Лазери в пластичної хірургії

На початку минулого століття в публікації під назвою "Квантова теорія випромінювання", Ейнштейн теоретично обгрунтував процеси, які повинні мати місце при випромінюванні енергії лазером. Maiman в 1960 р побудував перший лазер. З тих пір почався бурхливий розвиток лазерних технологій, що призвело до створення різноманітних лазерів, що охоплюють весь електромагнітний спектр. Далі відбулося їх об'єднання з іншими технологіями, включаючи системи візуалізації, робототехніку та комп'ютери, для поліпшення точності передачі лазерного випромінювання. В результаті співпраці в галузі фізики та біоінженерії медичні лазери як лікувальні засоби стали важливою частиною арсеналу хірургів. Спочатку вони були громіздкі і застосовувалися тільки хірургами, які спеціально навчалися фізиці лазерів. За останні 15 років конструкція медичних лазерів просунулася в напрямку простоти їх використання, і багато хірургів вивчили основи лазерної фізики в процесі післядипломної утворення.

У цій статті обговорюються: біофізика лазерів; взаємодія тканин з лазерним випромінюванням; пристрої, що використовуються в даний час в пластичної та реконструктивної хірургії; загальні вимоги безпеки при роботі з лазерами; питання подальшого застосування лазерів при втручаннях на шкірі.

Біофізика лазерів

Лазери випромінюють світлову енергію, яка переміщується в формі хвиль, аналогічних звичайному світлу. Довжина хвилі - це відстань між двома сусідніми максимумами хвилі. Амплітуда - величина максимуму, визначає інтенсивність світлового випромінювання. Частотою, або періодом світлової хвилі, називається час, необхідний для одного повного циклу хвилі. Для розуміння дії лазера важливо розглянути квантову механіку. Термін "лазер" (LASER) є абревіатурою, утвореної з фрази "посилення світла шляхом стимульованої емісії випромінювання" (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Якщо фотон, одиниця світловий енергії, стикається з атомом, він переводить один з електронів атома на більш високий енергетичний рівень. Атом в такому збудженому стані стає нестабільним і знову виділяє фотон, коли електрон переходить на первинний, більш низький енергетичний рівень. Цей процес відомий як спонтанна емісія. Якщо атом перебуває в високоенергетичному стані і стикається з ще одним фотоном, то, при переході на низькоенергетичний рівень, він виділить два фотона, які мають ідентичні довжину хвилі, напрям і фазу. Цей процес, званий викликане емісією випромінювання, лежить в основі розуміння лазерної фізики.

Незалежно від типу все лазери мають чотири основні компоненти: збудливий механізм або джерело енергії, лазерну середу, оптичну порожнину або резонатор, і систему викиду. Більшість медичних лазерів, що використовуються в пластичної хірургії обличчя, мають електричний механізм збудження. Деякі лазери (наприклад, лазер на барвнику, що порушується імпульсною лампою) використовують в якості механізму збудження світло. Інші можуть використовувати високоенергетичні радіочастотні хвилі або хімічні реакції для забезпечення енергії збудження. Хвилюючий механізм накачує енергію в резонансну камеру, яка містить лазерну середу, яка може являти собою твердий, рідкий, газоподібний або напівпровідний матеріал. Енергія, скинута в порожнину резонатора, піднімає електрони атомів лазерної середовища на більш високий енергетичний рівень. Коли половина атомів в резонаторі досягне високого збудження, відбувається інверсія заселеності. Починається спонтанна емісія, коли фотони випускаються у всіх напрямках і деякі з них стикаються з уже порушеними атомами, що призводить до стимульованої емісії парних фотонів. Посилення стимульованої емісії відбувається в міру того, як фотони, що переміщаються по осі між дзеркалами, відображаються переважно назад і вперед. Це призводить до послідовної стимуляції, так як ці фотони стикаються з іншими порушеними атомами. Одне дзеркало володіє 100% -ним відображенням, а інше - частково пропускає випромінюється енергію з камери резонатора. Ця енергія передається біологічним тканинам системою викиду. У більшості лазерів вона волоконно-оптична. Помітним винятком є 02-лазер, який має систему дзеркал на шарнірної штанзі. Для 02-лазера є світлопроводи, але вони обмежують розмір плями і вихідну енергію.

