Lézerek a plasztikai sebészetben

A múlt század elején Einstein elméletileg elmagyarázta azokat a folyamatokat, amelyeknek akkor kell végbemenniük, amikor egy lézer energiát bocsát ki. Maiman 1960-ban építette meg az első lézert. Azóta a lézertechnológia gyorsan fejlődött, és számos olyan lézert hozott létre, amelyek a teljes elektromágneses spektrumot lefedik. Azóta más technológiákkal, többek között képalkotó rendszerekkel, robotikával és számítógépekkel kombinálták őket a lézersugár pontosságának javítása érdekében. A fizikai és biomérnöki együttműködéseknek köszönhetően az orvosi lézerek a sebészek terápiás eszközeinek fontos részévé váltak. Eleinte nagy méretűek voltak, és csak a lézerfizikában speciálisan képzett sebészek használták őket. Az elmúlt 15 évben az orvosi lézerek tervezése fejlődött, hogy könnyebben használhatók legyenek, és sok sebész a posztgraduális képzése részeként elsajátította a lézerfizika alapjait.

Ez a cikk a következőket tárgyalja: a lézerek biofizikája; a szövetek kölcsönhatása lézersugárzással; a plasztikai és rekonstrukciós sebészetben jelenleg használt eszközök; az általános biztonsági követelmények a lézerekkel való munkavégzés során; a lézerek további felhasználásának kérdései a bőrgyógyászati beavatkozásokban.

A lézerek biofizikája

A lézerek fényenergiát bocsátanak ki, amely a közönséges fényhez hasonló hullámokban terjed. A hullámhossz a hullám két szomszédos csúcsa közötti távolság. Az amplitúdó a csúcs mérete, amely meghatározza a fény intenzitását. A fényhullám frekvenciája, vagy periódusa az az idő, amely alatt a hullám befejez egy ciklust. A lézer működésének megértéséhez fontos megérteni a kvantummechanikát. A LÉZER kifejezés a Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) rövidítése. Amikor egy foton, a fényenergia egysége, eltalál egy atomot, az atom egyik elektronját magasabb energiaszintre ugrik. Az atom instabillá válik ebben a gerjesztett állapotban, és fotont szabadít fel, amikor az elektron visszatér eredeti, alacsonyabb energiaszintjére. Ezt a folyamatot spontán emissziónak nevezik. Ha egy atom nagy energiájú állapotban van, és ütközik egy másik fotonnal, akkor amikor visszatér alacsony energiájú állapotba, két azonos hullámhosszú, irányú és fázisú fotont szabadít fel. Ez a folyamat, amelyet stimulált sugárzásemissziónak neveznek, alapvető fontosságú a lézerfizika megértéséhez.

Típustól függetlenül minden lézer négy alapvető alkotóelemből áll: egy gerjesztő mechanizmusból vagy energiaforrásból, egy lézerközegből, egy optikai üregből vagy rezonátorból és egy kilökőrendszerből. Az arcplasztikai sebészetben használt orvosi lézerek többsége elektromos gerjesztő mechanizmussal rendelkezik. Egyes lézerek (például a vakuval gerjesztett festéklézer) fényt használ gerjesztő mechanizmusként. Mások nagy energiájú rádiófrekvenciás hullámokat vagy kémiai reakciókat használhatnak a gerjesztőenergia előállításához. A gerjesztő mechanizmus energiát pumpál egy rezonáns kamrába, amely a lézerközeget tartalmazza, amely lehet szilárd, folyékony, gáz vagy félvezető anyag. A rezonátorüregbe juttatott energia a lézerközegben lévő atomok elektronjait magasabb energiaszintre emeli. Amikor a rezonátorban lévő atomok fele erősen gerjesztett, populációinverzió történik. Spontán emisszió kezdődik, mivel a fotonok minden irányban kibocsátódnak, és néhányuk ütközik a már gerjesztett atomokkal, ami párosított fotonok gerjesztett emisszióját eredményezi. A gerjesztett emisszió fokozódik, mivel a tükrök közötti tengely mentén haladó fotonok előnyösen oda-vissza verődnek vissza. Ez szekvenciális gerjesztést eredményez, mivel ezek a fotonok más gerjesztett atomokkal ütköznek. Az egyik tükör 100%-ban visszaverő, míg a másik tükör részben átengedi a rezonátorkamrából kibocsátott energiát. Ezt az energiát egy kilökőrendszer viszi át a biológiai szövetbe. A legtöbb lézer esetében ez száloptikás. Figyelemre méltó kivétel a CO2-lézer, amelynek csuklós karján lévő tükörrendszerrel rendelkezik. A CO2-lézerhez optikai szálak állnak rendelkezésre, de ezek korlátozzák a foltméretet és a kimenő energiát.

