Laserid plastilises kirurgias

Eelmise sajandi alguses selgitas Einstein oma artiklis pealkirjaga "Kiirguse kvantteooria" teoreetiliselt protsesse, mis peavad toimuma laseri energia kiirgamisel. Maiman ehitas esimese laseri 1960. aastal. Sellest ajast alates on lasertehnoloogia kiiresti arenenud, tootes mitmesuguseid lasereid, mis hõlmavad kogu elektromagnetilist spektrit. Neid on hiljem kombineeritud teiste tehnoloogiatega, sealhulgas pildisüsteemide, robootika ja arvutitega, et parandada laserkiire täpsust. Tänu koostööle füüsika ja bioinseneri valdkonnas on meditsiinilistest laseritest saanud kirurgide terapeutiliste vahendite oluline osa. Alguses olid need mahukad ja neid kasutasid ainult kirurgid, kes olid spetsiaalselt laserfüüsikas koolitatud. Viimase 15 aasta jooksul on meditsiiniliste laserite disain arenenud, et muuta need lihtsamini kasutatavaks, ja paljud kirurgid on oma kraadiõppe osana õppinud laserfüüsika põhitõdesid.

See artikkel käsitleb: laserite biofüüsikat; kudede interaktsiooni laserkiirgusega; seadmeid, mida praegu kasutatakse plastilises ja rekonstruktiivkirurgias; üldiseid ohutusnõudeid laseritega töötamisel; laserite edasise kasutamise küsimusi nahainterventsioonides.

Laserite biofüüsika

Laserid kiirgavad valgusenergiat, mis liigub lainetena, mis on sarnased tavalise valgusega. Lainepikkus on laine kahe kõrvuti asetseva tipu vaheline kaugus. Amplituud on tipu suurus, mis määrab valguse intensiivsuse. Valguslaine sagedus ehk periood on aeg, mis kulub laine ühe tsükli läbimiseks. Laseri toimimise mõistmiseks on oluline mõista kvantmehaanikat. Mõiste LASER on lühend sõnadest Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (valguse võimendamine stimuleeritud kiirgusemissiooni abil). Kui footon, valgusenergia ühik, tabab aatomit, põhjustab see ühe aatomi elektroni hüppe kõrgemale energiatasemele. Aatom muutub selles ergastatud olekus ebastabiilseks, vabastades footoni, kui elektron langeb tagasi oma algsele, madalamale energiatasemele. Seda protsessi nimetatakse spontaanseks emissiooniks. Kui aatom on kõrge energiatasemega ja põrkab kokku teise footoniga, vabastab see madala energiatasemega olekusse naastes kaks footonit, millel on identne lainepikkus, suund ja faas. Seda protsessi, mida nimetatakse stimuleeritud kiirgusemissiooniks, on laserfüüsika mõistmiseks ülioluline.

Olenemata tüübist on kõigil laseritel neli põhikomponenti: ergastusmehhanism või energiaallikas, laserkeskkond, optiline õõnsus või resonaator ja väljutussüsteem. Enamikul näoplastika kirurgias kasutatavatel meditsiinilistel laseritel on elektriline ergastusmehhanism. Mõned laserid (näiteks välklambiga ergastatav värvilaser) kasutavad ergastusmehhanismina valgust. Teised võivad ergastusenergia saamiseks kasutada suure energiaga raadiosageduslikke laineid või keemilisi reaktsioone. Ergastusmehhanism pumpab energiat resonantskambrisse, mis sisaldab laserkeskkonda, mis võib olla tahke, vedel, gaasiline või pooljuhtmaterjal. Resonaatori õõnsusse juhitud energia tõstab laserkeskkonnas olevate aatomite elektronid kõrgemale energiatasemele. Kui pooled resonaatori aatomitest on tugevalt ergastatud, toimub populatsiooni inversioon. Spontaanne emissioon algab, kui footoneid kiiratakse igas suunas ja mõned põrkuvad juba ergastatud aatomitega, mille tulemuseks on paardunud footonite stimuleeritud emissioon. Stimuleeritud emissioon suureneb, kuna peeglite vahelist telge mööda liikuvad footonid peegelduvad eelistatavalt edasi-tagasi. Selle tulemuseks on järjestikune stimulatsioon, kuna need footonid põrkuvad teiste ergastatud aatomitega. Üks peegel peegeldab 100%, samas kui teine peegel laseb resonaatorikambrist kiiratud energia osaliselt läbi. See energia kantakse bioloogilisse koesse väljastussüsteemi abil. Enamiku laserite puhul on see fiiberoptiline. Märkimisväärne erand on CO2-laser, millel on hingedega varrel peeglite süsteem. CO2-laseri jaoks on saadaval optilised kiud, kuid need piiravad täpi suurust ja väljundenergiat.