Світло лазера в порівнянні зі звичайним світлом більш організований і якісно інтенсивний. Так як лазерна середовище є однорідною, фотони, які виділяються при стимульованої емісії, мають одну довжину хвилі, що створює монохроматичность. Зазвичай світло сильно розсіюється в міру віддалення від джерела. Лазерний світло коллімірованний: він мало розсіюється, забезпечуючи постійну інтенсивність енергії на великій відстані. Фотони лазерного світла не тільки рухаються в одному напрямку, вони мають одну і ту ж тимчасову і просторову фазу. Це називається когеренція. Властивості монохроматичности, колімації і когерентності відрізняють лазерне світло від невпорядкованою енергії звичайного світла.

Взаємодія лазера з тканинами

Спектр впливів лазера на біологічні тканини поширюється від модуляції біологічних функцій до випарювання. Більшість клінічно використовуваних взаємодій лазера з тканинами стосується термічних можливостей коагулировать або випаровувати. В майбутньому лазери можуть бути використані не як джерела тепла, а як зонди для управління клітинними функціями без побічних цитотоксичних ефектів.

Вплив звичайного лазера на тканину залежить від трьох чинників: тканинного поглинання, довжини хвилі лазера і щільності енергії лазера. Коли лазерний промінь стикається з тканиною, його енергія може бути поглинена, відображена, передана або розсіяна. При будь-якому взаємодії тканини і лазера в різного ступеня відбуваються всі чотири процесу, з яких поглинання є найбільш важливим. Ступінь поглинання залежить від вмісту в тканині хромофора. Хромофори це речовини, які ефективно поглинають хвилі певної довжини. Наприклад, енергія 02-лазера поглинається м'якими тканинами тіла. Це відбувається через те, що довжина хвилі, відповідна С02, добре абсорбується молекулами води, які складають до 80% м'яких тканин. Навпаки З 02-лазер мінімально поглинається кісткою, що обумовлено низьким вмістом води в кістковій тканині. Спочатку, коли тканина поглинає лазерну енергію, її молекули починають вібрувати. Поглинання додаткової енергії викликає денатурацію, коагуляцію і, нарешті, випаровування білка (вапоризацію).

Коли лазерна енергія відбивається тканиною, остання не пошкоджується, тому що напрямок випромінювання на поверхні змінюється. Також, якщо лазерна енергія проходить крізь поверхневі тканини в глибокий шар, проміжна тканина не зачіпається. Якщо лазерний промінь розсіюється в тканини, енергія не поглинається на поверхні, а випадковим чином розподіляється в глибоких шарах.

Третій фактор, що стосується взаємодії тканин з лазером, це щільність енергії. При взаємодії лазера і тканини, коли всі інші фактори постійні, зміна розміру плями або часу експозиції може впливати на стан тканини. Якщо розмір плями лазерного променя зменшується, потужність, яка діє на певний обсяг тканини, збільшується. Навпаки, якщо розмір плями збільшується, щільність енергії лазерного променя зменшується. Для зміни розміру плями можна фокусувати, префокусіровать або розфокусувати систему викиду на тканини. При префокусірованіі і расфокусірованіі променів розмір плями більше, ніж фокусированного променя, що призводить до меншої щільності потужності.

Іншим способом зміни тканинних ефектів є пульсація лазерної енергії. Всі імпульсні режими випромінювання перемежовують періоди включення і виключення енергії. Так як енергія не досягає тканини під час періодів відключення, є можливість розсіювання тепла. Якщо періоди відключення довший часу теплової релаксації тканини-мішені, ймовірність пошкодження навколишньої тканини шляхом теплопроведения зменшується. Час теплової релаксації - це кількість часу, що вимагається для розсіювання половини тепла об'єкта. Ставлення тривалості активного проміжку від суми активного і пасивного проміжків пульсації називається робочим циклом.

