Лазери в пластичната хирургия

В началото на миналия век, Айнщайн теоретично обяснява процесите, които трябва да се случват, когато лазер излъчва енергия, в статия, озаглавена „Квантовата теория на радиацията“. Майман създава първия лазер през 1960 г. Оттогава лазерните технологии се развиват бързо, произвеждайки разнообразие от лазери, които обхващат целия електромагнитен спектър. Оттогава те се комбинират с други технологии, включително системи за изображения, роботика и компютри, за да се подобри прецизността на доставянето на лазера. Чрез сътрудничество във физиката и биоинженерството, медицинските лазери са се превърнали във важна част от терапевтичните инструменти на хирурзите. Първоначално те са били обемисти и са се използвали само от хирурзи, специално обучени по лазерна физика. През последните 15 години дизайнът на медицинските лазери се е усъвършенствал, за да ги направи по-лесни за използване, и много хирурзи са научили основите на лазерната физика като част от следдипломното си обучение.

Тази статия разглежда: биофизика на лазерите; взаимодействие на тъканите с лазерно лъчение; устройства, използвани понастоящем в пластичната и реконструктивна хирургия; общи изисквания за безопасност при работа с лазери; въпроси, свързани с по-нататъшното използване на лазери при кожни интервенции.

Биофизика на лазерите

Лазерите излъчват светлинна енергия, която се разпространява във вълни, подобни на обикновената светлина. Дължината на вълната е разстоянието между два съседни върха на вълната. Амплитудата е размерът на върха, определящ интензитета на светлината. Честотата, или периодът, на светлинната вълна е времето, необходимо на вълната да завърши един цикъл. За да разберем как работи лазерът, е важно да разбираме квантовата механика. Терминът ЛАЗЕР е акроним за Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Усилване на светлината чрез стимулирана емисия на радиация). Когато фотон, единица светлинна енергия, удари атом, той кара един от електроните на атома да скочи на по-високо енергийно ниво. Атомът става нестабилен в това възбудено състояние, освобождавайки фотон, когато електронът се върне на първоначалното си, по-ниско енергийно ниво. Този процес е известен като спонтанна емисия. Ако атом е във високоенергийно състояние и се сблъска с друг фотон, когато се върне в нискоенергийно състояние, той ще освободи два фотона с еднаква дължина на вълната, посока и фаза. Този процес, наречен стимулирана емисия на радиация, е фундаментален за разбирането на лазерната физика.

Независимо от вида, всички лазери имат четири основни компонента: механизъм за възбуждане или източник на енергия, лазерна среда, оптична кухина или резонатор и система за изхвърляне. Повечето медицински лазери, използвани в пластичната хирургия на лицето, имат електрически механизъм за възбуждане. Някои лазери (като например лазер с багрило, възбуден от импулсна лампа) използват светлина като механизъм за възбуждане. Други могат да използват високоенергийни радиочестотни вълни или химични реакции, за да осигурят енергия за възбуждане. Механизмът за възбуждане изпомпва енергия в резонансна камера, съдържаща лазерната среда, която може да бъде твърд, течен, газов или полупроводников материал. Енергията, изхвърлена в кухината на резонатора, повишава електроните на атомите в лазерната среда до по-високо енергийно ниво. Когато половината от атомите в резонатора са силно възбудени, настъпва инверсия на популацията. Спонтанното излъчване започва, когато фотоните се излъчват във всички посоки, а някои се сблъскват с вече възбудени атоми, което води до стимулирано излъчване на сдвоени фотони. Стимулираното излъчване се усилва, когато фотоните, пътуващи по оста между огледалата, се отразяват преференциално напред-назад. Това води до последователно стимулиране, когато тези фотони се сблъскват с други възбудени атоми. Едното огледало е 100% отразяващо, докато другото огледало частично пропуска излъчената енергия от резонаторната камера. Тази енергия се пренася към биологичната тъкан чрез изхвърляща система. За повечето лазери това е оптично влакно. Забележително изключение е CO2 лазерът, който има система от огледала на шарнирно рамо. За CO2 лазера се предлагат оптични влакна, но те ограничават размера на петното и изходната енергия.

