Lasery v plastické chirurgii

Na začátku minulého století v publikaci s názvem "Kvantová teorie radiace" Einstein teoreticky zdůvodnil procesy, které musí proběhnout, když laser vydává energii. Maiman postavil první laser v roce 1960. Od té doby se rychle rozvíjí laserová technologie, která vede k vytvoření řady laserů, které pokrývají celé elektromagnetické spektrum. Pak se sloučily s dalšími technologiemi, včetně vizualizačních systémů, robotiky a počítačů, aby se zlepšila přesnost přenosu laserového záření. V důsledku spolupráce v oblasti fyziky a bioinženýrství se lékařské lasery jako terapeutické látky staly důležitou součástí arzenálu chirurgů. Zpočátku byly těžkopádné a používaly je pouze lékaři, kteří byli speciálně vyškoleni ve fyzice lasery. V posledních 15 letech se návrh lékařských laserů vyvíjel směrem k snadnému použití a řada lékařů studovala základy laserové fyziky v postgraduálním vzdělávání.

Tento článek se zabývá: biofyzika laserů; interakce tkání s laserovým zářením; zařízení používané v současné době v plastické a rekonstrukční chirurgii; obecné bezpečnostní požadavky pro práci s lasery; otázky dalšího použití lasery při zákrocích na kůži.

Biofyzika laserů

Lasery vysílají světelnou energii, která se pohybuje ve formě vln podobných obyčejnému světlu. Vlnová délka je vzdálenost mezi dvěma sousedními vlnami. Amplituda je velikost maxima, určuje intenzitu světelného záření. Frekvence nebo doba světelné vlny je doba potřebná pro jeden úplný cyklus vln. Abychom pochopili vliv laseru, je důležité zvážit kvantovou mechaniku. Termín "laser" (LASER) je zkratka výrazu "zesílení světla stimulovaným emisím záření". Pokud foton, jednotka světla, narazí na atom, přenáší jeden z elektronů atomu na vyšší energetickou úroveň. Atom v takovém vzrušeném stavu se stává nestabilní a opět uvolní foton, když elektron přejde na počáteční, nižší úroveň energie. Tento proces je známý jako spontánní emise. Je-li atom ve vysokoenergetickém stavu a srazí se s jiným fotonem, potom při přechodu na nízkou úroveň energie přidělí dva fotony, které mají stejnou vlnovou délku, směr a fázi. Tento proces, nazývaný stimulovaná emise záření, je základem pro pochopení laserové fyziky.

Bez ohledu na typ mají všechny lasery čtyři hlavní součásti: vzrušující mechanismus nebo zdroj energie, laserové médium, optickou dutinu nebo rezonátor a systém vyhazování. Většina lékařských laserů používaných v plastické chirurgii obličeje má elektrický excitační mechanismus. Některé lasery (například barvicí laser vybuzený bleskem) používají světlo jako excitační mechanismus. Jiní mohou používat vysokoenergetické rádiové vlny nebo chemické reakce, aby zajistily budicí energii. Mechanismus budiče pumpuje energii do rezonanční komory, která obsahuje laserové médium, které může být pevný, kapalný, plynný nebo polovodivý materiál. Energie vypouštěná do dutiny rezonátoru zvyšuje elektrony atomů laserového média na vyšší energetickou hladinu. Když polovina atomů v rezonátoru dosáhne vysoké excitace, dochází k inverzi populace. Spontánní emise začíná, když jsou fotony emitovány ve všech směrech a některé z nich se srazí s již vzrušenými atomy, což vede ke stimulaci emisí dvojic fotonů. Zesílení stimulované emise nastane, když se fotony pohybující se podél osy mezi zrcátky odrážejí hlavně tam a zpět. To vede k následné stimulaci, protože tyto fotony se srazí s jinými vzrušenými atomy. Jedno zrcadlo má 100% odraz a druhé - částečně přenáší vyzařovanou energii z komory dutiny. Tato energie se přenáší na biologické tkáně systémem vyhazování. Ve většině laserů je to optická vlákna. Pozoruhodnou výjimkou je laser C02, který má systém zrcadel na kloubové tyči. Pro laser C02 jsou optické vlákna, ale omezují velikost místa a výstupní energii.

