Lasere i plastikkirurgi

I begyndelsen af forrige århundrede understregede Einstein teoretisk i en publikation med titlen "Quantum Theory of Radiation" de processer, der skal finde sted, når laseren udsender energi. Maiman byggede den første laser i 1960. Siden da har den hurtige udvikling af laserteknologi ført til oprettelsen af en række lasere, der dækker hele det elektromagnetiske spektrum. Derefter slog de sammen med andre teknologier, herunder visualiseringssystemer, robotik og computere, for at forbedre nøjagtigheden af transmissionen af laserstråling. Som et resultat af samarbejde inden for fysik og bioteknologi er medicinske lasere som terapeutiske midler blevet en vigtig del af kirurgenes arsenal. I starten var de besværlige og blev kun brugt af kirurger, der var specielt uddannet i laserernes fysik. I løbet af de sidste 15 år har designen af medicinske lasere udviklet sig i brugervenlighed, og mange kirurger har studeret det grundlæggende i laserfysik inden for postgraduate uddannelse.

Denne artikel diskuterer: lasers biofysik; interaktion af væv med laserstråling; enheder, der i øjeblikket anvendes i plastisk og rekonstruktiv kirurgi; generelle sikkerhedskrav til arbejde med lasere spørgsmål om yderligere anvendelse af lasere ved indgreb på huden.

Biofysik af lasere

Lasere udsender lysenergi, som bevæger sig i form af bølger svarende til almindeligt lys. Bølgelængden er afstanden mellem to tilstødende bølgehøjder. Amplitude er størrelsen af maksimumet, bestemmer intensiteten af lysstrålingen. Frekvensen eller perioden for lysbølgen er den tid, der kræves for en fuldstændig bølgecyklus. For at forstå effekten af en laser er det vigtigt at overveje kvantemekanik. Udtrykket "laser" (LASER) er en forkortelse af udtrykket "lysforstærkning ved stimuleret emission af stråling". Hvis en foton, en enhed af lysenergi, kolliderer med et atom, overfører det en af atomens elektroner til et højere energiniveau. Atomet i en sådan ophidset tilstand bliver ustabil og frigiver igen en foton, når elektronen passerer til det indledende lavere energiniveau. Denne proces er kendt som spontan emission. Hvis et atom er i en høj-energitilstand og kolliderer med en anden foton, vil den ved overgang til et lavt energiniveau tildele to fotoner, der har samme bølgelængde, retning og fase. Denne proces, der kaldes stimuleret emission af stråling, ligger til grund for forståelsen af laserfysik.

Uanset typen har alle lasere fire hovedkomponenter: en spændende mekanisme eller en energikilde, et lasermedium, et optisk hulrum eller en resonator og et udkastningssystem. De fleste medicinske lasere, der anvendes i ansigts plastikkirurgi, har en elektrisk exciteringsmekanisme. Nogle lasere (for eksempel en farvestoflasker begejstret med en flashlampe) bruger lys som excitationsmekanismen. Andre kan bruge høj-energi radiobølger eller kemiske reaktioner til at tilvejebringe exciteringsenergi. Exciteringsmekanismen pumper energi ind i et resonanskammer indeholdende et lasermedium, som kan være et fast, flydende, gasformigt eller halvledende materiale. Den energi, der udledes i resonatorens hulrum, øger elektronerne af atomer af lasermediet til et højere energiniveau. Når halvdelen af atomer i resonatoren når høj excitation, forekommer populationsinversionen. Spontan emission begynder, når fotoner udsendes i alle retninger, og nogle af dem kolliderer med allerede spændte atomer, hvilket fører til stimuleret emission af parfotoner. Amplifieringen af den stimulerede emission sker, når fotonerne bevæger sig langs aksen mellem spejlet afspejles hovedsagelig frem og tilbage. Dette fører til successiv stimulation, da disse fotoner kolliderer med andre spændte atomer. Et spejl har 100% refleksion, og den anden - overfører delvist den udstrålede energi fra hulrummet. Denne energi overføres til det biologiske væv via udkastningssystemet. I de fleste lasere er det fiberoptisk. En bemærkelsesværdig undtagelse er C02-laseren, som har et system af spejle på en hængslet stang. For C02-laseren er der optiske fibre, men de begrænser spotstørrelsen og udgangsenergien.

