Laseri u plastičnoj kirurgiji

Početkom prošlog stoljeća, Einstein je teoretski objasnio procese koji se moraju dogoditi kada laser emitira energiju u radu pod naslovom "Kvantna teorija zračenja". Maiman je prvi laser izgradio 1960. godine. Od tada se laserska tehnologija brzo razvijala, proizvodeći razne lasere koji obuhvaćaju cijeli elektromagnetski spektar. Od tada su kombinirani s drugim tehnologijama, uključujući sustave za snimanje, robotiku i računala, kako bi se poboljšala preciznost isporuke lasera. Suradnjom u fizici i bioinženjeringu, medicinski laseri postali su važan dio terapijskih alata kirurga. U početku su bili glomazni i koristili su ih samo kirurzi koji su bili posebno obučeni za lasersku fiziku. Tijekom posljednjih 15 godina, dizajn medicinskih lasera napredovao je kako bi ih se učinilo lakšim za korištenje, a mnogi kirurzi su naučili osnove laserske fizike kao dio svog poslijediplomskog obrazovanja.

Ovaj članak razmatra: biofiziku lasera; interakciju tkiva s laserskim zračenjem; uređaje koji se trenutno koriste u plastičnoj i rekonstruktivnoj kirurgiji; opće sigurnosne zahtjeve pri radu s laserima; pitanja daljnje upotrebe lasera u intervencijama na koži.

Biofizika lasera

Laseri emitiraju svjetlosnu energiju koja putuje u valovima sličnim običnoj svjetlosti. Valna duljina je udaljenost između dva susjedna vrha vala. Amplituda je veličina vrha koja određuje intenzitet svjetlosti. Frekvencija, ili period, svjetlosnog vala je vrijeme potrebno da val završi jedan ciklus. Da bismo razumjeli kako laser radi, važno je razumjeti kvantnu mehaniku. Izraz LASER je akronim za Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Pojačavanje svjetlosti stimuliranom emisijom zračenja). Kada foton, jedinica svjetlosne energije, udari u atom, uzrokuje da jedan od elektrona atoma skoči na višu energetsku razinu. Atom postaje nestabilan u ovom pobuđenom stanju, oslobađajući foton kada se elektron vrati na svoju izvornu, nižu energetsku razinu. Ovaj proces poznat je kao spontana emisija. Ako je atom u visokoenergetskom stanju i sudari se s drugim fotonom, kada se vrati u niskoenergetsko stanje, oslobodit će dva fotona koji imaju identičnu valnu duljinu, smjer i fazu. Ovaj proces, nazvan stimulirana emisija zračenja, temeljan je za razumijevanje laserske fizike.

Bez obzira na vrstu, svi laseri imaju četiri osnovne komponente: mehanizam pobude ili izvor energije, laserski medij, optičku šupljinu ili rezonator i sustav za izbacivanje. Većina medicinskih lasera koji se koriste u plastičnoj kirurgiji lica ima električni mehanizam pobude. Neki laseri (poput lasera s bojom pobudenog bljeskalicom) koriste svjetlost kao mehanizam pobude. Drugi mogu koristiti visokoenergetske radiofrekventne valove ili kemijske reakcije za osiguravanje energije pobude. Mehanizam pobude pumpa energiju u rezonantnu komoru koja sadrži laserski medij, koji može biti krutina, tekućina, plin ili poluvodički materijal. Energija ispuštena u šupljinu rezonatora podiže elektrone atoma u laserskom mediju na višu energetsku razinu. Kada je polovica atoma u rezonatoru jako pobuđena, dolazi do inverzije populacije. Spontana emisija počinje kada se fotoni emitiraju u svim smjerovima, a neki se sudaraju s već pobuđenim atomima, što rezultira stimuliranom emisijom sparenih fotona. Stimulirana emisija se pojačava jer se fotoni koji putuju duž osi između zrcala preferencijalno reflektiraju naprijed-natrag. To rezultira sekvencijalnom stimulacijom dok se ti fotoni sudaraju s drugim pobuđenim atomima. Jedno zrcalo je 100% reflektirajuće, dok drugo zrcalo djelomično prenosi emitiranu energiju iz rezonatorske komore. Ta se energija prenosi na biološko tkivo pomoću sustava za izbacivanje. Za većinu lasera to su optička vlakna. Značajna iznimka je CO2 laser, koji ima sustav zrcala na zglobnom kraku. Optička vlakna su dostupna za CO2 laser, ali ona ograničavaju veličinu točke i izlaznu energiju.

