Lasrar i plastikkirurgi

I början av förra seklet, i en publikation med titeln "Quantum Theory of Radiation", motiverade Einstein teoretiskt de processer som måste ske när lasern avger energi. Maiman byggde den första lasern 1960. Sedan dess har den snabba utvecklingen av laserteknik, vilket leder till skapandet av en mängd olika lasrar, som täcker hela det elektromagnetiska spektrumet. Sedan fusionerades de med andra teknologier, inklusive visualiseringssystem, robotik och datorer, för att förbättra noggrannheten för överföringen av laserstrålning. Som ett resultat av samarbete inom fysik och bioengineering har medicinska lasrar som terapeutiska medel blivit en viktig del av kirurgenars arsenal. Ursprungligen var de besvärliga och användes endast av kirurger som var specialutbildade i laserns fysik. Under de senaste 15 åren har designen av medicinska lasrar avancerat i riktning mot användarvänlighet, och många kirurger har studerat grunderna för laserfysik i forskarutbildning.

I denna artikel diskuteras: lasers biofysik; interaktion av vävnader med laserstrålning; enheter som för närvarande används i plast- och rekonstruktiv kirurgi allmänna säkerhetskrav för att arbeta med lasrar Frågor om vidare användning av lasrar vid ingrepp på huden.

Biofysik av lasrar

Lasrar avger ljus energi, som rör sig i form av vågor som liknar vanligt ljus. Våglängden är avståndet mellan två intilliggande våghöjder. Amplitude är storleken på det maximala, bestämmer intensiteten för ljusstrålningen. Frekvensen eller ljusvågens period är den tid som krävs för en fullständig vågcykel. För att förstå effekten av en laser är det viktigt att överväga kvantmekanik. Termen "laser" (LASER) är en förkortning av frasen "ljusförstärkning genom stimulerad strålning". Om en foton, en enhet av ljusenergi, kolliderar med en atom överför den en av atomens elektroner till en högre energinivå. Atomen i ett sådant upphetsat tillstånd blir instabilt och frigör igen en foton när elektronen passerar till den inledande, lägre energinivån. Denna process kallas spontan emission. Om en atom är i ett hög-energiläge och kolliderar med en annan foton, kommer den, vid övergång till en lågenerginivå, att tilldela två fotoner som har samma våglängd, riktning och fas. Denna process, kallad stimulerad strålningsutsläpp, ligger till grund för förståelsen av laserfysik.

Oavsett typ har alla lasrar fyra huvudkomponenter: en spännande mekanism eller en energikälla, ett lasermedium, en optisk kavitet eller en resonator och ett utstötningssystem. De flesta medicinska lasrar som används i plastikkirurgi har en elektrisk exciteringsmekanism. Vissa lasrar (till exempel en färglaser upphetsad av en blixtlampa) använder ljus som exciteringsmekanism. Andra kan använda radiovågor med hög energi eller kemiska reaktioner för att ge exciteringsenergi. Exciteringsmekanismen pumpar energi till en resonanskammare innehållande ett lasermedium, vilket kan vara ett fast, flytande, gasformigt eller halvledande material. Den energi som släpps ut i resonatorns hålighet ökar elektronerna hos atomerna i lasermediet till en högre energinivå. När hälften av atomerna i resonatorn når hög excitation, uppträder populationsinversionen. Spontan emission börjar när fotoner emitteras i alla riktningar och några av dem kolliderar med redan upphetsade atomer, vilket leder till stimulerat utsläpp av parfotoner. Amplifieringen av det stimulerade utsättandet sker när fotonen rör sig längs axeln mellan speglarna reflekteras huvudsakligen fram och tillbaka. Detta leder till successiv stimulering, eftersom dessa fotoner kolliderar med andra exciterade atomer. En spegel har 100% reflektion, och den andra - sänder delvis den utstrålade energin från hålrumskammaren. Denna energi överförs till de biologiska vävnaderna genom utstötningssystemet. I de flesta lasrar är det fiberoptisk. Ett anmärkningsvärt undantag är C02-lasern, som har ett system av speglar på en gångjärn. För C02-lasern finns optiska fibrer, men de begränsar spotstorleken och utgångsenergin.

