Lasers in plastische chirurgie

Aan het begin van de vorige eeuw, in een publicatie getiteld 'Quantum Theory of Radiation', onderbouwde Einstein theoretisch de processen die moeten plaatsvinden wanneer de laser energie uitzendt. Maiman bouwde de eerste laser in 1960. Sindsdien is de snelle ontwikkeling van de lasertechnologie, wat leidt tot de oprichting van een verscheidenheid aan lasers, die betrekking hebben op het hele elektromagnetische spectrum. Vervolgens fuseerden ze met andere technologieën, waaronder visualisatiesystemen, robotica en computers, om de nauwkeurigheid van de overdracht van laserstraling te verbeteren. Als resultaat van samenwerking op het gebied van fysica en bio-engineering, zijn medische lasers als therapeutische middelen een belangrijk onderdeel geworden van het arsenaal van chirurgen. Aanvankelijk waren ze omslachtig en werden ze alleen gebruikt door chirurgen die speciaal waren opgeleid in de fysica van lasers. In de afgelopen 15 jaar heeft het ontwerp van medische lasers zich ontwikkeld in de richting van gebruiksgemak, en veel chirurgen hebben de basis van de lasefysica in postacademisch onderwijs bestudeerd.

Dit artikel bespreekt: de biofysica van lasers; interactie van weefsels met laserstraling; apparaten die momenteel worden gebruikt bij plastische en reconstructieve chirurgie; algemene veiligheidseisen voor het werken met lasers; vragen over de verdere toepassing van lasers bij ingrepen op de huid.

Biofysica van lasers

Lasers zenden lichtenergie uit, die beweegt in de vorm van golven die lijken op gewoon licht. De golflengte is de afstand tussen twee aangrenzende golfhoogten. Amplitude is de magnitude van het maximum, bepaalt de intensiteit van de lichtstraling. De frequentie of de periode van de lichtgolf is de tijd die nodig is voor één volledige golfcyclus. Om het effect van een laser te begrijpen, is het belangrijk om de kwantummechanica te beschouwen. De term "laser" (LASER) is een afkorting van de uitdrukking "lichtversterking door gestimuleerde emissie van straling". Als een foton, een eenheid van lichtenergie, botst met een atoom, draagt het een van de elektronen van het atoom over naar een hoger energieniveau. Het atoom in een dergelijke geëxciteerde toestand wordt onstabiel en maakt weer een foton vrij wanneer het elektron naar het initiële lagere energieniveau gaat. Dit proces staat bekend als spontane emissie. Als een atoom in een hoge energietoestand is en botst met een ander foton, dan zal het bij overgang naar een laag energieniveau twee fotonen toewijzen die dezelfde golflengte, richting en fase hebben. Dit proces, de zogenaamde gestimuleerde emissie van straling, ligt ten grondslag aan het begrip van de laserfysica.

Ongeacht het type hebben alle lasers vier hoofdcomponenten: een opwindend mechanisme of een energiebron, een lasermedium, een optische holte of een resonator en een uitwerpsysteem. De meeste medische lasers die worden gebruikt in plastische chirurgie voor het gezicht hebben een elektrisch excitatiemechanisme. Sommige lasers (bijvoorbeeld een kleurstoflaser die wordt geactiveerd door een flitslamp) gebruiken licht als het excitatiemechanisme. Anderen kunnen hoog-energetische radiogolven of chemische reacties gebruiken om excitatie-energie te leveren. Het excitermechanisme pompt energie in een resonante kamer die een lasermedium bevat, dat een vast, vloeibaar, gasvormig of halfgeleidend materiaal kan zijn. De energie die wordt uitgestoten in de holte van de resonator verhoogt de elektronen van de atomen van het lasermedium naar een hoger energieniveau. Wanneer de helft van de atomen in de resonator hoge excitatie bereikt, vindt de populatie-inversie plaats. Spontane emissie begint wanneer fotonen in alle richtingen worden uitgestoten en sommige botsen tegen al aangeslagen atomen, wat leidt tot gestimuleerde emissie van paarfotonen. De versterking van de gestimuleerde emissie vindt plaats als de fotonen die langs de as tussen de spiegels bewegen voornamelijk heen en weer worden gereflecteerd. Dit leidt tot opeenvolgende stimulatie, omdat deze fotonen botsen met andere aangeslagen atomen. Eén spiegel heeft 100% reflectie, en de andere - deelt de uitgestraalde energie gedeeltelijk uit vanuit de caviteitskamer. Deze energie wordt door het uitwerpsysteem naar de biologische weefsels overgebracht. In de meeste lasers is het glasvezel. Een opvallende uitzondering is de C02-laser, die een spiegelsysteem op een scharnierende balk heeft. Voor de C02-laser zijn er optische vezels, maar deze beperken de spotgrootte en de uitvoerenergie.

