Lazeriai plastinėje chirurgijoje

Praėjusio amžiaus pradžioje Einšteinas straipsnyje „Kvantinė spinduliuotės teorija“ teoriškai paaiškino procesus, kurie turi vykti, kai lazeris skleidžia energiją. Maimanas pirmąjį lazerį sukonstravo 1960 m. Nuo to laiko lazerių technologijos sparčiai vystėsi, gamindamos įvairius lazerius, apimančius visą elektromagnetinį spektrą. Vėliau jie buvo derinami su kitomis technologijomis, įskaitant vaizdo gavimo sistemas, robotiką ir kompiuterius, siekiant pagerinti lazerio spinduliavimo tikslumą. Bendradarbiaujant fizikos ir bioinžinerijos srityse, medicininiai lazeriai tapo svarbia chirurgų terapinių įrankių dalimi. Iš pradžių jie buvo didelių gabaritų ir juos naudojo tik chirurgai, specialiai apmokyti lazerių fizikoje. Per pastaruosius 15 metų medicininių lazerių dizainas patobulėjo, kad juos būtų lengviau naudoti, ir daugelis chirurgų, studijuodami magistrantūroje, išmoko lazerių fizikos pagrindų.

Šiame straipsnyje aptariama: lazerių biofizika; audinių sąveika su lazerio spinduliuote; šiuo metu plastinėje ir rekonstrukcinėje chirurgijoje naudojami prietaisai; bendrieji saugos reikalavimai dirbant su lazeriais; tolesnio lazerių naudojimo odos intervencijose klausimai.

Lazerių biofizika

Lazeriai skleidžia šviesos energiją, kuri sklinda bangomis, panašiomis į įprastą šviesą. Bangos ilgis yra atstumas tarp dviejų gretimų bangos viršūnių. Amplitudė yra viršūnės dydis, lemiantis šviesos intensyvumą. Šviesos bangos dažnis arba periodas yra laikas, per kurį banga užbaigia vieną ciklą. Norint suprasti, kaip veikia lazeris, svarbu suprasti kvantinę mechaniką. Terminas „LAZERIS“ yra šviesos stiprinimo stimuliuojamos spinduliuotės būdu (angl. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) akronimas. Kai fotonas, šviesos energijos vienetas, atsitrenkia į atomą, vienas iš atomo elektronų peršoka į aukštesnį energijos lygį. Šioje sužadintoje būsenoje atomas tampa nestabilus, išskirdamas fotoną, kai elektronas grįžta į pradinį, žemesnį energijos lygį. Šis procesas vadinamas savaimine emisija. Jei atomas yra didelės energijos būsenoje ir susiduria su kitu fotonu, grįžęs į žemos energijos būseną, jis išskirs du fotonus, kurių bangos ilgis, kryptis ir fazė yra vienodi. Šis procesas, vadinamas stimuliuojama spinduliuotės emisija, yra esminis lazerių fizikos supratimo veiksnys.

Nepriklausomai nuo tipo, visi lazeriai turi keturis pagrindinius komponentus: sužadinimo mechanizmą arba energijos šaltinį, lazerinę terpę, optinę ertmę arba rezonatorių ir išstūmimo sistemą. Dauguma medicininių lazerių, naudojamų veido plastinėje chirurgijoje, turi elektrinį sužadinimo mechanizmą. Kai kurie lazeriai (pvz., blykstės lempos sužadinamas dažų lazeris) naudoja šviesą kaip sužadinimo mechanizmą. Kiti gali naudoti didelės energijos radijo dažnių bangas arba chemines reakcijas sužadinimo energijai gauti. Sužadinimo mechanizmas pumpuoja energiją į rezonansinę kamerą, kurioje yra lazerinė terpė, kuri gali būti kieta, skysta, dujinė arba puslaidininkinė medžiaga. Į rezonatoriaus ertmę nukreipta energija pakelia lazerinės terpės atomų elektronus į aukštesnį energijos lygį. Kai pusė rezonatoriaus atomų yra labai sužadinti, įvyksta populiacijos inversija. Prasideda savaiminė emisija, kai fotonai spinduliuoja visomis kryptimis, o kai kurie susiduria su jau sužadintais atomais, todėl vyksta stimuliuojama suporuotų fotonų emisija. Stimuliuota emisija sustiprėja, nes fotonai, keliaujantys ašimi tarp veidrodžių, pirmiausia atsispindi pirmyn ir atgal. Tai sukelia nuoseklią stimuliaciją, nes šie fotonai susiduria su kitais sužadintais atomais. Vienas veidrodis atspindi 100 % šviesą, o kitas veidrodis iš dalies praleidžia iš rezonatoriaus kameros skleidžiamą energiją. Ši energija į biologinį audinį perduodama išstūmimo sistema. Dauguma lazerių naudoja šviesolaidį. Žymi išimtis yra CO2 lazeris, turintis veidrodžių sistemą ant vyriuotos svirties. CO2 lazeriui gali būti naudojamos optinės skaidulos, tačiau jos riboja taško dydį ir išėjimo energiją.