Лазерната светлина е по-организирана и качествено интензивна от обикновената светлина. Тъй като лазерната среда е хомогенна, фотоните, излъчвани от стимулираната емисия, имат една и съща дължина на вълната, което създава монохроматичност. Обикновено светлината е силно разсеяна, докато се отдалечава от източника. Лазерната светлина е колимирана: тя е слабо разсеяна, осигурявайки постоянен енергиен интензитет на голямо разстояние. Фотоните на лазерната светлина не само се движат в една и съща посока, но и имат една и съща времева и пространствена фаза. Това се нарича кохерентност. Свойствата на монохроматичност, колимация и кохерентност отличават лазерната светлина от неподредената енергия на обикновената светлина.

Взаимодействие лазер-тъкан

Спектърът от лазерни ефекти върху биологичните тъкани се простира от модулация на биологични функции до изпаряване. Повечето клинично използвани взаимодействия лазер-тъкан се отнасят до термичните способности за коагулация или изпаряване. В бъдеще лазерите могат да се използват не като източници на топлина, а като сонди за контрол на клетъчните функции без цитотоксични странични ефекти.

Ефектът на конвенционалния лазер върху тъканта зависи от три фактора: тъканна абсорбция, дължина на вълната на лазера и плътност на лазерната енергия. Когато лазерен лъч попадне върху тъканта, неговата енергия може да бъде абсорбирана, отразена, пропусната или разсеяна. И четирите процеса протичат в различна степен при всяко взаимодействие тъкан-лазер, като абсорбцията е най-важна. Степента на абсорбция зависи от съдържанието на хромофори в тъканта. Хромофорите са вещества, които ефективно абсорбират вълни с определена дължина. Например, енергията на CO2 лазера се абсорбира от меките тъкани на тялото. Това е така, защото дължината на вълната, съответстваща на CO2, се абсорбира добре от водните молекули, които съставляват до 80% от меките тъкани. За разлика от това, абсорбцията на CO2 лазера е минимална в костите, поради ниското съдържание на вода в костната тъкан. Първоначално, когато тъканта абсорбира лазерната енергия, нейните молекули започват да вибрират. Абсорбцията на допълнителна енергия причинява денатурация, коагулация и накрая изпаряване на протеина (вапоризация).

Когато лазерната енергия се отразява от тъканта, тя не се уврежда, тъй като посоката на лъчението върху повърхността се променя. Също така, ако лазерната енергия преминава през повърхностните тъкани в дълбокия слой, междинната тъкан не се засяга. Ако лазерният лъч се разсейва в тъканта, енергията не се абсорбира на повърхността, а се разпределя произволно в дълбоките слоеве.

Третият фактор, отнасящ се до взаимодействието на тъканта с лазера, е енергийната плътност. При взаимодействието на лазера и тъканта, когато всички други фактори са постоянни, промяната на размера на петното или времето на експозиция може да повлияе на състоянието на тъканта. Ако размерът на петното на лазерния лъч намалее, мощността, действаща върху определен обем тъкан, се увеличава. Обратно, ако размерът на петното се увеличи, енергийната плътност на лазерния лъч намалява. За да се промени размерът на петното, системата за изхвърляне върху тъканта може да бъде фокусирана, предварително фокусирана или дефокусирана. При предварително фокусираните и дефокусираните лъчи размерът на петното е по-голям от фокусирания лъч, което води до по-ниска плътност на мощността.

Друг начин за промяна на ефектите върху тъканите е чрез пулсиране на лазерната енергия. Всички импулсни режими се редуват между периоди на включване и изключване. Тъй като енергията не достига до тъканта по време на периодите на изключване, има вероятност топлината да се разсее. Ако периодите на изключване са по-дълги от времето за термична релаксация на целевата тъкан, вероятността от увреждане на околната тъкан чрез проводимост се намалява. Времето за термична релаксация е времето, необходимо за разсейване на половината от топлината в целта. Съотношението на активния интервал към сумата от активните и пасивните интервали на пулсиране се нарича работен цикъл.

