Lasery v plastické chirurgii

Na začátku minulého století Einstein v článku s názvem „Kvantová teorie záření“ teoreticky vysvětlil procesy, které musí probíhat při vyzařování energie laserem. Maiman sestrojil první laser v roce 1960. Od té doby se laserová technologie rychle rozvíjela a vznikla řada laserů, které pokrývají celé elektromagnetické spektrum. Od té doby byly kombinovány s dalšími technologiemi, včetně zobrazovacích systémů, robotiky a počítačů, aby se zlepšila přesnost dodávání laserového záření. Díky spolupráci ve fyzice a bioinženýrství se lékařské lasery staly důležitou součástí terapeutických nástrojů chirurgů. Zpočátku byly objemné a používali je pouze chirurgové speciálně vyškolení v laserové fyzice. Během posledních 15 let se konstrukce lékařských laserů zdokonalila, aby se snáze používaly, a mnoho chirurgů se v rámci svého postgraduálního vzdělávání naučilo základy laserové fyziky.

Tento článek se zabývá: biofyzikou laserů; interakcí tkání s laserovým zářením; zařízeními v současnosti používanými v plastické a rekonstrukční chirurgii; obecnými bezpečnostními požadavky při práci s lasery; otázkami dalšího využití laserů při kožních intervencích.

Biofyzika laserů

Lasery vyzařují světelnou energii, která se šíří ve vlnách podobných běžnému světlu. Vlnová délka je vzdálenost mezi dvěma sousedními vrcholy vlny. Amplituda je velikost vrcholu, která určuje intenzitu světla. Frekvence neboli perioda světelné vlny je doba, kterou vlna potřebuje k dokončení jednoho cyklu. Abychom pochopili, jak laser funguje, je důležité porozumět kvantové mechanice. Termín LASER je zkratka pro Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (zesílení světla stimulovanou emisí záření). Když foton, jednotka světelné energie, zasáhne atom, způsobí, že jeden z elektronů atomu přeskočí na vyšší energetickou hladinu. V tomto excitovaném stavu se atom stává nestabilním a uvolňuje foton, když elektron klesne zpět na svou původní, nižší energetickou hladinu. Tento proces je známý jako spontánní emise. Pokud je atom ve stavu s vysokou energií a srazí se s jiným fotonem, když se vrátí do stavu s nízkou energií, uvolní 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 základní komponenty: excitační mechanismus nebo zdroj energie, laserové médium, optickou dutinu nebo rezonátor a ejekční systém. Většina lékařských laserů používaných v plastické chirurgii obličeje má elektrický excitační mechanismus. Některé lasery (například barvivový laser buzený zábleskovou lampou) používají jako excitační mechanismus světlo. Jiné mohou k zajištění excitační energie využívat vysokoenergetické radiofrekvenční vlny nebo chemické reakce. Excitační mechanismus pumpuje energii do rezonanční komory obsahující laserové médium, které může být pevný, kapalný, plynný nebo polovodičový materiál. Energie vháněná do dutiny rezonátoru zvyšuje elektrony atomů v laserovém médiu na vyšší energetickou hladinu. Když je polovina atomů v rezonátoru vysoce excitována, dochází k populační inverzi. Spontánní emise začíná, když jsou fotony emitovány všemi směry a některé se srážejí s již excitovanými atomy, což vede ke stimulované emisi párových fotonů. Stimulovaná emise se zesiluje, když se fotony pohybující se podél osy mezi zrcadly odrážejí přednostně tam a zpět. To má za následek sekvenční stimulaci, když se tyto fotony srážejí s jinými excitovanými atomy. Jedno zrcadlo je 100% odrazivé, zatímco druhé zrcadlo částečně propouští vyzařovanou energii z rezonátorové komory. Tato energie je přenášena do biologické tkáně ejekčním systémem. U většiny laserů se jedná o optická vlákna. Významnou výjimkou je CO2 laser, který má systém zrcadel na kloubovém rameni. Pro CO2 laser jsou k dispozici optická vlákna, ale omezují velikost bodu a výstupní energii.