Het licht van de laser in vergelijking met gewoon licht is meer georganiseerd en kwalitatief intensief. Omdat het lasermedium homogeen is, hebben de fotonen die worden geëmitteerd onder gestimuleerde emissie, één golflengte, wat monochromaticiteit oplevert. Meestal diffundeert het licht sterk wanneer het zich van de bron verwijdert. Laserlicht is gecollimeerd: het dissipeert weinig, en levert een constante intensiteit van energie op grote afstand. Fotonen van laserlicht bewegen niet alleen in één richting, ze hebben dezelfde tijdelijke en ruimtelijke fase. Dit wordt samenhang genoemd. De eigenschappen van monochromaticiteit, collimatie en coherentie onderscheiden laserlicht van de ongeordende energie van gewoon licht.

Laser-weefsel interactie

Het spectrum van lasereffecten op biologische weefsels strekt zich uit van de modulatie van biologische functies tot verdamping. De meeste klinisch gebruikte laserweefselinteracties omvatten thermische coagulatie of verdamping. In de toekomst kunnen lasers niet als warmtebronnen worden gebruikt, maar als probes voor het regelen van cellulaire functies zonder bijwerkingen van cytotoxische effecten.

Het effect van een gewone laser op weefsel hangt van drie factoren af: weefselabsorptie, lasergolflengte en laserenergiedichtheid. Wanneer een laserstraal botst met een weefsel, kan de energie ervan worden geabsorbeerd, gereflecteerd, overgedragen of verstrooid. Bij elke interactie van weefsel en laser komen alle vier de processen in verschillende mate voor, waarvan absorptie de belangrijkste is. De mate van absorptie hangt af van het gehalte van de chromofoor in het weefsel. Chromoforen zijn stoffen die effectief golven van een bepaalde lengte absorberen. De energie van de CO2-laser wordt bijvoorbeeld geabsorbeerd door de zachte weefsels van het lichaam. Dit komt door het feit dat de golflengte die overeenkomt met CO2 goed wordt geabsorbeerd door watermoleculen, die tot 80% van de zachte weefsels vormen. De C02-laser daarentegen wordt minimaal geabsorbeerd door het bot, wat te wijten is aan het lage watergehalte in het botweefsel. Aanvankelijk, wanneer het weefsel laserenergie absorbeert, beginnen de moleculen te vibreren. Absorptie van extra energie veroorzaakt denaturatie, coagulatie en tenslotte verdamping van het eiwit (verdamping).

Wanneer de laserenergie wordt gereflecteerd door het weefsel, wordt de laatste niet beschadigd, omdat de stralingsrichting op het oppervlak verandert. Ook, als de laserenergie door de oppervlakteweefsels in de diepe laag passeert, wordt het tussenliggende weefsel niet beïnvloed. Als de laserstraal in het weefsel verdwijnt, wordt de energie niet geabsorbeerd op het oppervlak, maar willekeurig verdeeld in de diepe lagen.