Laserens lys i forhold til almindeligt lys er mere organiseret og kvalitativt intensiv. Da lasermediet er homogent, har fotonerne emitteret under stimuleret emission en bølgelængde, der skaber monokromaticitet. Normalt diffunderer lyset stærkt, da det bevæger sig væk fra kilden. Laserlys er kollimeret: det spredes lidt, hvilket giver en konstant intensitet af energi i stor afstand. Fotoner af laserlys bevæger sig ikke kun i en retning, de har samme tidsmæssige og rumlige fase. Dette kaldes kohærens. Egenskaberne af monokromaticitet, kollimation og sammenhæng skelner laserlys fra den uordenede energi af almindeligt lys.

Laser-vævsinteraktion

Spektret af laservirkninger på biologiske væv strækker sig fra moduleringen af biologiske funktioner til fordampning. De fleste klinisk anvendte laser-vævsinteraktioner indebærer termisk koagulation eller fordampning. I fremtiden kan lasere ikke bruges som varmekilder, men som prober til styring af cellulære funktioner uden bivirkninger af cytotoksiske virkninger.

Effekten af en almindelig laser på væv afhænger af tre faktorer: vævsabsorption, laserbølgelængde og laser energi tæthed. Når en laserstråle kolliderer med et væv, kan dets energi absorberes, reflekteres, transmitteres eller spredes. Med enhver vekselvirkning mellem væv og laser forekommer alle fire processer i varierende grad, hvoraf absorption er den vigtigste. Graden af absorption afhænger af indholdet af kromoforen i vævet. Chromophorer er stoffer, som effektivt absorberer bølger af en vis længde. For eksempel absorberes CO2-laserens energi af kroppens bløde væv. Dette skyldes, at bølgelængden svarende til C02 absorberes godt af vandmolekyler, hvilket udgør op til 80% af blødt væv. I modsætning hertil absorberes C02-laser minimalt af benet, hvilket skyldes lavt vandindhold i knoglevævet. Når vævet absorberer laser energi, begynder dets molekyler først at vibrere. Absorption af yderligere energi forårsager denaturering, koagulation og endelig fordampning af proteinet (fordampning).

Når laserenergien afspejles af vævet, er sidstnævnte ikke beskadiget, da strålingsretningen på overfladen ændres. Også, hvis laserenergien passerer gennem overfladevævene i dyblaget, påvirkes det mellemliggende væv ikke. Hvis laserstrålen spredes ind i vævet, absorberes energien ikke på overfladen, men tilfældigt fordeles i de dybe lag.

Den tredje faktor vedrørende vekselvirkning af væv med en laser er energitætheden. Når laser og væv interagerer, når alle andre faktorer er konstante, kan ændring af størrelsen af stedet eller eksponeringstiden påvirke vævstilstanden. Hvis størrelsen af laserstrålefladen sænker, øges effekten på et bestemt vævsvolumen. Omvendt, hvis spotstørrelsen stiger, falder laserstrålens energitæthed. For at ændre størrelsen på stedet kan du fokusere, forfokusere eller defokusere udstødningssystemet på stoffet. Med strålingens prefokusering og defokusering er spotstørrelsen større end den fokuserede stråle, hvilket resulterer i en lavere effekttæthed.

En anden måde at ændre vævseffekterne er pulsationen af laser energi. Alle pulsmåder af stråling intermitterende perioder med strøm til og fra. Da energien ikke når vævet under afbrydelsesperioderne, er det muligt at sprede varme. Hvis afbrydelsesperioderne er længere end måletidsvævets termiske afslapningstid, falder sandsynligheden for skade på det omgivende væv ved termisk ledningsevne. Den termiske afslapningstid er den tid, der kræves for at aflevere halvdelen af varmen af en genstand. Forholdet mellem varigheden af det aktive gap og summen af de aktive og passive pulsationsintervaller kaldes arbejdscyklus.

