Lasers in plastische chirurgie

Begin vorige eeuw legde Einstein in een artikel getiteld "De kwantumtheorie van straling" theoretisch de processen uit die moeten plaatsvinden wanneer een laser energie uitzendt. Maiman bouwde de eerste laser in 1960. Sindsdien heeft de lasertechnologie zich snel ontwikkeld en een verscheidenheid aan lasers opgeleverd die het volledige elektromagnetische spectrum bestrijken. Ze zijn sindsdien gecombineerd met andere technologieën, waaronder beeldvormingssystemen, robotica en computers, om de precisie van de laserafgifte te verbeteren. Door samenwerkingen in de natuurkunde en biotechnologie zijn medische lasers een belangrijk onderdeel geworden van de therapeutische instrumenten van chirurgen. Aanvankelijk waren ze omvangrijk en werden ze alleen gebruikt door chirurgen die speciaal waren opgeleid in laserfysica. In de afgelopen 15 jaar is het ontwerp van medische lasers verbeterd om ze gebruiksvriendelijker te maken, en veel chirurgen hebben de basisprincipes van laserfysica geleerd als onderdeel van hun opleiding.

In dit artikel worden de volgende onderwerpen besproken: biofysica van lasers; de interactie van weefsels met laserstraling; apparaten die momenteel worden gebruikt in de plastische en reconstructieve chirurgie; algemene veiligheidseisen bij het werken met lasers; en kwesties rond het verdere gebruik van lasers bij huidingrepen.

Biofysica van lasers

Lasers zenden lichtenergie uit die zich in golven voortplant, vergelijkbaar met gewoon licht. De golflengte is de afstand tussen twee aangrenzende toppen van de golf. De amplitude is de grootte van de piek en bepaalt de intensiteit van het licht. De frequentie, of periode, van een lichtgolf is de tijd die de golf nodig heeft om één cyclus te voltooien. Om te begrijpen hoe een laser werkt, is het belangrijk om de kwantummechanica te begrijpen. De term LASER is een acroniem voor Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Wanneer een foton, een eenheid van lichtenergie, een atoom raakt, zorgt dit ervoor dat een van de elektronen van het atoom naar een hoger energieniveau springt. Het atoom wordt instabiel in deze aangeslagen toestand en geeft een foton af wanneer het elektron terugvalt naar zijn oorspronkelijke, lagere energieniveau. Dit proces staat bekend als spontane emissie. Als een atoom zich in een hoge-energietoestand bevindt en botst met een ander foton, zal het bij terugkeer naar een lage-energietoestand twee fotonen vrijgeven met dezelfde golflengte, richting en fase. Dit proces, gestimuleerde emissie van straling genoemd, is fundamenteel voor het begrijpen van laserfysica.

Ongeacht het type hebben alle lasers vier basiscomponenten: een excitatiemechanisme of energiebron, een lasermedium, een optische holte of resonator en een uitwerpsysteem. De meeste medische lasers die worden gebruikt in gezichtsplastische chirurgie hebben een elektrisch excitatiemechanisme. Sommige lasers (zoals een flitslamp-geëxciteerde kleurstoflaser) gebruiken licht als excitatiemechanisme. Andere kunnen hoogenergetische radiofrequentiegolven of chemische reacties gebruiken om excitatie-energie te leveren. Het excitatiemechanisme pompt energie in een resonantiekamer met het lasermedium, dat een vaste stof, vloeistof, gas of halfgeleider kan zijn. De energie die in de resonatorholte wordt gedumpt, verhoogt de elektronen van de atomen in het lasermedium naar een hoger energieniveau. Wanneer de helft van de atomen in de resonator sterk geëxciteerd is, treedt er een populatie-inversie op. Spontane emissie begint wanneer fotonen in alle richtingen worden uitgezonden en sommige botsen met reeds geëxciteerde atomen, wat resulteert in gestimuleerde emissie van gepaarde fotonen. De gestimuleerde emissie wordt versterkt doordat fotonen die zich langs de as tussen de spiegels voortplanten, bij voorkeur heen en weer worden gereflecteerd. Dit resulteert in een sequentiële stimulatie doordat deze fotonen botsen met andere geëxciteerde atomen. Eén spiegel is 100% reflecterend, terwijl de andere spiegel de uitgezonden energie uit de resonatorkamer gedeeltelijk doorlaat. Deze energie wordt via een uitwerpsysteem overgedragen op het biologische weefsel. Voor de meeste lasers is dit glasvezel. Een opvallende uitzondering is de CO2-laser, die een spiegelsysteem op een scharnierende arm heeft. Glasvezels zijn beschikbaar voor de CO2-laser, maar deze beperken de spotgrootte en de output-energie.

