Laserji v plastični kirurgiji

V začetku prejšnjega stoletja je Einstein v članku z naslovom "Kvantna teorija sevanja" teoretično razložil procese, ki se morajo zgoditi, ko laser oddaja energijo. Maiman je prvi laser zgradil leta 1960. Od takrat se je laserska tehnologija hitro razvijala in ustvarila različne laserje, ki pokrivajo celoten elektromagnetni spekter. Od takrat so jih kombinirali z drugimi tehnologijami, vključno s slikovnimi sistemi, robotiko in računalniki, da bi izboljšali natančnost laserskega sevanja. S sodelovanjem na področju fizike in bioinženiringa so medicinski laserji postali pomemben del terapevtskih orodij kirurgov. Sprva so bili zajetni in so jih uporabljali le kirurgi, ki so bili posebej usposobljeni za lasersko fiziko. V zadnjih 15 letih se je zasnova medicinskih laserjev izboljšala, da bi bila njihova uporaba lažja, in mnogi kirurgi so se osnov laserske fizike naučili kot del svojega podiplomskega usposabljanja.

Ta članek obravnava: biofiziko laserjev; interakcijo tkiv z laserskim sevanjem; naprave, ki se trenutno uporabljajo v plastični in rekonstruktivni kirurgiji; splošne varnostne zahteve pri delu z laserji; vprašanja nadaljnje uporabe laserjev pri kožnih posegih.

Biofizika laserjev

Laserji oddajajo svetlobno energijo, ki potuje v valovih, podobnih navadni svetlobi. Valovna dolžina je razdalja med dvema sosednjima vrhovoma vala. Amplituda je velikost vrha, ki določa intenzivnost svetlobe. Frekvenca ali perioda svetlobnega vala je čas, ki ga val potrebuje za en cikel. Da bi razumeli, kako laser deluje, je pomembno razumeti kvantno mehaniko. Izraz LASER je kratica za Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (ojačanje svetlobe s stimulirano emisijo sevanja). Ko foton, enota svetlobne energije, zadene atom, povzroči, da eden od elektronov atoma skoči na višjo energijsko raven. Atom v tem vzbujenem stanju postane nestabilen in sprosti foton, ko elektron pade nazaj na svojo prvotno, nižjo energijsko raven. Ta proces je znan kot spontana emisija. Če je atom v visokoenergijskem stanju in trči v drug foton, bo ob vrnitvi v nizkoenergijsko stanje sprostil dva fotona z enako valovno dolžino, smerjo in fazo. Ta proces, imenovan stimulirana emisija sevanja, je temeljnega pomena za razumevanje laserske fizike.

Ne glede na vrsto imajo vsi laserji štiri osnovne komponente: vzbujevalni mehanizem ali vir energije, laserski medij, optično votlino ali resonator in sistem za izmetavanje. Večina medicinskih laserjev, ki se uporabljajo v plastični kirurgiji obraza, ima električni vzbujevalni mehanizem. Nekateri laserji (kot je laser z barvilom, vzbujen z bliskavico) uporabljajo svetlobo kot vzbujevalni mehanizem. Drugi lahko za zagotavljanje vzbujevalne energije uporabljajo visokoenergijske radiofrekvenčne valove ali kemične reakcije. Vzbujevalni mehanizem črpa energijo v resonančno komoro, ki vsebuje laserski medij, ki je lahko trdna snov, tekočina, plin ali polprevodniški material. Energija, ki se odda v votlino resonatorja, dvigne elektrone atomov v laserskem mediju na višjo energijsko raven. Ko je polovica atomov v resonatorju močno vzbujenih, pride do inverzije populacije. Spontana emisija se začne, ko se fotoni oddajajo v vse smeri, nekateri pa trčijo v že vzbujene atome, kar povzroči stimulirano emisijo parnih fotonov. Stimulirana emisija se okrepi, ko se fotoni, ki potujejo vzdolž osi med zrcali, prednostno odbijajo naprej in nazaj. To povzroči zaporedno stimulacijo, ko ti fotoni trčijo v druge vzbujene atome. Eno ogledalo je 100 % odbojno, drugo pa delno prepušča oddano energijo iz resonatorske komore. Ta energija se s sistemom za izmet prenese v biološko tkivo. Pri večini laserjev so to optična vlakna. Pomembna izjema je CO2 laser, ki ima sistem ogledal na tečajni roki. Za CO2 laser so na voljo optična vlakna, vendar omejujejo velikost pege in izhodno energijo.