Laserens ljus i jämförelse med vanligt ljus är mer organiserat och kvalitativt intensivt. Eftersom lasermediet är homogent har fotonen emitterade under stimulerat utsläpp en våglängd, vilket skapar monokromaticitet. Vanligtvis diffunderar ljuset starkt eftersom det rör sig bort från källan. Laserljuset är kollimerat: det sprider lite, vilket ger en konstant intensitet av energi på ett stort avstånd. Foton av laserljus rör inte bara i en riktning, de har samma tidsmässiga och rumsliga fas. Detta kallas koherens. Egenskaperna för monokromaticitet, kollimering och koherens särskiljer laserljus från det vanliga ljusets orörda energi.

Laser-vävnadssamverkan

Spektrumet av lasereffekter på biologiska vävnader sträcker sig från moduleringen av biologiska funktioner till avdunstning. De flesta kliniskt använda laser-vävnadsinteraktionerna innefattar termisk koagulering eller indunstning. I framtiden kan lasrar användas som värmekällor, men som prober för att kontrollera cellulära funktioner utan biverkningar av cytotoxiska effekter.

Effekten av en vanlig laser på vävnad beror på tre faktorer: vävnadsabsorption, laservåglängd och laser energi täthet. När en laserstråle kolliderar med en vävnad, kan dess energi absorberas, reflekteras, överföras eller spridas. Med alla interaktioner mellan vävnad och laser uppträder alla fyra processer i varierande grad, varav absorptionen är viktigast. Graden av absorption beror på kromoforens innehåll i vävnaden. Kromoforer är ämnen som effektivt absorberar vågor av en viss längd. Exempelvis absorberas energi från CO2-lasern av kroppens mjukvävnader. Detta beror på det faktum att våglängden motsvarande C02 absorberas väl av vattenmolekyler, vilket utgör upp till 80% mjukvävnad. Däremot absorberas C02-lasern minimalt av benet, vilket beror på den låga vattenhalten i benvävnaden. I början, när vävnaden absorberar laser energi börjar dess molekyler vibrera. Absorption av extra energi orsakar denaturering, koagulering och slutligen avdunstning av proteinet (förångning).

När laserenergin reflekteras av vävnaden är den senare inte skadad, eftersom strålningsriktningen på ytan ändras. Om lasergenomen passerar genom ytvävnaderna i djupskiktet påverkas inte heller den mellanliggande vävnaden. Om laserstrålen släpper ut i vävnaden absorberas inte energi på ytan, utan slumpmässigt fördelas i de djupa skikten.

Den tredje faktorn för interaktion mellan vävnaderna med en laser är energitätheten. När lasern och vävnaden samverkar, när alla andra faktorer är konstanta, kan förändringen av platsens storlek eller exponeringstiden påverka vävnadstillståndet. Om storleken på laserstrålens storlek minskar ökar effekten på en viss mängd vävnad. Omvänt, om punktstorleken ökar, minskar laserstrålens energitäthet. För att ändra platsens storlek kan du fokusera, för-fokusera eller defokusera utstötningssystemet på tyget. Med strålningens prefokusering och defokusering är spotstorleken större än den fokuserade strålen, vilket resulterar i en lägre effektdensitet.

Ett annat sätt att förändra vävnadseffekterna är pulsationen av laserenergi. Alla pulslägen för strålning avbrutna perioder av ström till och från. Eftersom energin inte når vävnaden under avstängningsperioderna är det möjligt att sprida värme. Om avstängningsperioderna är längre än målvävnadens termiska avslappningstid minskar sannolikheten för skador på den omgivande vävnaden genom värmeledningsförmåga. Den termiska avslappningstiden är den tid som krävs för att släppa bort hälften av ett objekts värme. Förhållandet mellan det aktiva gapets varaktighet och summan av de aktiva och passiva pulseringsintervallen kallas arbetscykeln.

