Лазеры в пластической хирургии

В начале прошлого века в публикации, озаглавленной "Квантовая теория излучения", Эйнштейн теоретически обосновал процессы, которые должны иметь место при излучении энергии лазером. Maiman в 1960 г. построил первый лазер. С тех пор началось бурное развитие лазерных технологий, приведшее к созданию разнообразных лазеров, охватывающих весь электромагнитный спектр. Далее произошло их объединение с другими технологиями, включая системы визуализации, робототехнику и компьютеры, для улучшения точности передачи лазерного излучения. В результате сотрудничества в области физики и биоинженерии медицинские лазеры как лечебные средства стали важной частью арсенала хирургов. Поначалу они были громоздки и применялись только хирургами, которые специально обучались физике лазеров. За последние 15 лет конструкция медицинских лазеров продвинулась в направлении простоты их использования, и многие хирурги изучили основы лазерной физики в процессе последипломного образования.

В этой статье обсуждаются: биофизика лазеров; взаимодействие тканей с лазерным излучением; устройства, используемые в настоящее время в пластической и реконструктивной хирургии; общие требования безопасности при работе с лазерами; вопросы дальнейшего применения лазеров при вмешательствах на коже.

Биофизика лазеров

Лазеры излучают световую энергию, которая перемещается в форме волн, аналогичных обычному свету. Длина волны - это расстояние между двумя соседними максимумами волны. Амплитуда - величина максимума, определяет интенсивность светового излучения. Частотой, или периодом световой волны, называется время, требуемое для одного полного цикла волны. Для понимания действия лазера важно рассмотреть квантовую механику. Термин "лазер" (LASER) является аббревиатурой, образованной из фразы "усиление света путем стимулированной эмиссии излучения" (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Если фотон, единица световой энергии, сталкивается с атомом, он переводит один из электронов атома на более высокий энергетический уровень. Атом в таком возбужденном состоянии становится нестабильным и снова выделяет фотон, когда электрон переходит на первоначальный, более низкий энергетический уровень. Этот процесс известен как спонтанная эмиссия. Если атом находится в высокоэнергетическом состоянии и сталкивается с еще одним фотоном, то, при переходе на низкоэнергетический уровень, он выделит два фотона, которые имеют идентичные длину волны, направление и фазу. Этот процесс, называемый стимулированной эмиссией излучения, лежит в основе понимания лазерной физики.

Независимо от типа все лазеры имеют четыре основных компонента: возбуждающий механизм или источник энергии, лазерную среду, оптическую полость или резонатор, и систему выброса. Большинство медицинских лазеров, используемых в пластической хирургии лица, имеют электрический механизм возбуждения. Некоторые лазеры (например, лазер на красителе, возбуждаемый импульсной лампой) используют в качестве механизма возбуждения свет. Другие могут использовать высокоэнергетические радиочастотные волны или химические реакции для обеспечения энергии возбуждения. Возбуждающий механизм накачивает энергию в резонансную камеру, содержащую лазерную среду, которая может представлять собой твердый, жидкий, газообразный или полупроводящий материал. Энергия, сброшенная в полость резонатора, поднимает электроны атомов лазерной среды на более высокий энергетический уровень. Когда половина атомов в резонаторе достигнет высокого возбуждения, происходит инверсия заселенности. Начинается спонтанная эмиссия, когда фотоны испускаются во всех направлениях и некоторые из них сталкиваются с уже возбужденными атомами, что приводит к стимулированной эмиссии парных фотонов. Усиление стимулированной эмиссии происходит по мере того, как фотоны, перемещающиеся по оси между зеркалами, отражаются преимущественно назад и вперед. Это приводит к последовательной стимуляции, так как эти фотоны сталкиваются с другими возбужденными атомами. Одно зеркало обладает 100% -ным отражением, а другое - частично пропускает излучаемую энергию из камеры резонатора. Эта энергия передается биологическим тканям системой выброса. У большинства лазеров она волоконно-оптическая. Заметным исключением является С02-лазер, имеющий систему зеркал на шарнирной штанге. Для С02-лазера имеются световоды, но они ограничивают размер пятна и выходную энергию.

Свет лазера по сравнению с обычным светом более организован и качественно интенсивен. Так как лазерная среда является однородной, фотоны, выделяемые при стимулированной эмиссии, имеют одну длину волны, что создает монохроматичность. Обычно свет сильно рассеивается по мере отдаления от источника. Лазерный свет коллимированный: он мало рассеивается, обеспечивая постоянную интенсивность энергии на большом расстоянии. Фотоны лазерного света не только двигаются в одном направлении, они имеют одну и ту же временную и пространственную фазу. Это называется когеренцией. Свойства монохроматичности, коллимации и когерентности отличают лазерный свет от неупорядоченной энергии обычного света.

Взаимодействие лазера с тканями

Спектр воздействий лазера на биологические ткани распространяется от модуляции биологических функций до выпаривания. Большинство клинически используемых взаимодействий лазера с тканями касается термических возможностей коагулировать или выпаривать. В будущем лазеры могут быть использованы не как источники тепла, а как зонды для управления клеточными функциями без побочных цитотоксических эффектов.

