Lasere i plastikkirurgi

Tidligt i det forrige århundrede forklarede Einstein teoretisk de processer, der skal forekomme, når en laser udsender energi, i en artikel med titlen "Kvanteteorien om stråling". Maiman byggede den første laser i 1960. Siden da har laserteknologien udviklet sig hurtigt og produceret en række forskellige lasere, der spænder over hele det elektromagnetiske spektrum. De er siden blevet kombineret med andre teknologier, herunder billeddannelsessystemer, robotteknologi og computere, for at forbedre præcisionen af laserlevering. Gennem samarbejder inden for fysik og bioingeniørvidenskab er medicinske lasere blevet en vigtig del af kirurgers terapeutiske værktøjer. I starten var de store og blev kun brugt af kirurger, der var specialuddannet i laserfysik. I løbet af de sidste 15 år har medicinsk laserdesign udviklet sig for at gøre dem lettere at bruge, og mange kirurger har lært det grundlæggende i laserfysik som en del af deres kandidatuddannelse.

Denne artikel omhandler: laseres biofysik; vævs interaktion med laserstråling; apparater, der i øjeblikket anvendes i plastik- og rekonstruktiv kirurgi; generelle sikkerhedskrav ved arbejde med lasere; spørgsmål vedrørende videre brug af lasere i hudinterventioner.

Biofysik af lasere

Lasere udsender lysenergi, der bevæger sig i bølger svarende til almindeligt lys. Bølgelængden er afstanden mellem to tilstødende bølgetopper. Amplituden er størrelsen af toppen, der bestemmer lysets intensitet. Frekvensen, eller perioden, for en lysbølge er den tid, det tager for bølgen at fuldføre en cyklus. For at forstå, hvordan en laser fungerer, er det vigtigt at forstå kvantemekanikken. Udtrykket LASER er et akronym for Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Lysforstærkning ved Stimuleret Emission af Stråling). Når en foton, en enhed for lysenergi, rammer et atom, får det en af atomets elektroner til at hoppe til et højere energiniveau. Atomet bliver ustabilt i denne exciterede tilstand og frigiver en foton, når elektronen falder tilbage til sit oprindelige, lavere energiniveau. Denne proces er kendt som spontan emission. Hvis et atom er i en højenergitilstand og kolliderer med en anden foton, vil det, når det vender tilbage til en lavenergitilstand, frigive to fotoner, der har identisk bølgelængde, retning og fase. Denne proces, kaldet stimuleret emission af stråling, er grundlæggende for at forstå laserfysik.

Uanset type har alle lasere fire grundlæggende komponenter: en excitationsmekanisme eller energikilde, et lasermedium, et optisk hulrum eller en resonator og et udstødningssystem. De fleste medicinske lasere, der anvendes i ansigtsplastikkirurgi, har en elektrisk excitationsmekanisme. Nogle lasere (såsom en farvelaser, der exciteres af en blitzlampe) bruger lys som excitationsmekanisme. Andre kan bruge højenergiske radiofrekvensbølger eller kemiske reaktioner til at tilvejebringe excitationsenergi. Excitationsmekanismen pumper energi ind i et resonanskammer, der indeholder lasermediet, som kan være et fast, flydende, gasformigt eller halvledermateriale. Den energi, der dumpes i resonatorhulrummet, hæver elektronerne i atomerne i lasermediet til et højere energiniveau. Når halvdelen af atomerne i resonatoren er stærkt exciterede, forekommer en populationsinversion. Spontan emission begynder, når fotoner udsendes i alle retninger, og nogle kolliderer med allerede exciterede atomer, hvilket resulterer i stimuleret emission af parrede fotoner. Stimuleret emission forstærkes, da fotoner, der bevæger sig langs aksen mellem spejlene, fortrinsvis reflekteres frem og tilbage. Dette resulterer i sekventiel stimulering, når disse fotoner kolliderer med andre exciterede atomer. Det ene spejl er 100% reflekterende, mens det andet spejl delvist transmitterer den udsendte energi fra resonatorkammeret. Denne energi overføres til det biologiske væv via et udstødningssystem. For de fleste lasere er dette fiberoptisk. En bemærkelsesværdig undtagelse er CO2-laseren, som har et system af spejle på en hængslet arm. Optiske fibre er tilgængelige til CO2-laseren, men de begrænser punktstørrelsen og outputenergien.