Робочий цикл = вкл / вкл + викл

Існують різноманітні імпульсні режими. Енергія може видаватися порціями шляхом установки періоду, коли лазер випромінює (наприклад, ОД с). Енергія може перекриватися, коли постійна хвиля блокується через певні інтервали механічної заслінкою. У суперімпульсном режимі енергія не просто блокується, а зберігається в джерелі енергії лазера на протязі періоду виключення, а потім викидається під час періоду включення. Тобто пікова енергія в суперімпульсном режимі значно вища, ніж в постійному режимі або режимі перекриття.

У лазері, що генерує в режимі гігантських імпульсів, енергія також зберігається під час періоду виключення, але в лазерної середовищі. Це досягається за допомогою механізму заслінки в камері резонатора між двома дзеркалами. Закрита заслінка запобігає генерацію в лазері, але дозволяє енергії зберігатися з кожного боку заслінки. Коли заслінка відкрита, дзеркала взаємодіють, викликаючи утворення високоенергетичного лазерного променя. Пікова енергія лазера, що генерує в режимі гігантських імпульсів, дуже висока при короткому робочому циклі. Лазер з синхронізованими модами схожий з лазером, що генерує в режимі гігантських імпульсів, в тому, що між двома дзеркалами в камері резонатора є заслінка. Лазер з синхронізованими модами відкриває і закриває свою заслінку синхронізовано з часом, необхідним для відбиття світла між двома дзеркалами.

Характеристики лазерів

• вуглекислотний лазер

Вуглекислотний лазер найчастіше використовується в оториноларингології / хірургії голови та шиї. Довжина його хвилі становить 10,6 нм - невидима хвиля далекої інфрачервоної області спектра електромагнітного випромінювання. Наведення по променю гелій-неонового лазера необхідно для того, щоб хірург бачив область впливу. Лазерної середовищем є С02. Його довжина хвилі добре поглинається молекулами води в тканини. Ефекти поверхневі через високий поглинання і мінімального розсіювання. Випромінювання може передаватися тільки через дзеркала і спеціальні лінзи, розміщені на шарнірної штанзі. Колінчаста штанга може прикріплятися до мікроскопа для прецизійної роботи під збільшенням. Енергія може також викидатися через фокусуючу рукоятку, прикріплену до шарнірної штанзі.

• Nd: YAG лазер

Довжина хвилі Nd: YAG (ітрій-алюмінієвий гранат з неодимом) лазера дорівнює 1064 нм, тобто знаходиться в околоінфракрасной області. Вона невидима людським оком і вимагає наводить гелій-неонового лазерного променя. Лазерної середовищем є ітрій-алюмінієвий гранат з неодимом. Більшість тканин організму погано поглинає цю довжину хвилі. Однак пигментированная тканину абсорбує її краще, ніж непігментованими. Енергія передається через поверхневі шари більшості тканин і розсіюється в глибоких шарах.

У порівнянні з вуглекислотний лазером, розсіювання Nd: YAG значно більше. Тому глибина проникнення більше і Nd: YAG добре підходить для коагуляції глибоко лежачих судин. В експерименті максимальна глибина коагуляції складає близько 3 мм (температура коагуляції +60 ° С). Повідомлялося про добрі результати лікування глибоких околоротових капілярних і кавернозних утворень за допомогою Nd: YAG лазера. Також є повідомлення про успішну лазерної фотокоагуляції гемангіом, лімфангіт і артеріовенозних вроджених утворень. Однак велика глибина проникнення і невибіркову руйнування привертають до збільшення післяопераційного рубцювання. Клінічно це мінімізується шляхом безпечних установок потужності, точкового підходу до вогнища і уникнення обробки областей шкіри. На практиці використання темно-червоного Nd: YAG лазера було практично замінено лазерами з довжиною хвилі, що лежить в жовтій частині спектра. Однак він застосовується як допоміжний лазер при вузлових утвореннях темно-червоного кольору (кольору портвейну).

Було показано, що Nd: YAG лазер пригнічує вироблення колагену, як в культурі фібробластів, так і в нормальній шкірі in vivo. Це передбачає успіх застосування цього лазера в лікуванні гіпертрофічних рубців і келоїдів. Але клінічно частота рецидивів після видалення келоїдів висока, незважаючи на потужне додаткове місцеве лікування стероїдами.