Воздействие обычного лазера на ткань зависит от трех факторов: тканевого поглощения, длины волны лазера и плотности энергии лазера. Когда лазерный луч сталкивается с тканью, его энергия может быть поглощена, отражена, передана или рассеяна. При любом взаимодействии ткани и лазера в различной степени происходят все четыре процесса, из которых поглощение является наиболее важным. Степень поглощения зависит от содержания в ткани хромофора. Хромофоры это вещества, которые эффективно поглощают волны определенной длины. Например, энергия С02-лазера поглощается мягкими тканями тела. Это происходит из-за того, что длина волны, соответствующая С02, хорошо абсорбируется молекулами воды, которые составляют до 80% мягких тканей. Напротив С02-лазер минимально поглощается костью, что обусловлено низким содержанием воды в костной ткани. Изначально, когда ткань поглощает лазерную энергию, ее молекулы начинают вибрировать. Поглощение дополнительной энергии вызывает денатурацию, коагуляцию и, наконец, испарение белка (вапоризацию).

Когда лазерная энергия отражается тканью, последняя не повреждается, так как направление излучения на поверхности изменяется. Также, если лазерная энергия проходит сквозь поверхностные ткани в глубокий слой, промежуточная ткань не затрагивается. Если лазерный луч рассеивается в ткани, энергия не поглощается на поверхности, а случайным образом распределяется в глубоких слоях.

Третий фактор, касающийся взаимодействия тканей с лазером, это плотность энергии. При взаимодействии лазера и ткани, когда все остальные факторы постоянны, изменение размера пятна или времени экспозиции может влиять на состояние ткани. Если размер пятна лазерного луча уменьшается, мощность, действующая на определенный объем ткани, увеличивается. Наоборот, если размер пятна увеличивается, плотность энергии лазерного луча уменьшается. Для изменения размера пятна можно фокусировать, префокусировать или расфокусировать систему выброса на ткани. При префокусировании и расфокусировании лучей размер пятна больше, чем фокусированного луча, что приводит к меньшей плотности мощности.

Другим способом изменения тканевых эффектов является пульсация лазерной энергии. Все импульсные режимы излучения перемежают периоды включения и выключения энергии. Так как энергия не достигает ткани во время периодов отключения, имеется возможность рассеивания тепла. Если периоды отключения длительнее времени тепловой релаксации ткани-мишени, вероятность повреждения окружающей ткани путем теплопроведения уменьшается. Время тепловой релаксации - это количество времени, требующееся для рассеивания половины тепла объекта. Отношение продолжительности активного промежутка к сумме активного и пассивного промежутков пульсации называется рабочим циклом.

Рабочий цикл = вкл/вкл + выкл

Существуют разнообразные импульсные режимы. Энергия может выдаваться порциями путем установки периода, когда лазер излучает (например, ОД с). Энергия может перекрываться, когда постоянная волна блокируется через определенные интервалы механической заслонкой. В суперимпульсном режиме энергия не просто блокируется, а сохраняется в источнике энергии лазера на протяжении периода выключения, а затем выбрасывается во время периода включения. То есть пиковая энергия в суперимпульсном режиме значительно превышает таковую в постоянном режиме или режиме перекрытия.

В лазере, генерирующем в режиме гигантских импульсов, энергия также сохраняется во время периода выключения, но в лазерной среде. Это достигается с помощью механизма заслонки в камере резонатора между двумя зеркалами. Закрытая заслонка предотвращает генерацию в лазере, но позволяет энергии сохраняться с каждой стороны заслонки. Когда заслонка открыта, зеркала взаимодействуют, вызывая образование высокоэнергетического лазерного луча. Пиковая энергия лазера, генерирующего в режиме гигантских импульсов, очень высока при коротком рабочем цикле. Лазер с синхронизованными модами сходен с лазером, генерирующим в режиме гигантских импульсов, в том, что между двумя зеркалами в камере резонатора имеется заслонка. Лазер с синхронизованными модами открывает и закрывает свою заслонку синхронизированно со временем, требуемым для отражения света между двумя зеркалами.

Характеристики лазеров

• Углекислотный лазер

Углекислотный лазер наиболее часто используется в оториноларингологии/хирургии головы и шеи. Длина его волны составляет 10,6 нм - невидимая волна дальней инфракрасной области спектра электромагнитного излучения. Наведение по лучу гелий-неонового лазера необходимо для того, чтобы хирург видел область воздействия. Лазерной средой является С02. Его длина волны хорошо поглощается молекулами воды в ткани. Эффекты поверхностны из-за высокого поглощения и минимального рассеивания. Излучение может передаваться только через зеркала и специальные линзы, размещенные на шарнирной штанге. Коленчатая штанга может прикрепляться к микроскопу для прецизионной работы под увеличением. Энергия может также выбрасываться через фокусирующую рукоятку, прикрепленную к шарнирной штанге.