De derde factor met betrekking tot de interactie van weefsels met een laser is de energiedichtheid. Wanneer de laser en het weefsel interageren, wanneer alle andere factoren constant zijn, kan het veranderen van de grootte van de vlek of blootstellingstijd van invloed zijn op de weefseltoestand. Als de grootte van de vlek van de laserstraal afneemt, neemt het vermogen dat op een bepaald volume weefsel inwerkt toe. Omgekeerd, als de vlekgrootte toeneemt, neemt de energiedichtheid van de laserstraal af. Als u de grootte van de spot wilt wijzigen, kunt u het uitwerpsysteem op de stof scherpstellen, vooraf scherpstellen of defocuseren. Met de prefocatie en defocussering van de stralen is de vlekgrootte groter dan de gefocusseerde bundel, wat resulteert in een lagere vermogensdichtheid.

Een andere manier om de weefseleffecten te veranderen, is de pulsatie van laserenergie. Alle pulsmodi van stralingsintermitterende perioden van in- en uitschakelen van de stroom. Omdat de energie het weefsel niet bereikt tijdens de shutdown-perioden, is het mogelijk om warmte af te voeren. Als de uitschakeltijden langer zijn dan de thermische relaxatietijd van het doelweefsel, neemt de waarschijnlijkheid van beschadiging van het omringende weefsel door thermische geleidbaarheid af. De thermische relaxatietijd is de hoeveelheid tijd die nodig is om de helft van de warmte van een object te verdrijven. De verhouding van de duur van de actieve opening tot de som van de actieve en passieve pulsatie-intervallen wordt de werkcyclus genoemd.

Bedrijfscyclus = aan / aan + uit

Er zijn verschillende pulsmodi. Energie kan batchgewijs worden geproduceerd door de periode in te stellen waarop de laser uitzendt (bijv. OD c). Energie kan overlappen wanneer een constante golf op bepaalde intervallen wordt geblokkeerd door een mechanische sluiter. In de superpulsmodus wordt de energie niet eenvoudigweg geblokkeerd, maar opgeslagen in de laserenergiebron tijdens de shutdown-periode en vervolgens uitgeworpen tijdens de aan-periode. Dat wil zeggen dat de piekenergie in de superpulsmodus significant hoger is dan die in de constante modus of overlapmodus.

Bij een laseropwekking in het reuzenpulsregime wordt de energie ook geconserveerd tijdens de shutdown-periode, maar in een laseromgeving. Dit wordt bereikt door een dempermechanisme in de caviteitskamer tussen de twee spiegels te gebruiken. Een gesloten flap voorkomt opwekking in de laser, maar laat toe dat er energie wordt opgeslagen aan elke kant van de flap. Wanneer de flap open is, werken de spiegels samen, waardoor er een hoge energetische laserstraal ontstaat. De piekenergie van een laser die genereert in het reuzenpulsregime is zeer hoog met een korte werkingscyclus. Een laser met gesynchroniseerde modi is vergelijkbaar met een laser die in de gigantische pulsmodus genereert, doordat een demper wordt aangebracht tussen de twee spiegels in de caviteitskamer. Een laser met gesynchroniseerde modi opent en sluit de demper in synchronisatie met de tijd die nodig is om het licht tussen twee spiegels te reflecteren.

Kenmerken van lasers

• Koolstofdioxidelaser

Koolstofdioxidelaser wordt het meest gebruikt in keel-, neus- en oorheelkunde. De lengte van zijn golf is 10.6 nm - een onzichtbare golf van het verre infrarode gebied van het spectrum van elektromagnetische straling. Begeleiding langs de straal van een helium-neonlaser is noodzakelijk om de chirurg het invloedsgebied te laten zien. Het lasermedium is C02. De golflengte wordt goed geabsorbeerd door watermoleculen in het weefsel. De effecten zijn oppervlakkig door hoge absorptie en minimale dispersie. Straling kan alleen worden overgedragen via spiegels en speciale lenzen op een scharnierende bar. De krukas kan aan de microscoop worden bevestigd voor precisiewerk onder vergroting. Energie kan ook worden uitgeworpen via een scherpstelhendel die aan de scharnierstang is bevestigd.