A lézerfény rendezettebb és minőségileg intenzívebb, mint a hagyományos fény. Mivel a lézerközeg homogén, az indukált emisszió által kibocsátott fotonok egyetlen hullámhosszúak, ami monokromatikus jelleget hoz létre. Normális esetben a fény erősen szóródik, ahogy távolodik a forrástól. A lézerfény kollimált: kevéssé szóródik, így nagy távolságon állandó energiaintenzitást biztosít. A lézerfény fotonjai nemcsak ugyanabba az irányba mozognak, hanem azonos időbeli és térbeli fázissal is rendelkeznek. Ezt koherenciának nevezzük. A monokromatikus jelleg, a kollimáció és a koherencia tulajdonságai különböztetik meg a lézerfényt a hagyományos fény rendezetlen energiájától.

Lézer-szövet kölcsönhatás

A lézerek biológiai szövetekre gyakorolt hatásainak spektruma a biológiai funkciók modulálásától a párologtatásig terjed. A klinikailag alkalmazott lézer-szövet kölcsönhatások többsége a koaguláció vagy párologtatás termikus képességeire vonatkozik. A jövőben a lézereket nem hőforrásként, hanem szondaként lehetne használni a sejtfunkciók citotoxikus mellékhatások nélküli szabályozására.

A hagyományos lézer szövetre gyakorolt hatása három tényezőtől függ: a szöveti abszorpciótól, a lézer hullámhosszától és a lézer energiasűrűségétől. Amikor egy lézersugár eléri a szövetet, energiája elnyelődhet, visszaverődhet, áteresztődhet vagy szóródhat. Mind a négy folyamat különböző mértékben zajlik bármely szövet-lézer interakcióban, amelyek közül az abszorpció a legfontosabb. Az abszorpció mértéke a szövet kromofor tartalmától függ. A kromoforok olyan anyagok, amelyek hatékonyan elnyelik egy bizonyos hosszúságú hullámokat. Például a CO2 lézer energiáját a test lágy szövetei elnyelik. Ez azért van, mert a CO2-nak megfelelő hullámhosszt jól elnyelik a vízmolekulák, amelyek a lágy szövetek akár 80%-át is alkotják. Ezzel szemben a CO2 lézer abszorpciója minimális a csontokban, a csontszövet alacsony víztartalma miatt. Kezdetben, amikor a szövet elnyeli a lézerenergiát, molekulái rezegni kezdenek. A további energia elnyelése denaturációt, koagulációt és végül a fehérje elpárolgását (vaporizációt) okozza.

Amikor a lézerenergia visszaverődik a szövetről, az utóbbi nem károsodik, mivel a sugárzás iránya a felületen megváltozik. Továbbá, ha a lézerenergia áthalad a felszíni szöveteken a mélyebb rétegbe, a közbenső szövetet nem érinti. Ha a lézersugár szétszóródik a szövetben, az energia nem nyelődik el a felületen, hanem véletlenszerűen oszlik el a mélyebb rétegekben.