Laservalgus on organiseeritum ja kvalitatiivselt intensiivsem kui tavaline valgus. Kuna laserkeskkond on homogeenne, on stimuleeritud emissiooni teel kiiratavatel footonitel üks lainepikkus, mis loob monokromaatilisuse. Tavaliselt on valgus allikast eemaldudes tugevalt hajutatud. Laservalgus on kollimeeritud: see on vähe hajutatud, tagades konstantse energiaintensiivsuse suure vahemaa tagant. Lisaks sellele, et laservalguse footonid liiguvad samas suunas, on neil ka sama ajaline ja ruumiline faas. Seda nimetatakse koherentsuseks. Monokromaatsuse, kollimatsiooni ja koherentsuse omadused eristavad laservalgust tavalise valguse korrastamata energiast.

Laseri ja koe interaktsioon

Laseri mõju bioloogilistele kudedele ulatub bioloogiliste funktsioonide moduleerimisest aurustamiseni. Enamik kliiniliselt kasutatavatest laseri ja koe interaktsioonidest on seotud termilise võimega koaguleerida või aurustada. Tulevikus võidakse lasereid kasutada mitte soojusallikatena, vaid sondidena rakkude funktsioonide kontrollimiseks ilma tsütotoksiliste kõrvalmõjudeta.

Tavapärase laseri mõju koele sõltub kolmest tegurist: koe neeldumine, laseri lainepikkus ja laseri energiatihedus. Kui laserkiir tabab kude, võib selle energia neelduda, peegelduda, läbi minna või hajuda. Kõik neli protsessi toimuvad erineval määral mis tahes koe ja laseri interaktsioonis, millest neeldumine on kõige olulisem. Neeldumise aste sõltub koe kromofooride sisaldusest. Kromofoorid on ained, mis neelavad teatud pikkusega laineid tõhusalt. Näiteks CO2-laseri energia neeldub keha pehmetes kudedes. See on tingitud asjaolust, et CO2-le vastavat lainepikkust neelavad hästi veemolekulid, mis moodustavad kuni 80% pehmetest kudedest. Seevastu on CO2-laseri neeldumine luudes minimaalne luukoe madala veesisalduse tõttu. Alguses, kui kude neelab laseri energiat, hakkavad selle molekulid vibreerima. Lisaenergia neeldumine põhjustab valgu denatureerumist, koagulatsiooni ja lõpuks aurustumist (vaporisatsiooni).

Kui laserkiir peegeldub koelt, siis viimane ei kahjustu, kuna kiirguse suund pinnal muutub. Samuti, kui laserkiir läbib pindmisi kudesid sügavamale kihile, siis vahepealne kude ei muutu. Kui laserkiir hajub koes, siis energia pinnale ei neeldu, vaid jaotub juhuslikult sügavamates kihtides.

Kolmas tegur, mis puudutab koe ja laseri vastastikmõju, on energiatihedus. Laseri ja koe vastastikmõjus, kui kõik muud tegurid on konstantsed, võib täpi suuruse või säriaja muutmine mõjutada koe seisundit. Kui laserkiire täpi suurus väheneb, suureneb teatud koe mahule mõjuv võimsus. Vastupidi, kui täpi suurus suureneb, väheneb laserkiire energiatihedus. Täpi suuruse muutmiseks saab koel olevat väljutussüsteemi fokuseerida, eelfokuseerida või defokuseerida. Eelfokuseeritud ja defokuseeritud kiirte puhul on täpi suurus suurem kui fokuseeritud kiire oma, mille tulemuseks on madalam võimsustihedus.

Teine viis koeefektide varieerimiseks on laserenergia impulsseerimine. Kõik impulssrežiimid vahelduvad sisse- ja väljalülitatud perioodide vahel. Kuna energia ei jõua väljalülitatud perioodide ajal koeni, on võimalus soojusel hajuda. Kui väljalülitatud perioodid on pikemad kui sihtkoe termiline relaksatsiooniaeg, väheneb ümbritseva koe kahjustamise tõenäosus juhtivuse tõttu. Termiline relaksatsiooniaeg on aeg, mis kulub poole sihtkoe soojuse hajumiseks. Aktiivse intervalli ja aktiivse ja passiivse pulsatsiooniintervallide summa suhet nimetatakse töötsükliks.

