I laser nella chirurgia plastica

All'inizio del secolo scorso, Einstein spiegò teoricamente i processi che devono verificarsi quando un laser emette energia in un articolo intitolato "La teoria quantistica delle radiazioni". Maiman costruì il primo laser nel 1960. Da allora, la tecnologia laser si è sviluppata rapidamente, producendo una varietà di laser che coprono l'intero spettro elettromagnetico. Da allora, sono stati combinati con altre tecnologie, tra cui sistemi di imaging, robotica e computer, per migliorare la precisione dell'erogazione laser. Grazie alla collaborazione tra fisica e bioingegneria, i laser medicali sono diventati una parte importante degli strumenti terapeutici dei chirurghi. Inizialmente, erano ingombranti e utilizzati solo da chirurghi appositamente formati nella fisica dei laser. Negli ultimi 15 anni, la progettazione dei laser medicali è progredita per renderli più facili da usare e molti chirurghi hanno appreso le basi della fisica dei laser durante la loro formazione post-laurea.

In questo articolo vengono trattati i seguenti argomenti: biofisica dei laser; interazione dei tessuti con la radiazione laser; dispositivi attualmente utilizzati in chirurgia plastica e ricostruttiva; requisiti generali di sicurezza quando si lavora con i laser; problematiche relative all'ulteriore utilizzo dei laser negli interventi sulla pelle.

Biofisica dei laser

I laser emettono energia luminosa che si propaga in onde simili alla luce ordinaria. La lunghezza d'onda è la distanza tra due picchi adiacenti dell'onda. L'ampiezza è la dimensione del picco, che determina l'intensità della luce. La frequenza, o periodo, di un'onda luminosa è il tempo impiegato dall'onda per completare un ciclo. Per capire come funziona un laser, è importante comprendere la meccanica quantistica. Il termine LASER è l'acronimo di Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (amplificazione della luce mediante emissione stimolata di radiazione). Quando un fotone, un'unità di energia luminosa, colpisce un atomo, fa sì che uno degli elettroni dell'atomo salti a un livello energetico superiore. L'atomo diventa instabile in questo stato eccitato, rilasciando un fotone quando l'elettrone torna al suo livello energetico originale, inferiore. Questo processo è noto come emissione spontanea. Se un atomo si trova in uno stato di alta energia e collide con un altro fotone, quando torna a uno stato di bassa energia rilascerà due fotoni con lunghezza d'onda, direzione e fase identiche. Questo processo, chiamato emissione stimolata di radiazioni, è fondamentale per comprendere la fisica dei laser.

Indipendentemente dal tipo, tutti i laser hanno quattro componenti di base: un meccanismo di eccitazione o sorgente di energia, un mezzo laser, una cavità ottica o risonatore e un sistema di espulsione. La maggior parte dei laser medicali utilizzati nella chirurgia plastica facciale ha un meccanismo di eccitazione elettrica. Alcuni laser (come i laser a coloranti eccitati da lampada flash) utilizzano la luce come meccanismo di eccitazione. Altri possono utilizzare onde a radiofrequenza ad alta energia o reazioni chimiche per fornire energia di eccitazione. Il meccanismo di eccitazione pompa energia in una camera di risonanza contenente il mezzo laser, che può essere un materiale solido, liquido, gassoso o semiconduttore. L'energia immessa nella cavità del risonatore eleva gli elettroni degli atomi nel mezzo laser a un livello energetico superiore. Quando metà degli atomi nel risonatore è altamente eccitata, si verifica un'inversione di popolazione. L'emissione spontanea inizia quando i fotoni vengono emessi in tutte le direzioni e alcuni collidono con atomi già eccitati, con conseguente emissione stimolata di fotoni accoppiati. L'emissione stimolata viene potenziata poiché i fotoni che viaggiano lungo l'asse tra gli specchi vengono riflessi preferibilmente avanti e indietro. Ciò si traduce in una stimolazione sequenziale quando questi fotoni collidono con altri atomi eccitati. Uno specchio è riflettente al 100%, mentre l'altro specchio trasmette parzialmente l'energia emessa dalla camera di risonanza. Questa energia viene trasferita al tessuto biologico tramite un sistema di espulsione. Per la maggior parte dei laser, si tratta di fibra ottica. Un'eccezione degna di nota è il laser a CO2, che presenta un sistema di specchi su un braccio incernierato. Le fibre ottiche sono disponibili per il laser a CO2, ma limitano le dimensioni dello spot e l'energia in uscita.