Lazerio šviesa yra labiau organizuota ir kokybiškai intensyvesnė nei įprasta šviesa. Kadangi lazerio terpė yra homogeniška, stimuliuojamos emisijos skleidžiami fotonai turi vieną bangos ilgį, o tai sukuria monochromatinę šviesą. Paprastai šviesa labai išsisklaido, toldama nuo šaltinio. Lazerio šviesa yra kolimuota: ji mažai išsisklaido, todėl dideliu atstumu užtikrinamas pastovus energijos intensyvumas. Lazerio šviesos fotonai ne tik juda ta pačia kryptimi, bet ir turi tą pačią laiko ir erdvės fazę. Tai vadinama koherencija. Monochromatinės spinduliuotės, kolimacijos ir koherencijos savybės skiria lazerio šviesą nuo netvarkingos įprastos šviesos energijos.

Lazerio ir audinių sąveika

Lazerio poveikio biologiniams audiniams spektras apima nuo biologinių funkcijų moduliavimo iki garinimo. Dauguma kliniškai naudojamų lazerio ir audinių sąveikų yra susijusios su terminėmis koaguliacijos ar garinimo galimybėmis. Ateityje lazeriai gali būti naudojami ne kaip šilumos šaltiniai, o kaip zondai ląstelių funkcijoms kontroliuoti be citotoksinio šalutinio poveikio.

Įprasto lazerio poveikis audiniams priklauso nuo trijų veiksnių: audinių sugerties, lazerio bangos ilgio ir lazerio energijos tankio. Kai lazerio spindulys pasiekia audinį, jo energija gali būti sugerta, atspindėta, praleista arba išsklaidyta. Visi keturi procesai bet kokioje audinių ir lazerio sąveikoje vyksta skirtingu laipsniu, iš kurių svarbiausia yra absorbcija. Sugerties laipsnis priklauso nuo chromoforų kiekio audinyje. Chromoforai yra medžiagos, kurios efektyviai sugeria tam tikro ilgio bangas. Pavyzdžiui, CO2 lazerio energiją sugeria minkštieji kūno audiniai. Taip yra todėl, kad bangos ilgį, atitinkantį CO2, gerai sugeria vandens molekulės, kurios sudaro iki 80 % minkštųjų audinių. Priešingai, CO2 lazerio absorbcija kauluose yra minimali dėl mažo vandens kiekio kauliniame audinyje. Iš pradžių, kai audiniai sugeria lazerio energiją, jų molekulės pradeda vibruoti. Papildomos energijos sugertis sukelia baltymų denatūraciją, koaguliaciją ir galiausiai išgaravimą (vaporizaciją).

Kai lazerio energija atsispindi nuo audinio, pastarasis nepažeidžiamas, nes pasikeičia spinduliuotės kryptis paviršiuje. Be to, jei lazerio energija praeina per paviršinius audinius į gilųjį sluoksnį, tarpinis audinys nepaveikiamas. Jei lazerio spindulys išsisklaido audinyje, energija nėra absorbuojama paviršiuje, o atsitiktinai pasiskirsto giliuosiuose sluoksniuose.