Töötsükkel = sees/sees + väljas

Impulssrežiime on mitmesuguseid. Energiat saab vabastada pursetena, määrates laseri kiirgamise perioodi (nt 10 sekundit). Energiat saab blokeerida, kus konstantset lainet blokeeritakse teatud intervallidega mehaanilise katikuga. Superimpulssrežiimis energiat lihtsalt ei blokeerita, vaid see salvestatakse laseri energiaallikasse väljalülitusperioodil ja seejärel vabastatakse sisselülitusperioodil. See tähendab, et tippenergia superimpulssrežiimis on oluliselt suurem kui konstantses või blokeerimisrežiimis.

Hiiglaslikus impulsslaseris salvestatakse energiat ka väljalülitatud perioodil, kuid laserkeskkonnas. See saavutatakse katikumehhanismi abil õõnsuskambris kahe peegli vahel. Kui katik on suletud, siis laser ei laserda, kuid energia salvestub katiku mõlemal küljel. Kui katik on avatud, toimivad peeglid vastastikmõjus, tekitades suure energiaga laserkiire. Hiiglasliku impulsslaseri tippenergia on väga kõrge ja töötsükkel lühike. Moodilukustusega laser sarnaneb hiiglasliku impulsslaseriga selle poolest, et õõnsuskambris kahe peegli vahel on katik. Moodilukustusega laser avaneb ja sulgeb oma katiku sünkroonis ajaga, mis kulub valguse peegeldumiseks kahe peegli vahel.

Laserite omadused

• Süsinikdioksiidlaser

Süsinikdioksiidlaserit kasutatakse kõige sagedamini otolarüngoloogias/pea- ja kaelakirurgias. Selle lainepikkus on 10,6 nm, mis on nähtamatu laine elektromagnetilise spektri kauginfrapuna piirkonnas. Heelium-neoonlaserkiire juhtimine on vajalik, et kirurg näeks tegevuspiirkonda. Laserikeskkond on CO2. Selle lainepikkust neelavad koes olevad veemolekulid hästi. Mõjud on pealiskaudsed tänu kõrgele neeldumisele ja minimaalsele hajumisele. Kiirgust saab edastada ainult peeglite ja spetsiaalsete läätsede kaudu, mis on asetatud liigendvardale. Vända saab mikroskoobi külge kinnitada täppistööks suurenduse all. Energiat saab väljastada ka liigendvardale kinnitatud fokuseerimiskäepideme kaudu.

• Nd:YAG laser

Nd:YAG (ütrium-alumiinium-granaat neodüümiga) laseri lainepikkus on 1064 nm ehk see asub lähiinfrapuna piirkonnas. See on inimsilmale nähtamatu ja vajab suunavat heelium-neoonlaserkiirt. Laseri keskkonnaks on ütrium-alumiinium-granaat neodüümiga. Enamik kehakudesid neelab seda lainepikkust halvasti. Pigmenteerunud kude neelab seda aga paremini kui pigmenteerumata kude. Energia kandub läbi enamiku kudede pindmiste kihtide ja hajub sügavamates kihtides.

Võrreldes süsinikdioksiidlaseriga on Nd:YAG-i hajumine oluliselt suurem. Seetõttu on läbitungimissügavus suurem ja Nd:YAG sobib hästi sügavate veresoonte koagulatsiooniks. Eksperimendis on maksimaalne koagulatsioonisügavus umbes 3 mm (koagulatsioonitemperatuur +60 °C). Nd:YAG-laseriga on teatatud headest tulemustest sügavate suuümbruse kapillaarsete ja kavernoossete moodustiste ravis. Samuti on teatatud hemangioomide, lümfangioomide ja arteriovenoossete kaasasündinud moodustiste edukast laserfotokoagulatsioonist. Suurem läbitungimissügavus ja mitteselektiivne hävimine soodustavad aga postoperatiivse armistumise suurenemist. Kliiniliselt minimeeritakse seda ohutute võimsusseadete, punktlähenemise ja nahapiirkondade töötlemise vältimisega. Praktikas on tumepunase Nd:YAG-laseri kasutamine praktiliselt asendatud laseritega, mille lainepikkus on spektri kollases osas. Seda kasutatakse aga adjuvantlaserina tumepunase (portveini) värvusega sõlmeliste kahjustuste korral.

On näidatud, et Nd:YAG laser pärsib kollageeni tootmist nii fibroblastide kultuuris kui ka normaalses nahas in vivo. See viitab edule hüpertroofiliste armide ja keloidide ravis. Kliiniliselt on keloidi eemaldamise järgselt kordumise määr aga kõrge, hoolimata tugevast täiendavast paiksest steroidravist.