Laserové světlo je organizovanější a kvalitativně intenzivnější než běžné světlo. Protože laserové prostředí je homogenní, fotony emitované stimulovanou emisí mají jednu vlnovou délku, což vytváří monochromatičnost. Za normálních okolností je světlo při svém pohybu od zdroje silně rozptýlené. Laserové světlo je kolimované: je málo rozptýlené, což zajišťuje konstantní energetickou intenzitu na velkou vzdálenost. Fotony laserového světla se nejen pohybují stejným směrem, ale mají také stejnou časovou a prostorovou fázi. Tomu se říká koherence. Vlastnosti monochromatičnosti, kolimace a koherence odlišují laserové světlo od neuspořádané energie běžného světla.

Interakce laseru s tkání

Spektrum laserových účinků na biologické tkáně sahá od modulace biologických funkcí až po vaporizaci. Většina klinicky používaných interakcí laser-tkáň se týká tepelných schopností koagulace nebo vaporizace. V budoucnu by lasery mohly být používány nikoli jako zdroje tepla, ale jako sondy pro řízení buněčných funkcí bez cytotoxických vedlejších účinků.

Účinek konvenčního laseru na tkáň závisí na třech faktorech: absorpci tkání, vlnové délce laseru a hustotě laserové energie. Když laserový paprsek zasáhne tkáň, jeho energie může být absorbována, odražena, propuštěna nebo rozptýlena. Všechny čtyři procesy probíhají v různé míře při jakékoli interakci tkáně a laseru, z nichž nejdůležitější je absorpce. Stupeň absorpce závisí na obsahu chromoforů v tkáni. Chromofory jsou látky, které účinně absorbují vlny určité délky. Například energie CO2 laseru je absorbována měkkými tkáněmi těla. Je to proto, že vlnová délka odpovídající CO2 je dobře absorbována molekulami vody, které tvoří až 80 % měkkých tkání. Naproti tomu absorpce CO2 laseru je v kostech minimální kvůli nízkému obsahu vody v kostní tkáni. Zpočátku, když tkáň absorbuje laserovou energii, její molekuly začnou vibrovat. Absorpce dodatečné energie způsobuje denaturaci, koagulaci a nakonec odpařování proteinu (vaporizaci).

Když se laserová energie odráží od tkáně, tato se nepoškozuje, protože se změní směr záření na povrchu. Také pokud laserová energie prochází povrchovými tkáněmi do hluboké vrstvy, mezilehlá tkáň není ovlivněna. Pokud je laserový paprsek rozptýlen v tkáni, energie se na povrchu neabsorbuje, ale je náhodně rozložena v hlubokých vrstvách.

Třetím faktorem týkajícím se interakce tkáně s laserem je hustota energie. Při interakci laseru a tkáně, pokud jsou všechny ostatní faktory konstantní, může změna velikosti bodu nebo doby expozice ovlivnit stav tkáně. Pokud se velikost bodu laserového paprsku zmenší, výkon působící na určitý objem tkáně se zvýší. Naopak, pokud se velikost bodu zvětší, hustota energie laserového paprsku se zmenší. Pro změnu velikosti bodu lze systém vyhození na tkáň zaostřit, předostřit nebo rozostřit. U předostřených a rozostřených paprsků je velikost bodu větší než zaostřený paprsek, což má za následek nižší hustotu výkonu.

Dalším způsobem, jak měnit účinky na tkáň, je pulzování laserové energie. Všechny pulzní režimy se střídají mezi zapnutými a vypnutými periodami. Protože energie během vypnutých period nedosahuje tkáně, existuje možnost rozptýlení tepla. Pokud jsou vypnuté periody delší než doba tepelné relaxace cílové tkáně, snižuje se pravděpodobnost poškození okolní tkáně vedením. Doba tepelné relaxace je doba potřebná k rozptýlení poloviny tepla v cíli. Poměr aktivního intervalu k součtu aktivních a pasivních pulzních intervalů se nazývá pracovní cyklus.

Pracovní cyklus = zapnuto/zapnuto + vypnuto

Existují různé pulzní režimy. Energie může být uvolňována v dávkách nastavením doby, po kterou laser vyzařuje (např. 10 sekund). Energie může být blokována, kdy je konstantní vlna v určitých intervalech blokována mechanickou závěrkou. V superpulzním režimu není energie jednoduše blokována, ale ukládána ve zdroji laserové energie během doby vypnutí a poté uvolňována během doby zapnutí. To znamená, že špičková energie v superpulzním režimu je výrazně vyšší než v konstantním nebo blokovacím režimu.