Trečiasis veiksnys, susijęs su audinio sąveika su lazeriu, yra energijos tankis. Lazerio ir audinio sąveikoje, kai visi kiti veiksniai yra pastovūs, taško dydžio arba ekspozicijos laiko keitimas gali turėti įtakos audinio būklei. Jei lazerio spindulio taško dydis sumažėja, tam tikrą audinio tūrį veikianti galia padidėja. Ir atvirkščiai, jei taško dydis padidėja, lazerio spindulio energijos tankis sumažėja. Norint pakeisti taško dydį, išmetimo sistema ant audinio gali būti sufokusuota, iš anksto sufokusuota arba defokusuota. Iš anksto sufokusuotuose ir defokusuotuose spinduliuose taško dydis yra didesnis nei sufokusuoto spindulio, todėl galios tankis yra mažesnis.

Kitas būdas keisti poveikį audiniams – lazerio energijos impulsas. Visuose impulsiniuose režimuose kaitaliojasi įjungimo ir išjungimo periodai. Kadangi energija išjungimo periodais nepasiekia audinio, yra tikimybė, kad šiluma išsisklaidys. Jei išjungimo periodai yra ilgesni nei tikslinio audinio terminio relaksacijos laikas, sumažėja aplinkinių audinių pažeidimo dėl laidumo tikimybė. Terminio relaksacijos laikas – tai laikas, reikalingas pusei taikinio šilumos išsisklaidyti. Aktyvaus intervalo ir aktyvių bei pasyvių pulsavimo intervalų sumos santykis vadinamas darbo ciklu.

Darbo ciklas = įjungta/įjungta + išjungta

Yra įvairių impulsų režimų. Energija gali būti išlaisvinama pliūpsniais, nustatant lazerio spinduliavimo periodą (pvz., 10 sek.). Energija gali būti blokuojama, kai pastovi banga tam tikrais intervalais blokuojama mechaniniu užraktu. Superimpulso režimu energija ne tik blokuojama, bet ir saugoma lazerio energijos šaltinyje išjungimo laikotarpiu, o vėliau išlaisvinama įjungimo laikotarpiu. Tai reiškia, kad maksimali energija superimpulso režimu yra žymiai didesnė nei pastovaus arba blokavimo režimu.

Milžiniškame impulsiniame lazeryje energija taip pat kaupiama išjungus, tačiau lazerio terpėje. Tai pasiekiama užrakto mechanizmu ertmės kameroje tarp dviejų veidrodžių. Kai užraktas uždarytas, lazeris nelazeruoja, bet energija kaupiama abiejose užrakto pusėse. Kai užraktas atidarytas, veidrodžiai sąveikauja ir sukuria didelės energijos lazerio spindulį. Milžiniško impulsinio lazerio maksimali energija yra labai didelė, o darbo ciklas trumpas. Režimų sinchronizavimo lazeris yra panašus į milžinišką impulsinį lazerį tuo, kad tarp dviejų veidrodžių ertmės kameroje yra užraktas. Režimų sinchronizavimo lazeris atsidaro ir užsidaro savo užraktą sinchroniškai su laiku, per kurį šviesa atsispindi tarp dviejų veidrodžių.

Lazerių charakteristikos

• Anglies dioksido lazeris

Anglies dioksido lazeris dažniausiai naudojamas otolaringologijoje / galvos ir kaklo chirurgijoje. Jo bangos ilgis yra 10,6 nm – tai nematoma banga, esanti tolimojo infraraudonojo spektro elektromagnetinio spektro srityje. Kad chirurgas galėtų matyti veikimo sritį, būtina nukreipti operaciją išilgai helio-neono lazerio spindulio. Lazerio terpė yra CO2. Jo bangos ilgį gerai sugeria audinių vandens molekulės. Poveikis yra paviršutiniškas dėl didelės sugerties ir minimalaus sklaidos. Spinduliuotė gali būti perduodama tik per veidrodžius ir specialius lęšius, uždėtus ant šarnyrinio strypo. Alkūninę svirtį galima pritvirtinti prie mikroskopo, kad būtų galima atlikti tikslų darbą didinant. Energija taip pat gali būti išspinduliuojama per fokusavimo rankenėlę, pritvirtintą prie šarnyrinio strypo.

