Laser in chirurgia plastica

All'inizio del secolo scorso, in una pubblicazione intitolata "Teoria quantistica delle radiazioni", Einstein teorizzava teoricamente i processi che devono aver luogo quando il laser emette energia. Maiman ha costruito il primo laser nel 1960. Da allora, il rapido sviluppo della tecnologia laser, che porta alla creazione di una varietà di laser, coprendo l'intero spettro elettromagnetico. Quindi si sono fusi con altre tecnologie, inclusi sistemi di visualizzazione, robotica e computer, per migliorare l'accuratezza della trasmissione delle radiazioni laser. Come risultato della cooperazione nel campo della fisica e della bioingegneria, i laser medicali come agenti terapeutici sono diventati una parte importante dell'arsenale dei chirurghi. Inizialmente erano ingombranti e venivano utilizzati solo da chirurghi specializzati nella fisica dei laser. Negli ultimi 15 anni, la progettazione di laser medicali è progredita nella direzione della facilità d'uso e molti chirurghi hanno studiato le basi della fisica del laser nella formazione post-laurea.

Questo articolo discute: la biofisica dei laser; interazione di tessuti con radiazioni laser; dispositivi attualmente utilizzati in chirurgia plastica e ricostruttiva; requisiti generali di sicurezza per lavorare con i laser; domande dell'ulteriore applicazione di laser a interventi sulla pelle.

Biofisica di laser

I laser emettono energia luminosa, che si muove sotto forma di onde simili alla luce ordinaria. La lunghezza d'onda è la distanza tra due massimi d'onda adiacenti. L'ampiezza è la grandezza del massimo, determina l'intensità della radiazione luminosa. La frequenza, o il periodo dell'onda luminosa, è il tempo richiesto per un ciclo completo d'onda. Per comprendere l'effetto di un laser, è importante considerare la meccanica quantistica. Il termine "laser" (LASER) è un'abbreviazione della frase "amplificazione della luce mediante emissione stimolata di radiazione". Se un fotone, un'unità di energia luminosa, collide con un atomo, trasferisce uno degli elettroni dell'atomo a un livello di energia più alto. L'atomo in tale stato eccitato diventa instabile e rilascia nuovamente un fotone quando l'elettrone passa al livello di energia iniziale inferiore. Questo processo è noto come emissione spontanea. Se un atomo si trova in uno stato di alta energia e si scontra con un altro fotone, quindi, al passaggio a un livello di energia bassa, allocherà due fotoni che hanno la stessa lunghezza d'onda, direzione e fase. Questo processo, chiamato emissione stimolata di radiazioni, è alla base della comprensione della fisica del laser.

Indipendentemente dal tipo, tutti i laser hanno quattro componenti principali: un meccanismo eccitante o una fonte di energia, un mezzo laser, una cavità ottica o un risonatore e un sistema di espulsione. La maggior parte dei laser medicali utilizzati in chirurgia plastica facciale hanno un meccanismo di eccitazione elettrica. Alcuni laser (ad esempio un laser colorato eccitato da una lampada flash) usano la luce come meccanismo di eccitazione. Altri possono utilizzare onde radio ad alta energia o reazioni chimiche per fornire energia di eccitazione. Il meccanismo di eccitazione pompa l'energia in una camera di risonanza contenente un mezzo laser, che può essere un materiale solido, liquido, gassoso o semiconduttivo. L'energia scaricata nella cavità del risonatore solleva gli elettroni degli atomi del mezzo laser ad un livello di energia superiore. Quando metà degli atomi nel risuonatore raggiunge un'eccitazione elevata, si verifica l'inversione della popolazione. L'emissione spontanea inizia quando i fotoni vengono emessi in tutte le direzioni e alcuni di essi entrano in collisione con atomi già eccitati, il che porta all'emissione stimolata di fotoni di coppia. L'amplificazione dell'emissione stimolata avviene mentre i fotoni che si muovono lungo l'asse tra gli specchi si riflettono principalmente avanti e indietro. Questo porta alla successiva stimolazione, dal momento che questi fotoni si scontrano con altri atomi eccitati. Uno specchio ha il 100% di riflessione, e l'altro - trasmette parzialmente l'energia irradiata dalla camera cavità. Questa energia viene trasferita ai tessuti biologici dal sistema di espulsione. Nella maggior parte dei laser è in fibra ottica. Un'eccezione degna di nota è il laser C02, che ha un sistema di specchi su una barra provvista di cardini. Per il laser C02 ci sono fibre ottiche, ma limitano le dimensioni dello spot e l'energia in uscita.