Laserska svetloba je bolj organizirana in kakovostno intenzivna kot navadna svetloba. Ker je laserski medij homogen, imajo fotoni, ki jih oddaja stimulirana emisija, eno valovno dolžino, kar ustvarja monokromatičnost. Običajno je svetloba močno razpršena, ko se oddaljuje od vira. Laserska svetloba je kolimirana: je malo razpršena, kar zagotavlja konstantno energijsko intenzivnost na veliki razdalji. Fotoni laserske svetlobe se ne gibljejo le v isto smer, ampak imajo tudi enako časovno in prostorsko fazo. To se imenuje koherenca. Lastnosti monokromatičnosti, kolimacije in koherence ločijo lasersko svetlobo od neurejene energije navadne svetlobe.

Interakcija laserja in tkiva

Spekter laserskih učinkov na biološka tkiva sega od modulacije bioloških funkcij do uparjanja. Večina klinično uporabljenih interakcij med laserjem in tkivom se nanaša na toplotne sposobnosti koagulacije ali uparjanja. V prihodnosti se laserji morda ne bodo uporabljali kot viri toplote, temveč kot sonde za nadzor celičnih funkcij brez citotoksičnih stranskih učinkov.

Učinek običajnega laserja na tkivo je odvisen od treh dejavnikov: absorpcije tkiva, valovne dolžine laserja in gostote laserske energije. Ko laserski žarek zadene tkivo, se njegova energija lahko absorbira, odbije, prenese ali razprši. Vsi štirje procesi se v različni meri pojavljajo pri vsaki interakciji med tkivom in laserjem, pri čemer je absorpcija najpomembnejša. Stopnja absorpcije je odvisna od vsebnosti kromoforjev v tkivu. Kromoforji so snovi, ki učinkovito absorbirajo valove določene dolžine. Na primer, energijo CO2 laserja absorbirajo mehka tkiva telesa. To je zato, ker valovno dolžino, ki ustreza CO2, dobro absorbirajo molekule vode, ki predstavljajo do 80 % mehkega tkiva. Nasprotno pa je absorpcija CO2 laserja v kosteh minimalna zaradi nizke vsebnosti vode v kostnem tkivu. Sprva, ko tkivo absorbira lasersko energijo, njegove molekule začnejo vibrirati. Absorpcija dodatne energije povzroči denaturacijo, koagulacijo in končno izhlapevanje beljakovin (uparjanje).

Ko se laserska energija odbije od tkiva, se slednje ne poškoduje, saj se smer sevanja na površini spremeni. Prav tako, če laserska energija prehaja skozi površinska tkiva v globoko plast, vmesno tkivo ni prizadeto. Če se laserski žarek razprši v tkivu, se energija na površini ne absorbira, temveč se naključno porazdeli v globokih plasteh.

Tretji dejavnik, ki vpliva na interakcijo tkiva z laserjem, je gostota energije. Pri interakciji laserja in tkiva, ko so vsi drugi dejavniki konstantni, lahko spreminjanje velikosti pike ali časa osvetlitve vpliva na stanje tkiva. Če se velikost pike laserskega žarka zmanjša, se moč, ki deluje na določen volumen tkiva, poveča. Nasprotno pa se, če se velikost pike poveča, gostota energije laserskega žarka zmanjša. Za spremembo velikosti pike je mogoče sistem za izmet na tkivo fokusirati, predhodno fokusirati ali defokusirati. Pri predhodno fokusiranih in defokusiranih žarkih je velikost pike večja od fokusiranega žarka, kar ima za posledico manjšo gostoto moči.

Drug način za spreminjanje učinkov na tkivo je pulziranje laserske energije. Vsi pulzni načini se izmenjujejo med obdobji vklopa in izklopa. Ker energija med obdobji izklopa ne doseže tkiva, obstaja možnost, da se toplota razprši. Če so obdobja izklopa daljša od časa toplotne relaksacije ciljnega tkiva, se verjetnost poškodbe okoliškega tkiva zaradi prevodnosti zmanjša. Čas toplotne relaksacije je čas, potreben, da se polovica toplote v tarči razprši. Razmerje med aktivnim intervalom in vsoto aktivnih in pasivnih intervalov pulziranja se imenuje delovni cikel.