Работен цикъл = включено/включено + изключено

Съществуват различни импулсни режими. Енергията може да се освобождава на импулси чрез задаване на периода, в който лазерът излъчва (например 10 сек). Енергията може да бъде блокирана, при което постоянната вълна се блокира на определени интервали от механичен затвор. В суперимпулсен режим енергията не просто се блокира, а се съхранява в лазерния енергиен източник по време на периода на изключване и след това се освобождава по време на периода на включване. Тоест, пиковата енергия в суперимпулсен режим е значително по-висока от тази в постоянен или блокиращ режим.

В гигантски импулсен лазер енергията също се съхранява по време на периода на изключване, но в лазерната среда. Това се постига чрез механизъм на затвора в кухината между двете огледала. Когато затворът е затворен, лазерът не излъчва лазерна енергия, но енергията се съхранява от всяка страна на затвора. Когато затворът е отворен, огледалата взаимодействат, за да произведат високоенергиен лазерен лъч. Пиковата енергия на гигантски импулсен лазер е много висока с кратък работен цикъл. Лазерът със заключени модове е подобен на гигантски импулсен лазер по това, че има затвор между двете огледала в кухината. Лазерът със заключени модове отваря и затваря затвора си синхронно с времето, необходимо на светлината да се отрази между двете огледала.

Характеристики на лазерите

• Лазер с въглероден диоксид

Въглеродният диоксиден лазер се използва най-често в отоларингологията/хирургията на главата и шията. Дължината на вълната му е 10,6 nm, невидима вълна в далечния инфрачервен диапазон на електромагнитния спектър. Необходимо е насочване по хелий-неоновия лазерен лъч, за да може хирургът да види зоната на действие. Лазерната среда е CO2. Дължината на вълната му се абсорбира добре от водните молекули в тъканта. Ефектите са повърхностни поради високото поглъщане и минималното разсейване. Радиацията може да се предава само през огледала и специални лещи, поставени на съчленен прът. Коляновото рамо може да се прикрепи към микроскоп за прецизна работа под увеличение. Енергията може да се изхвърля и чрез фокусираща дръжка, прикрепена към съчленения прът.

• Nd:YAG лазер

Дължината на вълната на Nd:YAG (итрий-алуминий-гранат с неодим) лазера е 1064 nm, т.е. е в близката инфрачервена област. Той е невидим за човешкото око и изисква насочващ хелий-неонов лазерен лъч. Лазерната среда е итрий-алуминий-гранат с неодим. Повечето тъкани на тялото абсорбират слабо тази дължина на вълната. Пигментираната тъкан обаче я абсорбира по-добре от непигментираната тъкан. Енергията се предава през повърхностните слоеве на повечето тъкани и се разсейва в дълбоките слоеве.

В сравнение с въглеродно-диоксидния лазер, разсейването на Nd:YAG е значително по-голямо. Следователно, дълбочината на проникване е по-голяма и Nd:YAG е подходящ за коагулация на дълбоки съдове. В експеримента максималната дълбочина на коагулация е около 3 mm (температура на коагулация +60 °C). Съобщава се за добри резултати при лечението на дълбоки периорални капилярни и кавернозни образувания с Nd:YAG лазер. Има и доклад за успешна лазерна фотокоагулация на хемангиоми, лимфангиоми и артериовенозни вродени образувания. По-голямата дълбочина на проникване и неселективното разрушаване обаче предразполагат към увеличено следоперативно образуване на белези. Клинично това се свежда до минимум чрез безопасни настройки на мощността, точков подход към лезията и избягване на третиране на кожни участъци. На практика използването на тъмночервения Nd:YAG лазер е практически заменено от лазери с дължина на вълната, разположена в жълтата част на спектъра. Той обаче се използва като адювантен лазер за тъмночервени (портвайн) нодуларни лезии.

Доказано е, че Nd:YAG лазерът инхибира производството на колаген както във фибробластна култура, така и в нормална кожа in vivo. Това предполага успех при лечението на хипертрофични белези и келоиди. Клинично обаче, честотата на рецидив след отстраняване на келоиди е висока, въпреки мощното допълнително локално стероидно лечение.

