Лазери в пластичній хірургії

На початку минулого століття Ейнштейн теоретично пояснив процеси, які повинні відбуватися, коли лазер випромінює енергію, у статті під назвою «Квантова теорія випромінювання». Майман створив перший лазер у 1960 році. Відтоді лазерні технології швидко розвивалися, створюючи різноманітні лазери, що охоплюють весь електромагнітний спектр. Відтоді їх поєднували з іншими технологіями, включаючи системи візуалізації, робототехніку та комп'ютери, для підвищення точності доставки лазера. Завдяки співпраці у фізиці та біоінженерії медичні лазери стали важливою частиною терапевтичних інструментів хірургів. Спочатку вони були громіздкими та використовувалися лише хірургами, які пройшли спеціальну підготовку з лазерної фізики. За останні 15 років конструкція медичних лазерів удосконалилася, щоб зробити їх використання простішим, і багато хірургів вивчили основи лазерної фізики в рамках своєї аспірантури.

У цій статті розглядаються: біофізика лазерів; взаємодія тканин з лазерним випромінюванням; прилади, що використовуються в даний час у пластичній та реконструктивній хірургії; загальні вимоги безпеки під час роботи з лазерами; питання подальшого використання лазерів при втручаннях на шкірі.

Біофізика лазерів

Лазери випромінюють світлову енергію, яка поширюється хвилями, подібними до звичайного світла. Довжина хвилі – це відстань між двома сусідніми піками хвилі. Амплітуда – це розмір піку, що визначає інтенсивність світла. Частота, або період, світлової хвилі – це час, необхідний хвилі для завершення одного циклу. Щоб зрозуміти, як працює лазер, важливо розуміти квантову механіку. Термін ЛАЗЕР – це абревіатура від Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Підсилення світла шляхом вимушеного випромінювання). Коли фотон, одиниця світлової енергії, потрапляє на атом, це призводить до переходу одного з електронів атома на вищий енергетичний рівень. Атом стає нестабільним у цьому збудженому стані, вивільняючи фотон, коли електрон повертається на свій початковий, нижчий енергетичний рівень. Цей процес відомий як спонтанне випромінювання. Якщо атом знаходиться у високоенергетичному стані та стикається з іншим фотоном, то, повертаючись до низькоенергетичного стану, він вивільняє два фотони з однаковою довжиною хвилі, напрямком і фазою. Цей процес, який називається вимушеним випромінюванням випромінювання, є фундаментальним для розуміння лазерної фізики.

Незалежно від типу, всі лазери мають чотири основні компоненти: механізм збудження або джерело енергії, лазерне середовище, оптичний резонатор або резонатор та систему викиду. Більшість медичних лазерів, що використовуються в пластичній хірургії обличчя, мають електричний механізм збудження. Деякі лазери (такі як лазер на барвнику, збуджений лампою-спалахом) використовують світло як механізм збудження. Інші можуть використовувати високоенергетичні радіочастотні хвилі або хімічні реакції для забезпечення енергії збудження. Механізм збудження перекачує енергію в резонансну камеру, що містить лазерне середовище, яке може бути твердим, рідким, газовим або напівпровідниковим матеріалом. Енергія, що подається в резонаторну порожнину, піднімає електрони атомів у лазерному середовищі до вищого енергетичного рівня. Коли половина атомів у резонаторі сильно збуджена, відбувається інверсія населеності. Спонтанне випромінювання починається, коли фотони випромінюються в усіх напрямках, а деякі стикаються з уже збудженими атомами, що призводить до вимушеного випромінювання парних фотонів. Вимушене випромінювання посилюється, коли фотони, що рухаються вздовж осі між дзеркалами, відбиваються переважно туди-сюди. Це призводить до послідовної стимуляції, коли ці фотони стикаються з іншими збудженими атомами. Одне дзеркало має 100% відбивну здатність, тоді як інше дзеркало частково пропускає випромінювану енергію з резонаторної камери. Ця енергія передається до біологічної тканини за допомогою системи ежекції. Для більшості лазерів це волоконно-оптичні системи. Помітним винятком є CO2-лазер, який має систему дзеркал на шарнірному кронштейні. Для CO2-лазера доступні оптичні волокна, але вони обмежують розмір плями та вихідну енергію.