• Nd:YAG lazeris

Nd:YAG (itrio-aliuminio-granato su neodimiu) lazerio bangos ilgis yra 1064 nm, t. y. jis yra artimojo infraraudonųjų spindulių diapazone. Žmogaus akiai jis nematomas ir jam reikalingas nukreipiantis helio-neono lazerio spindulys. Lazerio terpė yra itrio-aliuminio-granato su neodimiu lazeris. Dauguma kūno audinių šį bangos ilgį sugeria prastai. Tačiau pigmentuoti audiniai jį sugeria geriau nei nepigmentuoti audiniai. Energija perduodama per daugumos audinių paviršinius sluoksnius ir išsisklaido gilesniuose sluoksniuose.

Palyginti su anglies dioksido lazeriu, Nd:YAG sklaida yra žymiai didesnė. Todėl prasiskverbimo gylis yra didesnis, ir Nd:YAG gerai tinka giliųjų kraujagyslių koaguliacijai. Eksperimento metu didžiausias krešėjimo gylis buvo apie 3 mm (krešėjimo temperatūra +60 °C). Pranešta apie gerus rezultatus gydant gilius perioralinius kapiliarinius ir kaverninius darinius naudojant Nd:YAG lazerį. Taip pat yra pranešimas apie sėkmingą hemangiomų, limfangiomų ir arterioveninių įgimtų darinių lazerinę fotokoaguliaciją. Tačiau didesnis prasiskverbimo gylis ir neselektyvus pažeidimas lemia padidėjusį pooperacinį randėjimą. Kliniškai tai sumažinama saugiais galios nustatymais, taškiniu priėjimu prie pažeidimo ir odos sričių gydymo vengimu. Praktiškai tamsiai raudono Nd:YAG lazerio naudojimą praktiškai pakeitė lazeriai, kurių bangos ilgis yra geltonojoje spektro dalyje. Tačiau jis naudojamas kaip adjuvantinis lazeris tamsiai raudonos (portveino) spalvos mazginiams pažeidimams.

Nustatyta, kad Nd:YAG lazeris in vivo slopina kolageno gamybą tiek fibroblastų kultūroje, tiek normalioje odoje. Tai rodo sėkmę gydant hipertrofinius randus ir keloidus. Tačiau kliniškai po keloidinių randų pašalinimo atsinaujinimo dažnis yra didelis, nepaisant stipraus papildomo vietinio gydymo steroidais.

• Kontaktinis Nd:YAG lazeris

Naudojant Nd:YAG lazerį kontaktiniu režimu, žymiai pasikeičia spinduliuotės fizikinės savybės ir sugertis. Kontaktinis antgalis susideda iš safyro arba kvarco kristalo, tiesiogiai pritvirtinto prie lazerio pluošto galo. Kontaktinis antgalis tiesiogiai sąveikauja su oda ir veikia kaip terminis skalpelis, vienu metu pjaunantis ir koaguliuojantis. Yra pranešimų apie kontaktinio antgalio naudojimą įvairiose minkštųjų audinių intervencijose. Šie pritaikymai yra artimesni elektrokoaguliacijos pritaikymams nei nekontaktinis Nd:YAG režimas. Apskritai chirurgai dabar naudoja lazerio bangos ilgius ne audiniams pjauti, o antgalio šildymui. Todėl lazerio ir audinių sąveikos principai čia netaikomi. Reakcijos laikas į kontaktinį lazerį nėra taip tiesiogiai susijęs kaip su laisvuoju pluoštu, todėl yra šildymo ir aušinimo vėlavimo laikotarpis. Tačiau įgijus patirties, šis lazeris tampa patogus odos ir raumenų atvartų izoliavimui.