Driftscykel = På / På + Av

Det finns olika pulslägen. Energi kan produceras i partier genom att ställa in den period då laserutsläppen avger (t.ex. OD c). Energi kan överlappa när en konstant våg blockeras vid vissa intervall med en mekanisk slutare. I superpulsläget är energin inte helt enkelt blockerad men lagrad i laserenergikällan under avstängningsperioden och utstötas sedan under perioden. Det vill säga toppenergin i superpulsläget är signifikant högre än det i konstantläge eller överlappningsläge.

I en laser som genererar i jättepulsregimen bevaras energin också under avstängningsperioden, men i en lasermiljö. Detta uppnås genom att använda en spjällmekanism i hålrumskammaren mellan de två speglarna. En sluten flik hindrar generering i lasern, men låter energi lagras på varje sida av klaffen. När klaffen är öppen växlar speglarna sig, vilket leder till bildandet av en hög-energi laserstråle. Toppenergin hos en laser som genererar i jättepulsregimen är mycket hög med en kort arbetscykel. En laser med synkroniserade lägen liknar en laser som genererar i jättepulsläget, genom att en spjäll tillhandahålls mellan de två speglarna i hålrumskammaren. En laser med synkroniserade lägen öppnar och stänger spjället i synkronisering med den tid det tar att reflektera ljuset mellan två speglar.

Egenskaper hos lasrar

• Koldioxidlaser

Koldioxidlaser används oftast vid otorhinolaryngologi / huvud och nackkirurgi. Längden av sin våg är 10,6 nm - en osynlig våg av den fjärrinfraröda regionen av spektrumet för elektromagnetisk strålning. Vägledning längs strålen av en helium-neonlaser är nödvändig för att kirurgen ska kunna se inflytningsområdet. Lasermediet är C02. Dess våglängd absorberas väl av vattenmolekyler i vävnaden. Effekterna är ytliga på grund av hög absorption och minimal dispersion. Strålning kan endast överföras genom speglar och speciella linser placerade på en gångjärn. Vevstången kan fästas på mikroskopet för precisionsarbete under förstoring. Energi kan också matas ut genom ett fokushandtag som är fäst vid gångjärnstången.

• Nd: YAG laser

Våglängden för Nd: YAG (yttrium-aluminium granat med neodym) laser är 1064 nm, det vill säga den ligger i den närmaste infraröda regionen. Det är osynligt för det mänskliga ögat och kräver en suggestiv helium-neon laserstråle. Lasermediet är yttrium-aluminium granat med neodym. De flesta kroppsvävnader absorberar inte denna våglängd väl. Den pigmenterade vävnaden absorberar emellertid den bättre än den icke-pigmenterade. Energi överförs genom ytskiktet i de flesta vävnader och sprids i djupa lager.

Jämfört med en koldioxidlaser är spridningen av Nd: YAG mycket större. Därför är penetrationsdjupet större och Nd: YAG passar väl för koagulering av djuplöpande kärl. I experimentet är det maximala koagulationsdjupet ca 3 mm (koagulationstemperatur +60 ° C). Goda resultat av behandling av djup periral kapillär och cavernös formationer med hjälp av Nd: YAG laser har rapporterats. Det finns också en rapport om framgångsrik laserfotokoagulation med hemangiom, lymfagiom och arteriovenösa medfödda formationer. Ett större penetrationsdjup och oskälig förstörelse predisponerar dock en ökning av postoperativ ärrbildning. Kliniskt minimeras detta genom säkra effektinställningar, en punktmetod vid utbrottet och undvikande av hudområden. I praktiken ersattes användningen av en mörkröd Nd: YAG-laser praktiskt taget av lasrar med en våglängd som ligger i den gula delen av spektret. Det används dock som en hjälplaser för nodalformationer av mörkröd färg (portfärg).

Det har visats att Nd: YAG-laser hämmar produktionen av kollagen, både i fibroblastkultur och i normal hud in vivo. Detta föreslår framgången med denna laser vid behandling av hypertrofiska ärr och keloider. Men kliniken är frekvensen av återfall efter keloider hög, trots den kraftfulla ytterligare lokala behandlingen med steroider.