La luce laser è più organizzata e qualitativamente intensa della luce ordinaria. Poiché il mezzo laser è omogeneo, i fotoni emessi per emissione stimolata hanno una singola lunghezza d'onda, il che crea monocromaticità. Normalmente, la luce viene fortemente diffusa allontanandosi dalla sorgente. La luce laser è collimata: è poco diffusa, fornendo un'intensità energetica costante su grandi distanze. Non solo i fotoni della luce laser si muovono nella stessa direzione, ma hanno anche la stessa fase temporale e spaziale. Questo fenomeno è chiamato coerenza. Le proprietà di monocromaticità, collimazione e coerenza distinguono la luce laser dall'energia disordinata della luce ordinaria.

Interazione laser-tessuto

Lo spettro degli effetti del laser sui tessuti biologici si estende dalla modulazione delle funzioni biologiche alla vaporizzazione. La maggior parte delle interazioni laser-tessuto utilizzate in clinica riguarda la capacità termica di coagulare o vaporizzare. In futuro, i laser potrebbero essere utilizzati non come fonti di calore, ma come sonde per controllare le funzioni cellulari senza effetti collaterali citotossici.

L'effetto di un laser convenzionale sui tessuti dipende da tre fattori: assorbimento tissutale, lunghezza d'onda laser e densità di energia laser. Quando un raggio laser colpisce un tessuto, la sua energia può essere assorbita, riflessa, trasmessa o diffusa. Tutti e quattro i processi si verificano in diversa intensità in qualsiasi interazione tessuto-laser, di cui l'assorbimento è il più importante. Il grado di assorbimento dipende dal contenuto di cromofori del tessuto. I cromofori sono sostanze che assorbono efficacemente le onde di una certa lunghezza. Ad esempio, l'energia del laser a CO₂ viene assorbita dai tessuti molli del corpo. Questo perché la lunghezza d'onda corrispondente alla CO₂ viene ben assorbita dalle molecole d'acqua, che costituiscono fino all'80% dei tessuti molli. Al contrario, l'assorbimento del laser a CO₂ è minimo nell'osso, a causa del basso contenuto di acqua del tessuto osseo. Inizialmente, quando il tessuto assorbe l'energia laser, le sue molecole iniziano a vibrare. L'assorbimento di energia aggiuntiva provoca denaturazione, coagulazione e infine evaporazione della proteina (vaporizzazione).

Quando l'energia laser viene riflessa dal tessuto, quest'ultimo non viene danneggiato, poiché la direzione della radiazione sulla superficie viene modificata. Inoltre, se l'energia laser attraversa i tessuti superficiali fino allo strato profondo, il tessuto intermedio non viene influenzato. Se il raggio laser viene disperso nel tessuto, l'energia non viene assorbita in superficie, ma si distribuisce casualmente negli strati profondi.

Il terzo fattore che riguarda l'interazione tra tessuto e laser è la densità energetica. Nell'interazione tra laser e tessuto, a parità di tutti gli altri fattori, la modifica delle dimensioni dello spot o del tempo di esposizione può influire sulle condizioni del tessuto. Se le dimensioni dello spot del raggio laser diminuiscono, la potenza che agisce su un determinato volume di tessuto aumenta. Viceversa, se le dimensioni dello spot aumentano, la densità energetica del raggio laser diminuisce. Per modificare le dimensioni dello spot, il sistema di espulsione sul tessuto può essere focalizzato, prefocalizzato o defocalizzato. Nei fasci prefocalizzati e defocalizzati, le dimensioni dello spot sono maggiori del fascio focalizzato, con conseguente riduzione della densità di potenza.

Un altro modo per variare gli effetti sui tessuti è pulsare l'energia laser. Tutte le modalità pulsate alternano periodi di accensione e spegnimento. Poiché l'energia non raggiunge il tessuto durante i periodi di spegnimento, c'è la possibilità che il calore si dissipi. Se i periodi di spegnimento sono più lunghi del tempo di rilassamento termico del tessuto bersaglio, la probabilità di danni al tessuto circostante per conduzione si riduce. Il tempo di rilassamento termico è il tempo necessario affinché metà del calore nel bersaglio si dissipi. Il rapporto tra l'intervallo attivo e la somma degli intervalli di pulsazione attiva e passiva è chiamato ciclo di lavoro.