Лазерне світло є більш організованим та якісно інтенсивним, ніж звичайне світло. Оскільки лазерне середовище однорідне, фотони, що випромінюються вимушеним випромінюванням, мають одну довжину хвилі, що створює монохроматичність. Зазвичай світло сильно розсіюється, коли воно рухається від джерела. Лазерне світло колімовано: воно мало розсіюється, забезпечуючи постійну інтенсивність енергії на великій відстані. Фотони лазерного світла не тільки рухаються в одному напрямку, вони мають однакову часову та просторову фазу. Це називається когерентністю. Властивості монохроматичності, колімації та когерентності відрізняють лазерне світло від невпорядкованої енергії звичайного світла.

Взаємодія лазера з тканинами

Спектр лазерного впливу на біологічні тканини простягається від модуляції біологічних функцій до вапоризації. Більшість клінічно використовуваних взаємодій лазер-тканина стосуються теплових можливостей коагуляції або вапоризації. У майбутньому лазери можуть використовуватися не як джерела тепла, а як зонди для контролю клітинних функцій без цитотоксичних побічних ефектів.

Вплив звичайного лазера на тканини залежить від трьох факторів: поглинання тканинами, довжини хвилі лазера та щільності енергії лазера. Коли лазерний промінь потрапляє на тканину, його енергія може поглинатися, відбиватися, проходити або розсіюватися. Усі чотири процеси відбуваються різною мірою при будь-якій взаємодії тканини та лазера, найважливішим з яких є поглинання. Ступінь поглинання залежить від вмісту хромофорів у тканині. Хромофори – це речовини, які ефективно поглинають хвилі певної довжини. Наприклад, енергія CO2-лазера поглинається м’якими тканинами тіла. Це пояснюється тим, що довжина хвилі, що відповідає CO2, добре поглинається молекулами води, які складають до 80% м’яких тканин. Навпаки, поглинання CO2-лазера мінімальне в кістках через низький вміст води в кістковій тканині. Спочатку, коли тканина поглинає лазерну енергію, її молекули починають вібрувати. Поглинання додаткової енергії викликає денатурацію, коагуляцію та, нарешті, випаровування білка (вапоризацію).

Коли лазерна енергія відбивається від тканини, остання не пошкоджується, оскільки напрямок випромінювання на поверхні змінюється. Також, якщо лазерна енергія проходить через поверхневі тканини в глибокий шар, проміжні тканини не зазнають впливу. Якщо лазерний промінь розсіюється в тканині, енергія не поглинається на поверхні, а хаотично розподіляється в глибоких шарах.

Третім фактором, що стосується взаємодії тканини з лазером, є густина енергії. Під час взаємодії лазера та тканини, коли всі інші фактори постійні, зміна розміру плями або часу експозиції може впливати на стан тканини. Якщо розмір плями лазерного променя зменшується, потужність, що діє на певний об'єм тканини, збільшується. І навпаки, якщо розмір плями збільшується, густина енергії лазерного променя зменшується. Щоб змінити розмір плями, систему ежекції на тканину можна сфокусувати, попередньо сфокусувати або розфокусувати. У попередньо сфокусованих та розфокусованих променях розмір плями більший, ніж сфокусований промінь, що призводить до меншої густини потужності.

Інший спосіб варіювати вплив на тканини – це імпульсна генерація лазерної енергії. Усі імпульсні режими чергуються між періодами ввімкнення та вимкнення. Оскільки енергія не досягає тканини під час періодів вимкнення, існує ймовірність розсіювання тепла. Якщо періоди вимкнення довші за час теплової релаксації цільової тканини, ймовірність пошкодження навколишньої тканини внаслідок теплопровідності зменшується. Час теплової релаксації – це час, необхідний для розсіювання половини тепла в цілі. Відношення активного інтервалу до суми активних та пасивних інтервалів пульсації називається робочим циклом.