V obřím pulzním laseru se energie ukládá také během doby nečinnosti, ale v laserovém médiu. Toho je dosaženo mechanismem závěrky v dutině mezi dvěma zrcadly. Když je závěrka zavřená, laser nevyzařuje, ale energie se ukládá na každé straně závěrky. Když je závěrka otevřená, zrcadla interagují a vytvářejí laserový paprsek s vysokou energií. Špičková energie obřího pulzního laseru je velmi vysoká s krátkým pracovním cyklem. Módově synchronizovaný laser je podobný obřímu pulznímu laseru v tom, že mezi dvěma zrcadly v dutině je závěrka. Módově synchronizovaný laser otevírá a zavírá svou závěrku synchronizovaně s dobou, kterou potřebuje k odrazu světla mezi oběma zrcadly.

Charakteristiky laserů

• Laser s oxidem uhličitým

Oxidový laser uhličitý se nejčastěji používá v otorinolaryngologii/chirurgii hlavy a krku. Jeho vlnová délka je 10,6 nm, což je neviditelná vlna v daleké infračervené oblasti elektromagnetického spektra. Vedení podél heliovo-neonového laserového paprsku je nezbytné, aby chirurg mohl vidět oblast působení. Laserovým médiem je CO2. Jeho vlnová délka je dobře absorbována molekulami vody v tkáni. Účinky jsou povrchové díky vysoké absorpci a minimálnímu rozptylu. Záření může být přenášeno pouze zrcadly a speciálními čočkami umístěnými na kloubové tyči. Klikové rameno lze připevnit k mikroskopu pro přesnou práci pod zvětšením. Energii lze také vypouštět pomocí zaostřovací rukojeti připevněné ke kloubové tyči.

• Nd:YAG laser

Vlnová délka Nd:YAG (yttrium-hliník-granát s neodymem) laseru je 1064 nm, tj. nachází se v blízké infračervené oblasti. Pro lidské oko je neviditelný a vyžaduje vodicí heliovo-neonový laserový paprsek. Laserovým médiem je yttrium-hliník-granát s neodymem. Většina tělesných tkání tuto vlnovou délku špatně absorbuje. Pigmentovaná tkáň ji však absorbuje lépe než nepigmentovaná tkáň. Energie se přenáší přes povrchové vrstvy většiny tkání a rozptyluje se v hlubokých vrstvách.

Ve srovnání s uhličitým laserem je rozptyl Nd:YAG výrazně větší. Proto je hloubka penetrace větší a Nd:YAG se dobře hodí pro koagulaci hlubokých cév. V experimentu byla maximální hloubka koagulace asi 3 mm (koagulační teplota +60 °C). Byly hlášeny dobré výsledky při léčbě hlubokých periorálních kapilárních a kavernózních formací pomocí Nd:YAG laseru. Existuje také zpráva o úspěšné laserové fotokoagulaci hemangiomů, lymfangiomů a arteriovenózních vrozených formací. Větší hloubka penetrace a neselektivní destrukce však predisponují ke zvýšenému pooperačnímu zjizvení. Klinicky je to minimalizováno bezpečným nastavením výkonu, bodovým přístupem k lézi a vyhýbáním se ošetření kožních oblastí. V praxi bylo použití tmavě červeného Nd:YAG laseru prakticky nahrazeno lasery s vlnovou délkou ležící ve žluté části spektra. Používá se však jako adjuvantní laser pro tmavě červené (portské víno) zbarvené nodulární léze.

Bylo prokázáno, že Nd:YAG laser inhibuje produkci kolagenu jak ve fibroblastové kultuře, tak i v normální kůži in vivo. To naznačuje úspěšnost v léčbě hypertrofických jizev a keloidů. Klinicky je však míra recidivy po excizi keloidů vysoká, a to i přes silnou doplňkovou lokální léčbu steroidy.