Ciclo di lavoro = acceso/acceso + spento

Sono disponibili diverse modalità a impulsi. L'energia può essere rilasciata a raffiche impostando il periodo di emissione del laser (ad esempio 10 secondi). L'energia può essere bloccata, bloccando l'onda costante a intervalli specifici tramite un otturatore meccanico. In modalità superpulse, l'energia non viene semplicemente bloccata, ma immagazzinata nella sorgente laser durante il periodo di spegnimento e poi rilasciata durante il periodo di accensione. In altre parole, l'energia di picco in modalità superpulse è significativamente superiore a quella in modalità costante o bloccante.

In un laser a impulsi gigante, l'energia viene immagazzinata anche durante il periodo di inattività, ma nel mezzo laser. Ciò è possibile grazie a un meccanismo di otturatore nella camera a cavità tra i due specchi. Quando l'otturatore è chiuso, il laser non emette luce, ma l'energia viene immagazzinata su ciascun lato dell'otturatore. Quando l'otturatore è aperto, gli specchi interagiscono per produrre un fascio laser ad alta energia. L'energia di picco di un laser a impulsi gigante è molto elevata con un ciclo di lavoro breve. Un laser mode-locked è simile a un laser a impulsi gigante in quanto è presente un otturatore tra i due specchi nella camera a cavità. Il laser mode-locked apre e chiude il suo otturatore in sincronia con il tempo necessario alla luce per riflettersi tra i due specchi.

Caratteristiche dei laser

• Laser ad anidride carbonica

Il laser ad anidride carbonica è comunemente utilizzato in otorinolaringoiatria e chirurgia della testa e del collo. La sua lunghezza d'onda è di 10,6 nm, un'onda invisibile nella regione dell'infrarosso lontano dello spettro elettromagnetico. La guida lungo il raggio laser elio-neon è necessaria affinché il chirurgo possa vedere l'area d'azione. Il mezzo laser è la CO₂. La sua lunghezza d'onda è ben assorbita dalle molecole d'acqua presenti nei tessuti. Gli effetti sono superficiali grazie all'elevato assorbimento e alla minima dispersione. La radiazione può essere trasmessa solo attraverso specchi e lenti speciali montati su un'asta articolata. Il braccio di manovella può essere collegato a un microscopio per lavori di precisione sotto ingrandimento. L'energia può anche essere espulsa attraverso una maniglia di messa a fuoco fissata all'asta articolata.

• Laser Nd:YAG

La lunghezza d'onda del laser Nd:YAG (granato di ittrio-alluminio con neodimio) è di 1064 nm, ovvero si trova nella regione del vicino infrarosso. È invisibile all'occhio umano e richiede un fascio laser di guida a elio-neon. Il mezzo laser è un granato di ittrio-alluminio con neodimio. La maggior parte dei tessuti del corpo assorbe scarsamente questa lunghezza d'onda. Tuttavia, i tessuti pigmentati la assorbono meglio rispetto ai tessuti non pigmentati. L'energia viene trasmessa attraverso gli strati superficiali della maggior parte dei tessuti e si dissipa negli strati profondi.

Rispetto al laser ad anidride carbonica, la diffusione del Nd:YAG è significativamente maggiore. Pertanto, la profondità di penetrazione è maggiore e il Nd:YAG è particolarmente indicato per la coagulazione dei vasi profondi. Nell'esperimento, la profondità massima di coagulazione è di circa 3 mm (temperatura di coagulazione +60 °C). Sono stati riportati buoni risultati nel trattamento di formazioni capillari e cavernose periorali profonde con il laser Nd:YAG. Esiste anche un rapporto sulla fotocoagulazione laser di successo di emangiomi, linfangiomi e formazioni artero-venose congenite. Tuttavia, la maggiore profondità di penetrazione e la distruzione non selettiva predispongono a un aumento delle cicatrici postoperatorie. Clinicamente, questo è ridotto al minimo da impostazioni di potenza sicure, da un approccio puntuale alla lesione e dall'evitare il trattamento di aree cutanee. Nella pratica, l'uso del laser Nd:YAG rosso scuro è stato praticamente sostituito da laser con una lunghezza d'onda nella parte gialla dello spettro. Tuttavia, viene utilizzato come laser adiuvante per lesioni nodulari di colore rosso scuro (vino porto).

È stato dimostrato che il laser Nd:YAG inibisce la produzione di collagene sia nelle colture di fibroblasti che nella pelle sana in vivo. Questo suggerisce il successo nel trattamento di cicatrici ipertrofiche e cheloidi. Tuttavia, clinicamente, i tassi di recidiva dopo l'escissione dei cheloidi sono elevati, nonostante un potente trattamento steroideo topico aggiuntivo.