Laserlicht is georganiseerder en kwalitatief intenser dan gewoon licht. Omdat het lasermedium homogeen is, hebben de fotonen die door gestimuleerde emissie worden uitgezonden één golflengte, wat zorgt voor monochromaticiteit. Normaal gesproken wordt licht sterk verstrooid naarmate het zich van de bron verwijdert. Laserlicht is gecollimeerd: het wordt weinig verstrooid, waardoor de energie-intensiteit over een grote afstand constant blijft. De fotonen van laserlicht bewegen niet alleen in dezelfde richting, ze hebben ook dezelfde temporele en ruimtelijke fase. Dit wordt coherentie genoemd. De eigenschappen monochromaticiteit, collimatie en coherentie onderscheiden laserlicht van de ongeordende energie van gewoon licht.

Laser-weefselinteractie

Het spectrum van lasereffecten op biologische weefsels strekt zich uit van modulatie van biologische functies tot vaporisatie. De meeste klinisch gebruikte laser-weefselinteracties hebben betrekking op thermische mogelijkheden om te coaguleren of te vaporiseren. In de toekomst kunnen lasers mogelijk niet als warmtebron worden gebruikt, maar als probes om cellulaire functies te controleren zonder cytotoxische bijwerkingen.

Het effect van een conventionele laser op weefsel hangt af van drie factoren: weefselabsorptie, lasergolflengte en laserenergiedichtheid. Wanneer een laserstraal weefsel raakt, kan de energie ervan worden geabsorbeerd, gereflecteerd, doorgelaten of verstrooid. Alle vier processen vinden in verschillende mate plaats bij elke weefsel-laserinteractie, waarvan absorptie de belangrijkste is. De mate van absorptie hangt af van het chromofoorgehalte van het weefsel. Chromoforen zijn stoffen die golven van een bepaalde lengte effectief absorberen. Zo wordt CO₂-laserenergie geabsorbeerd door de zachte weefsels van het lichaam. Dit komt doordat de golflengte die overeenkomt met CO₂ goed wordt geabsorbeerd door watermoleculen, die tot 80% van het zachte weefsel uitmaken. Daarentegen is de absorptie van CO₂-lasers minimaal in bot, vanwege het lage watergehalte van botweefsel. Wanneer weefsel laserenergie absorbeert, beginnen de moleculen ervan aanvankelijk te trillen. De absorptie van extra energie veroorzaakt denaturatie, coagulatie en uiteindelijk verdamping van het eiwit (vaporisatie).

Wanneer laserenergie door weefsel wordt gereflecteerd, wordt dit niet beschadigd, omdat de richting van de straling op het oppervlak verandert. Ook als de laserenergie door het oppervlakkige weefsel naar de diepere laag gaat, wordt het tussenliggende weefsel niet aangetast. Als de laserstraal in het weefsel wordt verstrooid, wordt de energie niet geabsorbeerd aan het oppervlak, maar willekeurig verdeeld over de diepere lagen.

De derde factor met betrekking tot de interactie tussen weefsel en de laser is de energiedichtheid. Bij de interactie tussen laser en weefsel kan, wanneer alle andere factoren constant zijn, het veranderen van de spotgrootte of de belichtingstijd de conditie van het weefsel beïnvloeden. Als de spotgrootte van de laserstraal afneemt, neemt het vermogen dat op een bepaald volume weefsel inwerkt toe. Omgekeerd, als de spotgrootte toeneemt, neemt de energiedichtheid van de laserstraal af. Om de spotgrootte te veranderen, kan het uitwerpsysteem op het weefsel worden gefocusseerd, voorgefocusseerd of gedefocusseerd. Bij voorgefocusseerde en gedefocusseerde stralen is de spotgrootte groter dan de gefocusseerde straal, wat resulteert in een lagere vermogensdichtheid.

Een andere manier om weefseleffecten te variëren is door de laserenergie te pulseren. Alle gepulste modi wisselen af tussen aan- en uitschakelperiodes. Omdat de energie het weefsel tijdens de uitschakelperiodes niet bereikt, bestaat de kans op warmteafvoer. Als de uitschakelperiodes langer zijn dan de thermische relaxatietijd van het doelweefsel, is de kans op schade aan het omliggende weefsel door geleiding kleiner. De thermische relaxatietijd is de tijd die nodig is om de helft van de warmte in het doelweefsel af te voeren. De verhouding tussen het actieve interval en de som van de actieve en passieve pulsatie-intervallen wordt de duty cycle genoemd.