• Контактний Nd: YAG лазер

Застосування Nd: YAG лазера в контактному режимі значно змінює фізичні властивості і поглинальну здатність випромінювання. Контактний наконечник складається з кристала сапфіра або кварцу, безпосередньо прикріпленого до кінця лазерного волокна. Контактний наконечник взаємодіє безпосередньо з шкірою і працює як термічний скальпель, ріжучий і коагулюючий одночасно. Існують повідомлення про застосування контактного наконечника при широкому спектрі втручань на м'яких тканинах. Ці застосування ближче до таких електрокоагуляції, ніж безконтактного режиму Nd: YAG. В основному, хірурги зараз використовують властиві лазеру довжини хвиль не для різання тканин, а для нагрівання наконечника. Тому принципи взаємодії лазера з тканинами тут не застосовні. Час відповіді на контактний лазер знаходиться не в такій прямій залежності, як при використанні вільного волокна, і тому існує період запізнювання для нагрівання і охолодження. Однак з досвідом цей лазер стає зручним для виділення шкірних і м'язових клаптів.

• аргоновий лазер

Аргоновий лазер випускає видимі хвилі з довжиною 488-514 нм. Через конструкції камери резонатора і молекулярної структури лазерної середовища цей тип лазера видає довгохвильової діапазон. Окремі моделі можуть мати фільтр, що обмежує випромінювання якої-небудь однієї довжиною хвилі. Енергія даній операції добре поглинається гемоглобіном, а його розсіювання проміжно між вуглекислотний і Nd: YAG лазером. Системою випромінювання для даній операції є волоконноопті-ний носій. Через велику поглинання гемоглобіном судинні новоутворення шкіри також поглинають енергію лазера.

• КТФ лазер

КТФ (калій титанів фосфатний) лазер являє собою Nd: YAG лазер, чия частота подвоєна (довжина хвилі зменшена в два рази) за рахунок проходження лазерної енергії через До Т Ф кристал. Це дає зелене світло (довжина хвилі 532 нм), який відповідає піку абсорбції гемоглобіном. Його проникнення в тканини і розсіювання подібно з таким даній операції. Лазерна енергія передається волокном. У безконтактному режимі лазер випаровує і коагулює. У напівконтактному режимі кінчик волокна ледь стосується тканини і стає ріжучим інструментом. Чим більше використовується енергія, тим більшою мірою лазер діє як термічний ніж, аналогічно вугле-кислотному лазеру. Установки з більш низькою енергією використовуються переважно для коагуляції.

• Лазер на барвнику, що порушується імпульсною лампою

Лазер на барвнику, що порушується імпульсною лампою, був першим медичним лазером, спеціально розробленим для лікування доброякісних судинних новоутворень шкіри. Це лазер видимого світла з довжиною хвилі 585 нм. Ця довжина хвилі збігається з третім піком абсорбції оксигемоглобіном, і тому енергія цього лазера переважно поглинається гемоглобіном. В інтервалі 577-585 нм також менше поглинання конкуруючими хромофорами, такими як меланін, і менше розсіювання лазерного енергії в дермі і епідермісі. Лазерної середовищем служить барвник родамін, який оптично збуджується імпульсною лампою, а системою випромінювання є волоконнооптичної носій. Наконечник лазера на барвнику має змінну систему лінз, яка дозволяє створювати розмір плями 3, 5, 7 або 10 мм. Лазер пульсує з періодом 450 мс. Цей показник пульсації був обраний на підставі часу теплової релаксації ектазірованних судин, які виявляються в доброякісних судинних новоутвореннях шкіри.

• Лазер на парах міді

Лазер на парах міді дає видиме випромінювання, яке має дві окремі довжини хвилі: імпульсну зелену хвилю довжиною 512 нм і імпульсну жовту хвилю довжиною 578 нм. Лазерна п'ятниця - мідь, яка порушується (випаровується) електрично. Фіброволоконна система передає енергію в наконечник, який має змінний розмір плями 150-1000 мкм. Час експозиції коливається від 0,075 с до постійного. Час між імпульсами також варіює від 0,1 с до 0,8 с. Жовте світло лазера на парах міді використовується для лікування доброякісних судинних утворень на обличчі. Зелена хвиля може застосовуватися для лікування таких пігментних утворень, як веснянки, лентиго, невуси і кератоз.