Delovni cikel = vklop/vklop + izklop

Obstajajo različni načini pulziranja. Energija se lahko sprošča v sunkih z nastavitvijo obdobja, v katerem laser oddaja (npr. 10 sekund). Energija se lahko blokira, pri čemer se konstantni val v določenih intervalih blokira z mehanskim zaklopom. V načinu superpulziranja se energija ne preprosto blokira, temveč se shrani v viru laserske energije v času izklopa in nato sprosti v času vklopa. To pomeni, da je najvišja energija v načinu superpulziranja bistveno višja kot v konstantnem ali blokirajočem načinu.

V velikanskem pulznem laserju se energija shranjuje tudi med izklopljenim obdobjem, vendar v laserskem mediju. To se doseže z mehanizmom zaklopa v votlinski komori med obema zrcaloma. Ko je zaklop zaprt, laser ne oddaja laserskega žarka, ampak se energija shranjuje na vsaki strani zaklopa. Ko je zaklop odprt, zrcala medsebojno delujejo in ustvarjajo visokoenergijski laserski žarek. Najvišja energija velikanskega pulznega laserja je zelo visoka s kratkim delovnim ciklom. Laser z zaklenjenim načinom delovanja je podoben velikanskemu pulznemu laserju, saj je med obema zrcaloma v votlinski komori zaklop. Laser z zaklenjenim načinom delovanja odpira in zapira svoj zaklop sinhronizirano s časom, ki je potreben, da se svetloba odbije med obema zrcaloma.

Značilnosti laserjev

• Laser z ogljikovim dioksidom

Ogljikov dioksidni laser se najpogosteje uporablja v otorinolaringologiji/kirurgiji glave in vratu. Njegova valovna dolžina je 10,6 nm, kar je neviden val v daljnem infrardečem območju elektromagnetnega spektra. Vodenje vzdolž helij-neonskega laserskega žarka je potrebno, da lahko kirurg vidi območje delovanja. Laserski medij je CO2. Njegovo valovno dolžino dobro absorbirajo molekule vode v tkivu. Učinki so površinski zaradi visoke absorpcije in minimalnega sipanja. Sevanje se lahko prenaša le skozi ogledala in posebne leče, nameščene na zgibni palici. Gonilko je mogoče pritrditi na mikroskop za natančno delo pod povečavo. Energijo je mogoče oddajati tudi skozi fokusno ročico, pritrjeno na zgibno palico.

• Nd:YAG laser

Valovna dolžina Nd:YAG (itrij-aluminij-granat z neodimom) laserja je 1064 nm, torej je v bližnjem infrardečem območju. Za človeško oko je neviden in zahteva vodilni helij-neonski laserski žarek. Laserski medij je itrij-aluminij-granat z neodimom. Večina telesnih tkiv to valovno dolžino slabo absorbira. Vendar pa jo pigmentirano tkivo absorbira bolje kot nepigmentirano. Energija se prenaša skozi površinske plasti večine tkiv in se razprši v globljih plasteh.

V primerjavi z ogljikovim dioksidnim laserjem je sipanje Nd:YAG bistveno večje. Zato je globina penetracije večja in Nd:YAG je zelo primeren za koagulacijo globokih žil. V poskusu je bila največja globina koagulacije približno 3 mm (temperatura koagulacije +60 °C). Poročali so o dobrih rezultatih pri zdravljenju globokih perioralnih kapilarnih in kavernoznih formacij z uporabo Nd:YAG laserja. Obstaja tudi poročilo o uspešni laserski fotokoagulaciji hemangiomov, limfangiomov in arteriovenskih prirojenih formacij. Vendar pa večja globina penetracije in neselektivno uničenje predisponirata k povečanemu pooperativnemu brazgotinjenju. Klinično se to zmanjša z varnimi nastavitvami moči, točkovnim pristopom k leziji in izogibanjem zdravljenju kožnih predelov. V praksi je bila uporaba temno rdečega Nd:YAG laserja praktično nadomeščena z laserji z valovno dolžino v rumenem delu spektra. Vendar se uporablja kot adjuvantni laser za temno rdeče (portovsko vino) obarvane nodularne lezije.

Dokazano je, da Nd:YAG laser in vivo zavira nastajanje kolagena tako v kulturi fibroblastov kot v normalni koži. To kaže na uspeh pri zdravljenju hipertrofičnih brazgotin in keloidov. Vendar pa so klinično stopnje ponovitve po odstranitvi keloidov visoke, kljub močnemu dodatnemu lokalnemu zdravljenju s steroidi.