Laserska svjetlost je organiziranija i kvalitativno intenzivnija od obične svjetlosti. Budući da je laserski medij homogen, fotoni emitirani stimuliranom emisijom imaju jednu valnu duljinu, što stvara monokromatskost. Normalno, svjetlost je jako raspršena dok se udaljava od izvora. Laserska svjetlost je kolimirana: malo je raspršena, što pruža konstantan intenzitet energije na velikoj udaljenosti. Fotoni laserske svjetlosti ne samo da se kreću u istom smjeru, već imaju i istu vremensku i prostornu fazu. To se naziva koherencija. Svojstva monokromatskosti, kolimacije i koherencije razlikuju lasersku svjetlost od neuređene energije obične svjetlosti.

Interakcija lasera i tkiva

Spektar laserskih učinaka na biološka tkiva proteže se od modulacije bioloških funkcija do isparavanja. Većina klinički korištenih interakcija lasera i tkiva odnosi se na toplinske sposobnosti koagulacije ili isparavanja. U budućnosti se laseri mogu koristiti ne kao izvori topline, već kao sonde za kontrolu staničnih funkcija bez citotoksičnih nuspojava.

Učinak konvencionalnog lasera na tkivo ovisi o tri faktora: apsorpciji tkiva, valnoj duljini lasera i gustoći energije lasera. Kada laserska zraka pogodi tkivo, njezina se energija može apsorbirati, reflektirati, propustiti ili raspršiti. Sva četiri procesa se odvijaju u različitim stupnjevima u bilo kojoj interakciji tkiva i lasera, od kojih je apsorpcija najvažnija. Stupanj apsorpcije ovisi o sadržaju kromofora u tkivu. Kromofori su tvari koje učinkovito apsorbiraju valove određene duljine. Na primjer, energiju CO2 lasera apsorbiraju meka tkiva tijela. To je zato što valnu duljinu koja odgovara CO2 dobro apsorbiraju molekule vode, koje čine do 80% mekog tkiva. Nasuprot tome, apsorpcija CO2 lasera je minimalna u kostima zbog niskog sadržaja vode u koštanom tkivu. U početku, kada tkivo apsorbira lasersku energiju, njegove molekule počinju vibrirati. Apsorpcija dodatne energije uzrokuje denaturaciju, koagulaciju i konačno isparavanje proteina (vaporizaciju).

Kada se laserska energija reflektira od tkiva, ono se ne oštećuje jer se mijenja smjer zračenja na površini. Također, ako laserska energija prolazi kroz površinska tkiva u duboki sloj, to ne utječe na međuslojno tkivo. Ako se laserska zraka rasprši u tkivu, energija se ne apsorbira na površini, već se nasumično raspoređuje u dubokim slojevima.

Treći faktor koji se odnosi na interakciju tkiva s laserom je gustoća energije. U interakciji lasera i tkiva, kada su svi ostali faktori konstantni, promjena veličine točke ili vremena ekspozicije može utjecati na stanje tkiva. Ako se veličina točke laserske zrake smanji, snaga koja djeluje na određeni volumen tkiva se povećava. Suprotno tome, ako se veličina točke poveća, gustoća energije laserske zrake se smanjuje. Da bi se promijenila veličina točke, sustav izbacivanja na tkivo može se fokusirati, predfokusirati ili defokusirati. Kod predfokusiranih i defokusiranih zraka, veličina točke je veća od fokusirane zrake, što rezultira nižom gustoćom snage.

Drugi način mijenjanja učinaka na tkivo je pulsiranje laserske energije. Svi pulsirajući načini rada izmjenjuju se između razdoblja uključenosti i isključenosti. Budući da energija ne dopire do tkiva tijekom razdoblja isključenosti, postoji mogućnost raspršivanja topline. Ako su razdoblja isključenosti dulja od vremena toplinske relaksacije ciljnog tkiva, smanjuje se vjerojatnost oštećenja okolnog tkiva provođenjem topline. Vrijeme toplinske relaksacije je vrijeme potrebno da se polovica topline u meti rasprši. Omjer aktivnog intervala i zbroja aktivnih i pasivnih intervala pulsiranja naziva se radni ciklus.