La luce del laser rispetto alla luce ordinaria è più organizzata e qualitativamente intensa. Poiché il mezzo laser è omogeneo, i fotoni emessi sotto emissione stimolata hanno una lunghezza d'onda, che crea la monocromia. Di solito, la luce si diffonde fortemente mentre si allontana dalla sorgente. La luce laser è collimata: dissipa poco, fornendo una costante intensità di energia a grande distanza. I fotoni di luce laser non si muovono solo in una direzione, hanno la stessa fase temporale e spaziale. Questo è chiamato coerenza. Le proprietà di monocromatismo, collimazione e coerenza distinguono la luce laser dall'energia disordinata della luce ordinaria.

Interazione laser-tessuto

Lo spettro degli effetti laser sui tessuti biologici si estende dalla modulazione delle funzioni biologiche all'evaporazione. La maggior parte delle interazioni del tessuto laser clinicamente utilizzate comportano coagulazione termica o evaporazione. In futuro, i laser possono essere utilizzati non come fonti di calore, ma come sonde per il controllo delle funzioni cellulari senza effetti collaterali degli effetti citotossici.

L'effetto di un normale laser sul tessuto dipende da tre fattori: assorbimento del tessuto, lunghezza d'onda del laser e densità di energia del laser. Quando un raggio laser si scontra con un tessuto, la sua energia può essere assorbita, riflessa, trasmessa o dispersa. Con qualsiasi interazione di tessuto e laser, tutti e quattro i processi si verificano a vari livelli, di cui l'assorbimento è il più importante. Il grado di assorbimento dipende dal contenuto del cromoforo nel tessuto. I cromofori sono sostanze che assorbono efficacemente onde di una certa lunghezza. Ad esempio, l'energia del laser CO2 viene assorbita dai tessuti molli del corpo. Ciò è dovuto al fatto che la lunghezza d'onda corrispondente a C02 è ben assorbita dalle molecole d'acqua, che costituiscono fino all'80% dei tessuti molli. Al contrario, il laser C02 è minimamente assorbito dall'osso, che è dovuto al basso contenuto di acqua nel tessuto osseo. Inizialmente, quando il tessuto assorbe l'energia del laser, le sue molecole iniziano a vibrare. L'assorbimento di energia addizionale provoca la denaturazione, la coagulazione e, infine, l'evaporazione della proteina (vaporizzazione).

Quando l'energia laser viene riflessa dal tessuto, quest'ultimo non viene danneggiato, poiché la direzione della radiazione sulla superficie cambia. Inoltre, se l'energia laser passa attraverso i tessuti superficiali nello strato profondo, il tessuto intermedio non è interessato. Se il raggio laser si disperde nel tessuto, l'energia non viene assorbita sulla superficie, ma distribuita casualmente negli strati profondi.

Il terzo fattore riguardante l'interazione dei tessuti con un laser è la densità di energia. Quando il laser e il tessuto interagiscono, quando tutti gli altri fattori sono costanti, la modifica della dimensione del punto o del tempo di esposizione può influire sullo stato del tessuto. Se la dimensione del punto del raggio laser diminuisce, aumenta la potenza che agisce su un determinato volume di tessuto. Viceversa, se la dimensione dello spot aumenta, la densità di energia del raggio laser diminuisce. Per cambiare la dimensione del punto, è possibile mettere a fuoco, pre-focalizzare o sfocare il sistema di espulsione sul tessuto. Con il prefocalizzazione e la defocalizzazione dei raggi, la dimensione dello spot è maggiore del raggio focalizzato, il che si traduce in una minore densità di potenza.

Un altro modo per cambiare gli effetti del tessuto è la pulsazione dell'energia laser. Tutte le modalità a impulsi di periodi intermittenti di accensione e spegnimento. Poiché l'energia non raggiunge il tessuto durante i periodi di spegnimento, è possibile dissipare il calore. Se i periodi di spegnimento sono più lunghi del tempo di rilassamento termico del tessuto bersaglio, la probabilità di danneggiamento del tessuto circostante per conduttività termica diminuisce. Il tempo di rilassamento termico è la quantità di tempo richiesta per dissipare metà del calore di un oggetto. Il rapporto tra la durata del gap attivo e la somma degli intervalli di pulsazione attiva e passiva è chiamato ciclo di lavoro.