• Nd: YAG-laser

De golflengte van de Nd: YAG (yttrium-aluminium granaat met neodymium) laser is 1064 nm, dat wil zeggen, het bevindt zich in het nabije infraroodgebied. Het is onzichtbaar voor het menselijk oog en vereist een suggestieve helium-neon laserstraal. Het lasermedium is een yttrium-aluminium granaat met neodymium. De meeste lichaamsweefsels absorberen deze golflengte niet goed. Het gepigmenteerde weefsel absorbeert het echter beter dan het ongepigmenteerde weefsel. Energie wordt overgedragen door de oppervlaktelagen van de meeste weefsels en wordt verspreid in diepe lagen.

In vergelijking met een koolstofdioxidelaser is de verstrooiing van Nd: YAG veel groter. Daarom is de indringdiepte groter en Nd: YAG is goed geschikt voor het coaguleren van diep liggende bloedvaten. In het experiment is de maximale diepte van de coagulatie ongeveer 3 mm (coagulatietemperatuur +60 ° C). Goede resultaten van behandeling van diepe periorale capillaire en caverneuze formaties met de hulp van Nd: YAG-laser zijn gerapporteerd. Er is ook een rapport over succesvolle laserfotocoagulatie met hemangiomen, lymfangiomen en arterioveneuze congenitale formaties. Een grotere penetratiediepte en willekeurige vernietiging predisponeren echter tot een toename van postoperatieve littekens. Klinisch wordt dit geminimaliseerd door veilige energie-instellingen, een puntbenadering van de uitbraak en het vermijden van huidgebieden. In de praktijk werd het gebruik van een donkerrode Nd: YAG-laser vrijwel vervangen door lasers met een golflengte in het gele deel van het spectrum. Het wordt echter gebruikt als een hulplaser voor nodale formaties van donkerrode kleur (poortkleur).

Het is aangetoond dat de Nd: YAG-laser de productie van collageen remt, zowel in fibroblastkweek als in normale huid in vivo. Dit suggereert het succes van deze laser bij de behandeling van hypertrofische littekens en keloïden. Maar klinisch is de frequentie van terugval na keloïden hoog, ondanks de krachtige aanvullende lokale behandeling met steroïden.

• Contact Nd: YAG-laser

Het gebruik van de Nd: YAG-laser in de contactmodus verandert de fysieke eigenschappen en het absorptievermogen van de straling aanzienlijk. De contacttip bestaat uit een kristal van saffier of kwarts, direct bevestigd aan het uiteinde van de laserfiber. De contacttip heeft een directe interactie met de huid en werkt tegelijkertijd als een thermische scalpel, snijden en coaguleren. Er zijn meldingen van het gebruik van een contacttip met een breed scala aan interventies op zachte weefsels. Deze toepassingen staan dichter bij elektrocoagulatie dan contactloze Nd: YAG. In principe gebruiken chirurgen nu laserspecifieke golflengten niet voor het knippen van weefsels, maar voor het verwarmen van de punt. Daarom zijn de principes van interactie van de laser met weefsels hier niet van toepassing. De responstijd op de contactlaser is niet zo direct een functie als bij gebruik van een vrije vezel, en daarom is er een vertragingsperiode voor verwarmen en koelen. Met ervaring wordt deze laser echter geschikt voor toewijzing van huid- en spiertransplantaten.