• Kontakta Nd: YAG laser

Användningen av Nd: YAG-lasern i kontaktläget förändrar signifikant strålens fysikaliska egenskaper och absorptionsförmåga. Kontakttipset består av en kristall av safir eller kvarts, direkt fastsatt vid laserfiberns ände. Kontaktspetsen samverkar direkt med huden och fungerar som en termisk skalpell, skärning och koagulering samtidigt. Det finns rapporter om användandet av ett kontakttips med ett brett utbud av insatser på mjukvävnad. Dessa applikationer är närmare elektrokoagulering än icke-kontakt Nd: YAG. I princip använder kirurger nu laserspecifika våglängder, inte för att skära vävnader, men för att värma spetsen. Därför är principerna för interaktion mellan lasern och vävnaderna inte tillämpliga här. Svarstiden till kontaktlasern är inte lika direkt en funktion som vid användning av en fri fiber, och därför finns det en fördröjningsperiod för uppvärmning och kylning. Men med erfarenhet blir denna laser bekväm för fördelning av hud- och muskeltransplantat.

• Argonlaser

Argonlasern avger synliga vågor med en längd av 488-514 nm. På grund av utformningen av hålrumskammaren och den molekylära strukturen hos lasermediet producerar denna typ av laser ett långvåglängdsintervall. Individuella modeller kan ha ett filter som begränsar strålningen till en enda våglängd. Argonlaserns energi absorberas väl av hemoglobin och dess dispersion är mellanliggande mellan koldioxid och Nd: YAG-laser. Strålningssystemet för en argonlaser är en fiberoptisk bärare. På grund av den stora absorptionen av hemoglobin absorberar de vaskulära neoplasmerna i huden också laserens energi.

• KTP laser

KTP (kaliumtitanylfosfat) -lasern är en Nd: YAG-laser vars frekvens fördubblas (våglängden halveras) genom att överföra laser energi genom KT-kristallen. Detta ger grönt ljus (våglängd 532 nm), vilket motsvarar absorptionstoppen för hemoglobin. Dess penetration i vävnader och spridning liknar den hos en argonlaser. Laser energi överförs av fiber. I icke-kontaktläge avdunstar och koagulerar lasern. I halvkontaktläget rör fiberns spets knappt tyget och blir ett skärverktyg. Ju mer energi som används, desto mer fungerar lasern som en termisk kniv, som liknar en kolsyralaser. Anläggningar med lägre energi används främst för koagulering.

• En färglaser upphetsad av en blixtlampa

Färglasern som glänts av blixtlampan var den första medicinska lasern speciellt utvecklad för att behandla godartade vaskulära neoplasmer i huden. Detta är en synlig ljuslaser med en våglängd på 585 nm. Denna våglängd sammanfaller med den tredje toppen av absorptionen av oxyhemoglobin, och därför absorberas energin hos denna laser övervägande av hemoglobin. I området av 577 till 585 nm och mindre absorption konkurrerande kromoforer såsom melanin och mindre spridning av laserenergi i dermis och epidermis. Lasermediet är färgämne rhodamin, vilket optiskt exciteras av en blixtlampa och strålningssystemet är en fiberoptisk bärare. Färglaserens spets har ett utbytbart linssystem, vilket gör det möjligt att skapa en punktstorlek på 3, 5, 7 eller 10 mm. Lasern pulserar med en period av 450 ms. Detta pulsationsindex valdes baserat på den termiska avslappningstiden för ektatiska kärl som finns i godartade vaskulära neoplasmer i huden.

• Kopparånglaser

En kopparrörlaser producerar synlig strålning med två separata våglängder: en pulserad grön våg med en längd av 512 nm och en pulserad gul våg med en längd av 578 nm. Lasermediet är koppar, vilket är upphetsat (evaporerat) elektriskt. Fiberfibersystemet överför energi till spetsen, som har en varierad punktstorlek på 150-1000 μm. Exponeringstid varierar från 0,075 s till en konstant. Tiden mellan pulser varierar också från 0,1 s till 0,8 s. Gult kopparånglaslampa används för att behandla godartade kärlsår i ansiktet. Den gröna vågen kan användas för att behandla sådana pigmenterade formationer som fräknar, lentigo, nevi och keratos.