Driftscyklus = tændt / tændt + slukket

Der er forskellige pulsfunktioner. Energi kan produceres i partier ved at indstille den periode, hvor laser udsender (f.eks. OD c). Energi kan overlappe, når en konstant bølge er blokeret ved visse intervaller med en mekanisk lukker. I superpulsmodus er energien ikke blot blokeret, men lagret i laserenergikilden i afbrydelsesperioden og udsuges derefter i løbet af perioden. Det vil sige, at peak-energien i superpulsmodus er signifikant højere end den i konstant tilstand eller overlapningstilstand.

I en laser, der genererer i det gigantiske pulsregime, bevares energien også under afbrydelsesperioden, men i et lasermiljø. Dette opnås ved at anvende en spjældmekanisme i hulrummet mellem de to spejle. En lukket klappe forhindrer generering i laseren, men tillader energi at lagres på hver side af klappen. Når klappen er åben, interagerer spejlet og forårsager dannelsen af en høj-energi laserstråle. Spidsenergien af en laser, der genererer i det gigantiske pulsregime, er meget høj med en kort driftscyklus. En laser med synkroniserede tilstande ligner en laser, der genererer i den gigantiske pulsmodus, idet der er tilvejebragt en spjæld mellem de to spejle i hulrumskammeret. En laser med synkroniserede tilstande åbner og lukker spjældet i synkronisering med den tid det tager at reflektere lys mellem to spejle.

Karakteristik af lasere

• Kuldioxid laser

Kuldioxidlaser bruges oftest i otorhinolaryngologi / hoved- og nakkeoperation. Længden af dens bølge er 10,6 nm - en usynlig bølge af det fjernt infrarøde område af spektret af elektromagnetisk stråling. Vejledning langs strålen af en helium-neon laser er nødvendig for at kirurgen kan se indflydelsesområdet. Lasermediet er C02. Dens bølgelængde absorberes godt af vandmolekyler i vævet. Virkningerne er overfladiske på grund af høj absorption og minimal dispersion. Stråling kan kun overføres via spejle og specielle linser placeret på en hængslet stang. Drejestangen kan fastgøres til mikroskopet til præcisionsarbejde under forstørrelse. Energi kan også udløses gennem et fokushåndtag, der er fastgjort til hængselstangen.

• Nd: YAG laser

Bølgelængden af Nd: YAG (yttrium-aluminium granat med neodym) laser er 1064 nm, det vil sige, at den ligger i det nærliggende infrarøde område. Det er usynligt for det menneskelige øje og kræver en tydelig helium-neon laserstråle. Lasermediet er yttrium-aluminium granat med neodym. De fleste kropsvæv absorberer ikke denne bølgelængde godt. Imidlertid absorberer det pigmenterede væv det bedre end den ikke-pigmenterede. Energi overføres gennem de fleste vævs overflade lag og er dispergeret i dybe lag.

Sammenlignet med en kuldioxidlaser er spredningen af Nd: YAG meget større. Dybden af penetration er derfor større, og Nd: YAG er velegnet til koagulering af dybtliggende kar. I eksperimentet er den maksimale dybde af koagulation omkring 3 mm (koagulationstemperatur +60 ° C). Der er rapporteret gode resultater af behandling af dyb perioral kapillær og cavernøs formationer ved hjælp af Nd: YAG laser. Der er også en rapport om succesfuld laserfotokoagulation med hæmangiomer, lymphangiomer og arteriovenøse medfødte formationer. En større dybde af indtrængning og uafhængig destruktion forudsætter imidlertid en stigning i postoperativ ardannelse. Klinisk minimeres dette ved hjælp af sikre strømindstillinger, en punkttilgang til udbruddet og undgåelse af hudområder. I praksis blev brugen af en mørk rød Nd: YAG laser praktisk taget erstattet af lasere med en bølgelængde i den gule del af spektret. Det bruges dog som en hjælpelaser til knudeformationer af mørk rød farve (portfarve).

Det har vist sig, at Nd: YAG-laser hæmmer produktionen af collagen, både i fibroblastkultur og i normal hud in vivo. Dette tyder på, at denne laser har succes i behandlingen af hypertrofiske ar og keloider. Men klinisk er hyppigheden af tilbagefald efter keloider høj, på trods af den kraftige ekstra lokale behandling med steroider.

