Lasrar inom plastikkirurgi

Tidigt på förra seklet förklarade Einstein teoretiskt de processer som måste ske när en laser avger energi i en artikel med titeln "Kvantteorin om strålning". Maiman byggde den första lasern 1960. Sedan dess har lasertekniken utvecklats snabbt och producerat en mängd olika lasrar som spänner över hela det elektromagnetiska spektrumet. De har sedan dess kombinerats med andra tekniker, inklusive avbildningssystem, robotik och datorer, för att förbättra precisionen i laserleveransen. Genom samarbeten inom fysik och bioteknik har medicinska lasrar blivit en viktig del av kirurgers terapeutiska verktyg. Till en början var de skrymmande och användes endast av kirurger som var specialutbildade i laserfysik. Under de senaste 15 åren har medicinsk laserdesign utvecklats för att göra dem enklare att använda, och många kirurger har lärt sig grunderna i laserfysik som en del av sin forskarutbildning.

Denna artikel diskuterar: lasrars biofysik; vävnaders interaktion med laserstrålning; apparater som för närvarande används inom plastik- och rekonstruktiv kirurgi; allmänna säkerhetskrav vid arbete med lasrar; frågor om vidare användning av lasrar vid hudingrepp.

Lasrars biofysik

Lasrar avger ljusenergi som färdas i vågor som liknar vanligt ljus. Våglängden är avståndet mellan två intilliggande toppar på vågen. Amplituden är storleken på toppen, vilket bestämmer ljusets intensitet. Frekvensen, eller perioden, för en ljusvåg är den tid det tar för vågen att fullborda en cykel. För att förstå hur en laser fungerar är det viktigt att förstå kvantmekaniken. Termen LASER är en akronym för Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. När en foton, en enhet för ljusenergi, träffar en atom, får den en av atomens elektroner att hoppa till en högre energinivå. Atomen blir instabil i detta exciterade tillstånd och frigör en foton när elektronen faller tillbaka till sin ursprungliga, lägre energinivå. Denna process kallas spontan emission. Om en atom är i ett högenergitillstånd och kolliderar med en annan foton, kommer den att frigöra två fotoner som har identisk våglängd, riktning och fas när den återgår till ett lågenergitillstånd. Denna process, kallad stimulerad emission av strålning, är grundläggande för att förstå laserfysiken.

Oavsett typ har alla lasrar fyra grundläggande komponenter: en excitationsmekanism eller energikälla, ett lasermedium, en optisk kavitet eller resonator och ett utstötningssystem. De flesta medicinska lasrar som används vid ansiktsplastikkirurgi har en elektrisk excitationsmekanism. Vissa lasrar (såsom en blixtlampexciterad färglaser) använder ljus som excitationsmekanism. Andra kan använda högenergiska radiofrekvensvågor eller kemiska reaktioner för att tillhandahålla excitationsenergi. Excitationsmekanismen pumpar energi in i en resonanskammare som innehåller lasermediet, vilket kan vara ett fast, flytande, gasformigt eller halvledarmaterial. Energin som dumpas i resonatorkaviteten höjer elektronerna i atomerna i lasermediet till en högre energinivå. När hälften av atomerna i resonatorn är mycket exciterade sker en populationsinversion. Spontan emission börjar när fotoner emitteras i alla riktningar och vissa kolliderar med redan exciterade atomer, vilket resulterar i stimulerad emission av parade fotoner. Stimulerad emission förstärks när fotoner som färdas längs axeln mellan speglarna reflekteras företrädesvis fram och tillbaka. Detta resulterar i sekventiell stimulering när dessa fotoner kolliderar med andra exciterade atomer. En spegel är 100 % reflekterande, medan den andra spegeln delvis överför den emitterade energin från resonatorkammaren. Denna energi överförs till den biologiska vävnaden via ett utstötningssystem. För de flesta lasrar är detta fiberoptik. Ett anmärkningsvärt undantag är CO2-lasern, som har ett system av speglar på en gångjärnsförsedd arm. Optiska fibrer finns tillgängliga för CO2-lasern, men de begränsar punktstorleken och den utgående energin.