Světlo laseru ve srovnání s obyčejným světlem je organizovanější a kvalitativně intenzivnější. Vzhledem k tomu, že laserové médium je homogenní, fotony emitované pod stimulovanou emisí mají jednu vlnovou délku, která vytváří monochromatickou barvu. Obvykle světlo silně difunduje, když se odvrací od zdroje. Laserové světlo je kolimováno: trochu se rozptýlí, čímž se dosahuje stálé intenzity energie ve velké vzdálenosti. Fotony laserového světla se pohybují nejen jedním směrem, mají stejnou časovou a prostorovou fázi. To se nazývá soudržnost. Vlastnosti monochromatické, kolimační a koherentní rozlišují laserové světlo od neuspořádané energie obyčejného světla.

Interakce laser-tkáně

Spektrum laserových účinků na biologické tkáně se rozšiřuje od modulace biologických funkcí po odpařování. Většina klinicky používaných interakcí laser-tkáň zahrnuje tepelnou koagulaci nebo odpařování. V budoucnu mohou být lasery používány nejen jako zdroje tepla, ale jako sondy pro řízení buněčných funkcí bez vedlejších účinků cytotoxických účinků.

Účinek běžného laseru na tkáň závisí na třech faktorech: absorpci tkání, vlnové délce laseru a hustotě laserové energie. Když laserový paprsek narazí na tkáň, může být jeho energie absorbována, odražena, přenášena nebo rozptýlena. Při jakékoliv interakci tkáně a laseru se všechny čtyři procesy vyskytují v různé míře, z nichž je nejdůležitější absorpce. Stupeň absorpce závisí na obsahu chromoforu v tkáni. Chromofory jsou látky, které účinně absorbují vlny určité délky. Například energie CO 2 laseru je absorbována měkkými tkáněmi těla. To je způsobeno skutečností, že vlnová délka odpovídající CO2 je dobře absorbována molekuly vody, které tvoří až 80% měkkých tkání. Naproti tomu laser C02 je minimálně absorbován kostí, což je způsobeno nízkým obsahem vody v kostní tkáni. Zpočátku, když tkáň pohlcuje energii laseru, její molekuly začnou vibrovat. Absorpce dodatečné energie způsobuje denaturaci, koagulaci a nakonec odpaření bílkoviny (odpařování).

Když se laserová energie odráží v tkáni, není poškozena, protože směr záření na povrchu se mění. Také, pokud laserová energie prochází povrchovými tkáněmi do hluboké vrstvy, není ovlivněna mezivrstva. Pokud se laserový paprsek rozptýlí do tkáně, není energie absorbována na povrchu, nýbrž náhodně rozložená v hlubokých vrstvách.

Třetím faktorem, který se týká interakce tkání s laserem, je hustota energie. Když se laser a tkáň vzájemně ovlivňují, jsou-li všechny ostatní faktory konstantní, změna velikosti bodu nebo doba expozice může ovlivnit stav tkáně. Pokud se velikost skvrny laserového paprsku snižuje, zvyšuje se výkon působící na určitý objem tkáně. Naopak, pokud se velikost bodu zvětší, hustota energie laserového paprsku klesá. Chcete-li změnit velikost místa, můžete zaostřit, předem zaostřit nebo vycentrovat systém vyhazování na tkaninu. Při předběžném zaostření a rozložení paprsků je velikost bodu větší než zaostřený paprsek, což vede k nižší hustotě výkonu.

Dalším způsobem, jak změnit účinky tkáně, je pulsace laserové energie. Všechny pulzní režimy záření přerušované doby zapnutí a vypnutí. Vzhledem k tomu, že energie nedosáhne tkáně v době vypnutí, je možné odvádět teplo. Pokud jsou odstavovací doby delší než doba tepelného uvolnění cílové tkáně, pravděpodobnost poškození okolní tkáně tepelnou vodivostí klesá. Doba tepelného uvolnění je doba potřebná k rozptylu poloviny tepla objektu. Poměr trvání aktivní mezery ke součtu aktivních a pasivních intervalů pulsace se nazývá pracovní cyklus.