• Kontakt Nd: YAG laser

Brugen af Nd: YAG-laser i kontaktmodus ændrer signifikant strålingens fysiske egenskaber og absorptionsevne. Kontakttipset består af en krystal af safir eller kvarts, der er direkte fastgjort til laserfiberens ende. Kontaktspidsen interagerer direkte med huden og virker som en termisk skalpel, der skærer og koagulerer samtidigt. Der er rapporter om brugen af et kontakt tip med en bred vifte af interventioner på blødt væv. Disse applikationer er tættere på elektrokoagulering end ikke-kontakt Nd: YAG. Grundlæggende bruger kirurger nu laserspecifikke bølgelængder, ikke til skæring af væv, men til opvarmning af spidsen. Derfor er principperne for interaktion mellem laseren og vævet ikke anvendelige her. Reaktionstiden til kontaktlaseren er ikke så direkte en funktion som ved brug af en fri fiber, og derfor er der en forsinkelsesperiode for opvarmning og afkøling. Men med erfaring bliver denne laser praktisk til tildeling af hud- og muskeltransplantater.

• Argon laser

Argonlaseren udsender synlige bølger med en længde på 488-514 nm. På grund af designet af hulrumskammeret og den molekylære struktur af lasermediet producerer denne type laser et langbølgelængdeområde. Individuelle modeller kan have et filter der begrænser stråling til en enkelt bølgelængde. Energien i argonlaseren absorberes godt af hæmoglobin, og dets dispersion er mellemliggende mellem carbondioxid og Nd: YAG laser. Strålingssystemet til en argonlaser er en fiberoptisk bærer. På grund af den store absorption af hæmoglobin absorberer de vaskulære neoplasmer i huden også laserens energi.

• KTP laser

KTP (kaliumtitanylphosphat) laser er en Nd: YAG laser, hvis frekvens fordobles (bølgelængden halveres) ved at sende laser energi gennem KT-krystallen. Dette giver grønt lys (bølgelængde 532 nm), hvilket svarer til hæmoglobins absorptionstopp. Dens indtrængning i væv og spredning svarer til den af en argon laser. Laser energi overføres af fiber. I kontaktfri tilstand fordamper og koagulerer laseren. I halvkontakttilstanden berører spidsen af fiberen knapt stoffet og bliver et skæreværktøj. Jo mere energi der bruges, jo mere fungerer laser som en termisk kniv, der ligner en kulsyre laser. Anlæg med lavere energi anvendes primært til koagulation.

• En farvestrålende laser spændt af en flashlampe

Farvestråleren, der blev spændt af flashlampen, var den første medicinske laser, der var specielt udviklet til behandling af godartede vaskulære neoplasmer i huden. Dette er en synlig lyslaser med en bølgelængde på 585 nm. Denne bølgelængde falder sammen med den tredje top af absorptionen af oxyhemoglobin, og derfor er denne lasers energi overvejende absorberet af hæmoglobin. I området 577-585 nm er der også mindre absorption af konkurrerende chromoforer, såsom melanin og mindre spredning af laserenergi i dermis og epidermis. Lasermediet er farvestof rhodamin, som optisk spændes af en flashlampe, og strålingssystemet er en fiberoptisk bærer. Spidsen af farvestråleren har et udskifteligt objektivsystem, som giver mulighed for at skabe en pletstørrelse på 3, 5, 7 eller 10 mm. Laser pulserer med en periode på 450 ms. Dette pulsationsindeks blev valgt baseret på den termiske afslapningstid for ectatiske fartøjer, der findes i godartede vaskulære neoplasmer i huden.

• Kobber damp laser

En kobberdamplaser frembringer synlig stråling med to separate bølgelængder: en pulseret grøn bølge med en længde på 512 nm og en pulseret gul bølge med en længde på 578 nm. Lasermediet er kobber, som er spændt (fordampet) elektrisk. Fiberfibersystemet overfører energi til spidsen, som har en variabel spotstørrelse på 150-1000 μm. Eksponeringstid varierer fra 0,075 s til en konstant. Tiden mellem pulser varierer også fra 0,1 s til 0,8 s. Gul kobberdamplaserlys bruges til at behandle godartede vaskulære læsioner på ansigtet. Den grønne bølge kan bruges til at behandle sådanne pigmenterede formationer som fregner, lentigo, nevi og keratose.