Laserljus är mer organiserat och kvalitativt intensivt än vanligt ljus. Eftersom lasermediet är homogent har fotonerna som emitteras av stimulerad emission en enda våglängd, vilket skapar monokromatisk energi. Normalt sprids ljus mycket när det rör sig bort från källan. Laserljus är kollimerat: det sprids lite, vilket ger en konstant energiintensitet över ett stort avstånd. Fotonerna i laserljuset rör sig inte bara i samma riktning, de har också samma tidsmässiga och rumsliga fas. Detta kallas koherens. Egenskaperna monokromatisk energi, kollimering och koherens skiljer laserljus från den oordnade energin i vanligt ljus.

Laser-vävnadsinteraktion

Laserns effekter på biologiska vävnader sträcker sig från modulering av biologiska funktioner till förångning. De flesta kliniskt använda laser-vävnadsinteraktionerna rör termisk förmåga att koagulera eller förånga. I framtiden kan lasrar komma att användas inte som värmekällor, utan som sonder för att kontrollera cellfunktioner utan cytotoxiska biverkningar.

Effekten av en konventionell laser på vävnad beror på tre faktorer: vävnadsabsorption, laservåglängd och laserenergitäthet. När en laserstråle träffar vävnad kan dess energi absorberas, reflekteras, transmitteras eller spridas. Alla fyra processer sker i varierande grad i varje vävnad-laser-interaktion, varav absorption är den viktigaste. Absorptionsgraden beror på vävnadens kromoforinnehåll. Kromoforer är ämnen som effektivt absorberar vågor av en viss längd. Till exempel absorberas CO2-laserenergi av kroppens mjukvävnader. Detta beror på att våglängden som motsvarar CO2 absorberas väl av vattenmolekyler, som utgör upp till 80 % av mjukvävnaden. Däremot är CO2-laserabsorptionen minimal i benvävnad på grund av den låga vattenhalten i benvävnad. Inledningsvis, när vävnaden absorberar laserenergi, börjar dess molekyler att vibrera. Absorptionen av ytterligare energi orsakar denaturering, koagulering och slutligen avdunstning av proteinet (förångning).

När laserenergi reflekteras av vävnad skadas inte den senare, eftersom strålningens riktning på ytan ändras. Om laserenergin passerar genom de ytliga vävnaderna in i det djupa lagret påverkas inte heller den mellanliggande vävnaden. Om laserstrålen sprids i vävnaden absorberas inte energin på ytan, utan fördelas slumpmässigt i de djupa lagren.

Den tredje faktorn som rör vävnadens interaktion med lasern är energitätheten. I interaktionen mellan laser och vävnad, när alla andra faktorer är konstanta, kan förändring av punktstorleken eller exponeringstiden påverka vävnadens tillstånd. Om laserstrålens punktstorlek minskar ökar effekten som verkar på en viss vävnadsvolym. Omvänt, om punktstorleken ökar, minskar laserstrålens energitäthet. För att ändra punktstorleken kan utstötningssystemet på vävnaden fokuseras, förfokuseras eller defokuseras. I förfokuserade och defokuserade strålar är punktstorleken större än den fokuserade strålen, vilket resulterar i en lägre effekttäthet.

Ett annat sätt att variera vävnadseffekter är att pulsera laserenergin. Alla pulsade lägen växlar mellan på- och av-perioder. Eftersom energin inte når vävnaden under av-perioderna finns det en risk för att värmen avgår. Om av-perioderna är längre än den termiska relaxationstiden för målvävnaden minskar sannolikheten för skada på den omgivande vävnaden genom ledning. Den termiska relaxationstiden är den tid som krävs för att hälften av värmen i målet ska avgå. Förhållandet mellan det aktiva intervallet och summan av de aktiva och passiva pulsationsintervallen kallas arbetscykeln.