Provozní cyklus = zapnuto / zapnuto + vypnuto

Existují různé pulzní režimy. Energii lze vyrábět v dávkách nastavením doby, kdy laser vydává (např. OD c). Energie se může překrývat, když je v určitých intervalech zablokována konstantní vlna mechanickou závěrkou. V režimu super impulsů není energie jednoduše zablokována, ale je uložena v laserovém zdroji energie během vypínací doby a poté je vysávána během doby trvání. To znamená, že špičková energie v superpulsním režimu je výrazně vyšší než v konstantním režimu nebo v režimu překrytí.

V laseru, který generuje obrovský pulsní režim, je energie také zachována během vypínací doby, ale v laserovém prostředí. Toho je dosaženo použitím mechanismu klapky v dutinové komoře mezi oběma zrcátky. Uzavřená klapka zabraňuje generování v laseru, ale umožňuje uchovávat energii na každé straně klapky. Když je klapka otevřená, zrcadla vzájemně reagují, což způsobuje vznik vysokoenergetického laserového paprsku. Špičková energie laseru generujícího v obrovském pulsním režimu je velmi vysoká s krátkým provozním cyklem. Laser se synchronizovanými režimy je podobný laseru, který generuje v režimu obrovských impulzů, protože mezi dvěma zrcátky v komoře dutiny je uspořádána tlumič. Laser se synchronizovanými režimy otevírá a uzavírá klapku v synchronizaci s časem, který odráží světlo mezi dvěma zrcadly.

Charakteristika laserů

• Laserový oxid uhličitý

Laserový oxid uhličitý se nejčastěji používá v chirurgii otorinolaryngologie / chirurgie hlavy a krku. Délka jeho vlny je 10,6 nm - neviditelná vlna vzdálené infračervené oblasti spektra elektromagnetického záření. Vedení podél paprsku hélia-neonového laseru je nezbytné, aby chirurg viděl oblast vlivu. Laserové médium je C02. Jeho vlnová délka je dobře absorbována molekulami vody v tkáni. Účinky jsou povrchní kvůli vysoké absorpci a minimální disperzi. Radiaci lze přenášet pouze přes zrcadla a speciální čočky umístěné na kloubové liště. Kloubová tyč může být připevněna k mikroskopu pro přesnou práci při zvětšení. Energii lze také vysunout pomocí zaostřovací rukojeti, která je připojena k závěsné liště.

• Nd: YAG laser

Vlnová délka laseru Nd: YAG (yttrium-hlinitý granát s neodymem) je 1064 nm, tj. V blízké infračervené oblasti. Je neviditelný lidskému oku a vyžaduje sugestivní hélium-neonový laserový paprsek. Laserové médium je granát yttrium-hliník s neodymem. Většina tělesných tkání neabsorbuje tuto vlnovou délku dobře. Pigmentovaná tkáň však absorbuje lépe než nepigmentovaná. Energie se přenáší přes povrchové vrstvy většiny tkání a je rozptýlena v hlubokých vrstvách.

Ve srovnání s laserem s oxidem uhličitým je rozptyl Nd: YAG mnohem větší. Proto je hloubka proniknutí větší a Nd: YAG je vhodná pro koagulaci hluboce ležících nádob. Při experimentu je maximální hloubka koagulace asi 3 mm (teplota koagulace +60 ° C). Byly zaznamenány dobré výsledky léčby hlubokých periorálních kapilárních a kavernózních útvarů pomocí laseru Nd: YAG. Existuje také zpráva o úspěšné laserové fotokoagulaci s hemangiomy, lymfangiomy a arteriovenózními vrozenými formacemi. Nicméně, větší hloubka pronikání a nerozlišující zničení předurčují ke zvýšení pooperačních zjizvení. Klinicky je to minimalizováno bezpečným nastavením výkonu, bodovým přístupem k vypuknutí a vyhýbání se oblasti pokožky. V praxi bylo použití tmavě červeného laseru Nd: YAG prakticky nahrazeno lasery s vlnovou délkou ležící v žluté části spektra. Používá se však jako pomocný laser pro uzlové formace tmavě červené barvy (barva portů).

Bylo prokázáno, že laser Nd: YAG inhibuje produkci kolagenu jak v fibroblastové kultuře, tak v normální pokožce in vivo. To naznačuje úspěch tohoto laseru při léčbě hypertrofických jizev a keloidů. Klinicky se ovšem frekvence relapsu po keloidích je vysoká, a to navzdory silné dodatečné lokální léčbě steroidy.