A szövet és a lézer kölcsönhatását befolyásoló harmadik tényező az energiasűrűség. A lézer és a szövet kölcsönhatása esetén, amikor minden más tényező állandó, a foltméret vagy az expozíciós idő változtatása befolyásolhatja a szövet állapotát. Ha a lézernyaláb foltmérete csökken, a szövet egy bizonyos térfogatára ható teljesítmény növekszik. Fordítva, ha a foltméret növekszik, a lézernyaláb energiasűrűsége csökken. A foltméret megváltoztatásához a szöveten lévő kilökőrendszer fókuszálható, előfókuszálható vagy defókuszálható. Az előfókuszált és defókuszált nyalábokban a foltméret nagyobb, mint a fókuszált nyaláb, ami alacsonyabb teljesítménysűrűséget eredményez.

A szöveti hatások változtatásának egy másik módja a lézerenergia impulzusokkal történő adagolása. Minden impulzusos üzemmód váltakozik a be- és kikapcsolt periódusok között. Mivel az energia a kikapcsolt periódusok alatt nem éri el a szövetet, fennáll a hő eloszlatásának lehetősége. Ha a kikapcsolt periódusok hosszabbak, mint a célszövet termikus relaxációs ideje, csökken a környező szövetek hővezetés miatti károsodásának valószínűsége. A termikus relaxációs idő az az idő, amely ahhoz szükséges, hogy a céltárgy hőjének fele eloszlasson. Az aktív intervallum és az aktív és passzív pulzációs intervallumok összegének arányát kitöltési tényezőnek nevezzük.

Kitöltési ciklus = be/be + ki

Különböző impulzus üzemmódok léteznek. Az energia löketekben (break-ekben) szabadítható fel a lézer kibocsátásának időtartamának beállításával (pl. 10 mp). Az energia blokkolható, ahol az állandó hullámot bizonyos időközönként egy mechanikus zár blokkolja. Szuperimpulzus üzemmódban az energia nem egyszerűen blokkolódik, hanem a kikapcsolt időszak alatt a lézer energiaforrásában tárolódik, majd a bekapcsolt időszak alatt felszabadul. Vagyis a szuperimpulzus üzemmódban a csúcsenergia lényegesen magasabb, mint állandó vagy blokkoló üzemmódban.

Egy óriás impulzuslézerben az energia a kikapcsolt periódus alatt is tárolódik, de a lézerközegben. Ezt egy zármechanizmus éri el az üregkamrában, a két tükör között. Amikor a zár zárva van, a lézer nem lézerez, hanem az energia a zár mindkét oldalán tárolódik. Amikor a zár nyitva van, a tükrök kölcsönhatásba lépnek, hogy nagy energiájú lézersugarat hozzanak létre. Egy óriás impulzuslézer csúcsenergiája nagyon magas, rövid kitöltési tényezővel. A móduskapcsolt lézer abban hasonlít az óriás impulzuslézerhez, hogy egy zár található a két tükör között az üregkamrában. A móduskapcsolt lézer a zárját a fény két tükör közötti visszaverődéséhez szükséges idővel szinkronban nyitja és zárja.

A lézerek jellemzői

• Szén-dioxid lézer

A szén-dioxid lézert leggyakrabban az fül-orr-gégészetben/fej-nyaksebészetben használják. Hullámhossza 10,6 nm, egy láthatatlan hullám az elektromágneses spektrum távoli infravörös tartományában. A hélium-neon lézersugár mentén történő irányítás szükséges ahhoz, hogy a sebész láthassa a beavatkozási területet. A lézer közege CO2. Hullámhosszát a szövetben lévő vízmolekulák jól elnyelik. A hatások felületiek a magas abszorpció és a minimális szóródás miatt. A sugárzás csak tükrökön és speciális lencséken keresztül terjedhet át egy csuklós rúdon. A hajtókar mikroszkóphoz csatlakoztatható a nagyítás alatti precíziós munkához. Az energia a csuklós rúdhoz rögzített fókuszáló fogantyún keresztül is kiadható.

