорбују мека ткива тела. То је зато што молекули воде, који чине до 80% меког ткива, добро апсорбују таласну дужину која одговара CO2. Насупрот томе, апсорпција CO2 ласера је минимална у костима, због ниског садржаја воде у коштаном ткиву. У почетку, када ткиво апсорбује енергију ласера, његови молекули почињу да вибрирају. Апсорпција додатне енергије изазива денатурацију, коагулацију и коначно испаравање протеина (вапоризацију).

Када се ласерска енергија рефлектује од ткива, оно потоње није оштећено, јер се смер зрачења на површини мења. Такође, ако ласерска енергија пролази кроз површинска ткива у дубоки слој, средње ткиво није погођено. Ако се ласерски зрак расејава у ткиву, енергија се не апсорбује на површини, већ се насумично распоређује у дубоким слојевима.

Трећи фактор који се тиче интеракције ткива са ласером је густина енергије. У интеракцији ласера и ткива, када су сви остали фактори константни, промена величине тачке или времена експозиције може утицати на стање ткива. Ако се величина тачке ласерског зрака смањи, снага која делује на одређену запремину ткива се повећава. Супротно томе, ако се величина тачке повећа, густина енергије ласерског зрака се смањује. Да би се променила величина тачке, систем за избацивање на ткиво може бити фокусиран, претходно фокусиран или дефокусиран. Код претходно фокусираних и дефокусираних зрака, величина тачке је већа од фокусираног зрака, што резултира мањом густином снаге.

Још један начин за варирање ефеката на ткиво је пулсирање ласерске енергије. Сви пулсирајући режими се смењују између периода укључености и искључености. Пошто енергија не допире до ткива током периода искључености, постоји могућност да се топлота расипа. Ако су периоди искључености дужи од времена термичке релаксације циљног ткива, вероватноћа оштећења околног ткива проводљивошћу је смањена. Време термичке релаксације је време потребно да се половина топлоте у мети расипа. Однос активног интервала и збира активних и пасивних интервала пулсације назива се радни циклус.

Радни циклус = укључено/укључено + искључено

Постоје различити импулсни режими. Енергија се може ослобађати у рафалима подешавањем периода у којем ласер емитује (нпр. 10 секунди). Енергија се може блокирати, где се константни талас блокира у одређеним интервалима механичким затварачем. У суперимпулсном режиму, енергија се не блокира једноставно, већ се складишти у извору ласерске енергије током периода искључења, а затим ослобађа током периода укључености. То јест, вршна енергија у суперимпулсном режиму је знатно већа него у константном или блокирајућем режиму.

Код џиновског импулсног ласера, енергија се такође складишти током периода искључења, али у ласерском медијуму. То се постиже механизмом затварача у шупљини коморе између два огледала. Када је затварач затворен, ласер не емитује ласерско зрак, али се енергија складишти са сваке стране затварача. Када је затварач отворен, огледала међусобно делују и производе ласерски зрак високе енергије. Вршна енергија џиновског импулсног ласера је веома висока са кратким радним циклусом. Ласер са закључаним модом је сличан џиновском импулсном ласеру по томе што се између два огледала у шупљини коморе налази затварач. Ласер са закључаним модом отвара и затвара свој затварач синхронизовано са временом које је потребно да се светлост рефлектује између два огледала.

Карактеристике ласера

• Ласер угљен-диоксида

Угљен-диоксидни ласер се најчешће користи у оториноларингологији/хирургији главе и врата. Његова таласна дужина је 10,6 nm, невидљиви талас у далеком инфрацрвеном подручју електромагнетног спектра. Вођење дуж хелијум-неонског ласерског снопа је неопходно како би хирург могао да види подручје деловања. Ласерски медијум је CO2. Његова таласна дужина се добро апсорбује од стране молекула воде у ткиву. Ефекти су површински због високе апсорпције и минималног расејања. Зрачење се може преносити само кроз огледала и посебна сочива постављена на зглобну шипку. Погонска крак се може причврстити на микроскоп за прецизан рад под увећањем. Енергија се такође може избацити кроз ручку за фокусирање причвршћену за зглобну шипку.

• Nd:YAG ласер

Таласна дужина Nd:YAG (итријум-алуминијум-гранат са неодимијумом) ласера је 1064 nm, односно налази се у блиском инфрацрвеном подручју. Невидљив је људском оку и захтева вођење хелијум-неонског ласерског снопа. Ласерски медијум је итријум-алуминијум-гранат са неодимијумом. Већина ткива у телу слабо апсорбује ову таласну дужину. Међутим, пигментисано ткиво је апсорбује боље од непигментисаног ткива. Енергија се преноси кроз површинске слојеве већине ткива и расипа се у дубоким слојевима.