• Незатухаючий жовтий лазер на барвнику

Жовтий лазер на барвнику з незгасаючої хвилею є лазером видимого світла, який виробляє жовте світло з довжиною хвилі 577 н м. Як і лазер н а барвнику, що порушується імпульсною лампою, він налаштовується шляхом зміни барвника в камері активації лазера. Барвник збуджується аргоновим лазером. Системою викиду для цього лазера я вляе тс я також волоконнооптичної кабель, який можна фокусувати на різні розміри плями. Світло лазера може пульсувати при використанні механічної заслінки або наконечника Hexascanner, який приєднується до кінця волоконнооптичної системи. Hexascanner безсистемно направляє імпульси лазерної енергії всередині шестикутного контуру. Як лазер на барвнику, що порушується імпульсною лампою, і лазер на парах міді, жовтий лазер на барвнику з незгасаючої хвилею ідеально підходить для лікування доброякісних судинних утворень на обличчі.

• ербіевий лазер

Ербій: УАС лазер використовує смугу спектра поглинання водою 3000 нм. Його довжина хвилі 2940 нм відповідає цьому піку і сильно поглинається тканинної водою (приблизно в 12 разів бо льше, ч ем вуглекислотний лазер). Цей лазер, що випромінює в околоінфракрасном спектрі, невидимий оком і повинен використовуватися з видимим навідним променем. Лазер накачується імпульсною лампою і випускає макроімпульси тривалістю 200-300 мкс, які складаються з серій мікроімпульсів. Ці лазери використовуються з наконечником, прикріпленим до шарнірної штанзі. У систему може також бути вбудовано скануючий пристрій для більш швидкого і рівномірного видалення тканини.

• Рубіновий лазер

Рубіновий лазер - накачується імпульсною лампою лазер, що випускає світло з довжиною хвилі 694 нм. Цей лазер, що знаходиться в червоній області спектра, бачимо оком. Він може мати лазерний затвор для отримання коротких імпульсів і досягнення більш глибокого проникнення в тканини (глибше 1 мм). Длінноімпульсний рубіновийлазер використовується для переважного нагрівання волосяних фолікулів при лазерної епіляції. Це лазерне випромінювання передається за допомогою дзеркал і системи шарнірної штанги. Він погано поглинається водою, але сильно поглинається меланіном. Різні пігменти, використовувані для татуювань, також поглинають промені з довжиною хвилі 694 нм.

• олександритовий лазер

Олександритовий лазер, твердотільний лазер, який може накачувати імпульсною лампою, має довжину хвилі 755 нм. Ця довжина хвилі, яка перебуває в червоній частині спектра, хоч я знаю оком і тому вимагає наводить променя. Він поглинається синіми і чорними пігментами для татуювання, а також меланіном, але не гемоглобіном. Це відносно компактний лазер, який може передавати випромінювання за гнучким световоду. Лазер проникає щодо глибоко, що робить його зручним для видалення волосся і татуювань. Розмір плями становить 7 і 12 мм.

• доданий лазер

Нещодавно діоди на надпровідних матеріалах були безпосередньо пов'язані з волоконнооптичними пристроями, що призвело до емісії лазерного випромінювання з різними довжинами хвиль (залежними від характеристик використовуваних матеріалів). Діодні лазери відрізняються їх продуктивністю. Вони можуть переводити входить електричну енергію в світло з ефективністю 50%. Ця ефективність, пов'язана з меншим виділенням тепла і вхідний потужністю, дозволяє компактним доданими лазерів мати конструкцію, позбавлену великих систем охолодження. Світло передається волоконно-оптично.

• Фільтрована імпульсна лампа

Фільтрована імпульсна лампа, яка використовується для видалення волосся, не є лазером. Навпаки, це інтенсивний, некогерентний, імпульсний спектр. Для випромінювання світла з довжиною хвилі 590-1200 нм система використовує кристалічні фільтри. Ширина і інтегральна щільність імпульсу, також змінюються, задовольняють критеріям для виборчого фототермолиза, що ставить цей пристрій в один ряд з лазерами для видалення волосся.

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