• Nd:YAG lézer

Az Nd:YAG (ittrium-alumínium-gránát neodímiummal) lézer hullámhossza 1064 nm, azaz a közeli infravörös tartományban van. Az emberi szem számára láthatatlan, és vezető hélium-neon lézersugárra van szükség hozzá. A lézerközeg ittrium-alumínium-gránát neodímiummal. A test legtöbb szövete rosszul nyeli el ezt a hullámhosszt. A pigmentált szövet azonban jobban elnyeli, mint a nem pigmentált szövet. Az energia a legtöbb szövet felszíni rétegein keresztül halad, és a mélyebb rétegekben disszipál.

A szén-dioxid lézerhez képest az Nd:YAG szórása jelentősen nagyobb. Ezért a behatolási mélység nagyobb, és az Nd:YAG jól alkalmazható mély erek koagulációjára. A kísérletben a maximális koagulációs mélység körülbelül 3 mm volt (koagulációs hőmérséklet +60 °C). Jó eredményeket jelentettek a mély periorális kapilláris és kavernózus képződmények Nd:YAG lézerrel történő kezelésében. Jelentés született hemangiómák, nyirokcsomók és arteriovenózus veleszületett képződmények sikeres lézeres fotokoagulációjáról is. A nagyobb behatolási mélység és a nem szelektív károsodás azonban fokozott posztoperatív hegesedést eredményez. Klinikailag ezt minimalizálják a biztonságos teljesítménybeállítások, a lézió pontszerű megközelítése és a bőrfelületek kezelésének elkerülése. A gyakorlatban a sötétvörös Nd:YAG lézer használatát gyakorlatilag felváltották a spektrum sárga részében lévő hullámhosszú lézerek. Azonban adjuváns lézerként használják sötétvörös (portói) színű göbös léziók esetén.

Az Nd:YAG lézerről kimutatták, hogy in vivo gátolja a kollagéntermelést mind fibroblaszt kultúrában, mind normál bőrben. Ez a hipertrófiás hegek és keloidok kezelésének sikerére utal. Klinikailag azonban a keloid eltávolítása utáni kiújulás aránya magas, a hatékony kiegészítő helyi szteroidkezelés ellenére is.

• Nd:YAG lézerrel történő kontaktus

Az Nd:YAG lézer kontakt módban történő használata jelentősen megváltoztatja a sugárzás fizikai tulajdonságait és elnyelését. Az érintkezőcsúcs egy zafír- vagy kvarckristályból áll, amely közvetlenül a lézerszál végéhez van rögzítve. Az érintkezőcsúcs közvetlenül kölcsönhatásba lép a bőrrel, és termikus szikeként működik, egyidejűleg vág és koagulál. Jelentések vannak az érintkezőcsúcs széles körű lágyszöveti beavatkozásokban történő alkalmazásáról. Ezek az alkalmazások közelebb állnak az elektrokoagulációhoz, mint az érintkezésmentes Nd:YAG mód. Általánosságban elmondható, hogy a sebészek ma már nem a szövetek vágására, hanem a hegy melegítésére használják a lézer saját hullámhosszait. Ezért a lézer-szövet kölcsönhatás elvei itt nem alkalmazhatók. A kontaktlézerre adott válaszidő nem olyan közvetlenül kapcsolódik, mint a szabad szál esetében, ezért a melegítéshez és hűtéshez késleltetési idő van. A tapasztalattal azonban ez a lézer alkalmassá válik a bőr- és izomlebenyek izolálására.