Driftscykel = på/på + av

Det finns olika pulslägen. Energin kan frigöras i skurar genom att ställa in den period under vilken lasern avger (t.ex. 10 sekunder). Energin kan blockeras, där den konstanta vågen blockeras med vissa intervall av en mekanisk slutare. I superpulsläge blockeras inte bara energin, utan lagras i laserns energikälla under avstängningsperioden och frigörs sedan under på-perioden. Det vill säga att toppenergin i superpulsläge är betydligt högre än i konstant- eller blockeringsläge.

I en jättepulslaser lagras energi även under avstängningsperioden, men i lasermediet. Detta åstadkoms av en slutarmekanism i kavitetskammaren mellan de två speglarna. När slutaren är stängd avger lasern ingen laser, men energi lagras på vardera sidan av slutaren. När slutaren är öppen samverkar speglarna för att producera en högenergilaserstråle. Toppenergin för en jättepulslaser är mycket hög med en kort arbetscykel. En modlåst laser liknar en jättepulslaser genom att det finns en slutare mellan de två speglarna i kavitetskammaren. Den modlåsta lasern öppnar och stänger sin slutare synkroniserat med den tid det tar för ljuset att reflekteras mellan de två speglarna.

Lasrars egenskaper

• Koldioxidlaser

Koldioxidlasern används oftast inom öron-näs-hals-kirurgi/huvud- och halskirurgi. Dess våglängd är 10,6 nm, en osynlig våg i det elektromagnetiska spektrumets fjärrinfraröda område. Styrning längs helium-neonlaserstrålen är nödvändig så att kirurgen kan se verkningsområdet. Lasermediet är CO2. Dess våglängd absorberas väl av vattenmolekyler i vävnaden. Effekterna är ytliga på grund av hög absorption och minimal spridning. Strålningen kan endast överföras genom speglar och speciella linser placerade på en ledad stång. Vevarmen kan fästas på ett mikroskop för precisionsarbete under förstoring. Energi kan också avges genom ett fokuseringshandtag fäst vid den ledade stången.

• Nd:YAG-laser

Våglängden för Nd:YAG-lasern (yttrium-aluminium-granat med neodym) är 1064 nm, dvs. den befinner sig i det nära-infraröda området. Den är osynlig för det mänskliga ögat och kräver en styrande helium-neonlaserstråle. Lasermediet är yttrium-aluminium-granat med neodym. De flesta kroppens vävnader absorberar denna våglängd dåligt. Pigmenterad vävnad absorberar den dock bättre än icke-pigmenterad vävnad. Energin överförs genom de ytliga lagren i de flesta vävnader och avges i de djupare lagren.

Jämfört med koldioxidlasern är spridningen av Nd:YAG betydligt större. Därför är penetrationsdjupet större och Nd:YAG är väl lämpat för koagulering av djupa kärl. I experimentet är det maximala koagulationsdjupet cirka 3 mm (koagulationstemperatur +60 °C). Goda resultat vid behandling av djupa periorala kapillär- och kavernösa formationer med Nd:YAG-laser har rapporterats. Det finns också en rapport om framgångsrik laserfotokoagulation av hemangiom, lymfangiom och arteriovenösa kongenitala formationer. Emellertid predisponerar det större penetrationsdjupet och den icke-selektiva destruktionen för ökad postoperativ ärrbildning. Kliniskt minimeras detta genom säkra effektinställningar, en punktbaserad metod för att närma sig lesionen och undvikande av behandling av hudområden. I praktiken har användningen av den mörkröda Nd:YAG-lasern praktiskt taget ersatts av lasrar med en våglängd som ligger i den gula delen av spektrumet. Den används dock som en adjuvant laser för mörkröda (portvinsfärgade) nodulära lesioner.

Nd:YAG-lasern har visat sig hämma kollagenproduktionen i både fibroblastkulturer och normal hud in vivo. Detta tyder på framgång vid behandling av hypertrofiska ärr och keloider. Kliniskt sett är dock återfallsfrekvensen efter keloidexcision hög, trots potent tilläggsbehandling med topikal steroidbehandling.