Laserlys er mere organiseret og kvalitativt intenst end almindeligt lys. Da lasermediet er homogent, har de fotoner, der udsendes ved stimuleret emission, en enkelt bølgelængde, hvilket skaber monokromatisk lys. Normalt er lys meget spredt, når det bevæger sig væk fra kilden. Laserlys er kollimeret: det er lidt spredt, hvilket giver en konstant energiintensitet over en stor afstand. Ikke alene bevæger laserlysets fotoner sig i samme retning, de har også den samme tidsmæssige og rumlige fase. Dette kaldes kohærens. Egenskaberne ved monokromatisk lys, kollimering og kohærens adskiller laserlys fra den uordnede energi i almindeligt lys.

Laser-vævsinteraktion

Spektret af lasereffekter på biologisk væv strækker sig fra modulering af biologiske funktioner til fordampning. De fleste klinisk anvendte laser-vævsinteraktioner vedrører termiske evner til at koagulere eller fordampe. I fremtiden kan lasere muligvis ikke bruges som varmekilder, men som sonder til at kontrollere cellulære funktioner uden cytotoksiske bivirkninger.

Effekten af en konventionel laser på væv afhænger af tre faktorer: vævsabsorption, laserbølgelængde og laserenergitæthed. Når en laserstråle rammer væv, kan dens energi absorberes, reflekteres, transmitteres eller spredes. Alle fire processer forekommer i varierende grad i enhver væv-laser-interaktion, hvoraf absorption er den vigtigste. Graden af absorption afhænger af vævets kromoforindhold. Kromoforer er stoffer, der effektivt absorberer bølger af en bestemt længde. For eksempel absorberes CO2-laserenergi af kroppens bløde væv. Dette skyldes, at bølgelængden svarende til CO2 absorberes godt af vandmolekyler, som udgør op til 80% af blødt væv. I modsætning hertil er CO2-laserabsorption minimal i knogler på grund af det lave vandindhold i knoglevæv. Når væv absorberer laserenergi i starten, begynder dets molekyler at vibrere. Absorptionen af yderligere energi forårsager denaturering, koagulation og endelig fordampning af proteinet (fordampning).

Når laserenergi reflekteres af væv, beskadiges sidstnævnte ikke, da strålingens retning på overfladen ændres. Hvis laserenergien passerer gennem det overfladiske væv og ned i det dybe lag, påvirkes det mellemliggende væv heller ikke. Hvis laserstrålen spredes i vævet, absorberes energien ikke på overfladen, men fordeles tilfældigt i de dybe lag.

Den tredje faktor vedrørende interaktionen mellem væv og laser er energitætheden. I interaktionen mellem laser og væv, når alle andre faktorer er konstante, kan ændring af punktstørrelsen eller eksponeringstiden påvirke vævets tilstand. Hvis laserstrålens punktstørrelse falder, øges den effekt, der virker på et bestemt volumen af væv. Omvendt, hvis punktstørrelsen stiger, falder laserstrålens energitæthed. For at ændre punktstørrelsen kan udkastningssystemet på vævet fokuseres, præfokuseres eller defokuseres. I præfokuserede og defokuserede stråler er punktstørrelsen større end den fokuserede stråle, hvilket resulterer i en lavere effekttæthed.

En anden måde at variere vævseffekter på er at pulsere laserenergien. Alle pulserede tilstande skifter mellem tændte og slukkede perioder. Da energien ikke når vævet i slukkede perioder, er der en chance for, at varmen spredes. Hvis slukkede perioder er længere end den termiske relaksationstid for målvævet, reduceres sandsynligheden for beskadigelse af det omgivende væv ved ledning. Den termiske relaksationstid er den tid, det tager for halvdelen af varmen i målet at spredes. Forholdet mellem det aktive interval og summen af de aktive og passive pulseringsintervaller kaldes duty cycle (arbejdscyklus).