Inschakelduur = aan/aan + uit

Er zijn verschillende pulsmodi. De energie kan in bursts worden vrijgegeven door de periode in te stellen waarin de laser uitzendt (bijv. 10 seconden). De energie kan worden geblokkeerd, waarbij de constante golf met bepaalde tussenpozen wordt geblokkeerd door een mechanische sluiter. In de superpulsmodus wordt de energie niet alleen geblokkeerd, maar opgeslagen in de laserenergiebron tijdens de uitschakelperiode en vervolgens vrijgegeven tijdens de aanschakelperiode. Dat wil zeggen dat de piekenergie in de superpulsmodus aanzienlijk hoger is dan in de constante of blokkerende modus.

In een reuzenpulslaser wordt ook energie opgeslagen tijdens de uitschakelperiode, maar dan in het lasermedium. Dit wordt bereikt door een sluitermechanisme in de holte tussen de twee spiegels. Wanneer de sluiter gesloten is, werkt de laser niet, maar wordt er energie opgeslagen aan beide zijden van de sluiter. Wanneer de sluiter open is, werken de spiegels samen om een laserstraal met hoge energie te produceren. De piekenergie van een reuzenpulslaser is zeer hoog met een korte inschakelduur. Een laser met modelocked-functie is vergelijkbaar met een laser met modelocked-functie doordat er zich een sluiter bevindt tussen de twee spiegels in de holte. De laser met modelocked-functie opent en sluit zijn sluiter synchroon met de tijd die het licht nodig heeft om tussen de twee spiegels te reflecteren.

Kenmerken van lasers

• Koolstofdioxidelaser

De koolstofdioxidelaser wordt het meest gebruikt in de keel-, neus- en oorheelkunde/hoofd-halschirurgie. De golflengte is 10,6 nm, een onzichtbare golf in het verre infraroodgebied van het elektromagnetisch spectrum. Geleiding langs de helium-neon laserstraal is noodzakelijk zodat de chirurg het te behandelen gebied kan zien. Het lasermedium is CO₂. De golflengte ervan wordt goed geabsorbeerd door watermoleculen in het weefsel. De effecten zijn oppervlakkig dankzij de hoge absorptie en minimale verstrooiing. De straling kan alleen worden overgedragen via spiegels en speciale lenzen die op een gelede staaf zijn geplaatst. De krukarm kan aan een microscoop worden bevestigd voor precisiewerk onder vergroting. Energie kan ook worden uitgestraald via een focusseerhendel die aan de gelede staaf is bevestigd.

• Nd:YAG-laser

De golflengte van de Nd:YAG-laser (yttrium-aluminium-granaat met neodymium) is 1064 nm, wat betekent dat deze zich in het nabij-infraroodgebied bevindt. Deze laser is onzichtbaar voor het menselijk oog en vereist een geleidende helium-neonlaserbundel. Het lasermedium is yttrium-aluminium-granaat met neodymium. De meeste weefsels in het lichaam absorberen deze golflengte slecht. Gepigmenteerd weefsel absorbeert deze echter beter dan niet-gepigmenteerd weefsel. De energie wordt door de oppervlakkige lagen van de meeste weefsels overgedragen en verspreidt zich in de diepere lagen.

Vergeleken met de koolstofdioxidelaser is de verstrooiing van Nd:YAG aanzienlijk groter. Daarom is de penetratiediepte groter en is Nd:YAG zeer geschikt voor coagulatie van diepe vaten. In het experiment bedroeg de maximale coagulatiediepte ongeveer 3 mm (coagulatietemperatuur +60 °C). Er zijn goede resultaten gerapporteerd bij de behandeling van diepe periorale capillaire en caverneuze formaties met de Nd:YAG-laser. Er is ook een rapport over succesvolle laserfotocoagulatie van hemangiomen, lymfangiomen en arterioveneuze congenitale formaties. De grotere penetratiediepte en niet-selectieve vernietiging leiden echter tot meer postoperatieve littekenvorming. Klinisch wordt dit geminimaliseerd door veilige vermogensinstellingen, een puntsgewijze benadering van de laesie en het vermijden van behandeling van huidgebieden. In de praktijk is het gebruik van de donkerrode Nd:YAG-laser vrijwel vervangen door lasers met een golflengte in het gele deel van het spectrum. Het wordt echter gebruikt als aanvullende laser bij donkerrode (portwijn)kleurige nodulaire laesies.

Het is aangetoond dat de Nd:YAG-laser de collageenproductie remt in zowel fibroblasten als normale huid in vivo. Dit wijst op succes bij de behandeling van hypertrofische littekens en keloïden. Klinisch gezien is de kans op recidief na keloïdexcisie echter hoog, ondanks krachtige aanvullende topische steroïdenbehandeling.