• Kontaktujte laser Nd: YAG

Použití laseru Nd: YAG v kontaktním režimu výrazně mění fyzikální vlastnosti a absorpci záření. Kontaktní hrot se skládá z krystalu safíru nebo křemene, který je přímo spojen s koncem laserového vlákna. Kontaktní hrot interaguje přímo s pokožkou a působí jako tepelný skalpel, současně dělí a koaguluje. Existují zprávy o použití kontaktní špičky se širokou škálou intervencí na měkkých tkáních. Tyto aplikace jsou blíže k elektrokoagulaci než nekontaktní Nd: YAG. Lékaři v současné době používají vlnové délky specifické pro laser, nikoliv pro řezání tkání, ale pro zahřívání špičky. Zásady interakce laseru s tkáněmi proto nejsou použitelné. Doba odezvy na kontaktní laser není tak přímou funkcí, jako při použití volného vlákna, a proto je zde doba prodlevy pro vytápění a chlazení. Nicméně se zkušenostmi se tento laser stává vhodným pro rozdělení kožních a svalových štěpů.

• Argonový laser

Argonový laser vydává viditelné vlny o délce 488-514 nm. Vzhledem k konstrukci komory dutiny a molekulární struktuře laserového média tento typ laseru vytváří rozsah dlouhých vlnových délek. Jednotlivé modely mohou mít filtr, který omezí záření na jednu vlnovou délku. Energie argonového laseru je dobře absorbována hemoglobinem a jeho disperze je středem mezi oxidem uhličitým a Nd: YAG laserem. Radiační systém pro argonový laser je nosič optických vláken. Vzhledem k velké absorpci hemoglobinem, vaskulární novotvary pokožky také absorbují energii laseru.

• KTP laser

Laser KTP (titanylfosfát draselný) je laser Nd: YAG, jehož frekvence se zdvojnásobuje (vlnová délka je snížena o polovinu) tím, že se prochází laserovou energií skrze KT krystal. To dává zelené světlo (vlnová délka 532 nm), což odpovídá absorpčnímu píku hemoglobinu. Jeho penetrace do tkání a rozptyl je podobná jako u argonového laseru. Energie laseru je přenášena vláknem. V bezkontaktním režimu se laser odpařuje a koaguluje. V polo-kontaktním režimu se špička vlákna sotva dotýká tkaniny a stává se řezným nástrojem. Čím více energie se používá, tím více působí laser jako tepelný nůž, podobně jako laser s kyselinou uhličitou. Zařízení s nižší energií se používají především pro koagulaci.

• Barevný laser vybuzený bleskem

Barevný laser vyzařovaný zábleskovou lampou byl prvním lékařským laserem speciálně vyvinutým pro léčbu benigních vaskulárních novotvarů pokožky. Jedná se o laser s viditelným světlem o vlnové délce 585 nm. Tato vlnová délka se shoduje s třetím vrcholem absorpce oxyhemoglobinem, a proto je energie tohoto laseru převážně absorbována hemoglobinem. V rozmezí 577-585 nm je také méně absorpce konkurenčních chromoforů, jako je melanin, a méně rozptylu laserové energie v dermis a epidermis. Laserovým prostředím je barvivo rhodamin, který je opticky excitován bleskem a radiační systém je nosič optických vláken. Hrot laserového barviva má výměnný systém čoček, který umožňuje vytvořit bodovou velikost 3, 5, 7 nebo 10 mm. Laser pulsuje po dobu 450 ms. Tento pulzační index byl zvolen na základě doby tepelné relaxace ektatálních cév, které se nacházejí v benigních vaskulárních novotvarech kůže.

• Měděný pára laser

Laser měděných par vytváří viditelné záření, které má dvě oddělené vlnové délky: impulsní zelená vlna o délce 512 nm a impulsní žlutá vlna o délce 578 nm. Laserovým médiem je měď, která je elektricky excitována (odpařována). Systém vláknového vlákna přenáší energii na špičku, která má proměnlivou velikost bodu 150-1000 μm. Doba expozice se pohybuje od 0,075 s do konstanty. Doba mezi impulsy se také pohybuje od 0,1 s do 0,8 s. Pro ošetření benigních vaskulárních lézí na obličeji se používá žluté laserové laserové světlo. Zelená vlna může být použita k léčbě takových pigmentovaných forem, jako jsou pihy, lentigo, nevi a keratóza.