• Kontaktni Nd:YAG laser

Uporaba Nd:YAG laserja v kontaktnem načinu bistveno spremeni fizikalne lastnosti in absorpcijo sevanja. Kontaktna konica je sestavljena iz safirnega ali kremenčevega kristala, ki je neposredno pritrjen na konec laserskega vlakna. Kontaktna konica neposredno interagira s kožo in deluje kot termični skalpel, ki hkrati reže in koagulira. Obstajajo poročila o uporabi kontaktne konice pri številnih posegih na mehkih tkivih. Te aplikacije so bližje uporabi elektrokoagulacije kot brezkontaktnega načina Nd:YAG. Na splošno kirurgi zdaj uporabljajo inherentne valovne dolžine laserja ne za rezanje tkiva, temveč za segrevanje konice. Zato načela interakcije med laserjem in tkivom tukaj niso uporabna. Odzivni čas na kontaktni laser ni tako neposredno povezan kot pri prostih vlaknih, zato obstaja zakasnitev pri segrevanju in hlajenju. Vendar pa z izkušnjami ta laser postane primeren za izolacijo kožnih in mišičnih loput.

• Argonov laser

Argonski laser oddaja vidne valove dolžine 488–514 nm. Zaradi zasnove resonatorske komore in molekularne strukture laserskega medija ta vrsta laserja proizvaja dolgovalovni razpon. Nekateri modeli imajo lahko filter, ki omejuje sevanje na eno samo valovno dolžino. Energijo argonskega laserja hemoglobin dobro absorbira, njeno sipanje pa je vmesno med sipanjem ogljikovega dioksida in Nd:YAG laserja. Sistem sevanja za argonski laser je nosilec z optičnimi vlakni. Zaradi visoke absorpcije hemoglobina lasersko energijo absorbirajo tudi žilne neoplazme kože.

• KTF laser

KTP (kalijev titanilfosfatni) laser je Nd:YAG laser, katerega frekvenca se podvoji (valovna dolžina se prepolovi) s prehodom laserske energije skozi kristal KTP. To ustvari zeleno svetlobo (valovna dolžina 532 nm), ki ustreza absorpcijskemu vrhu hemoglobina. Njena penetracija v tkivo in sipanje sta podobna kot pri argonskem laserju. Laserska energija se prenaša po vlaknu. V brezkontaktnem načinu laser uparja in koagulira. V polkontaktnem načinu se konica vlakna komaj dotika tkiva in postane rezalni instrument. Višja kot je uporabljena energija, bolj laser deluje kot termični nož, podobno kot ogljikov dioksidni laser. Enote z nižjo energijo se uporabljajo predvsem za koagulacijo.

• Barvni laser, vzbujen z bliskavico

Barvni laser, vzbujen z bliskavico, je bil prvi medicinski laser, posebej zasnovan za zdravljenje benignih žilnih lezij kože. Gre za laser vidne svetlobe z valovno dolžino 585 nm. Ta valovna dolžina sovpada s tretjim absorpcijskim vrhom oksihemoglobina, zato energijo tega laserja pretežno absorbira hemoglobin. V območju 577–585 nm je tudi manjša absorpcija s strani konkurenčnih kromoforjev, kot je melanin, in manjše sipanje laserske energije v dermisu in epidermisu. Laserski medij je rodaminsko barvilo, ki ga optično vzbuja bliskavica, emisijski sistem pa je nosilec iz optičnih vlaken. Konica barvnega laserja ima zamenljiv sistem leč, ki omogoča ustvarjanje pike velikosti 3, 5, 7 ali 10 mm. Laser pulzira s periodo 450 ms. Ta indeks pulzacije je bil izbran na podlagi časa toplotne relaksacije ektatičnih žil, ki jih najdemo v benignih žilnih lezijah kože.

• Bakrov parni laser

Bakrov parni laser proizvaja vidno svetlobo dveh ločenih valovnih dolžin: pulzirajoči zeleni val 512 nm in pulzirajoči rumeni val 578 nm. Laserski medij je baker, ki se električno vzbuja (uparja). Sistem vlaken prenaša energijo na konico, ki ima spremenljivo velikost pege 150-1000 µm. Čas osvetlitve se giblje od 0,075 s do konstantnega. Čas med impulzi se prav tako giblje od 0,1 s do 0,8 s. Rumena svetloba bakrovega parnega laserja se uporablja za zdravljenje benignih žilnih lezij na obrazu. Zeleni val se lahko uporablja za zdravljenje pigmentiranih lezij, kot so pege, lentigini, nevusi in keratoza.