Ciclo operativo = on / on + off

Ci sono varie modalità di impulso. L'energia può essere prodotta in lotti impostando il periodo in cui il laser emette (ad esempio, OD c). L'energia può sovrapporsi quando un'onda costante viene bloccata a determinati intervalli da un otturatore meccanico. Nella modalità Super Impulsi, l'energia non viene semplicemente bloccata, ma memorizzata nella fonte di energia laser durante il periodo di spegnimento, e quindi espulsa durante il periodo di attivazione. Cioè, l'energia di picco nella modalità Super-pulse è significativamente superiore a quella in modalità costante o in modalità sovrapposizione.

In un laser che genera il regime di impulsi giganti, l'energia viene conservata anche durante il periodo di spegnimento, ma in un ambiente laser. Ciò si ottiene utilizzando un meccanismo di smorzamento nella camera cavità tra i due specchi. Un lembo chiuso impedisce la generazione nel laser, ma consente di immagazzinare energia su ciascun lato del lembo. Quando l'aletta è aperta, gli specchi interagiscono provocando la formazione di un raggio laser ad alta energia. L'energia di picco di un laser che genera il regime di impulsi giganti è molto alta con un breve ciclo operativo. Un laser con modalità sincronizzate è simile a un laser che genera nella modalità a impulsi giganti, in quanto è previsto un damper tra i due specchi nella camera cavità. Un laser con modalità sincronizzate apre e chiude il suo damper in sincronia con il tempo necessario per riflettere la luce tra due specchi.

Caratteristiche dei laser

• Laser ad anidride carbonica

Il laser ad anidride carbonica è più spesso utilizzato in otorinolaringoiatria / chirurgia della testa e del collo. La lunghezza della sua onda è 10,6 nm - un'onda invisibile della regione del lontano infrarosso dello spettro della radiazione elettromagnetica. La guida lungo il raggio di un laser a elio e neon è necessaria affinché il chirurgo possa vedere l'area di influenza. Il mezzo laser è C02. La sua lunghezza d'onda è ben assorbita dalle molecole d'acqua nel tessuto. Gli effetti sono superficiali a causa dell'alto assorbimento e della minima dispersione. Le radiazioni possono essere trasmesse solo attraverso specchi e obiettivi speciali posti su una barra incernierata. La manovella può essere fissata al microscopio per lavori di precisione sotto ingrandimento. L'energia può anche essere espulsa attraverso una maniglia di messa a fuoco attaccata alla barra della cerniera.

• Laser Nd: YAG

La lunghezza d'onda del laser Nd: YAG (granato ittrio-alluminio con neodimio) è di 1064 nm, cioè è nella regione dell'infrarosso vicino. È invisibile all'occhio umano e richiede un suggestivo raggio laser elio-neon. Il mezzo laser è granato di ittrio-alluminio con neodimio. La maggior parte dei tessuti corporei non assorbono bene questa lunghezza d'onda. Tuttavia, il tessuto pigmentato lo assorbe meglio di quello non pigmentato. L'energia viene trasmessa attraverso gli strati superficiali della maggior parte dei tessuti e viene dispersa in strati profondi.

Rispetto ad un laser ad anidride carbonica, la dispersione di Nd: YAG è molto più grande. Pertanto, la profondità di penetrazione è maggiore e Nd: YAG è adatto per la coagulazione di vasi profondi. Nell'esperimento, la profondità massima di coagulazione è di circa 3 mm (temperatura di coagulazione +60 ° C). Sono stati riportati buoni risultati del trattamento delle formazioni capillari e cavernose periorali profonde con l'aiuto del laser Nd: YAG. C'è anche una relazione sulla fotocoagulazione laser di successo con emangiomi, linfangiomi e formazioni congenite artero-venose. Tuttavia, una maggiore profondità di penetrazione e distruzione indiscriminata predispongono a un aumento delle cicatrici postoperatorie. Dal punto di vista clinico, questo è minimizzato da impostazioni di sicurezza sicure, un approccio puntuale all'epidemia e l'eliminazione delle aree cutanee. In pratica, l'uso di un laser Nd: YAG rosso scuro è stato praticamente sostituito da laser con una lunghezza d'onda situata nella parte gialla dello spettro. Tuttavia, viene utilizzato come laser ausiliario per le formazioni nodali di colore rosso scuro (colore della porta).

È stato dimostrato che il laser Nd: YAG inibisce la produzione di collagene, sia nella coltura di fibroblasti che nella pelle normale in vivo. Questo suggerisce il successo di questo laser nel trattamento di cicatrici e cheloidi ipertrofiche. Ma clinicamente la frequenza di recidiva dopo cheloidi è alta, nonostante il potente trattamento locale aggiuntivo con steroidi.