• Argon lézer

Az argonlézer 488-514 nm hosszúságú látható hullámokat bocsát ki. A rezonátorkamra kialakításának és a lézerközeg molekuláris szerkezetének köszönhetően ez a típusú lézer hosszú hullámhosszú tartományt produkál. Egyes modellek rendelkezhetnek egy szűrővel, amely egyetlen hullámhosszra korlátozza a sugárzást. Az argonlézer energiáját a hemoglobin jól elnyeli, és szórása a szén-dioxid és az Nd:YAG lézer között helyezkedik el. Az argonlézer sugárrendszere egy száloptikai vivő. A hemoglobin általi magas elnyelődés miatt a bőr érrendszeri daganatai is elnyelik a lézerenergiát.

• KTF lézer

A KTP (kálium-titanil-foszfát) lézer egy Nd:YAG lézer, amelynek frekvenciája megduplázódik (a hullámhossza a felére csökken) azáltal, hogy a lézerenergiát egy KTP kristályon vezetik át. Ez zöld fényt (532 nm hullámhossz) hoz létre, amely a hemoglobin abszorpciós csúcsának felel meg. Szöveti penetrációja és szórása hasonló az argonlézeréhez. A lézerenergiát egy szál továbbítja. Érintésmentes módban a lézer elpárolog és koagulál. Félig érintkezős módban a szál vége alig érinti a szövetet, és vágóeszközzé válik. Minél nagyobb az alkalmazott energia, annál inkább a lézer hőkésként működik, hasonlóan a szén-dioxid lézerhez. Az alacsonyabb energiájú egységeket elsősorban koagulációra használják.

• Vakulámpával gerjesztett festéklézer

A villanólámpával gerjesztett festéklézer volt az első orvosi lézer, amelyet kifejezetten a bőr jóindulatú érrendszeri elváltozásainak kezelésére terveztek. Ez egy látható fényű lézer, amelynek hullámhossza 585 nm. Ez a hullámhossz egybeesik az oxihemoglobin harmadik abszorpciós csúcsával, ezért a lézer energiáját túlnyomórészt a hemoglobin nyeli el. Az 577-585 nm tartományban a versengő kromoforok, például a melanin, is kevesebb elnyelik az energiát, és a lézerenergia kevésbé szóródik a dermiszben és az epidermiszben. A lézerközeg rodamin festék, amelyet optikailag egy villanólámpa gerjeszt, az emissziós rendszer pedig egy száloptikás vivő. A festéklézer hegye cserélhető lencserendszerrel rendelkezik, amely lehetővé teszi 3, 5, 7 vagy 10 mm-es foltméret létrehozását. A lézer 450 ms periódussal impulzusokat ad. Ezt a pulzációs indexet a bőr jóindulatú érrendszeri elváltozásaiban található ektatikus erek termikus relaxációs ideje alapján választották ki.

• Rézgőz lézer

A rézgőzlézer két különálló hullámhosszú látható fényt állít elő: egy 512 nm-es pulzáló zöld hullámot és egy 578 nm-es pulzáló sárga hullámot. A lézerközeg réz, amelyet elektromosan gerjesztenek (elpárologtatnak). Egy száloptikás rendszer továbbítja az energiát a hegyhez, amelynek változtatható foltmérete 150-1000 µm. Az expozíciós idő 0,075 másodperctől állandóig terjed. Az impulzusok közötti idő szintén 0,1 másodperc és 0,8 másodperc között változik. A rézgőzlézer sárga fényét az arcon található jóindulatú érrendszeri elváltozások kezelésére használják. A zöld hullám pigmentált elváltozások, például szeplők, lentiginák, anyajegyek és keratózis kezelésére használható.

• Nem fakuló sárga festéklézer

A sárga folytonos üzemű festéklézer egy látható fényű lézer, amely 577 nm hullámhosszú sárga fényt bocsát ki. A vakulámpával gerjesztett festéklézerhez hasonlóan ezt is a lézer aktiváló kamrájában lévő festékanyag változtatásával hangolják. A festékanyagot argonlézer gerjeszti. Ennél a lézernél a kidobórendszer szintén egy száloptikai kábel, amely különböző foltméretekre fókuszálható. A lézerfényt mechanikus zár vagy a száloptikai rendszer végéhez csatlakoztatott Hexascanner heggyel lehet impulzusokkal kibocsátani. A Hexascanner véletlenszerűen irányítja a lézerenergia-impulzusokat egy hatszögletű mintázatban. A vakulámpával gerjesztett festéklézerhez és a rézgőzlézerhez hasonlóan a sárga folytonos üzemű festéklézer is ideális az arc jóindulatú érrendszeri elváltozásainak kezelésére.