Radni ciklus = uključeno/uključeno + isključeno

Postoje različiti načini pulsiranja. Energija se može oslobađati u rafalima postavljanjem razdoblja u kojem laser emitira (npr. 10 sekundi). Energija se može blokirati, gdje se konstantni val blokira u određenim intervalima mehaničkim zatvaračem. U superpulsnom načinu rada, energija se ne blokira jednostavno, već se pohranjuje u izvoru laserske energije tijekom razdoblja isključenja, a zatim oslobađa tijekom razdoblja uključenosti. To jest, vršna energija u superpulsnom načinu rada znatno je veća od one u konstantnom ili blokirajućem načinu rada.

U divovskom pulsnom laseru, energija se također pohranjuje tijekom perioda isključenja, ali u laserskom mediju. To se postiže mehanizmom zatvarača u šupljini između dva zrcala. Kada je zatvarač zatvoren, laser ne emitira lasersko zračenje, ali se energija pohranjuje na svakoj strani zatvarača. Kada je zatvarač otvoren, zrcala međusobno djeluju kako bi proizvela lasersku zraku visoke energije. Vršna energija divovskog pulsnog lasera je vrlo visoka s kratkim radnim ciklusom. Laser sa zaključanim modom sličan je divovskom pulsnom laseru po tome što se između dva zrcala u šupljini nalazi zatvarač. Laser sa zaključanim modom otvara i zatvara svoj zatvarač sinkronizirano s vremenom potrebnim da se svjetlost reflektira između dva zrcala.

Karakteristike lasera

• Laser ugljikovog dioksida

Ugljikov dioksidni laser najčešće se koristi u otorinolaringologiji/kirurgiji glave i vrata. Njegova valna duljina je 10,6 nm, nevidljivi val u dalekom infracrvenom području elektromagnetskog spektra. Vođenje duž helij-neonske laserske zrake potrebno je kako bi kirurg mogao vidjeti područje djelovanja. Laserski medij je CO2. Njegova valna duljina dobro se apsorbira molekulama vode u tkivu. Učinci su površinski zbog visoke apsorpcije i minimalnog raspršenja. Zračenje se može prenositi samo kroz zrcala i posebne leće postavljene na zglobnoj šipki. Koljenasta poluga može se pričvrstiti na mikroskop za precizan rad pod povećanjem. Energija se također može izbacivati kroz ručku za fokusiranje pričvršćenu na zglobnu šipku.

• Nd:YAG laser

Valna duljina Nd:YAG (itrij-aluminij-granat s neodimijom) lasera je 1064 nm, tj. nalazi se u bliskom infracrvenom području. Nevidljiv je ljudskom oku i zahtijeva vođenje helij-neonske laserske zrake. Laserski medij je itrij-aluminij-granat s neodimijom. Većina tkiva u tijelu slabo apsorbira ovu valnu duljinu. Međutim, pigmentirano tkivo je apsorbira bolje od nepigmentiranog tkiva. Energija se prenosi kroz površinske slojeve većine tkiva i raspršuje se u dubokim slojevima.

U usporedbi s ugljikovim dioksidnim laserom, raspršenje Nd:YAG-a je znatno veće. Stoga je dubina prodiranja veća i Nd:YAG je vrlo prikladan za koagulaciju dubokih krvnih žila. U eksperimentu je maksimalna dubina koagulacije oko 3 mm (temperatura koagulacije +60 °C). Prijavljeni su dobri rezultati u liječenju dubokih perioralnih kapilarnih i kavernoznih formacija pomoću Nd:YAG lasera. Također postoji izvješće o uspješnoj laserskoj fotokoagulaciji hemangioma, limfangioma i arteriovenskih kongenitalnih formacija. Međutim, veća dubina prodiranja i neselektivno uništavanje predisponiraju povećano postoperativno ožiljavanje. Klinički se to minimizira sigurnim postavkama snage, točkastim pristupom leziji i izbjegavanjem tretiranja područja kože. U praksi je upotreba tamnocrvenog Nd:YAG lasera praktički zamijenjena laserima s valnom duljinom u žutom dijelu spektra. Međutim, koristi se kao adjuvantni laser za tamnocrvene (porto vino) nodularne lezije.

Pokazalo se da Nd:YAG laser inhibira proizvodnju kolagena i u kulturi fibroblasta i u normalnoj koži in vivo. To ukazuje na uspjeh u liječenju hipertrofičnih ožiljaka i keloida. Međutim, klinički su stope recidiva nakon ekscizije keloida visoke, unatoč snažnom dodatnom lokalnom liječenju steroidima.