• Kontakt Nd:YAG laser

Nd:YAG laseri kasutamine kontaktrežiimis muudab oluliselt kiirguse füüsikalisi omadusi ja neeldumist. Kontaktots koosneb safiir- või kvartskristallist, mis on otse kinnitatud laserkiu otsa. Kontaktots suhtleb otse nahaga ja toimib termilise skalpellina, lõigates ja koaguleerides samaaegselt. On teateid kontaktotsa kasutamisest laias valikus pehmete kudede sekkumistes. Need rakendused on elektrokoagulatsioonile lähemal kui kontaktivaba Nd:YAG režiim. Üldiselt kasutavad kirurgid nüüd laseri loomulikke lainepikkusi mitte koe lõikamiseks, vaid otsa kuumutamiseks. Seetõttu ei ole laseri ja koe interaktsiooni põhimõtted siin rakendatavad. Kontaktlaseri reaktsiooniaeg ei ole nii otseselt seotud kui vaba kiu puhul ning seetõttu on kuumutamisel ja jahutamisel viivitusperiood. Kogemusega muutub see laser aga mugavaks naha- ja lihaslappide isoleerimiseks.

• Argoonlaser

Argoonlaser kiirgab nähtavaid laineid pikkusega 488–514 nm. Resonaatorikambri konstruktsiooni ja laserkeskkonna molekulaarstruktuuri tõttu tekitab seda tüüpi laser pikalainelise vahemiku. Mõnel mudelil võib olla filter, mis piirab kiirgust ühele lainepikkusele. Argoonlaseri energia neeldub hemoglobiini poolt hästi ja selle hajumine jääb süsinikdioksiidi ja Nd:YAG laseri vahepeale. Argoonlaseri kiirgussüsteem on fiiberoptiline kandja. Hemoglobiini suure neeldumise tõttu neelavad laserenergiat ka naha veresoonte kasvajad.

• KTF-laser

KTP (kaaliumtitanüülfosfaat) laser on Nd:YAG laser, mille sagedust kahekordistatakse (lainepikkust vähendatakse poole võrra), lastes laseri energia läbi KTP kristalli. See tekitab rohelise valguse (lainepikkus 532 nm), mis vastab hemoglobiini neeldumispiigile. Selle kudede läbitungimine ja hajumine on sarnased argoonlaseri omadega. Laseri energiat edastab kiud. Kontaktivabas režiimis laser aurustub ja koaguleerub. Poolkontaktses režiimis puudutab kiu ots kude vaevu ja muutub lõikeinstrumendiks. Mida suurem on kasutatav energia, seda enam toimib laser termonoana, sarnaselt süsinikdioksiidlaseriga. Madalama energiaga seadmeid kasutatakse peamiselt koagulatsiooniks.

• Välklambi ergastatud värvilaser

Välklambiga ergastatud värvilaser oli esimene meditsiiniline laser, mis oli spetsiaalselt loodud naha healoomuliste vaskulaarsete kahjustuste raviks. See on nähtava valguse laser lainepikkusega 585 nm. See lainepikkus langeb kokku oksühemoglobiini kolmanda neeldumispiigiga ja seetõttu neelab selle laseri energia peamiselt hemoglobiin. Lainepikkuste vahemikus 577–585 nm on ka vähem neeldumist konkureerivate kromofooride, näiteks melaniini poolt, poolt ja vähem laseri energia hajumist dermises ja epidermises. Laseri keskkonnaks on rodamiinvärv, mida optiliselt ergastab välklambi abil, ja emissioonisüsteemiks on fiiberoptiline kandja. Värvilaseri otsal on vahetatav läätsesüsteem, mis võimaldab luua 3, 5, 7 või 10 mm suuruseid täppe. Laser impulsside periood on 450 ms. See pulsatsiooniindeks valiti naha healoomuliste vaskulaarsete kahjustuste korral leiduvate ektaatiliste veresoonte termilise relaksatsiooniaja põhjal.

• Vase auru laser

Vaseaurulaser tekitab kahel eraldi lainepikkusel nähtavat valgust: pulseerivat rohelist lainet lainepikkusega 512 nm ja pulseerivat kollast lainet lainepikkusega 578 nm. Laseri keskkond on vask, mida ergastatakse (aurustatakse) elektriliselt. Kiudsüsteem edastab energiat otsa, mille täpi suurus on muutuv vahemikus 150–1000 µm. Säriaeg on vahemikus 0,075 sekundist kuni konstantse ajani. Impulsside vaheline aeg varieerub samuti vahemikus 0,1 sekundist kuni 0,8 sekundini. Vaseaurulaseri kollast valgust kasutatakse näol healoomuliste vaskulaarsete kahjustuste raviks. Rohelist lainet saab kasutada pigmenteerunud kahjustuste, näiteks tedretähnide, lentiigiinide, nevusi ja keratoosi raviks.