• Argon laser

De argonlaser zendt zichtbare golven uit met een lengte van 488-514 nm. Door het ontwerp van de caviteitskamer en de moleculaire structuur van het lasermedium, produceert dit type laser een bereik met een lange golflengte. Individuele modellen kunnen een filter hebben dat straling beperkt tot een enkele golflengte. De energie van de argon-laser wordt goed geabsorbeerd door hemoglobine en de dispersie ervan ligt tussen de koolstofdioxide- en Nd: YAG-laser. Het stralingssysteem voor een argonlaser is een vezeloptische drager. Vanwege de grote absorptie door hemoglobine absorberen de vaatneoplasma's van de huid ook de energie van de laser.

• KTP laser

De KTP (kaliumtitanylfosfaat) laser is een Nd: YAG-laser waarvan de frequentie wordt verdubbeld (de golflengte wordt gehalveerd) door laserenergie door een KT-kristal te laten gaan. Dit geeft groen licht (golflengte 532 nm), wat overeenkomt met de absorptiepiek van hemoglobine. De penetratie in weefsels en verstrooiing is vergelijkbaar met die van een argonlaser. Laserenergie wordt overgedragen door vezels. In de non-contactmodus verdampt de laser en stolt hij. In de semi-contactmodus raakt de tip van de vezel nauwelijks de stof en wordt een snijgereedschap. Hoe meer energie wordt gebruikt, hoe meer de laser werkt als een thermisch mes, vergelijkbaar met een koolstofzure laser. Installaties met lagere energie worden voornamelijk gebruikt voor coagulatie.

• Een kleurstoflaser die wordt geactiveerd door een flitslamp

De door de flitslamp geëxciteerde kleurstoflaser was de eerste medische laser die speciaal was ontwikkeld om goedaardige vaatneoplasma's van de huid te behandelen. Dit is een laser voor zichtbaar licht met een golflengte van 585 nm. Deze golflengte valt samen met de derde piek van absorptie door oxyhemoglobine, en daarom wordt de energie van deze laser voornamelijk geabsorbeerd door hemoglobine. In het bereik van 577-585 nm is er ook minder absorptie door concurrerende chromoforen, zoals melanine, en minder verstrooiing van laserenergie in de dermis en epidermis. Het lasermedium is kleurstof rhodamine, dat optisch wordt geëxciteerd door een flitslamp, en het stralingssysteem is een vezeloptische drager. De punt van de kleurstoflaser heeft een vervangbaar lenssysteem, waarmee een puntgrootte van 3, 5, 7 of 10 mm kan worden gemaakt. De laser pulseert met een periode van 450 ms. Deze pulsatie-index werd gekozen op basis van de thermische relaxatietijd van ectatische vaten gevonden in goedaardige vaatneoplasma's van de huid.

• Koperdamplaser

Een koperdamplaser produceert zichtbare straling met twee afzonderlijke golflengten: een gepulseerde groene golf met een lengte van 512 nm en een gepulseerde gele golf met een lengte van 578 nm. Het lasermedium is koper, dat elektrisch wordt geëxciteerd (verdampt). Het vezelvezelsysteem draagt energie over naar de punt, die een variabele puntgrootte van 150-1000 μm heeft. De belichtingstijd varieert van 0,075 s tot een constante. De tijd tussen de pulsen varieert ook van 0,1 s tot 0,8 s. Geel koperdamplaserlicht wordt gebruikt om goedaardige vasculaire laesies op het gezicht te behandelen. De groene golf kan worden gebruikt om dergelijke gepigmenteerde formaties te behandelen als sproeten, lentigo, nevi en keratose.

• Niet-gedempte gele kleurstoflaser

Een gele kleurstoflaser met ongedempte golf is een zichtbaarlichtlaser die geel licht produceert met een golflengte van 577 nm. Als een laser op een kleurstof, opgewekt door een flitslamp, wordt deze afgestemd door de kleurstof in de laseractiveringskamer te veranderen. De kleurstof wordt geëxciteerd door een argonlaser. Het uitwerpsysteem voor deze laser is ook glasvezelkabel, die op verschillende spotgroottes kan worden gericht. Het laserlicht kan pulseren door een mechanische sluiter of een Hexascanner-punt te gebruiken die aan het uiteinde van het glasvezelsysteem is bevestigd. Hexascanner stuurt willekeurig pulsen van laserenergie binnen de hexagonale contour. Net als een kleurstoflaser geëxciteerd door een flitslamp en een koperdamplaser, is een gele kleurstoflaser met ongedempte golf ideaal voor het behandelen van goedaardige bloedvatlaesies op het gezicht.