• Контактен Nd:YAG лазер

Използването на Nd:YAG лазер в контактен режим значително променя физичните свойства и абсорбцията на лъчението. Контактният връх се състои от сапфирен или кварцов кристал, директно прикрепен към края на лазерното влакно. Контактният връх взаимодейства директно с кожата и действа като термичен скалпел, като едновременно реже и коагулира. Има съобщения за използване на контактния връх в широк спектър от интервенции на меки тъкани. Тези приложения са по-близки до тези на електрокоагулацията, отколкото до безконтактния Nd:YAG режим. Като цяло, хирурзите сега използват присъщите дължини на вълните на лазера не за рязане на тъкани, а за нагряване на върха. Следователно, принципите на взаимодействие лазер-тъкан не са приложими тук. Времето за реакция на контактния лазер не е толкова пряко свързано, колкото при свободното влакно, и следователно има период на забавяне за нагряване и охлаждане. С натрупването на опит обаче, този лазер става удобен за изолиране на кожни и мускулни ламели.

• Аргонов лазер

Аргоновият лазер излъчва видими вълни с дължина 488-514 nm. Поради дизайна на резонаторната камера и молекулярната структура на лазерната среда, този тип лазер произвежда дълговълнов диапазон. Някои модели могат да имат филтър, който ограничава лъчението до една дължина на вълната. Енергията на аргоновия лазер се абсорбира добре от хемоглобина, а разсейването ѝ е междинно между това на въглероден диоксиден и Nd:YAG лазер. Радиационната система за аргоновия лазер е оптичен носител. Поради високото абсорбиране от хемоглобина, съдовите неоплазми на кожата също абсорбират лазерната енергия.

• KTF лазер

KTP (калиев титанил фосфат) лазерът е Nd:YAG лазер, чиято честота се удвоява (дължината на вълната се намалява наполовина) чрез преминаване на лазерната енергия през KTP кристал. Това произвежда зелена светлина (дължина на вълната 532 nm), която съответства на абсорбционния пик на хемоглобина. Неговото проникване в тъканите и разсейване са подобни на тези на аргонов лазер. Лазерната енергия се предава чрез влакно. В безконтактен режим лазерът се изпарява и коагулира. В полуконтактен режим върхът на влакното едва докосва тъканта и се превръща в режещ инструмент. Колкото по-висока е използваната енергия, толкова повече лазерът действа като термичен нож, подобно на лазер с въглероден диоксид. Единиците с по-ниска енергия се използват предимно за коагулация.

• Лазер с багрило, възбуден от импулсна лампа

Възбуденият от импулсна лампа багрилен лазер е първият медицински лазер, специално проектиран за лечение на доброкачествени съдови лезии на кожата. Това е лазер с видима светлина и дължина на вълната 585 nm. Тази дължина на вълната съвпада с третия абсорбционен пик на оксихемоглобина и следователно енергията на този лазер се абсорбира предимно от хемоглобина. В диапазона 577-585 nm има и по-малко абсорбиране от конкурентни хромофори като меланин и по-малко разсейване на лазерната енергия в дермата и епидермиса. Лазерната среда е родаминово багрило, което се възбужда оптично от импулсна лампа, а емисионната система е оптичен носител. Върхът на багрилния лазер има сменяема леща, която позволява създаването на петно с размер 3, 5, 7 или 10 mm. Лазерът импулсира с период от 450 ms. Този индекс на пулсация е избран въз основа на времето за термична релаксация на ектатични съдове, открити в доброкачествени съдови лезии на кожата.

• Меднопарен лазер

Медният лазер произвежда видима светлина с две отделни дължини на вълната: импулсна зелена вълна от 512 nm и импулсна жълта вълна от 578 nm. Лазерната среда е мед, която се възбужда (изпарява) електрически. Система от влакна предава енергия към върха, който има променлив размер на петното от 150-1000 µm. Времето на експозиция варира от 0,075 s до постоянно. Времето между импулсите също варира от 0,1 s до 0,8 s. Жълтата светлина на медния лазер се използва за лечение на доброкачествени съдови лезии по лицето. Зелената вълна може да се използва за лечение на пигментни лезии като лунички, лентиго, невуси и кератоза.