Driftscyklus = tændt/tændt + slukket

Der findes forskellige pulstilstande. Energien kan frigives i bursts ved at indstille den periode, hvor laseren udsender (f.eks. 10 sekunder). Energien kan blokeres, hvor den konstante bølge blokeres med bestemte intervaller af en mekanisk lukker. I superpulstilstand blokeres energien ikke blot, men lagres i laserens energikilde i slukketperioden og frigives derefter i tændtperioden. Det vil sige, at peakenergien i superpulstilstand er betydeligt højere end i konstant eller blokerende tilstand.

I en kæmpepulslaser lagres energi også i slukketperioden, men i lasermediet. Dette opnås ved hjælp af en lukkermekanisme i hulrumskammeret mellem de to spejle. Når lukkeren er lukket, udsender laseren ikke laser, men energien lagres på hver side af lukkeren. Når lukkeren er åben, interagerer spejlene og producerer en højenergilaserstråle. Spidsenergien for en kæmpepulslaser er meget høj med en kort arbejdscyklus. En tilstandslåst laser ligner en kæmpepulslaser, idet der er en lukker mellem de to spejle i hulrumskammeret. Den tilstandslåste laser åbner og lukker sin lukker synkront med den tid, det tager for lyset at reflekteres mellem de to spejle.

Karakteristika for lasere

• Kuldioxidlaser

Kuldioxidlaseren anvendes oftest inden for øre-næse-hals-kirurgi/hoved- og halskirurgi. Dens bølgelængde er 10,6 nm, en usynlig bølge i det fjerne infrarøde område af det elektromagnetiske spektrum. Vejledning langs helium-neon-laserstrålen er nødvendig, så kirurgen kan se virkningsområdet. Lasermediet er CO2. Dens bølgelængde absorberes godt af vandmolekyler i vævet. Effekterne er overfladiske på grund af høj absorption og minimal spredning. Strålingen kan kun transmitteres gennem spejle og specielle linser placeret på en leddelt stang. Krumtaparmen kan fastgøres til et mikroskop for præcisionsarbejde under forstørrelse. Energi kan også udstødes gennem et fokuseringshåndtag, der er fastgjort til den leddelte stang.

• Nd:YAG-laser

Bølgelængden for Nd:YAG-laseren (yttrium-aluminium-granat med neodym) er 1064 nm, dvs. den er i det nær-infrarøde område. Den er usynlig for det menneskelige øje og kræver en styrende helium-neon-laserstråle. Lasermediet er yttrium-aluminium-granat med neodym. De fleste væv i kroppen absorberer denne bølgelængde dårligt. Pigmenteret væv absorberer den dog bedre end ikke-pigmenteret væv. Energien overføres gennem de overfladiske lag i de fleste væv og spredes i de dybere lag.

Sammenlignet med kuldioxidlaseren er spredningen af Nd:YAG betydeligt større. Derfor er penetrationsdybden større, og Nd:YAG er velegnet til koagulation af dybe kar. I eksperimentet er den maksimale koagulationsdybde omkring 3 mm (koagulationstemperatur +60 °C). Der er rapporteret gode resultater i behandlingen af dybe periorale kapillære og kavernøse formationer ved hjælp af Nd:YAG-laseren. Der er også en rapport om vellykket laserfotokoagulation af hæmangiomer, lymfangiomer og arteriovenøse medfødte formationer. Den større penetrationsdybde og ikke-selektive destruktion prædisponerer dog for øget postoperativ ardannelse. Klinisk minimeres dette ved sikre effektindstillinger, en punkttilgang til læsionen og undgåelse af behandling af hudområder. I praksis er brugen af den mørkerøde Nd:YAG-laser praktisk talt blevet erstattet af lasere med en bølgelængde, der ligger i den gule del af spektret. Den bruges dog som en adjuverende laser til mørkerøde (portvin) farvede nodulære læsioner.

Nd:YAG-laseren har vist sig at hæmme kollagenproduktionen i både fibroblastkultur og normal hud in vivo. Dette tyder på succes med behandling af hypertrofiske ar og keloider. Klinisk set er recidivrater efter keloidexcision dog høje, på trods af potent supplerende topisk steroidbehandling.