• Kontakt Nd:YAG-laser

Användningen av Nd:YAG-lasern i kontaktläge förändrar avsevärt de fysikaliska egenskaperna och absorptionen av strålningen. Kontaktspetsen består av en safir- eller kvartskristall som är direkt fäst vid änden av laserfibern. Kontaktspetsen interagerar direkt med huden och fungerar som en termisk skalpell, som skär och koagulerar samtidigt. Det finns rapporter om användning av kontaktspetsen i en mängd olika mjukvävnadsinterventioner. Dessa tillämpningar ligger närmare de för elektrokoagulation än det kontaktlösa Nd:YAG-läget. I allmänhet använder kirurger nu laserns inneboende våglängder inte för att skära vävnad, utan för att värma spetsen. Därför är principerna för laser-vävnadsinteraktion inte tillämpliga här. Svarstiden för kontaktlasern är inte lika direkt relaterad som med fri fiber, och därför finns det en fördröjningsperiod för uppvärmning och kylning. Men med erfarenhet blir denna laser bekväm för att isolera hud- och muskelflikar.

• Argonlaser

Argonlasern avger synliga vågor med en längd på 488–514 nm. På grund av resonatorkammarens utformning och lasermediets molekylära struktur producerar denna typ av laser ett långvågigt område. Vissa modeller kan ha ett filter som begränsar strålningen till en enda våglängd. Argonlaserns energi absorberas väl av hemoglobin, och dess spridning ligger mellan den hos en koldioxid- och Nd:YAG-laser. Strålningssystemet för argonlasern är en fiberoptisk bärare. På grund av den höga absorptionen av hemoglobin absorberar även vaskulära neoplasmer i huden laserenergi.

• KTF-laser

KTP-lasern (kaliumtitanylfosfat) är en Nd:YAG-laser vars frekvens fördubblas (våglängden halveras) genom att laserenergin leds genom en KTP-kristall. Detta producerar grönt ljus (våglängd 532 nm), vilket motsvarar hemoglobins absorptionstopp. Dess vävnadspenetration och spridning liknar den hos en argonlaser. Laserenergin överförs via en fiber. I kontaktlöst läge förångas och koagulerar lasern. I semikontaktläge vidrör fiberns spets knappt vävnaden och blir ett skärinstrument. Ju högre energi som används, desto mer fungerar lasern som en termisk kniv, liknande en koldioxidlaser. Enheter med lägre energi används främst för koagulering.

• Blixtlampa exciterad färglaser

Den blixtlampexciterade färglasern var den första medicinska lasern som var specifikt utformad för behandling av godartade kärlskador i huden. Det är en laser för synligt ljus med en våglängd på 585 nm. Denna våglängd sammanfaller med den tredje absorptionstoppen för oxyhemoglobin, och därför absorberas laserns energi huvudsakligen av hemoglobin. I intervallet 577-585 nm finns det också mindre absorption av konkurrerande kromoforer såsom melanin och mindre spridning av laserenergin i dermis och epidermis. Lasermediet är rhodaminfärgämne, som exciteras optiskt av en blixtlampa, och emissionssystemet är en fiberoptisk bärare. Färglaserspetsen har ett utbytbart linssystem som möjliggör skapandet av en punktstorlek på 3, 5, 7 eller 10 mm. Lasern pulserar med en period på 450 ms. Detta pulseringsindex valdes baserat på den termiska relaxationstiden för ektatiska kärl som finns i godartade kärlskador i huden.

• Kopparånglaser

Kopparånglasern producerar synligt ljus med två separata våglängder: en pulserande grön våg på 512 nm och en pulserande gul våg på 578 nm. Lasermediet är koppar, som exciteras (förångas) elektriskt. Ett fibersystem överför energi till spetsen, som har en variabel punktstorlek på 150-1000 µm. Exponeringstiden varierar från 0,075 s till konstant. Tiden mellan pulserna varierar också från 0,1 s till 0,8 s. Det gula ljuset från kopparånglasern används för att behandla godartade kärlskador i ansiktet. Den gröna vågen kan användas för att behandla pigmenterade lesioner såsom fräknar, lentiginer, nevi och keratos.