Робочий цикл = увімкнено/увімкнено + вимкнено

Існують різні імпульсні режими. Енергія може вивільнятися імпульсами, встановлюючи період випромінювання лазера (наприклад, 10 сек). Енергію можна блокувати, коли постійна хвиля блокується через певні інтервали механічним затвором. У режимі суперімпульсу енергія не просто блокується, а накопичується в джерелі лазерної енергії протягом періоду вимкнення, а потім вивільняється протягом періоду ввімкнення. Тобто пікова енергія в режимі суперімпульсу значно вища, ніж у постійному або блокуючому режимі.

У гігантському імпульсному лазері енергія також накопичується протягом періоду вимкнення, але в лазерному середовищі. Це досягається за допомогою механізму затвора в резонаторній камері між двома дзеркалами. Коли затвор закритий, лазер не генерує лазерне випромінювання, але енергія накопичується по обидва боки затвора. Коли затвор відкритий, дзеркала взаємодіють, створюючи лазерний промінь високої енергії. Пікова енергія гігантського імпульсного лазера дуже висока з коротким робочим циклом. Лазер із синхронізацією мод подібний до гігантського імпульсного лазера тим, що між двома дзеркалами в резонаторній камері є затвор. Лазер із синхронізацією мод відкривається та закривається синхронно з часом, необхідним для відбиття світла між двома дзеркалами.

Характеристики лазерів

• Лазер на вуглекислому газі

Вуглекислотний лазер найчастіше використовується в отоларингології/хірургії голови та шиї. Його довжина хвилі становить 10,6 нм, це невидима хвиля в далекому інфрачервоному діапазоні електромагнітного спектру. Наведення вздовж променя гелій-неонового лазера необхідне для того, щоб хірург міг бачити область дії. Лазерним середовищем є CO2. Його довжина хвилі добре поглинається молекулами води в тканинах. Вплив є поверхневим через високе поглинання та мінімальне розсіювання. Випромінювання може передаватися лише через дзеркала та спеціальні лінзи, розміщені на шарнірному стрижні. Кривошипний важіль можна приєднати до мікроскопа для точної роботи під збільшенням. Енергія також може викидатися через фокусувальну ручку, прикріплену до шарнірного стрижня.

• Nd:YAG лазер

Довжина хвилі лазера Nd:YAG (ітрій-алюміній-гранат з неодимом) становить 1064 нм, тобто він знаходиться в ближньому інфрачервоному діапазоні. Він невидимий для людського ока та потребує направляючого гелій-неонового лазерного променя. Лазерним середовищем є ітрій-алюміній-гранат з неодимом. Більшість тканин організму погано поглинають цю довжину хвилі. Однак пігментовані тканини поглинають її краще, ніж непігментовані. Енергія передається через поверхневі шари більшості тканин і розсіюється в глибоких шарах.

Порівняно з вуглекислотним лазером, розсіювання Nd:YAG значно більше. Отже, глибина проникнення більша, і Nd:YAG добре підходить для коагуляції глибоких судин. В експерименті максимальна глибина коагуляції становить близько 3 мм (температура коагуляції +60 °C). Повідомлялося про хороші результати лікування глибоких періоральних капілярних та кавернозних утворень за допомогою Nd:YAG лазера. Також є повідомлення про успішну лазерну фотокоагуляцію гемангіом, лімфангіом та артеріовенозних вроджених утворень. Однак більша глибина проникнення та неселективне руйнування призводять до збільшення післяопераційного рубцювання. Клінічно це мінімізується безпечними налаштуваннями потужності, точковим підходом до ураження та уникненням обробки ділянок шкіри. На практиці використання темно-червоного Nd:YAG лазера практично замінили лазери з довжиною хвилі, що лежить у жовтій частині спектра. Однак він використовується як допоміжний лазер для темно-червоних (портвейн) вузлуватих уражень.

Було показано, що Nd:YAG-лазер пригнічує вироблення колагену як у культурі фібробластів, так і в нормальній шкірі in vivo. Це свідчить про успіх у лікуванні гіпертрофічних рубців та келоїдів. Однак клінічно рівень рецидивів після видалення келоїдів високий, незважаючи на потужне додаткове місцеве лікування стероїдами.