• Kontaktni Nd:YAG laser

Korištenje Nd:YAG lasera u kontaktnom načinu rada značajno mijenja fizikalna svojstva i apsorpciju zračenja. Kontaktni vrh sastoji se od safirnog ili kvarcnog kristala izravno pričvršćenog na kraj laserskog vlakna. Kontaktni vrh izravno interagira s kožom i djeluje kao termalni skalpel, istovremeno režući i koagulirajući. Postoje izvješća o korištenju kontaktnog vrha u širokom rasponu intervencija na mekom tkivu. Ove su primjene bliže onima elektrokoagulacije nego beskontaktnom Nd:YAG načinu rada. Općenito, kirurzi sada koriste inherentne valne duljine lasera ne za rezanje tkiva, već za zagrijavanje vrha. Stoga se principi interakcije lasera i tkiva ovdje ne primjenjuju. Vrijeme odziva na kontaktni laser nije toliko izravno povezano kao kod slobodnih vlakana, te stoga postoji period kašnjenja za zagrijavanje i hlađenje. Međutim, s iskustvom, ovaj laser postaje prikladan za izoliranje kožnih i mišićnih režnjeva.

• Argonski laser

Argonski laser emitira vidljive valove duljine 488-514 nm. Zbog dizajna rezonatorske komore i molekularne strukture laserskog medija, ova vrsta lasera proizvodi dugovalni raspon. Neki modeli mogu imati filter koji ograničava zračenje na jednu valnu duljinu. Energija argonskog lasera dobro se apsorbira od strane hemoglobina, a njegovo raspršenje je između raspršenja ugljikovog dioksida i Nd:YAG lasera. Sustav zračenja za argonski laser je nosač optičkih vlakana. Zbog visoke apsorpcije hemoglobina, vaskularne neoplazme kože također apsorbiraju lasersku energiju.

• KTF laser

KTP (kalijev titanil fosfat) laser je Nd:YAG laser čija se frekvencija udvostručuje (valna duljina se smanjuje za pola) prolaskom laserske energije kroz KTP kristal. To proizvodi zeleno svjetlo (valna duljina 532 nm), što odgovara apsorpcijskom vrhu hemoglobina. Njegovo prodiranje u tkivo i raspršenje slični su onima kod argonskog lasera. Laserska energija se prenosi vlaknom. U beskontaktnom načinu rada, laser isparava i koagulira. U polukontaktnom načinu rada, vrh vlakna jedva dodiruje tkivo i postaje instrument za rezanje. Što je veća korištena energija, to laser više djeluje kao termalni nož, slično laseru s ugljikovim dioksidom. Jedinice niže energije koriste se prvenstveno za koagulaciju.

• Laser s pobuđenim bojama bljeskalice

Bljeskalica pobuđena laserom s bojom bio je prvi medicinski laser posebno dizajniran za liječenje benignih vaskularnih lezija kože. To je laser vidljive svjetlosti s valnom duljinom od 585 nm. Ova valna duljina podudara se s trećim apsorpcijskim vrhom oksihemoglobina, te stoga energiju ovog lasera pretežno apsorbira hemoglobin. U rasponu od 577-585 nm također postoji manja apsorpcija konkurentskih kromofora poput melanina i manje raspršenje laserske energije u dermisu i epidermi. Laserski medij je rodamin, koji se optički pobuđuje bljeskalicom, a emisijski sustav je nosač optičkih vlakana. Vrh lasera s bojom ima izmjenjivi sustav leća koji omogućuje stvaranje točke veličine 3, 5, 7 ili 10 mm. Laser pulsira s periodom od 450 ms. Ovaj indeks pulsiranosti odabran je na temelju vremena toplinske relaksacije ektatičnih žila pronađenih u benignim vaskularnim lezijama kože.

• Laser s bakrenom parom

Bakreni laser proizvodi vidljivu svjetlost dvije odvojene valne duljine: pulsirajući zeleni val od 512 nm i pulsirajući žuti val od 578 nm. Laserski medij je bakar, koji se električno pobuđuje (isparava). Sustav vlakana prenosi energiju na vrh, koji ima varijabilnu veličinu točke od 150-1000 µm. Vrijeme ekspozicije kreće se od 0,075 s do konstantnog. Vrijeme između pulseva također varira od 0,1 s do 0,8 s. Žuta svjetlost bakrenog lasera koristi se za liječenje benignih vaskularnih lezija na licu. Zeleni val može se koristiti za liječenje pigmentiranih lezija poput pjegica, lentigina, nevusa i keratoze.