• Contatto laser Nd:YAG

L'utilizzo del laser Nd:YAG in modalità di contatto modifica significativamente le proprietà fisiche e l'assorbimento della radiazione. La punta di contatto è costituita da un cristallo di zaffiro o di quarzo direttamente collegato all'estremità della fibra laser. La punta di contatto interagisce direttamente con la pelle e agisce come un bisturi termico, tagliando e coagulando simultaneamente. Esistono segnalazioni dell'utilizzo della punta di contatto in un'ampia gamma di interventi sui tessuti molli. Queste applicazioni sono più vicine a quelle dell'elettrocoagulazione rispetto alla modalità Nd:YAG senza contatto. In generale, i chirurghi ora utilizzano le lunghezze d'onda intrinseche del laser non per tagliare i tessuti, ma per riscaldare la punta. Pertanto, i principi di interazione laser-tessuto non sono applicabili in questo caso. Il tempo di risposta al laser a contatto non è direttamente correlato a quello della fibra libera, e quindi è presente un periodo di ritardo per il riscaldamento e il raffreddamento. Tuttavia, con l'esperienza, questo laser diventa utile per isolare lembi cutanei e muscolari.

• Laser ad argon

Il laser ad argon emette onde visibili con una lunghezza d'onda di 488-514 nm. Grazie al design della camera di risonanza e alla struttura molecolare del mezzo laser, questo tipo di laser produce un intervallo di onde lunghe. Alcuni modelli possono essere dotati di un filtro che limita la radiazione a una singola lunghezza d'onda. L'energia del laser ad argon è ben assorbita dall'emoglobina e la sua diffusione è intermedia tra quella di un laser ad anidride carbonica e di un laser Nd:YAG. Il sistema di radiazione del laser ad argon è un vettore in fibra ottica. A causa dell'elevato assorbimento da parte dell'emoglobina, anche le neoplasie vascolari della pelle assorbono l'energia laser.

• Laser KTF

Il laser KTP (potassio titanil fosfato) è un laser Nd:YAG la cui frequenza viene raddoppiata (la lunghezza d'onda viene dimezzata) facendo passare l'energia laser attraverso un cristallo KTP. Questo produce luce verde (lunghezza d'onda 532 nm), che corrisponde al picco di assorbimento dell'emoglobina. La sua penetrazione nei tessuti e la sua diffusione sono simili a quelle di un laser ad argon. L'energia laser viene trasmessa tramite una fibra. In modalità senza contatto, il laser vaporizza e coagula. In modalità semi-contatto, la punta della fibra tocca appena il tessuto e diventa uno strumento di taglio. Maggiore è l'energia utilizzata, più il laser agisce come un coltello termico, simile a un laser ad anidride carbonica. Le unità di energia più basse vengono utilizzate principalmente per la coagulazione.

• Laser a colorante eccitato da lampada flash

Il laser a colorante eccitato da lampada flash è stato il primo laser medicale specificamente progettato per il trattamento di lesioni vascolari benigne della pelle. Si tratta di un laser a luce visibile con una lunghezza d'onda di 585 nm. Questa lunghezza d'onda coincide con il terzo picco di assorbimento dell'ossiemoglobina, e pertanto l'energia di questo laser viene assorbita prevalentemente dall'emoglobina. Nell'intervallo 577-585 nm si verifica anche un minore assorbimento da parte di cromofori concorrenti come la melanina e una minore dispersione dell'energia laser nel derma e nell'epidermide. Il mezzo laser è il colorante rodamina, eccitato otticamente da una lampada flash, e il sistema di emissione è un vettore in fibra ottica. La punta del laser a colorante è dotata di un sistema di lenti intercambiabili che consente la creazione di spot di 3, 5, 7 o 10 mm. Il laser emette impulsi con un periodo di 450 ms. Questo indice di pulsatilità è stato scelto in base al tempo di rilassamento termico dei vasi ectasici riscontrati nelle lesioni vascolari benigne della pelle.

• Laser a vapore di rame

Il laser a vapori di rame produce luce visibile a due lunghezze d'onda distinte: un'onda verde pulsata di 512 nm e un'onda gialla pulsata di 578 nm. Il mezzo laser è il rame, che viene eccitato (vaporizzato) elettricamente. Un sistema a fibre ottiche trasmette energia alla punta, che ha uno spot di dimensioni variabili da 150 a 1000 µm. Il tempo di esposizione varia da 0,075 s a costante. Anche l'intervallo tra gli impulsi varia da 0,1 s a 0,8 s. La luce gialla del laser a vapori di rame viene utilizzata per trattare lesioni vascolari benigne del viso. L'onda verde può essere utilizzata per trattare lesioni pigmentate come lentiggini, nevi e cheratosi.