• Tuhmumiskindel kollane värvilaser

Kollane CW-värvilaser on nähtava valguse laser, mis tekitab kollast valgust lainepikkusega 577 nm. Nagu välklambiga ergastatud värvilaserit, häälestatakse seda laseri aktiveerimiskambris oleva värvaine muutmise teel. Värvainet ergastatakse argoonlaseriga. Selle laseri väljutussüsteem on samuti fiiberoptiline kaabel, mida saab fokuseerida erineva suurusega täppidele. Laservalgust saab impulsseerida mehaanilise katiku või Hexascanneri otsa abil, mis kinnitub fiiberoptilise süsteemi otsa. Hexascanner suunab laserenergia impulsse juhuslikult kuusnurkse mustri piires. Nagu välklambiga ergastatud värvilaser ja vaseaurulaser, sobib kollane CW-värvilaser ideaalselt näo healoomuliste vaskulaarsete kahjustuste raviks.

• Erbiumlaser

Erbium:UAS-laser kasutab vee 3000 nm neeldumisriba. Selle lainepikkus 2940 nm vastab sellele piigile ja neeldub kudede vees tugevalt (umbes 12 korda rohkem kui CO2-laseril). See lähiinfrapunalaser on silmale nähtamatu ja seda tuleb kasutada nähtava sihtimiskiirega. Laserit pumpab välklamp ja see kiirgab 200–300 μs kestusega makroimpulsse, mis koosnevad mikroimpulsside seeriast. Neid lasereid kasutatakse liigendkäe külge kinnitatud käepidemega. Süsteemi saab integreerida ka skaneerimisseadme, et koed kiiremini ja ühtlasemalt eemaldada.

• Rubiinlaser

Rubiinlaser on välklambiga pumbatav laser, mis kiirgab valgust lainepikkusel 694 nm. See spektri punases piirkonnas asuv laser on silmaga nähtav. Sellel võib olla laserkatik, mis tekitab lühikesi impulsse ja jõuab sügavamale kudedesse (sügavamale kui 1 mm). Pika impulsiga rubiinlaserit kasutatakse laserkarvaeemalduse ajal karvanääpsude eelistatud soojendamiseks. Seda laservalgust edastatakse peeglite ja liigendpoomi süsteemi abil. Vesi neelab seda halvasti, kuid melaniin neelab seda tugevalt. Erinevad tätoveeringutes kasutatavad pigmendid neelavad samuti 694 nm kiiri.

• Aleksandriitlaser

Aleksandriitlaser on tahkislaser, mida saab välklambiga pumbata, ja selle lainepikkus on 755 nm. See spektri punases osas olev lainepikkus ei ole silmale nähtav ja vajab seetõttu juhtkiirt. Seda neelavad sinised ja mustad tätoveeringupigmendid, samuti melaniin, kuid mitte hemoglobiin. See on suhteliselt kompaktne laser, mis suudab kiirgust edastada painduva valgusjuhi kaudu. Laser tungib suhteliselt sügavale, mistõttu sobib see karvade ja tätoveeringute eemaldamiseks. Valguspunktide suurused on 7 ja 12 mm.

• Dioodlaser

Hiljuti on ülijuhtivatel materjalidel olevad dioodid otse ühendatud fiiberoptiliste seadmetega, mille tulemuseks on laservalguse kiirgamine erinevatel lainepikkustel (sõltuvalt kasutatud materjalide omadustest). Dioodlaserid eristuvad oma efektiivsuse poolest. Nad suudavad sissetuleva elektrienergia valguseks muuta 50% efektiivsusega. See efektiivsus koos väiksema soojuse tekke ja sisendvõimsusega võimaldab konstrueerida kompaktseid dioodlasereid ilma suurte jahutussüsteemideta. Valgus edastatakse fiiberoptika kaudu.

• Filtreeritud välklamp

Karvade eemaldamiseks kasutatav filtreeritud impulsslamp ei ole laser. Selle asemel on see intensiivne, mittekoherentne impulssspekter. Süsteem kasutab kristallfiltreid, et kiirata valgust lainepikkusega 590–1200 nm. Impulsi laius ja integraaltihedus, mis on samuti muutuvad, vastavad selektiivse fototermolüüsi kriteeriumidele, mis asetab selle seadme võrdväärseks karvade eemaldamise laseritega.

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