• Неизбледняващ жълт лазер с багрило

Жълтият CW багрилен лазер е лазер с видима светлина, който произвежда жълта светлина с дължина на вълната 577 nm. Подобно на багрилния лазер, възбуждан от светкавична лампа, той се настройва чрез промяна на багрилото в камерата за активиране на лазера. Багрилото се възбужда от аргонов лазер. Системата за изхвърляне на този лазер също е оптичен кабел, който може да се фокусира към различни размери на петната. Лазерната светлина може да се импулсира с помощта на механичен затвор или накрайник на Hexascanner, който се прикрепя към края на оптичната система. Hexascanner насочва произволно импулсите от лазерна енергия в рамките на шестоъгълен модел. Подобно на багрилния лазер, възбуждан от светкавична лампа, и лазера с медни пари, жълтият CW багрилен лазер е идеален за лечение на доброкачествени съдови лезии по лицето.

• Ербиев лазер

Ербиевият:UAS лазер използва абсорбционната лента на водата от 3000 nm. Дължината на вълната му от 2940 nm съответства на този пик и се абсорбира силно от тъканната вода (приблизително 12 пъти повече от CO2 лазера). Този лазер с близка инфрачервена област е невидим за окото и трябва да се използва с видим насочващ лъч. Лазерът се захранва от светкавична лампа и излъчва макроимпулси с продължителност 200-300 μs, които се състоят от серия микроимпулси. Тези лазери се използват с наконечник, прикрепен към съчленено рамо. В системата може да се интегрира и сканиращо устройство за по-бързо и по-равномерно отстраняване на тъкани.

• Рубинов лазер

Рубинният лазер е лазер, напомпван с импулсна лампа, който излъчва светлина с дължина на вълната 694 nm. Този лазер, който е в червената област на спектъра, е видим за окото. Той може да има лазерен затвор, за да произвежда кратки импулси и да постига по-дълбоко проникване в тъканите (по-дълбоко от 1 мм). Дългоимпулсният рубинен лазер се използва за преференциално нагряване на космените фоликули при лазерна епилация. Тази лазерна светлина се предава с помощта на огледала и система от шарнирни рамена. Тя се абсорбира слабо от вода, но се абсорбира силно от меланин. Различни пигменти, използвани за татуировки, също абсорбират лъчи с дължина на вълната 694 nm.

• Александритен лазер

Александритният лазер, твърдотелен лазер, който може да се захранва от импулсна лампа, има дължина на вълната 755 nm. Тази дължина на вълната, в червената част на спектъра, не е видима за окото и следователно изисква направляващ лъч. Тя се абсорбира от сини и черни пигменти за татуировки, както и от меланин, но не и от хемоглобин. Това е относително компактен лазер, който може да предава лъчение чрез гъвкав световод. Лазерът прониква относително дълбоко, което го прави подходящ за премахване на окосмяване и татуировки. Размерите на петната са 7 и 12 мм.

• Диоден лазер

Наскоро диоди върху свръхпроводящи материали бяха директно свързани с оптични устройства, което доведе до излъчване на лазерна светлина с различни дължини на вълните (в зависимост от характеристиките на използваните материали). Диодните лазери се отличават със своята ефективност. Те могат да преобразуват входящата електрическа енергия в светлина с ефективност от 50%. Тази ефективност, свързана с по-ниско генериране на топлина и входна мощност, позволява проектирането на компактни диодни лазери без големи охладителни системи. Светлината се предава чрез оптични влакна.

• Филтрирана светкавица

Филтрираната импулсна лампа, използвана за епилация, не е лазер. Вместо това, тя е интензивен, некохерентен, импулсен спектър. Системата използва кристални филтри, за да излъчва светлина с дължина на вълната 590-1200 nm. Ширината и интегралната плътност на импулса, също променливи, отговарят на критериите за селективна фототермолиза, което поставя това устройство наравно с лазерите за епилация.

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