• Erbium lézer

Az Erbium:UAS lézer a víz 3000 nm-es abszorpciós sávját használja. 2940 nm-es hullámhossza megfelel ennek a csúcsnak, és a szöveti víz erősen elnyeli (körülbelül 12-szer jobban, mint a CO2 lézer). Ez a közeli infravörös lézer a szem számára láthatatlan, és látható célzósugárral kell használni. A lézert egy vakulámpa pumpálja, és 200-300 μs időtartamú makroimpulzusokat bocsát ki, amelyek mikroimpulzusok sorozatából állnak. Ezeket a lézereket egy csuklós karhoz rögzített kézidarabbal használják. A rendszerbe pásztázó eszköz is integrálható a gyorsabb és egyenletesebb szöveteltávolítás érdekében.

• Rubinlézer

A rubinlézer egy villanólámpával pumpált lézer, amely 694 nm hullámhosszú fényt bocsát ki. Ez a lézer, amely a spektrum vörös tartományában található, látható a szemmel. Lézerzárral rendelkezhet, amely rövid impulzusokat állít elő és mélyebb szöveti behatolást (1 mm-nél mélyebbre) ér el. A hosszú impulzusú rubinlézert a lézeres szőrtelenítés során elsősorban a szőrtüszők melegítésére használják. Ezt a lézerfényt tükrök és egy csuklós rúdrendszer segítségével továbbítják. A víz rosszul nyeli el, de a melanin erősen. A tetoválásokhoz használt különféle pigmentek szintén elnyelik a 694 nm-es sugarakat.

• Alexandrit lézer

Az alexandrit lézer egy szilárdtest lézer, amelyet vakuval lehet pumpálni, és amelynek hullámhossza 755 nm. Ez a hullámhossz, a spektrum vörös részében, nem látható a szemmel, ezért vezetőnyalábot igényel. A kék és fekete tetováláspigmentek, valamint a melanin elnyelik, de a hemoglobin nem. Ez egy viszonylag kompakt lézer, amely rugalmas fényvezetőn keresztül képes továbbítani a sugárzást. A lézer viszonylag mélyen behatol, így alkalmas szőrzet és tetoválás eltávolítására. A foltok mérete 7 és 12 mm.

• Diódalézer

Az utóbbi időben a szupravezető anyagokon lévő diódákat közvetlenül csatlakoztatták a száloptikai eszközökhöz, ami különböző hullámhosszú lézerfény kibocsátását eredményezte (a felhasznált anyagok jellemzőitől függően). A diódalézerek hatásfokukról ismertek. A bejövő elektromos energiát 50%-os hatásfokkal tudják fénnyé alakítani. Ez a hatásfok, amely alacsonyabb hőtermeléssel és bemeneti teljesítménnyel párosul, lehetővé teszi a kompakt diódalézerek tervezését nagy hűtőrendszerek nélkül. A fényt száloptikán keresztül továbbítják.

• Szűrt vakulámpa

A szőrtelenítéshez használt szűrt impulzuslámpa nem lézer, hanem egy intenzív, nem koherens, impulzusos spektrumot bocsát ki. A rendszer kristályszűrőket használ 590-1200 nm hullámhosszú fény kibocsátására. Az impulzus szélessége és integrálsűrűsége, amelyek szintén változtathatók, megfelelnek a szelektív fototermolízis kritériumainak, ami ezt az eszközt a szőrtelenítő lézerekkel egyenrangúvá teszi.

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