• Контактний Nd:YAG лазер

Використання Nd:YAG лазера в контактному режимі суттєво змінює фізичні властивості та поглинання випромінювання. Контактний наконечник складається з кристала сапфіру або кварцу, безпосередньо прикріпленого до кінця лазерного волокна. Контактний наконечник безпосередньо взаємодіє зі шкірою та діє як термічний скальпель, одночасно ріжучи та коагуляючи. Є повідомлення про використання контактного наконечника в широкому спектрі втручань на м'яких тканинах. Ці застосування ближчі до електрокоагуляції, ніж до безконтактного режиму Nd:YAG. Загалом, хірурги зараз використовують власні довжини хвиль лазера не для різання тканин, а для нагрівання наконечника. Тому принципи взаємодії лазера з тканинами тут не застосовні. Час реакції на контактний лазер не так безпосередньо пов'язаний, як у випадку з вільним волокном, і тому існує період затримки для нагрівання та охолодження. Однак з досвідом цей лазер стає зручним для ізоляції шкірних та м'язових клаптів.

• Аргоновий лазер

Аргоновий лазер випромінює видимі хвилі довжиною 488-514 нм. Завдяки конструкції резонаторної камери та молекулярній структурі лазерного середовища, цей тип лазера створює довгохвильовий діапазон. Деякі моделі можуть мати фільтр, який обмежує випромінювання однією довжиною хвилі. Енергія аргонового лазера добре поглинається гемоглобіном, а її розсіювання є проміжним між розсіюванням вуглекислого газу та Nd:YAG-лазера. Система випромінювання аргонового лазера є волоконно-оптичним носієм. Через високе поглинання гемоглобіном судинні новоутворення шкіри також поглинають лазерну енергію.

• КТФ-лазер

KTP (титанілфосфат калію) лазер – це Nd:YAG лазер, частота якого подвоюється (довжина хвилі зменшується вдвічі) шляхом пропускання лазерної енергії через кристал KTP. Це створює зелене світло (довжина хвилі 532 нм), яке відповідає піку поглинання гемоглобіну. Його проникнення в тканини та розсіювання подібні до аргонового лазера. Лазерна енергія передається волокном. У безконтактному режимі лазер випаровується та коагуляється. У напівконтактному режимі кінчик волокна ледь торкається тканини та стає ріжучим інструментом. Чим вища використовується енергія, тим більше лазер діє як термічний ніж, подібно до вуглекислотного лазера. Одиниці з нижчою енергією використовуються переважно для коагуляції.

• Лазер на барвнику, збуджений спалахом лампи

Лазер на барвнику, збуджений лампою-спалахом, був першим медичним лазером, спеціально розробленим для лікування доброякісних судинних уражень шкіри. Це лазер видимого світла з довжиною хвилі 585 нм. Ця довжина хвилі збігається з третім піком поглинання оксигемоглобіну, і тому енергія цього лазера переважно поглинається гемоглобіном. У діапазоні 577-585 нм також спостерігається менше поглинання конкуруючими хромофорами, такими як меланін, і менше розсіювання лазерної енергії в дермі та епідермісі. Лазерним середовищем є родаміновий барвник, який оптично збуджується лампою-спалахом, а система випромінювання - волоконно-оптичний носій. Наконечник лазера на барвнику має змінну систему лінз, що дозволяє створювати пляму розміром 3, 5, 7 або 10 мм. Лазер імпульсує з періодом 450 мс. Цей індекс пульсації був обраний на основі часу теплової релаксації ектатичних судин, виявлених у доброякісних судинних ураженнях шкіри.

• Лазер на парах міді

Мідний лазер випромінює видиме світло двох окремих довжин хвиль: імпульсну зелену хвилю 512 нм та імпульсну жовту хвилю 578 нм. Лазерним середовищем є мідь, яка збуджується (випаровується) електрично. Система волокон передає енергію на наконечник, який має змінний розмір плями 150-1000 мкм. Час експозиції коливається від 0,075 с до постійного. Час між імпульсами також варіюється від 0,1 с до 0,8 с. Жовте світло мідного лазера використовується для лікування доброякісних судинних уражень на обличчі. Зелену хвилю можна використовувати для лікування пігментних уражень, таких як веснянки, лентиго, невуси та кератоз.