• Nebledeči rumeni laserski barvilo

Rumeni CW laser z barvilom je laser vidne svetlobe, ki proizvaja rumeno svetlobo z valovno dolžino 577 nm. Tako kot laser z barvilom, vzbujen z bliskavico, se uglašuje s spreminjanjem barvila v aktivacijski komori laserja. Barvilo vzbuja argonski laser. Izmetni sistem za ta laser je prav tako optični kabel, ki ga je mogoče fokusirati na različne velikosti točk. Lasersko svetlobo je mogoče pulzirati z mehanskim zaklopom ali konico Hexascannerja, ki se pritrdi na konec sistema optičnih vlaken. Hexascanner naključno usmerja impulze laserske energije znotraj šesterokotnega vzorca. Tako kot laser z barvilom, vzbujen z bliskavico, in laser z bakrenimi parami je tudi rumeni CW laser z barvilom idealen za zdravljenje benignih žilnih lezij na obrazu.

• Erbijev laser

Erbijev:UAS laser uporablja absorpcijski pas vode pri 3000 nm. Njegova valovna dolžina 2940 nm ustreza temu vrhu in ga voda v tkivu močno absorbira (približno 12-krat bolj kot CO2 laser). Ta bližnji infrardeči laser je očesu neviden in ga je treba uporabljati z vidnim ciljnim žarkom. Laser črpa bliskavica in oddaja makroimpulze s trajanjem 200–300 μs, ki so sestavljeni iz vrste mikroimpulzov. Ti laserji se uporabljajo z ročnikom, pritrjenim na zgibno roko. V sistem je mogoče integrirati tudi napravo za skeniranje za hitrejše in enakomernejše odstranjevanje tkiva.

• Rubinski laser

Rubin laser je laser s črpanjem z bliskavico, ki oddaja svetlobo z valovno dolžino 694 nm. Ta laser, ki je v rdečem območju spektra, je viden očesu. Lahko ima laserski zaklop za ustvarjanje kratkih impulzov in doseganje globlje penetracije v tkivo (globlje od 1 mm). Rubin laser z dolgim impulzom se uporablja za prednostno segrevanje lasnih mešičkov pri laserskem odstranjevanju dlak. Ta laserska svetloba se prenaša z zrcali in zgibnim sistemom. Voda jo slabo absorbira, melanin pa jo močno absorbira. Različni pigmenti, ki se uporabljajo za tetovaže, prav tako absorbirajo žarke z valovno dolžino 694 nm.

• Aleksandritni laser

Aleksandritni laser, trdnofazni laser, ki ga lahko črpa bliskavica, ima valovno dolžino 755 nm. Ta valovna dolžina v rdečem delu spektra ni vidna očesu in zato zahteva vodilni žarek. Absorbirajo jo modri in črni pigmenti tetovaže, pa tudi melanin, ne pa hemoglobin. Je relativno kompakten laser, ki lahko oddaja sevanje skozi fleksibilen svetlobni vodnik. Laser prodre relativno globoko, zaradi česar je primeren za odstranjevanje dlak in tetovaž. Velikosti pik so 7 in 12 mm.

• Diodni laser

Pred kratkim so bile diode na superprevodnih materialih neposredno povezane z napravami iz optičnih vlaken, kar je povzročilo oddajanje laserske svetlobe pri različnih valovnih dolžinah (odvisno od značilnosti uporabljenih materialov). Diodni laserji se odlikujejo po svoji učinkovitosti. Vhodno električno energijo lahko pretvorijo v svetlobo z učinkovitostjo 50 %. Ta učinkovitost, povezana z manjšim sproščanjem toplote in vhodno močjo, omogoča načrtovanje kompaktnih diodnih laserjev brez velikih hladilnih sistemov. Svetloba se prenaša prek optičnih vlaken.

• Filtrirana bliskavica

Filtrirana pulzna svetilka, ki se uporablja za odstranjevanje dlak, ni laser. Namesto tega gre za intenziven, nekoherenten, pulzni spekter. Sistem uporablja kristalne filtre za oddajanje svetlobe z valovno dolžino 590–1200 nm. Širina in integralna gostota pulza, ki sta prav tako spremenljivi, izpolnjujeta merila za selektivno fototermolizo, kar to napravo uvršča ob bok laserjem za odstranjevanje dlak.

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