• Icke-dämpad gul färgfärg laser

En gul färglaser med en undampad våg är en synlig ljuslaser som producerar gult ljus med en våglängd på 577 nm. Som en laser på ett färgämne, upphetsad av en blixtlampa, justeras den genom att byta färgämne i laseraktiveringskammaren. Färgen är upphetsad av en argonlaser. Utsprutningssystemet för denna laser är också fiberoptisk kabel, som kan fokuseras på olika spotstorlekar. Laserljuset kan pulsera genom att använda en mekanisk slutare eller en Hexascannertips ansluten till fiberoptiska systemets ände. Hexascanner leder slumpmässigt pulser av laserergi inuti den sexkantiga konturen. Precis som en färglaser som glädjs av en blixtlampa och en kopparånglaser, är en gul färglaser med undampad våg idealisk för behandling av godartade kärlsår i ansiktet.

• Erbium laser

Erbium: UAS-lasern använder ett absorptionsspektrumsband med 3000 nm vatten. Dess våglängd på 2940 nm motsvarar denna topp och absorberas starkt av vävnadsvattnet (ca 12 gånger större än koldioxidlasern). Denna laser, som emitterar i det nära infraröda spektret, är osynligt för ögat och bör användas med en synlig styrstråle. Lasern pumpas av en blixtlampa och avger makroimpulser med en längd av 200-300 μs, som består av en serie mikropuls. Dessa lasrar används med ett spets fäst vid gångjärnstången. En avsökningsanordning kan också integreras i systemet för snabbare och mer enhetligt avlägsnande av vävnad.

• Ruby laser

Ruby laser - en laser pumpad av en pulserad lampa som avger ljus med en våglängd på 694 nm. Denna laser, som ligger i den röda regionen av spektret, är synlig med ögat. Det kan ha en laserlucka för att producera korta pulser och uppnå en djupare penetration i vävnaden (djupare än 1 mm). En långpulsad rubinlaser används för att företrädesvis värma hårsäckarna under hårborttagning. Denna laserstrålning överförs med hjälp av speglar och systemet med en gångjärnsstång. Det absorberas dåligt av vatten, men absorberas kraftigt av melanin. Olika pigment som används för tatueringar absorberar också strålar med en våglängd av 694 nm.

• Alexandrite laser

Alexandritlasern, en solid-state-laser som kan uppblåsas av en blixtlampa, har en våglängd på 755 nm. Denna våglängd, belägen i den röda delen av spektret, är inte synlig för ögat och kräver därför en styrstråle. Det absorberas av blå och svarta pigment för tatueringar, liksom melanin, men inte hemoglobin. Detta är en relativt kompakt laser som kan överföra strålning över en flexibel fiber. Lasern tränger in relativt djup, vilket gör det bekvämt att ta bort hår och tatueringar. Spotstorleken är 7 och 12 mm.

• Diodlaser

Nyligen kopplades dioder på superledande material direkt med fiberoptiska enheter, vilket ledde till utsläpp av laserstrålning med olika våglängder (beroende på egenskaperna hos de använda materialen). Diodlasrar kännetecknas av deras prestanda. De kan överföra inkommande elektrisk energi till ljuset med en effektivitet på 50%. Denna effektivitet, som är förknippad med mindre värmegenerering och ingångseffekt, gör det möjligt för kompakta diodlasrar att ha en design som saknar stora kylsystem. Ljuset överförs fiberoptiskt.

• Filtrerad impulslampa

Den filtrerade pulslampan som används för hårborttagning är inte en laser. Tvärtom är det ett intensivt, inkoherent, impulsspektrum. För utsläpp av ljus med en våglängd av 590-1200 nm använder systemet kristallfilter. Bredden och integraldensiteten hos pulsen, även variabel, uppfyller kriterierna för selektiv fototermolys, vilken sätter denna enhet i nivå med hårborttagningslaser.

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