• Contact Nd:YAG laser

Het gebruik van de Nd:YAG-laser in contactmodus verandert de fysische eigenschappen en absorptie van de straling aanzienlijk. De contacttip bestaat uit een saffier- of kwartskristal dat direct aan het uiteinde van de laservezel is bevestigd. De contacttip interageert direct met de huid en fungeert als een thermisch scalpel, dat tegelijkertijd snijdt en coaguleert. Er zijn meldingen van het gebruik van de contacttip in een breed scala aan ingrepen aan zacht weefsel. Deze toepassingen lijken meer op die van elektrocoagulatie dan op de contactloze Nd:YAG-modus. Over het algemeen gebruiken chirurgen de inherente golflengten van de laser niet om weefsel te snijden, maar om de tip te verwarmen. Daarom zijn de principes van laser-weefselinteractie hier niet van toepassing. De reactietijd op de contactlaser is niet zo direct gerelateerd als bij een vrije vezel, en daarom is er een vertraging in het verwarmen en afkoelen. Na verloop van tijd blijkt deze laser echter geschikt voor het isoleren van huid- en spierflappen.

• Argonlaser

De argonlaser zendt zichtbare golven uit met een lengte van 488-514 nm. Door het ontwerp van de resonatorkamer en de moleculaire structuur van het lasermedium produceert dit type laser een langgolvig bereik. Sommige modellen hebben mogelijk een filter dat de straling beperkt tot één golflengte. De energie van de argonlaser wordt goed geabsorbeerd door hemoglobine en de verstrooiing ervan ligt tussen die van een koolstofdioxide- en een Nd:YAG-laser in. Het stralingssysteem van de argonlaser is een glasvezeldrager. Vanwege de hoge absorptie door hemoglobine absorberen vasculaire neoplasmata van de huid ook laserenergie.

• KTF-laser

De KTP-laser (kaliumtitanylfosfaat) is een Nd:YAG-laser waarvan de frequentie wordt verdubbeld (de golflengte wordt gehalveerd) door de laserenergie door een KTP-kristal te leiden. Dit produceert groen licht (golflengte 532 nm), wat overeenkomt met de absorptiepiek van hemoglobine. De weefselpenetratie en -verstrooiing zijn vergelijkbaar met die van een argonlaser. De laserenergie wordt overgedragen via een vezel. In de contactloze modus verdampt en coaguleert de laser. In de semi-contactmodus raakt de punt van de vezel het weefsel nauwelijks aan en wordt het een snij-instrument. Hoe hoger de gebruikte energie, hoe meer de laser als een thermisch mes fungeert, vergelijkbaar met een koolstofdioxidelaser. Lagere energie-eenheden worden voornamelijk gebruikt voor coagulatie.

• Door flitslamp geëxciteerde kleurstoflaser

De door een flitslamp geëxciteerde kleurstoflaser was de eerste medische laser die specifiek werd ontworpen voor de behandeling van goedaardige vasculaire laesies van de huid. Het is een laser voor zichtbaar licht met een golflengte van 585 nm. Deze golflengte valt samen met de derde absorptiepiek van oxyhemoglobine, waardoor de energie van deze laser voornamelijk door hemoglobine wordt geabsorbeerd. In het bereik van 577-585 nm is er ook minder absorptie door concurrerende chromoforen zoals melanine en minder verstrooiing van de laserenergie in de dermis en epidermis. Het lasermedium is rhodaminekleurstof, die optisch wordt geëxciteerd door een flitslamp, en het emissiesysteem is een glasvezeldrager. De punt van de kleurstoflaser heeft een verwisselbaar lenssysteem waarmee een spotgrootte van 3, 5, 7 of 10 mm kan worden gecreëerd. De laser pulseert met een periode van 450 ms. Deze pulsatiliteitsindex werd gekozen op basis van de thermische relaxatietijd van ectatische vaten die worden aangetroffen in goedaardige vasculaire laesies van de huid.

• Koperdamplaser

De koperdamplaser produceert zichtbaar licht met twee verschillende golflengtes: een gepulste groene golf van 512 nm en een gepulste gele golf van 578 nm. Het lasermedium is koper, dat elektrisch wordt geëxciteerd (verdampt). Een vezelsysteem brengt energie over naar de punt, die een variabele spotgrootte heeft van 150-1000 µm. De belichtingstijd varieert van 0,075 s tot constant. De tijd tussen de pulsen varieert ook van 0,1 s tot 0,8 s. Het gele licht van de koperdamplaser wordt gebruikt voor de behandeling van goedaardige vaatafwijkingen in het gezicht. De groene golf kan worden gebruikt voor de behandeling van pigmentvlekken zoals sproeten, lentigines, naevi en keratose.