• Ikke-dæmpet gulfarve laser

En gul farvestof med undampet bølge er en synlig lyslaser, der producerer gult lys med en bølgelængde på 577 nm. Som en laser på et farvestof, spændt af en flashlampe, er det indstillet ved at ændre farvestoffet i laseraktiveringskammeret. Farvestoffet er ophidset af en argonlaser. Udstødningssystemet til denne laser er også fiberoptisk kabel, der kan fokusere på forskellige spotstørrelser. Laserlyset kan pulsere ved hjælp af en mekanisk lukker eller en Hexascanner-tip, der er fastgjort til enden af fiberoptisk systemet. Hexascanner styrer tilfældigt pulser af laser energi inde i sekskantet kontur. Som en farvestråler, der er begejstret med en flashlampe og en kobberdamplaser, er en gul farvestoflasker med undampet bølge ideel til behandling af godartede vaskulære læsioner i ansigtet.

• Erbium laser

Erbium: UAS-laseren anvender et bånd af absorptionsspektrum med vand på 3000 nm. Dens bølgelængde på 2940 nm svarer til denne top og absorberes stærkt af vævsvandet (ca. 12 gange større end kuldioxidlaseren). Denne laser, der udsender i det nær-infrarøde spektrum, er usynligt for øjet og skal anvendes med en synlig styrestråle. Laseren pumpes af en flashlampe og udsender makroimpulser med en varighed på 200-300 μs, som består af en række mikropulser. Disse lasere bruges med et spids fastgjort til hængselstangen. En scanningsenhed kan også integreres i systemet til hurtigere og mere ensartet fjernelse af væv.

• Ruby laser

Ruby laser - en laser pumpet af en pulserende lampe udsender lys med en bølgelængde på 694 nm. Denne laser, der befinder sig i det røde område af spektret, er synligt med øjet. Det kan have en laserlukker til at producere korte impulser og opnå en dybere penetration i vævet (dybere end 1 mm). En langpuls rubinlaser bruges til at varme hårfolliklerne fortrinsvis under laserfjerning. Denne laserstråling overføres ved hjælp af spejle og systemet af en hængslet stang. Det absorberes dårligt af vand, men absorberes stærkt af melanin. Forskellige pigmenter til tatoveringer optager også stråler med en bølgelængde på 694 nm.

• Alexandrit laser

Alexandritlaseren, en solid-state laser, der kan opblæses af en flashlampe, har en bølgelængde på 755 nm. Denne bølgelængde, der befinder sig i den røde del af spektret, er ikke synlig for øjet og kræver derfor en styrestråle. Det absorberes af blå og sorte pigmenter til tatoveringer, såvel som melanin, men ikke hæmoglobin. Dette er en relativt kompakt laser, der kan overføre stråling over en fleksibel fiber. Laseren trænger relativt dybt, hvilket gør det praktisk at fjerne hår og tatoveringer. Spotstørrelsen er 7 og 12 mm.

• Diode laser

For nylig blev dioder på superledende materialer koblet direkte til fiberoptiske enheder, hvilket førte til emission af laserstråling med forskellige bølgelængder (afhængig af egenskaberne ved de anvendte materialer). Diode lasere kendetegnes ved deres ydeevne. De kan overføre indgående elektrisk energi til lyset med en effektivitet på 50%. Denne effektivitet, der er forbundet med mindre varmegenerering og indgangseffekt, gør det muligt for kompakte diode lasere at have et design uden store kølesystemer. Lyset overføres fiberoptisk.

• Filtreret impulslampe

Den filtrerede pulslampe, der anvendes til fjernelse af håret, er ikke en laser. Tværtimod er det et intenst, usammenhængende impulsspektrum. Til udledning af lys med en bølgelængde på 590-1200 nm bruger systemet krystalfiltre. Bredden og integraldensiteten af pulsen, der også er variabel, opfylder kriterierne for selektiv fotothermolyse, som sætter denne enhed på niveau med hårfjerningslasere.

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