• Nevtlumený žlutý barvicí laser

Žlutý barvicí laser s nepatřenou vlnou je laser viditelného světla, který produkuje žluté světlo s vlnovou délkou 577 nm. Stejně jako laser na barvivu, který je vzrušen flash lampou, je laděn změnou barvy v aktivační komoře laseru. Barvivo je excitováno argonovým laserem. Vyhazovací systém pro tento laser je také optický kabel, který může být zaměřen na různé velikosti bodů. Laserové světlo může pulsovat pomocí mechanické závěrky nebo špičky Hexascanner připojeného ke konci optického systému. Hexascanner náhodně nasměruje impulzy laserové energie uvnitř šestiúhelníkového obrysu. Stejně jako barvicí laser vyzařovaný zábleskovou lampou a laserem s měděnými výpary, je žlutý barvivový laser s nenarušenou vlnou ideální pro léčbu benigních vaskulárních lézí na obličeji.

• Erbium laser

Erbium: UAS laser používá pás absorpčního spektra s vodou 3000 nm. Jeho vlnová délka 2940 nm odpovídá tomuto vrcholu a je silně absorbována tkáňovou vodou (asi 12 krát větší než laser na bázi oxidu uhličitého). Tento laser, který vyzařuje v blízké infračervené oblasti, je neviditelný pro oko a měl by být použit s viditelným vodícím paprskem. Laser je čerpán bleskem a vydává makro-impulsy o délce 200-300 μs, které se skládají ze série mikropulzů. Tyto lasery se používají s hrotem připojeným k závěsné liště. Skenovací zařízení může být také integrováno do systému pro rychlejší a rovnoměrnější odstranění tkáně.

• Ruby laser

Rubový laser - laser čerpaný impulsní lampou, která vydává světlo o vlnové délce 694 nm. Tento laser, umístěný v červené oblasti spektra, je viditelný s očima. Může mít laserovou závěrku, která produkuje krátké impulsy a dosáhne hlubšího proniknutí do tkáně (hlouběji než 1 mm). Dlouho pulzní rubínový laser se používá při přednostním zahřívání vlasových folikulů během laserového odstraňování chloupků. Toto laserové záření je přenášeno zrcadly a systémem závěsné tyče. Je špatně absorbován vodou, ale silně absorbován melaninem. Různé pigmenty používané pro tetování také absorbují paprsky s vlnovou délkou 694 nm.

• Alexandrite laser

Alexandrite laser, pevný stavový laser, který může být nafoukl bleskem, má vlnovou délku 755 nm. Tato vlnová délka, která se nachází v červené části spektra, není viditelná pro oko, a proto vyžaduje vodicí paprsek. To je absorbováno modrými a černými pigmenty pro tetování, stejně jako melanin, ale ne hemoglobin. Jedná se o poměrně kompaktní laser, který může přenášet záření na ohebné vlákno. Laser proniká poměrně hluboko, což usnadňuje odstraňování vlasů a tetování. Velikost místa je 7 a 12 mm.

• Diodový laser

Nedávno byly diody na supravodivých materiálech přímo spojeny s optickými zařízeními, což vedlo k emise laserového záření s různými vlnovými délkami (v závislosti na charakteristikách použitých materiálů). Diodové lasery se vyznačují svým výkonem. Mohou přenést přicházející elektrickou energii do světla s účinností 50%. Tato účinnost, spojená s méně generací tepla a příkonem, umožňuje kompaktní diodové lasery mít konstrukci bez velkých chladicích systémů. Světlo je přenášeno optickým vláknem.

• Filtrovaná impulsní lampa

Filtrovaná impulsní lampa používaná pro odstranění chloupků není laser. Naopak je to intenzivní, nekoherentní impulsní spektrum. Pro emise světla s vlnovou délkou 590 - 1200 nm používá systém krystalové filtry. Šířka a integrální hustota pulsu, také proměnná, splňují kritéria selektivní fotothermolýzy, která tento přístroj řadí na lasere s odstraňovačem vlasů.

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