• Лазер на жовтому барвнику, що не вицвітає

Жовтий лазер на барвнику безперервного випромінювання – це лазер видимого світла, який виробляє жовте світло з довжиною хвилі 577 нм. Як і лазер на барвнику, збуджений лампою-спалахом, він налаштовується шляхом зміни барвника в камері активації лазера. Барвник збуджується аргоновим лазером. Система ежекції для цього лазера також являє собою волоконно-оптичний кабель, який можна фокусувати на плями різного розміру. Лазерне світло може імпульсуватися за допомогою механічного затвора або наконечника гексасканера, який кріпиться до кінця волоконно-оптичної системи. Гексасканер випадковим чином спрямовує імпульси лазерної енергії в межах шестикутного візерунка. Як і лазер на барвнику, збуджений лампою-спалахом, і лазер на парах міді, жовтий лазер на барвнику безперервного випромінювання ідеально підходить для лікування доброякісних судинних уражень на обличчі.

• Ербієвий лазер

Ербієвий:UAS-лазер використовує смугу поглинання води 3000 нм. Його довжина хвилі 2940 нм відповідає цьому піку та сильно поглинається водою в тканинах (приблизно в 12 разів більше, ніж у CO2-лазера). Цей лазер ближнього інфрачервоного діапазону невидимий для ока та повинен використовуватися з видимим прицільним променем. Лазер накачується лампою-спалахом та випромінює макроімпульси тривалістю 200-300 мкс, які складаються з серії мікроімпульсів. Ці лазери використовуються з наконечником, прикріпленим до шарнірного кронштейна. Скануючий пристрій також може бути інтегрований у систему для швидшого та рівномірнішого видалення тканин.

• Рубіновий лазер

Рубіновий лазер – це лазер з лампою-імпульсом, що випромінює світло на довжині хвилі 694 нм. Цей лазер, що знаходиться в червоній області спектра, видимий для ока. Він може мати лазерний затвор для створення коротких імпульсів та досягнення глибшого проникнення в тканини (глибше 1 мм). Рубіновий лазер з довгим імпульсом використовується для переважного нагрівання волосяних фолікулів під час лазерної епіляції. Це лазерне світло передається за допомогою дзеркал та шарнірної системи штанги. Воно погано поглинається водою, але сильно поглинається меланіном. Різні пігменти, що використовуються для татуювань, також поглинають промені з довжиною хвилі 694 нм.

• Александритовий лазер

Александритовий лазер, твердотільний лазер, який може накачуватися лампою-спалахом, має довжину хвилі 755 нм. Ця довжина хвилі, що знаходиться в червоній частині спектра, невидима для ока і тому вимагає напрямного променя. Вона поглинається синіми та чорними пігментами татуювань, а також меланіном, але не гемоглобіном. Це відносно компактний лазер, який може пропускати випромінювання через гнучкий світловод. Лазер проникає відносно глибоко, що робить його придатним для видалення волосся та татуювань. Розмір плями становить 7 та 12 мм.

• Діодний лазер

Нещодавно діоди на надпровідних матеріалах були безпосередньо з'єднані з волоконно-оптичними пристроями, що призводить до випромінювання лазерного світла на різних довжинах хвиль (залежно від характеристик використовуваних матеріалів). Діодні лазери вирізняються своєю ефективністю. Вони можуть перетворювати вхідну електричну енергію на світло з ефективністю 50%. Ця ефективність, пов'язана з меншим тепловиділенням та вхідною потужністю, дозволяє створювати компактні діодні лазери без великих систем охолодження. Світло передається через волоконну оптику.

• Фільтрований спалах лампи

Фільтрована імпульсна лампа, яка використовується для видалення волосся, не є лазером. Натомість це інтенсивний, некогерентний імпульсний спектр. Система використовує кристалічні фільтри для випромінювання світла з довжиною хвилі 590-1200 нм. Ширина та інтегральна щільність імпульсу, також змінні, відповідають критеріям селективного фототермолізу, що ставить цей пристрій на один рівень з лазерами для видалення волосся.

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