• Laser a colorante giallo non sbiadisce

Il laser a colorante CW giallo è un laser a luce visibile che produce luce gialla con una lunghezza d'onda di 577 nm. Come il laser a colorante eccitato da lampada flash, la sua regolazione avviene cambiando il colorante nella camera di attivazione laser. Il colorante viene eccitato da un laser ad argon. Il sistema di espulsione di questo laser è anch'esso costituito da un cavo in fibra ottica che può essere focalizzato su spot di diverse dimensioni. La luce laser può essere pulsata utilizzando un otturatore meccanico o una punta Hexascanner che si collega all'estremità del sistema in fibra ottica. L'Hexascanner dirige casualmente gli impulsi di energia laser all'interno di uno schema esagonale. Come il laser a colorante eccitato da lampada flash e il laser a vapori di rame, il laser a colorante CW giallo è ideale per il trattamento di lesioni vascolari benigne del viso.

• Laser all'erbio

Il laser Erbium:UAS utilizza la banda di assorbimento dell'acqua a 3000 nm. La sua lunghezza d'onda di 2940 nm corrisponde a questo picco ed è fortemente assorbita dall'acqua nei tessuti (circa 12 volte in più rispetto al laser a CO2). Questo laser nel vicino infrarosso è invisibile all'occhio umano e deve essere utilizzato con un fascio di puntamento visibile. Il laser viene pompato da una lampada flash ed emette macroimpulsi della durata di 200-300 μs, costituiti da una serie di microimpulsi. Questi laser vengono utilizzati con un manipolo collegato a un braccio articolato. È anche possibile integrare nel sistema un dispositivo di scansione per una rimozione del tessuto più rapida e uniforme.

• Laser a rubino

Il laser a rubino è un laser pompato da lampada flash che emette luce a una lunghezza d'onda di 694 nm. Questo laser, che si trova nella regione rossa dello spettro, è visibile all'occhio umano. Può essere dotato di un otturatore laser per produrre impulsi brevi e raggiungere una penetrazione più profonda nei tessuti (oltre 1 mm). Il laser a rubino a impulsi lunghi viene utilizzato per riscaldare preferibilmente i follicoli piliferi nella depilazione laser. Questa luce laser viene trasmessa tramite specchi e un sistema a braccio articolato. È scarsamente assorbita dall'acqua, ma fortemente assorbita dalla melanina. Anche vari pigmenti utilizzati per i tatuaggi assorbono i raggi a 694 nm.

• Laser ad alessandrite

Il laser ad Alessandrite, un laser a stato solido che può essere pompato da una lampada flash, ha una lunghezza d'onda di 755 nm. Questa lunghezza d'onda, nella parte rossa dello spettro, non è visibile all'occhio umano e pertanto richiede un fascio guida. Viene assorbita dai pigmenti blu e neri dei tatuaggi, così come dalla melanina, ma non dall'emoglobina. È un laser relativamente compatto in grado di trasmettere la radiazione attraverso una guida di luce flessibile. Il laser penetra relativamente in profondità, il che lo rende adatto alla rimozione di peli e tatuaggi. Le dimensioni dello spot sono di 7 e 12 mm.

• Laser a diodo

Recentemente, i diodi su materiali superconduttori sono stati accoppiati direttamente a dispositivi in fibra ottica, con conseguente emissione di luce laser a diverse lunghezze d'onda (a seconda delle caratteristiche dei materiali utilizzati). I laser a diodo si distinguono per la loro efficienza. Possono convertire l'energia elettrica in ingresso in luce con un'efficienza del 50%. Questa efficienza, associata a una minore generazione di calore e a una minore potenza in ingresso, consente di progettare laser a diodo compatti senza grandi sistemi di raffreddamento. La luce viene trasmessa tramite fibra ottica.

• Lampada flash filtrata

La lampada pulsata filtrata utilizzata per la depilazione non è un laser. Si tratta invece di uno spettro pulsato intenso e non coerente. Il sistema utilizza filtri cristallini per emettere luce con una lunghezza d'onda di 590-1200 nm. L'ampiezza e la densità integrale dell'impulso, anch'esse variabili, soddisfano i criteri della fototermolisi selettiva, il che pone questo dispositivo alla pari dei laser per la depilazione.

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