• Kontakt Nd:YAG-laser

Brugen af Nd:YAG-laseren i kontakttilstand ændrer de fysiske egenskaber og absorptionen af strålingen betydeligt. Kontaktspidsen består af en safir- eller kvartskrystal, der er direkte fastgjort til enden af laserfiberen. Kontaktspidsen interagerer direkte med huden og fungerer som en termisk skalpel, der skærer og koagulerer samtidigt. Der er rapporter om brug af kontaktspidsen i en bred vifte af bløddelsinterventioner. Disse anvendelser er tættere på elektrokoagulation end den ikke-kontakt Nd:YAG-tilstand. Generelt bruger kirurger nu laserens iboende bølgelængder ikke til at skære væv, men til at opvarme spidsen. Derfor er principperne for laser-vævsinteraktion ikke anvendelige her. Reaktionstiden på kontaktlaseren er ikke så direkte relateret som med fri fiber, og derfor er der en forsinkelsesperiode for opvarmning og afkøling. Men med erfaring bliver denne laser bekvem til at isolere hud- og muskelflapper.

• Argonlaser

Argonlaseren udsender synlige bølger med en længde på 488-514 nm. På grund af resonatorkammerets design og lasermediets molekylære struktur producerer denne type laser et langbølget område. Nogle modeller kan have et filter, der begrænser strålingen til en enkelt bølgelængde. Argonlaserens energi absorberes godt af hæmoglobin, og dens spredning ligger mellem en kuldioxid- og Nd:YAG-lasers. Strålingssystemet til argonlaseren er en fiberoptisk bærer. På grund af den høje absorption af hæmoglobin absorberer vaskulære neoplasmer i huden også laserenergi.

• KTF-laser

KTP-laseren (kaliumtitanylfosfat) er en Nd:YAG-laser, hvis frekvens fordobles (bølgelængden reduceres med det halve) ved at lede laserenergien gennem en KTP-krystal. Dette producerer grønt lys (bølgelængde 532 nm), hvilket svarer til absorptionstoppen for hæmoglobin. Dens vævspenetration og spredning ligner en argonlasers. Laserenergien transmitteres af en fiber. I ikke-kontakttilstand fordamper og koagulerer laseren. I semi-kontakttilstand berører fiberens spids næsten ikke vævet og bliver et skæreinstrument. Jo højere energi der bruges, desto mere fungerer laseren som en termisk kniv, svarende til en kuldioxidlaser. Enheder med lavere energi bruges primært til koagulation.

• Flashlampe exciteret farvelaser

Den flashlampe-exciterede farvelaser var den første medicinske laser, der specifikt var designet til behandling af godartede vaskulære læsioner i huden. Det er en synligt lyslaser med en bølgelængde på 585 nm. Denne bølgelængde falder sammen med den tredje absorptionstop for oxyhæmoglobin, og derfor absorberes energien fra denne laser overvejende af hæmoglobin. I området 577-585 nm er der også mindre absorption fra konkurrerende kromoforer såsom melanin og mindre spredning af laserenergien i dermis og epidermis. Lasermediet er rhodaminfarvestof, som exciteres optisk af en flashlampe, og emissionssystemet er en fiberoptisk bærer. Farvelaserspidsen har et udskifteligt linsesystem, der muliggør oprettelse af en punktstørrelse på 3, 5, 7 eller 10 mm. Laseren pulserer med en periode på 450 ms. Dette pulsatilitetsindeks blev valgt baseret på den termiske relaksationstid for ektatiske kar, der findes i godartede vaskulære læsioner i huden.

• Kobberdamplaser

Kobberdamplaseren producerer synligt lys med to separate bølgelængder: en pulserende grøn bølge på 512 nm og en pulserende gul bølge på 578 nm. Lasermediet er kobber, som exciteres (fordampes) elektrisk. Et fibersystem overfører energi til spidsen, som har en variabel punktstørrelse på 150-1000 µm. Eksponeringstiden varierer fra 0,075 s til konstant. Tiden mellem pulserne varierer også fra 0,1 s til 0,8 s. Det gule lys fra kobberdamplaseren bruges til at behandle godartede vaskulære læsioner i ansigtet. Den grønne bølge kan bruges til at behandle pigmenterede læsioner såsom fregner, lentiginer, nævi og keratose.