• Argono lazeris

Argono lazeris skleidžia 488–514 nm ilgio matomas bangas. Dėl rezonatoriaus kameros konstrukcijos ir lazerio terpės molekulinės struktūros šio tipo lazeris sukuria ilgųjų bangų diapazoną. Kai kurie modeliai gali turėti filtrą, kuris apriboja spinduliuotę iki vieno bangos ilgio. Argono lazerio energiją gerai sugeria hemoglobinas, o jos sklaida yra tarpinė tarp anglies dioksido ir Nd:YAG lazerio. Argono lazerio spinduliuotės sistema yra šviesolaidinis nešiklis. Dėl didelės hemoglobino absorbcijos lazerio energiją sugeria ir odos kraujagyslių navikai.

• KTF lazeris

KTP (kalio titanilo fosfato) lazeris yra Nd:YAG lazeris, kurio dažnis padvigubėja (bangos ilgis sumažėja perpus), lazerio energijai praleidžiant per KTP kristalą. Taip sukuriama žalia šviesa (bangos ilgis 532 nm), kuri atitinka hemoglobino absorbcijos piką. Jo prasiskverbimas į audinius ir sklaida yra panašūs į argono lazerio. Lazerio energija perduodama pluoštu. Bekontakčiu režimu lazeris garina ir koaguliuoja. Pusiau kontaktiniu režimu pluošto galiukas vos liečia audinį ir tampa pjovimo instrumentu. Kuo didesnė naudojama energija, tuo labiau lazeris veikia kaip terminis peilis, panašiai kaip anglies dioksido lazeris. Mažesnės energijos įrenginiai daugiausia naudojami koaguliacijai.

• Blykstės lempos sužadintas dažų lazeris

Blykstės lempos sužadintas dažų lazeris buvo pirmasis medicininis lazeris, specialiai sukurtas gerybiniams odos kraujagyslių pažeidimams gydyti. Tai matomos šviesos lazeris, kurio bangos ilgis yra 585 nm. Šis bangos ilgis sutampa su trečiuoju oksihemoglobino absorbcijos pikais, todėl šio lazerio energiją daugiausia sugeria hemoglobinas. 577–585 nm diapazone taip pat yra mažesnė konkuruojančių chromoforų, tokių kaip melaninas, sugertis ir mažesnis lazerio energijos išsibarstymas dermoje ir epidermyje. Lazerio terpė yra rodamino dažiklis, kurį optiškai sužadina blykstės lempa, o emisijos sistema yra šviesolaidinis nešiklis. Dažų lazerio antgalis turi keičiamą lęšių sistemą, leidžiančią sukurti 3, 5, 7 arba 10 mm dydžio tašką. Lazeris impulsuoja 450 ms periodu. Šis pulsacijos indeksas buvo parinktas remiantis gerybiniuose odos kraujagyslių pažeidimuose randamų ektazinių kraujagyslių terminio relaksacijos laiku.

• Vario garų lazeris

Vario garų lazeris skleidžia dviejų skirtingų bangos ilgių matomą šviesą: impulsinę žalią 512 nm bangą ir impulsinę geltoną 578 nm bangą. Lazerio terpė yra varis, kuris yra sužadinamas (išgarinamas) elektra. Šviesolaidinė sistema perduoda energiją į antgalį, kurio taško dydis kintamas – nuo 150 iki 1000 µm. Ekspozicijos laikas svyruoja nuo 0,075 s iki pastovaus. Laikas tarp impulsų taip pat svyruoja nuo 0,1 s iki 0,8 s. Vario garų lazerio geltona šviesa naudojama gerybiniams veido kraujagyslių pažeidimams gydyti. Žalia banga gali būti naudojama pigmentiniams pažeidimams, tokiems kaip strazdanos, lentiginai, apgamai ir keratozė, gydyti.

• Neišblunkantis geltonas dažų lazeris

Geltonasis nuolatinės spinduliuotės dažų lazeris yra matomos šviesos lazeris, skleidžiantis geltoną šviesą, kurios bangos ilgis yra 577 nm. Kaip ir blykstės lempos sužadinamas dažų lazeris, jis reguliuojamas keičiant dažus lazerio aktyvavimo kameroje. Dažus sužadina argono lazeris. Šio lazerio išstūmimo sistema taip pat yra šviesolaidinis kabelis, kurį galima sufokusuoti į skirtingo dydžio taškus. Lazerio šviesa gali būti impulsuojama naudojant mechaninį užraktą arba „Hexascanner“ antgalį, kuris pritvirtinamas prie šviesolaidinės sistemos galo. „Hexascanner“ atsitiktinai nukreipia lazerio energijos impulsus šešiakampiu raštu. Kaip ir blykstės lempos sužadinamas dažų lazeris bei vario garų lazeris, geltonasis nuolatinės spinduliuotės dažų lazeris idealiai tinka gerybiniams veido kraujagyslių pažeidimams gydyti.