• Contatto Nd: laser YAG

L'uso del laser Nd: YAG nella modalità di contatto modifica in modo significativo le proprietà fisiche e l'assorbenza della radiazione. La punta di contatto è costituita da un cristallo di zaffiro o quarzo, attaccato direttamente all'estremità della fibra laser. La punta di contatto interagisce direttamente con la pelle e agisce come un bisturi termico, tagliando e coagulando contemporaneamente. Esistono rapporti sull'uso di una punta di contatto con un'ampia gamma di interventi sui tessuti molli. Queste applicazioni sono più vicine all'elettrocoagulazione rispetto al non contatto Nd: YAG. Fondamentalmente, i chirurghi ora usano lunghezze d'onda specifiche per il laser non per tagliare i tessuti, ma per riscaldare la punta. Pertanto, i principi di interazione del laser con i tessuti non sono applicabili qui. Il tempo di risposta al laser di contatto non è una funzione diretta come quando si utilizza una fibra libera, e quindi c'è un periodo di ritardo per il riscaldamento e il raffreddamento. Comunque con esperienza questo laser diventa conveniente per allocazione di innesti di pelle e muscoli.

• Laser ad argon

Il laser ad argon emette onde visibili con una lunghezza di 488-514 nm. A causa del disegno della camera cavità e della struttura molecolare del mezzo laser, questo tipo di laser produce un intervallo di lunghezze d'onda lunghe. I singoli modelli possono avere un filtro che limita la radiazione ad una singola lunghezza d'onda. L'energia del laser ad argon è ben assorbita dall'emoglobina e la sua dispersione è intermedia tra il diossido di carbonio e il laser Nd: YAG. Il sistema di radiazione per un laser ad argon è un vettore in fibra ottica. A causa del grande assorbimento da parte dell'emoglobina, le neoplasie vascolari della pelle assorbono anche l'energia del laser.

• Laser KTP

Il laser KTP (potassio titanile fosfato) è un laser Nd: YAG la cui frequenza è raddoppiata (la lunghezza d'onda è dimezzata) facendo passare l'energia del laser attraverso il cristallo KT. Questo dà luce verde (lunghezza d'onda 532 nm), che corrisponde al picco di assorbimento dell'emoglobina. La sua penetrazione nei tessuti e nella dispersione è simile a quella di un laser ad argon. L'energia del laser viene trasferita dalla fibra. In modalità senza contatto, il laser evapora e coagula. Nella modalità semi-contatto, la punta della fibra tocca a malapena il tessuto e diventa uno strumento di taglio. Più energia viene utilizzata, più il laser agisce come un coltello termico, simile a un laser a carbone-acido. Le installazioni a minore energia sono utilizzate principalmente per la coagulazione.

• Un laser colorante eccitato da una lampada flash

Il laser colorato eccitato dalla lampada flash è stato il primo laser medicale appositamente sviluppato per trattare i neoplasie vascolari benigne della pelle. Questo è un laser a luce visibile con una lunghezza d'onda di 585 nm. Questa lunghezza d'onda coincide con il terzo picco di assorbimento di ossiemoglobina, e quindi l'energia di questo laser viene assorbita prevalentemente dall'emoglobina. Nell'intervallo 577-585 nm, c'è anche un minore assorbimento da parte dei cromofori concorrenti, come la melanina, e una minore dispersione di energia laser nel derma e nell'epidermide. Il mezzo laser è la colorante rodamina, che è otticamente eccitata da una lampada flash, e il sistema di radiazione è un vettore in fibra ottica. La punta del laser a colorante ha un sistema di lenti sostituibili, che consente di creare una dimensione del punto di 3, 5, 7 o 10 mm. Il laser pulsa con un periodo di 450 ms. Questo indice di pulsazione è stato scelto in base al tempo di rilassamento termico di vasi ectasici trovati in neoplasie vascolari benigne della pelle.

• Laser a vapore di rame

Un laser a vapore di rame produce una radiazione visibile avente due lunghezze d'onda separate: un'onda verde pulsata di 512 nm di lunghezza e un'onda gialla pulsata di lunghezza di 578 nm. Il mezzo laser è il rame, che viene eccitato (evaporato) elettricamente. Il sistema a fibra di fibra trasferisce energia alla punta, che ha una dimensione spot variabile di 150-1000 μm. Il tempo di esposizione varia da 0,075 sa una costante. Anche il tempo tra gli impulsi varia da 0,1 sa 0.8 s. La luce laser a vapore di rame gialla viene utilizzata per trattare lesioni vascolari benigne sul viso. L'onda verde può essere usata per trattare tali formazioni pigmentate come lentiggini, nevi e cheratosi.