• Ikke-falmende gul farvestoflaser

Den gule CW-farvelaser er en laser til synligt lys, der producerer gult lys med en bølgelængde på 577 nm. Ligesom den blitzlampe-exciterede farvelaser justeres den ved at ændre farvestoffet i laseraktiveringskammeret. Farvestoffet exciteres af en argonlaser. Udstødningssystemet til denne laser er også et fiberoptisk kabel, der kan fokuseres til forskellige punktstørrelser. Laserlyset kan pulseres ved hjælp af en mekanisk lukker eller en Hexascanner-spids, der fastgøres til enden af det fiberoptiske system. Hexascanneren dirigerer tilfældigt pulser af laserenergi inden for et hexagonalt mønster. Ligesom den blitzlampe-exciterede farvelaser og kobberdamplaseren er den gule CW-farvelaser ideel til behandling af godartede vaskulære læsioner i ansigtet.

• Erbiumlaser

Erbium:UAS-laseren bruger 3000 nm absorptionsbåndet for vand. Dens bølgelængde på 2940 nm svarer til denne top og absorberes kraftigt af vævsvand (cirka 12 gange mere end CO2-laseren). Denne nær-infrarøde laser er usynlig for øjet og skal bruges med en synlig sigtestråle. Laseren pumpes af en blitzlampe og udsender makropulser af 200-300 μs varighed, som består af en række mikropulser. Disse lasere bruges med et håndstykke fastgjort til en leddelt arm. En scanningsenhed kan også integreres i systemet for hurtigere og mere ensartet vævsfjernelse.

• Rubin laser

Rubinlaseren er en blitzlampepumpet laser, der udsender lys med en bølgelængde på 694 nm. Denne laser, som befinder sig i det røde område af spektret, er synlig for øjet. Den kan have en laserlukker til at producere korte pulser og opnå dybere vævspenetration (dybere end 1 mm). Rubinlaseren med lang puls bruges til fortrinsvis at opvarme hårsækkene ved laserhårfjerning. Dette laserlys transmitteres ved hjælp af spejle og et leddelt bomsystem. Det absorberes dårligt af vand, men absorberes stærkt af melanin. Forskellige pigmenter, der bruges til tatoveringer, absorberer også 694 nm stråler.

• Alexandritlaser

Alexandritlaseren, en faststoflaser, der kan pumpes af en blitzlampe, har en bølgelængde på 755 nm. Denne bølgelængde, i den røde del af spektret, er ikke synlig for øjet og kræver derfor en styrestråle. Den absorberes af blå og sorte tatoveringspigmenter, såvel som melanin, men ikke hæmoglobin. Det er en relativt kompakt laser, der kan transmittere stråling gennem en fleksibel lysleder. Laseren trænger relativt dybt ind, hvilket gør den velegnet til fjernelse af hår og tatoveringer. Pletstørrelserne er 7 og 12 mm.

• Diodelaser

For nylig er dioder på superledende materialer blevet direkte koblet til fiberoptiske enheder, hvilket resulterer i udsendelse af laserlys ved forskellige bølgelængder (afhængigt af de anvendte materialers egenskaber). Diodelasere er kendetegnet ved deres effektivitet. De kan omdanne indkommende elektrisk energi til lys med en effektivitet på 50%. Denne effektivitet, forbundet med lavere varmeudvikling og indgangseffekt, gør det muligt at designe kompakte diodelasere uden store kølesystemer. Lyset transmitteres via fiberoptik.

• Filtreret blitzlampe

Den filtrerede pulslampe, der bruges til hårfjerning, er ikke en laser. I stedet er det et intenst, ikke-kohærent, pulserende spektrum. Systemet bruger krystalfiltre til at udsende lys med en bølgelængde på 590-1200 nm. Bredden og den integrerede tæthed af pulsen, som også er variabel, opfylder kriterierne for selektiv fototermolyse, hvilket sætter denne enhed på niveau med lasere til hårfjerning.

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