• Erbio lazeris

„Erbium:UAS“ lazeris naudoja 3000 nm vandens absorbcijos juostą. Jo 2940 nm bangos ilgis atitinka šią smailę ir yra stipriai sugeriamas audinių vandens (maždaug 12 kartų daugiau nei CO2 lazerio). Šis artimojo infraraudonųjų spindulių lazeris yra nematomas akiai ir turi būti naudojamas su matomu nukreiptu spinduliu. Lazerį kaupina blykstės lempa ir jis skleidžia 200–300 μs trukmės makroimpulsus, kurie susideda iš mikroimpulsų serijos. Šie lazeriai naudojami su prie šarnyrinės rankos pritvirtintu rankenėle. Į sistemą taip pat galima integruoti skenavimo įrenginį, kad audiniai būtų pašalinti greičiau ir tolygiau.

• Rubino lazeris

Rubino lazeris yra blykstės lempa kaupinamas lazeris, skleidžiantis 694 nm bangos ilgio šviesą. Šis lazeris, esantis raudonojoje spektro srityje, yra matomas akimi. Jis gali turėti lazerio užraktą, kuris generuoja trumpus impulsus ir pasiekia gilesnį įsiskverbimą į audinius (giliau nei 1 mm). Ilgo impulso rubino lazeris naudojamas plaukų folikulams pirmiausia šildyti lazerinio plaukų šalinimo metu. Šis lazerio šviesa perduodama naudojant veidrodžius ir šarnyrinę strėlės sistemą. Ją prastai sugeria vanduo, bet stipriai sugeria melaninas. Įvairūs tatuiruotėms naudojami pigmentai taip pat sugeria 694 nm spindulius.

• Aleksandrito lazeris

Aleksandrito lazeris – kietojo kūno lazeris, kurį gali kaupinti blykstės lempa. Jo bangos ilgis yra 755 nm. Šis bangos ilgis, esantis raudonojoje spektro dalyje, nėra matomas akiai, todėl jam reikalingas kreipiamasis spindulys. Jį sugeria mėlyni ir juodi tatuiruotės pigmentai, taip pat melaninas, bet ne hemoglobinas. Tai gana kompaktiškas lazeris, galintis praleisti spinduliuotę per lankstų šviesos kreiptuvą. Lazeris prasiskverbia gana giliai, todėl jis tinka plaukų ir tatuiruotėms šalinti. Šviesos taškų dydžiai yra 7 ir 12 mm.

• Diodinis lazeris

Pastaruoju metu diodai ant superlaidžių medžiagų buvo tiesiogiai sujungti su šviesolaidiniais įtaisais, todėl lazerio šviesa skleidžiama įvairiais bangos ilgiais (priklausomai nuo naudojamų medžiagų savybių). Diodiniai lazeriai išsiskiria savo efektyvumu. Jie gali paversti gaunamą elektros energiją šviesa 50 % efektyvumu. Šis efektyvumas, susijęs su mažesniu šilumos išsiskyrimu ir įėjimo galia, leidžia projektuoti kompaktiškus diodinius lazerius be didelių aušinimo sistemų. Šviesa perduodama per šviesolaidį.

• Filtruota blykstės lempa

Plaukų šalinimui naudojama filtruota impulsinė lempa nėra lazeris. Tai intensyvus, nekoherentinis impulsinis spektras. Sistema naudoja kristalinius filtrus, kurie skleidžia 590–1200 nm bangos ilgio šviesą. Impulso plotis ir integralinis tankis, taip pat kintami, atitinka selektyvios fototermolizės kriterijus, todėl šis prietaisas prilygsta plaukų šalinimo lazeriams.

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