• Žuti laser s neblijedim svjetlom

Žuti CW laser s bojom je laser vidljive svjetlosti koji proizvodi žuto svjetlo valne duljine od 577 nm. Poput lasera s bojom pobuđenog bljeskalicom, podešava se promjenom boje u komori za aktivaciju lasera. Boja se pobuđuje argonskim laserom. Sustav za izbacivanje za ovaj laser također je optički kabel koji se može fokusirati na različite veličine točke. Laserska svjetlost može se pulsirati pomoću mehaničkog zatvarača ili vrha Hexascannera koji se pričvršćuje na kraj sustava optičkih vlakana. Hexascanner nasumično usmjerava impulse laserske energije unutar heksagonalnog uzorka. Poput lasera s bojom pobuđenog bljeskalicom i lasera s bakrenim parama, žuti CW laser s bojom idealan je za liječenje benignih vaskularnih lezija na licu.

• Erbijev laser

Erbij:UAS laser koristi apsorpcijski pojas vode od 3000 nm. Njegova valna duljina od 2940 nm odgovara ovom vrhuncu i snažno ga apsorbira voda u tkivu (otprilike 12 puta više od CO2 lasera). Ovaj laser bliskog infracrvenog zračenja nevidljiv je oku i mora se koristiti s vidljivim ciljanim snopom. Laser se pumpa bljeskalicom i emitira makroimpulse trajanja 200-300 μs, koji se sastoje od niza mikroimpulsa. Ovi laseri se koriste s ručnim dijelom pričvršćenim na zglobnu ruku. Uređaj za skeniranje također se može integrirati u sustav za brže i ujednačenije uklanjanje tkiva.

• Rubin laser

Rubin laser je laser s bljeskalicom koji emitira svjetlost na valnoj duljini od 694 nm. Ovaj laser, koji se nalazi u crvenom području spektra, vidljiv je golim okom. Može imati laserski zatvarač za stvaranje kratkih impulsa i postizanje dubljeg prodiranja u tkivo (dublje od 1 mm). Rubin laser s dugim impulsima koristi se za preferencijalno zagrijavanje folikula dlake kod laserskog uklanjanja dlaka. Ova laserska svjetlost se prenosi pomoću zrcala i zglobnog sustava nosača. Slabo je apsorbira voda, ali je snažno apsorbira melanin. Razni pigmenti koji se koriste za tetovaže također apsorbiraju zrake od 694 nm.

• Aleksandritni laser

Aleksandritni laser, laser u čvrstom stanju koji se može pumpati bljeskalicom, ima valnu duljinu od 755 nm. Ova valna duljina, u crvenom dijelu spektra, nije vidljiva oku i stoga zahtijeva usmjerivač zraka. Apsorbiraju je plavi i crni pigmenti tetovaža, kao i melanin, ali ne i hemoglobin. To je relativno kompaktan laser koji može prenositi zračenje kroz fleksibilni svjetlosni vodič. Laser prodire relativno duboko, što ga čini prikladnim za uklanjanje dlačica i tetovaža. Veličine točke su 7 i 12 mm.

• Diodni laser

Nedavno su diode na supravodljivim materijalima izravno spojene na optičke uređaje, što rezultira emisijom laserske svjetlosti na različitim valnim duljinama (ovisno o karakteristikama korištenih materijala). Diodni laseri odlikuju se svojom učinkovitošću. Mogu pretvoriti dolaznu električnu energiju u svjetlost s učinkovitošću od 50%. Ova učinkovitost, povezana s manjim stvaranjem topline i ulaznom snagom, omogućuje projektiranje kompaktnih diodnih lasera bez velikih sustava hlađenja. Svjetlost se prenosi putem optičkih vlakana.

• Filtrirana bljeskalica

Filtrirana pulsirajuća lampa koja se koristi za uklanjanje dlačica nije laser. Umjesto toga, to je intenzivan, nekoherentan, pulsirajući spektar. Sustav koristi kristalne filtere za emitiranje svjetlosti valne duljine od 590-1200 nm. Širina i integralna gustoća pulsa, također promjenjive, zadovoljavaju kriterije za selektivnu fototermolizu, što ovaj uređaj stavlja u rang s laserima za uklanjanje dlačica.

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