• Laser a colorante giallo non smorzato

Un laser a colorante giallo con un'onda non smorzata è un laser a luce visibile che produce luce gialla con una lunghezza d'onda di 577 nm. Come un laser su una tintura, eccitato da una lampada flash, è regolato cambiando il colorante nella camera di attivazione del laser. Il colorante è eccitato da un laser ad argon. Il sistema di espulsione per questo laser è anche un cavo in fibra ottica, che può essere focalizzato su diverse dimensioni dello spot. La luce laser può pulsare utilizzando un otturatore meccanico o una punta Hexascanner attaccata all'estremità del sistema di fibre ottiche. Hexascanner dirige in modo casuale impulsi di energia laser all'interno del contorno esagonale. Come un laser colorato eccitato da una lampada flash e un laser a vapore di rame, un laser a colorante giallo con onda non calibrata è ideale per il trattamento di lesioni vascolari benigne sul viso.

• Laser ad Erbio

Erbio: il laser UAS utilizza una banda di spettro di assorbimento con acqua di 3000 nm. La sua lunghezza d'onda di 2940 nm corrisponde a questo picco ed è fortemente assorbita dall'acqua dei tessuti (circa 12 volte più grande del laser ad anidride carbonica). Questo laser, che emette nello spettro del vicino infrarosso, è invisibile agli occhi e dovrebbe essere usato con un raggio guida visibile. Il laser viene pompato da una lampada flash ed emette macro-impulsi della durata di 200-300 μs, che consistono in una serie di micropulse. Questi laser sono usati con una punta attaccata alla barra della cerniera. Un dispositivo di scansione può anche essere integrato nel sistema per una rimozione più rapida e più uniforme del tessuto.

• Laser color rubino

Laser rubino: un laser pompato da una lampada a impulsi che emette luce con una lunghezza d'onda di 694 nm. Questo laser, situato nella regione rossa dello spettro, è visibile con l'occhio. Può avere un otturatore laser per produrre impulsi brevi e ottenere una penetrazione più profonda nel tessuto (più profonda di 1 mm). Un laser a rubino a impulso lungo viene utilizzato per riscaldare preferenzialmente i follicoli piliferi durante l'epilazione laser. Questa radiazione laser viene trasmessa per mezzo di specchi e il sistema di un'asta incernierata. È scarsamente assorbito dall'acqua, ma fortemente assorbito dalla melanina. Diversi pigmenti utilizzati per i tatuaggi assorbono anche raggi con una lunghezza d'onda di 694 nm.

• Laser ad Alessandrite

Il laser ad Alessandrite, un laser a stato solido che può essere gonfiato da una lampada flash, ha una lunghezza d'onda di 755 nm. Questa lunghezza d'onda, situata nella parte rossa dello spettro, non è visibile all'occhio e pertanto richiede un raggio guida. Viene assorbito dai pigmenti blu e neri per i tatuaggi, oltre alla melanina, ma non all'emoglobina. Questo è un laser relativamente compatto in grado di trasmettere radiazioni su una fibra flessibile. Il laser penetra relativamente in profondità, il che lo rende comodo per rimuovere capelli e tatuaggi. Le dimensioni dello spot sono 7 e 12 mm.

• Laser a diodi

Recentemente, i diodi su materiali superconduttori sono stati accoppiati direttamente con dispositivi a fibra ottica, che hanno portato all'emissione di radiazioni laser con diverse lunghezze d'onda (a seconda delle caratteristiche dei materiali utilizzati). I laser a diodo si distinguono per le loro prestazioni. Possono trasferire l'energia elettrica in entrata nella luce con un'efficienza del 50%. Questa efficienza, associata a una minore generazione di calore e potenza di ingresso, consente ai laser a diodi compatti di avere un design privo di grandi sistemi di raffreddamento. La luce viene trasmessa in fibra ottica.

• Lampada a impulsi filtrata

La lampada a impulsi filtrata utilizzata per la depilazione non è un laser. Al contrario, è uno spettro di impulsi intenso, incoerente. Per l'emissione di luce con una lunghezza d'onda di 590-1200 nm, il sistema utilizza filtri a cristalli. La larghezza e la densità integrale dell'impulso, anche variabile, soddisfano i criteri per la fototermolisi selettiva, che pone questo dispositivo alla pari con i laser per la rimozione dei peli.

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