• Erbium laser

Erbium: de UAS-laser gebruikt een band van absorptiespectrum met water van 3000 nm. De golflengte van 2940 nm komt overeen met deze piek en wordt sterk geabsorbeerd door het weefselwater (ongeveer 12 keer groter dan de koolstofdioxidelaser). Deze laser, die uitstraalt in het nabije infraroodspectrum, is onzichtbaar voor het oog en moet worden gebruikt met een zichtbare geleidebalk. De laser wordt gepompt door een flitslamp en zendt macro-pulsen uit met een duur van 200-300 μs, die bestaan uit een reeks micropulsen. Deze lasers worden gebruikt met een punt bevestigd aan de scharnierstang. Een scanapparaat kan ook in het systeem worden geïntegreerd voor snellere en meer uniforme verwijdering van weefsel.

• Robijnlaser

Robijnlaser - een laser gepompt door een gepulste lamp die licht uitzendt met een golflengte van 694 nm. Deze laser, gelegen in het rode gedeelte van het spectrum, is zichtbaar met het oog. Het kan een lasersluiter hebben om korte pulsen te produceren en een diepere penetratie in het weefsel te bereiken (dieper dan 1 mm). Een long-pulse robijnlaser wordt gebruikt om bij voorkeur de haarzakjes te verwarmen tijdens laser ontharing. Deze laserstraling wordt uitgezonden door middel van spiegels en het systeem van een scharnierende stang. Het wordt slecht opgenomen door water, maar wordt sterk geabsorbeerd door melanine. Verschillende pigmenten die worden gebruikt voor tatoeages absorberen ook stralen met een golflengte van 694 nm.

• Alexandrite laser

De Alexandrite-laser, een laser in vaste toestand die kan worden opgeblazen door een flitslamp, heeft een golflengte van 755 nm. Deze golflengte, gelegen in het rode deel van het spectrum, is niet zichtbaar voor het oog en vereist daarom een geleidebalk. Het wordt geabsorbeerd door blauwe en zwarte pigmenten voor tatoeages, evenals melanine, maar niet hemoglobine. Dit is een relatief compacte laser die straling over een flexibele vezel kan uitzenden. De laser penetreert relatief diep, wat het handig maakt om haar en tatoeages te verwijderen. De spotgrootte is 7 en 12 mm.

• Diodelaser

Recent werden diodes op supergeleidende materialen direct gekoppeld met glasvezelapparaten, wat leidde tot de emissie van laserstraling met verschillende golflengten (afhankelijk van de eigenschappen van de gebruikte materialen). Diodelasers onderscheiden zich door hun prestaties. Ze kunnen inkomende elektrische energie in het licht brengen met een efficiëntie van 50%. Deze efficiëntie, geassocieerd met minder warmteontwikkeling en ingangsvermogen, maakt het mogelijk dat compacte diodelasers een ontwerp hebben dat geen grote koelsystemen bevat. Het licht wordt optisch doorgelaten.

• Gefilterde impulslamp

De gefilterde pulslamp die wordt gebruikt voor ontharing is geen laser. Integendeel, het is een intens, incoherent, impulsspectrum. Voor de emissie van licht met een golflengte van 590-1200 nm maakt het systeem gebruik van kristalfilters. De breedte en integrale dichtheid van de puls, ook variabel, voldoen aan de criteria voor selectieve fotothermolyse, waardoor dit apparaat op één lijn staat met ontharingslasers.

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