• Kontaktní Nd:YAG laser

Použití Nd:YAG laseru v kontaktním režimu významně mění fyzikální vlastnosti a absorpci záření. Kontaktní hrot se skládá ze safírového nebo křemenného krystalu přímo připojeného ke konci laserového vlákna. Kontaktní hrot interaguje přímo s kůží a funguje jako termální skalpel, který současně řeže a koaguluje. Existují zprávy o použití kontaktního hrotu v široké škále intervencí na měkkých tkáních. Tyto aplikace se blíží elektrokoagulaci než bezkontaktnímu režimu Nd:YAG. Obecně chirurgové nyní používají inherentní vlnové délky laseru nikoli k řezání tkáně, ale k ohřevu hrotu. Principy interakce laseru s tkání zde proto nejsou použitelné. Doba odezvy kontaktního laseru není tak přímo úměrná jako u volného vlákna, a proto existuje zpoždění pro ohřev a chlazení. S nabytými zkušenostmi se však tento laser stává vhodným pro izolaci kožních a svalových laloků.

• Argonový laser

Argonový laser emituje viditelné vlny o délce 488-514 nm. Díky konstrukci rezonátorové komory a molekulární struktuře laserového média tento typ laseru produkuje dlouhovlnný rozsah. Některé modely mohou mít filtr, který omezuje záření na jednu vlnovou délku. Energie argonového laseru je dobře absorbována hemoglobinem a její rozptyl je mezi rozptylem laseru na bázi oxidu uhličitého a Nd:YAG laseru. Radiační systém pro argonový laser je nosič s optickými vlákny. Vzhledem k vysoké absorpci hemoglobinem absorbují laserovou energii i cévní nádory kůže.

• KTF laser

KTP (draselný titanylfosfát) laser je Nd:YAG laser, jehož frekvence se zdvojnásobí (vlnová délka se sníží na polovinu) průchodem laserové energie krystalem KTP. Tím se produkuje zelené světlo (vlnová délka 532 nm), které odpovídá absorpčnímu píku hemoglobinu. Jeho pronikání do tkání a rozptyl jsou podobné jako u argonového laseru. Laserová energie je přenášena vláknem. V bezkontaktním režimu se laser odpařuje a koaguluje. V polokontaktním režimu se špička vlákna sotva dotýká tkáně a stává se řezným nástrojem. Čím vyšší je použitá energie, tím více laser působí jako tepelný nůž, podobně jako laser s oxidem uhličitým. Jednotky s nižší energií se používají především pro koagulaci.

• Barvivový laser buzený zábleskovou lampou

Barvivový laser excitovaný zábleskovou lampou byl prvním lékařským laserem speciálně navrženým pro léčbu benigních cévních lézí kůže. Jedná se o laser viditelného světla s vlnovou délkou 585 nm. Tato vlnová délka se shoduje s třetím absorpčním vrcholem oxyhemoglobinu, a proto je energie tohoto laseru převážně absorbována hemoglobinem. V rozsahu 577-585 nm dochází také k menší absorpci konkurenčními chromofory, jako je melanin, a k menšímu rozptylu laserové energie v dermis a epidermis. Laserovým médiem je rhodaminové barvivo, které je opticky excitováno zábleskovou lampou, a emisním systémem je nosič z optických vláken. Hrot barvivového laseru má vyměnitelný systém čoček, který umožňuje vytvoření bodu o velikosti 3, 5, 7 nebo 10 mm. Laser pulzuje s periodou 450 ms. Tento index pulzatility byl zvolen na základě doby tepelné relaxace ektatických cév, které se nacházejí v benigních cévních lézích kůže.

• Měděný parní laser

Měděný laser produkuje viditelné světlo o dvou různých vlnových délkách: pulzní zelenou vlnu o 512 nm a pulzní žlutou vlnu o 578 nm. Laserovým médiem je měď, která je elektricky buzena (odpařována). Vláknový systém přenáší energii do hrotu, který má proměnnou velikost bodu 150-1000 µm. Doba expozice se pohybuje od 0,075 s do konstantní. Doba mezi pulzy se také pohybuje od 0,1 s do 0,8 s. Žluté světlo měděného laseru se používá k léčbě benigních cévních lézí na obličeji. Zelená vlna může být použita k léčbě pigmentových lézí, jako jsou pihy, lentiginy, névy a keratóza.