• Icke-blekande gul färglaser

Den gula CW-färglasern är en laser för synligt ljus som producerar gult ljus med en våglängd på 577 nm. Liksom den blixtlampexciterade färglasern justeras den genom att ändra färgämnet i laseraktiveringskammaren. Färgämnet exciteras av en argonlaser. Utstötningssystemet för denna laser är också en fiberoptisk kabel som kan fokuseras till olika punktstorlekar. Laserljuset kan pulseras med hjälp av en mekanisk slutare eller en Hexascanner-spets som fästs vid änden av det fiberoptiska systemet. Hexascanner riktar slumpmässigt pulser av laserenergi inom ett hexagonalt mönster. Liksom den blixtlampexciterade färglasern och kopparånglasern är den gula CW-färglasern idealisk för behandling av godartade kärlskador i ansiktet.

• Erbiumlaser

Erbium:UAS-lasern använder absorptionsbandet för vatten på 3000 nm. Dess våglängd på 2940 nm motsvarar denna topp och absorberas starkt av vävnadsvatten (ungefär 12 gånger mer än CO2-lasern). Denna nära-infraröda laser är osynlig för ögat och måste användas med en synlig riktstråle. Lasern pumpas av en blixtlampa och avger makropulser med en varaktighet på 200–300 μs, vilka består av en serie mikropulser. Dessa lasrar används med ett handstycke fäst vid en ledad arm. En skanningsenhet kan också integreras i systemet för snabbare och mer enhetlig vävnadsborttagning.

• Rubinlaser

Rubinlasern är en blixtlampspumpad laser som avger ljus med en våglängd på 694 nm. Denna laser, som befinner sig i det röda området av spektrumet, är synlig för ögat. Den kan ha en laserslutare för att producera korta pulser och uppnå djupare vävnadspenetration (djupare än 1 mm). Rubinlasern med lång puls används för att företrädesvis värma hårsäckar vid laserhårborttagning. Detta laserljus överförs med hjälp av speglar och ett ledat bomsystem. Det absorberas dåligt av vatten, men absorberas starkt av melanin. Olika pigment som används för tatueringar absorberar också 694 nm-strålar.

• Alexandritlaser

Alexandritlasern, en fastfaslaser som kan pumpas med en blixtlampa, har en våglängd på 755 nm. Denna våglängd, i den röda delen av spektrumet, är inte synlig för ögat och kräver därför en styrstråle. Den absorberas av blå och svarta tatueringspigment, såväl som melanin, men inte hemoglobin. Det är en relativt kompakt laser som kan överföra strålning genom en flexibel ljusledare. Lasern penetrerar relativt djupt, vilket gör den lämplig för hår- och tatueringsborttagning. Punktstorlekarna är 7 och 12 mm.

• Diodlaser

Nyligen har dioder på supraledande material kopplats direkt till fiberoptiska enheter, vilket resulterar i att laserljus utsänds vid olika våglängder (beroende på materialens egenskaper). Diodlasrar utmärker sig genom sin effektivitet. De kan omvandla inkommande elektrisk energi till ljus med en effektivitet på 50 %. Denna effektivitet, i samband med lägre värmeutveckling och ingångseffekt, gör det möjligt att designa kompakta diodlasrar utan stora kylsystem. Ljuset överförs via fiberoptik.

• Filtrerad blixtlampa

Den filtrerade pulslampan som används för hårborttagning är inte en laser. Istället är det ett intensivt, icke-koherent, pulserande spektrum. Systemet använder kristallfilter för att avge ljus med en våglängd på 590–1200 nm. Bredden och integraldensiteten hos pulsen, som också är variabla, uppfyller kriterierna för selektiv fototermolys, vilket placerar denna apparat i nivå med lasrar för hårborttagning.

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