• Niet-vervagende gele kleurstoflaser

De gele CW-kleurstoflaser is een laser voor zichtbaar licht die geel licht produceert met een golflengte van 577 nm. Net als de flitslamp-geëxciteerde kleurstoflaser wordt deze afgestemd door de kleurstof in de laseractiveringskamer te veranderen. De kleurstof wordt geëxciteerd door een argonlaser. Het uitwerpsysteem voor deze laser is eveneens een glasvezelkabel die op verschillende puntgroottes kan worden gefocust. Het laserlicht kan worden gepulst met behulp van een mechanische sluiter of een Hexascanner-punt die aan het uiteinde van het glasvezelsysteem wordt bevestigd. De Hexascanner stuurt willekeurig pulsen laserenergie in een hexagonaal patroon. Net als de flitslamp-geëxciteerde kleurstoflaser en de koperdamplaser is de gele CW-kleurstoflaser ideaal voor de behandeling van goedaardige vaatafwijkingen in het gezicht.

• Erbiumlaser

De Erbium:UAS-laser maakt gebruik van de absorptieband van 3000 nm van water. De golflengte van 2940 nm komt overeen met deze piek en wordt sterk geabsorbeerd door weefselwater (ongeveer 12 keer meer dan de CO2-laser). Deze nabij-infraroodlaser is onzichtbaar voor het oog en moet worden gebruikt met een zichtbare richtbundel. De laser wordt aangedreven door een flitslamp en zendt macropulsen uit met een duur van 200-300 μs, die bestaan uit een reeks micropulsen. Deze lasers worden gebruikt met een handstuk dat aan een gelede arm is bevestigd. Een scanapparaat kan ook in het systeem worden geïntegreerd voor snellere en gelijkmatigere weefselverwijdering.

• Robijn laser

De robijnlaser is een laser met flitslamppomp die licht uitzendt met een golflengte van 694 nm. Deze laser, die zich in het rode gebied van het spectrum bevindt, is zichtbaar voor het oog. Hij kan een lasersluiter hebben om korte pulsen te produceren en dieper in het weefsel te penetreren (dieper dan 1 mm). De robijnlaser met lange puls wordt gebruikt om haarzakjes bij voorkeur te verwarmen bij laserontharing. Dit laserlicht wordt overgebracht met behulp van spiegels en een scharnierend armsysteem. Het wordt slecht geabsorbeerd door water, maar sterk door melanine. Verschillende pigmenten die voor tatoeages worden gebruikt, absorberen ook 694 nm-stralen.

• Alexandriet laser

De Alexandrite-laser, een solid-state laser die door een flitslamp kan worden gepompt, heeft een golflengte van 755 nm. Deze golflengte, in het rode deel van het spectrum, is niet zichtbaar voor het oog en vereist daarom een geleidebundel. Hij wordt geabsorbeerd door blauwe en zwarte tatoeagepigmenten, evenals melanine, maar niet door hemoglobine. Het is een relatief compacte laser die straling door een flexibele lichtgeleider kan geleiden. De laser dringt relatief diep door, waardoor hij geschikt is voor het verwijderen van haar en tatoeages. De spotgroottes zijn 7 en 12 mm.

• Diodelaser

Recentelijk zijn diodes op supergeleidende materialen direct gekoppeld aan glasvezels, wat resulteert in de emissie van laserlicht met verschillende golflengtes (afhankelijk van de eigenschappen van de gebruikte materialen). Diodelasers onderscheiden zich door hun efficiëntie. Ze kunnen binnenkomende elektrische energie omzetten in licht met een rendement van 50%. Deze efficiëntie, gecombineerd met een lagere warmteontwikkeling en een lager opgenomen vermogen, maakt het mogelijk om compacte diodelasers te ontwerpen zonder grote koelsystemen. Het licht wordt via glasvezels overgedragen.

• Gefilterde flitslamp

De gefilterde, gepulste lamp die voor ontharing wordt gebruikt, is geen laser. In plaats daarvan is het een intens, niet-coherent, gepulst spectrum. Het systeem gebruikt kristalfilters om licht uit te zenden met een golflengte van 590-1200 nm. De breedte en integrale dichtheid van de puls, eveneens variabel, voldoen aan de criteria voor selectieve fotothermolyse, wat dit apparaat vergelijkbaar maakt met lasers voor ontharing.

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