У поређењу са угљен-диоксидним ласером, расејање Nd:YAG је знатно веће. Стога је дубина пенетрације већа и Nd:YAG је погодан за коагулацију дубоких крвних судова. У експерименту, максимална дубина коагулације је око 3 мм (температура коагулације +60 °C). Пријављени су добри резултати у лечењу дубоких периоралних капиларних и кавернозних формација помоћу Nd:YAG ласера. Такође постоји извештај о успешној ласерској фотокоагулацији хемангиома, лимфангиома и артериовенских конгениталних формација. Међутим, већа дубина пенетрације и неселективно уништење предиспонирају повећано постоперативно ожиљавање. Клинички, ово се минимизира безбедним подешавањима снаге, тачкастим приступом лезији и избегавањем третмана кожних подручја. У пракси, употреба тамноцрвеног Nd:YAG ласера је практично замењена ласерима са таласном дужином која се налази у жутом делу спектра. Међутим, користи се као адјувантни ласер за тамноцрвене (порто вино) нодуларне лезије.

Показано је да Nd:YAG ласер инхибира производњу колагена и у култури фибробласта и у нормалној кожи in vivo. Ово указује на успех у лечењу хипертрофичних ожиљака и келоида. Међутим, клинички, стопе рецидива након ексцизије келоида су високе, упркос снажној додатној локалној терапији стероидима.

• Контактни Nd:YAG ласер

Употреба Nd:YAG ласера у контактном режиму значајно мења физичка својства и апсорпцију зрачења. Контактни врх се састоји од сафирног или кварцног кристала директно причвршћеног за крај ласерског влакна. Контактни врх директно интерагује са кожом и делује као термички скалпел, истовремено секући и коагулирајући. Постоје извештаји о коришћењу контактног врха у широком спектру интервенција на меким ткивима. Ове примене су ближе применама електрокоагулације него бесконтактном Nd:YAG режиму. Генерално, хирурзи сада користе инхерентне таласне дужине ласера не за сечење ткива, већ за загревање врха. Стога, принципи интеракције ласера и ткива овде нису применљиви. Време одзива на контактни ласер није тако директно повезано као код слободног влакна, и стога постоји период кашњења за загревање и хлађење. Међутим, са искуством, овај ласер постаје погодан за изоловање кожних и мишићних режњева.

• Аргонски ласер

Аргонски ласер емитује видљиве таласе дужине 488-514 nm. Због дизајна резонаторске коморе и молекуларне структуре ласерског медијума, ова врста ласера производи дуготаласни опсег. Неки модели могу имати филтер који ограничава зрачење на једну таласну дужину. Енергија аргонског ласера се добро апсорбује од стране хемоглобина, а њено расејање је између енергије угљен-диоксидног и Nd:YAG ласера. Систем зрачења за аргонски ласер је носач оптичких влакана. Због високе апсорпције хемоглобином, васкуларне неоплазме коже такође апсорбују ласерску енергију.

• КТФ ласер

KTP (калијум титанил фосфат) ласер је Nd:YAG ласер чија се фреквенција удвостручује (таласна дужина се смањује за половину) пропуштањем ласерске енергије кроз KTP кристал. Ово производи зелену светлост (таласна дужина 532 nm), која одговара апсорпционом врху хемоглобина. Његово продирање у ткиво и расејање су слични онима код аргонског ласера. Ласерска енергија се преноси влакном. У бесконтактном режиму, ласер испарава и коагулира. У полуконтактном режиму, врх влакна једва додирује ткиво и постаје инструмент за сечење. Што се већа енергија користи, ласер више делује као термички нож, слично ласеру са угљен-диоксидом. Јединице ниже енергије се првенствено користе за коагулацију.

• Ласер са бојом, побуђен блицем,

Ласер са бојом побуђен бљеском лампе био је први медицински ласер посебно дизајниран за лечење бенигних васкуларних лезија коже. То је ласер видљиве светлости са таласном дужином од 585 nm. Ова таласна дужина се поклапа са трећим апсорпционим врхом оксихемоглобина, и стога енергију овог ласера претежно апсорбује хемоглобин. У опсегу од 577-585 nm постоји и мања апсорпција од стране конкурентских хромофора као што је меланин и мање расејање ласерске енергије у дермису и епидермису. Ласерски медијум је родамин боја, која се оптички побуђује бљеском лампе, а систем емисије је носач оптичких влакана. Врх ласера са бојом има систем заменљивих сочива који омогућава стварање тачке величине 3, 5, 7 или 10 mm. Ласер пулсира са периодом од 450 ms. Овај индекс пулсације је изабран на основу времена термичке релаксације ектатичних крвних судова пронађених у бенигним васкуларним лезијама коже.