• Neblednoucí žlutý barvicí laser

Žlutý kontinuální barvicí laser je laser s viditelným světlem, který produkuje žluté světlo o vlnové délce 577 nm. Stejně jako barvicí laser buzený zábleskovou lampou se ladí změnou barviva v aktivační komoře laseru. Barvivo je buzeno argonovým laserem. Ejekční systém tohoto laseru je také optický kabel, který lze zaostřit na různé velikosti bodů. Laserové světlo lze pulzovat pomocí mechanické závěrky nebo hrotu Hexascanneru, který se připojuje ke konci optického systému. Hexascanner náhodně směruje pulzy laserové energie v rámci šestiúhelníkového vzoru. Stejně jako barvicí laser buzený zábleskovou lampou a laser s měděnými parami je žlutý kontinuální barvicí laser ideální pro léčbu benigních cévních lézí na obličeji.

• Erbiový laser

Erbiový:UAS laser využívá absorpční pásmo vody o vlnové délce 3000 nm. Jeho vlnová délka 2940 nm odpovídá tomuto vrcholu a je silně absorbována vodou v tkáni (přibližně 12krát více než CO2 laser). Tento laser v blízké infračervené oblasti je pro oko neviditelný a musí být používán s viditelným zaměřovacím paprskem. Laser je čerpán zábleskovou lampou a vyzařuje makropulsy o délce 200–300 μs, které se skládají ze série mikropulsů. Tyto lasery se používají s násadcem připojeným k kloubovému rameni. Do systému lze také integrovat skenovací zařízení pro rychlejší a rovnoměrnější odstraňování tkání.

• Rubínový laser

Rubínový laser je laser s buzením zábleskovou lampou, který vyzařuje světlo o vlnové délce 694 nm. Tento laser, který se nachází v červené oblasti spektra, je viditelný okem. Může mít laserovou závěrku pro vytváření krátkých pulzů a dosažení hlubšího pronikání do tkáně (hlouběji než 1 mm). Rubínový laser s dlouhým pulzem se používá k přednostnímu zahřívání vlasových folikulů při laserovém odstraňování chloupků. Toto laserové světlo je přenášeno pomocí zrcadel a kloubového systému ramen. Je špatně absorbováno vodou, ale silně absorbováno melaninem. Různé pigmenty používané pro tetování také absorbují paprsky o vlnové délce 694 nm.

• Alexandritový laser

Alexandritový laser, laser v pevné fázi, který lze čerpat zábleskovou lampou, má vlnovou délku 755 nm. Tato vlnová délka v červené části spektra není pro oko viditelná, a proto vyžaduje vodicí paprsek. Je absorbována modrými a černými tetovacími pigmenty, stejně jako melaninem, ale ne hemoglobinem. Jedná se o relativně kompaktní laser, který dokáže propouštět záření flexibilním světelným vodičem. Laser proniká relativně hluboko, takže je vhodný pro odstraňování chloupků a tetování. Velikosti bodů jsou 7 a 12 mm.

• Diodový laser

V poslední době byly diody na supravodivých materiálech přímo propojeny s optickými vlákny, což vede k emisi laserového světla o různých vlnových délkách (v závislosti na vlastnostech použitých materiálů). Diodové lasery se vyznačují svou účinností. Dokážou přeměnit vstupní elektrickou energii na světlo s účinností 50 %. Tato účinnost, spojená s nižším generováním tepla a vstupním výkonem, umožňuje navrhnout kompaktní diodové lasery bez velkých chladicích systémů. Světlo je přenášeno optickými vlákny.

• Filtrovaná záblesková lampa

Filtrovaná pulzní lampa používaná k odstraňování chloupků není laser. Jedná se o intenzivní, nekoherentní pulzní spektrum. Systém využívá krystalové filtry k vyzařování světla o vlnové délce 590–1200 nm. Šířka a integrální hustota pulzu, která je také proměnlivá, splňují kritéria pro selektivní fototermolýzu, což toto zařízení řadí na roveň laserům pro odstraňování chloupků.

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