• Ласер са бакарним парама

Ласер бакарних пара производи видљиву светлост две одвојене таласне дужине: импулсни зелени талас од 512 nm и импулсни жути талас од 578 nm. Ласерски медијум је бакар, који се електрично побуђује (испарава). Систем влакана преноси енергију до врха, који има променљиву величину тачке од 150-1000 µm. Време експозиције се креће од 0,075 s до константног. Време између импулса такође варира од 0,1 s до 0,8 s. Жута светлост ласера бакарних пара се користи за лечење бенигних васкуларних лезија на лицу. Зелени талас се може користити за лечење пигментних лезија као што су пеге, лентиго, невуси и кератоза.

• Жути ласер са небледећом бојом

Жути CW ласер са бојом је ласер видљиве светлости који производи жуту светлост таласне дужине од 577 nm. Као и ласер са бојом побуђен бљескалицом, подешава се променом боје у комори за активацију ласера. Боја се побуђује аргонским ласером. Систем за избацивање за овај ласер је такође оптички кабл који се може фокусирати на различите величине тачака. Ласерска светлост се може пулсирати помоћу механичког затварача или врха хексаскенера који се причвршћује на крај система оптичких влакана. Хексаскенер насумично усмерава импулсе ласерске енергије унутар хексагоналног обрасца. Као и ласер са бојом побуђен бљескалицом и ласер са парама бакра, жути CW ласер са бојом је идеалан за лечење бенигних васкуларних лезија на лицу.

• Ербијумски ласер

Ербијум:UAS ласер користи апсорпциони појас воде од 3000 nm. Његова таласна дужина од 2940 nm одговара овом врху и снажно га апсорбује вода у ткиву (приближно 12 пута више од CO2 ласера). Овај блискоинфрацрвени ласер је невидљив за око и мора се користити са видљивим циљним снопом. Ласер се пумпа помоћу блица и емитује макроимпулсе трајања од 200-300 μs, који се састоје од низа микроимпулса. Ови ласери се користе са ручним наставком причвршћеним за зглобну руку. У систем се може интегрисати и уређај за скенирање ради бржег и равномернијег уклањања ткива.

• Рубински ласер

Рубин ласер је ласер са пумпањем бљескалицом који емитује светлост на таласној дужини од 694 nm. Овај ласер, који се налази у црвеном делу спектра, видљив је голим оком. Може имати ласерски затварач за производњу кратких импулса и постизање дубљег продирања у ткиво (дубље од 1 mm). Рубин ласер са дугим импулсом се користи за преференцијално загревање фоликула длаке код ласерског уклањања длака. Ова ласерска светлост се преноси помоћу огледала и зглобног система носача. Слабо је апсорбује вода, али је снажно апсорбује меланин. Разни пигменти који се користе за тетоваже такође апсорбују зраке од 694 nm.

• Александритски ласер

Александритски ласер, чврсти ласер који може да се пумпа помоћу блица, има таласну дужину од 755 nm. Ова таласна дужина, у црвеном делу спектра, није видљива оку и стога захтева водич. Апсорбују је плави и црни пигменти тетоваже, као и меланин, али не и хемоглобин. То је релативно компактан ласер који може да преноси зрачење кроз флексибилни светлосни водич. Ласер продире релативно дубоко, што га чини погодним за уклањање длака и тетоважа. Величине тачака су 7 и 12 mm.

• Диодни ласер

Недавно су диоде на суперпроводним материјалима директно повезане са уређајима са оптичким влакнима, што резултира емисијом ласерске светлости на различитим таласним дужинама (у зависности од карактеристика коришћених материјала). Диодни ласери се одликују својом ефикасношћу. Они могу да претворе долазну електричну енергију у светлост са ефикасношћу од 50%. Ова ефикасност, повезана са мањим стварањем топлоте и улазном снагом, омогућава пројектовање компактних диодних ласера без великих система за хлађење. Светлост се преноси путем оптичких влакана.

• Филтрирана блиц лампа

Филтрирана импулсна лампа која се користи за уклањање длака није ласер. Уместо тога, то је интензиван, некохерентан, импулсни спектар. Систем користи кристалне филтере за емитовање светлости таласне дужине од 590-1200 nm. Ширина и интегрална густина импулса, такође променљиве, испуњавају критеријуме за селективну фототермолизу, што овај уређај ставља у ранг са ласерима за уклањање длака.

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