• Nd: YAG лазер

Длина волны Nd:YAG (иттрий-алюминиевый гранат с неодимом) лазера равна 1064 нм, то есть находится в околоинфракрасной области. Она невидима человеческим глазом и требует наводящего гелий-неонового лазерного луча. Лазерной средой является иттрий-алюминиевый гранат с неодимом. Большинство тканей организма плохо поглощает эту длину волны. Однако пигментированная ткань абсорбирует ее лучше, чем непигментированная. Энергия передается через поверхностные слои большинства тканей и рассеивается в глубоких слоях.

По сравнению с углекислотный лазером, рассеивание Nd:YAG значительно больше. Поэтому глубина проникновения больше и Nd:YAG хорошо подходит для коагуляции глубоко лежащих сосудов. В эксперименте максимальная глубина коагуляции составляет около 3 мм (температура коагуляции +60 °С). Сообщалось о хороших результатах лечения глубоких околоротовых капиллярных и кавернозных образований с помощью Nd:YAG лазера. Также имеется сообщение об успешной лазерной фотокоагуляции гемангиом, лимфангиом и артериовенозных врожденных образований. Однако большая глубина проникновения и неизбирательное разрушение предрасполагают к увеличению послеоперационного рубцевания. Клинически это минимизируется путем безопасных установок мощности, точечного подхода к очагу и избегания обработки областей кожи. На практике использование темно-красного Nd:YAG лазера было практически заменено лазерами с длиной волны, лежащей в желтой части спектра. Однако он применяется как вспомогательный лазер при узловых образованиях темно-красного цвета (цвета портвейна).

Было показано, что Nd:YAG лазер подавляет выработку коллагена, как в культуре фибробластов, так и в нормальной коже in vivo. Это предполагает успех применения этого лазера в лечении гипертрофических рубцов и келоидов. Но клинически частота рецидивов после иссечения келоидов высока, несмотря на мощное дополнительное местное лечение стероидами.

• Контактный Nd: YAG лазер

Применение Nd:YAG лазера в контактном режиме значительно изменяет физические свойства и поглотительную способность излучения. Контактный наконечник состоит из кристалла сапфира или кварца, непосредственно прикрепленного к концу лазерного волокна. Контактный наконечник взаимодействует непосредственно с кожей и работает как термический скальпель, режущий и коагулирующий одновременно. Существуют сообщения о применении контактного наконечника при широком спектре вмешательств на мягких тканях. Эти применения ближе к таковым электрокоагуляции, чем бесконтактного режима Nd:YAG. В основном, хирурги сейчас используют присущие лазеру длины волн не для резания тканей, а для нагревания наконечника. Поэтому принципы взаимодействия лазера с тканями здесь не применимы. Время ответа на контактный лазер находится не в такой прямой зависимости, как при использовании свободного волокна, и поэтому существует период запаздывания для нагревания и остывания. Однако с опытом этот лазер становится удобным для выделения кожных и мышечных лоскутов.

• Аргоновый лазер

Аргоновый лазер испускает видимые волны с длиной 488-514 нм. Из-за конструкции камеры резонатора и молекулярной структуры лазерной среды этот тип лазера выдает длинноволновой диапазон. Отдельные модели могут иметь фильтр, ограничивающий излучение какой-либо одной длиной волны. Энергия аргонового лазера хорошо поглощается гемоглобином, а его рассеивание промежуточно между углекислотный и Nd:YAG лазером. Системой излучения для аргонового лазера является волоконноопти-ческий носитель. Из-за большого поглощения гемоглобином сосудистые новообразования кожи также поглощают энергию лазера.

• КТФ лазер

КТФ (калий титанил фосфатный) лазер представляет собой Nd:YAG лазер, чья частота удвоена (длина волны уменьшена в два раза) за счет прохождения лазерной энергии через К Т Ф кристалл. Это дает зеленый свет (длина волны 532 нм), который соответствует пику абсорбции гемоглобином. Его проникновение в ткани и рассеивание сходно с таковым аргонового лазера. Лазерная энергия передается волокном. В бесконтактном режиме лазер испаряет и коагулирует. В полуконтактном режиме кончик волокна едва касается ткани и становится режущим инструментом. Чем больше используемая энергия, тем в большей степени лазер действует как термический нож, аналогично угле-кислотному лазеру. Установки с более низкой энергией используются преимущественно для коагуляции.

• Лазер на красителе, возбуждаемый импульсной лампой

Лазер на красителе, возбуждаемый импульсной лампой, был первым медицинским лазером, специально разработанным для лечения доброкачественных сосудистых новообразований кожи. Это лазер видимого света с длиной волны 585 нм. Эта длина волны совпадает с третьим пиком абсорбции оксигемоглобином, и поэтому энергия этого лазера преимущественно поглощается гемоглобином. В интервале 577-585 нм также меньше поглощение конкурирующими хромофорами, такими как меланин, и меньше рассеивание лазерной энергии в дерме и эпидермисе. Лазерной средой служит краситель родамин, который оптически возбуждается импульсной лампой, а системой излучения является волоконнооптический носитель. Наконечник лазера на красителе имеет сменную систему линз, которая позволяет создавать размер пятна 3, 5, 7 или 10 мм. Лазер пульсирует с периодом 450 мс. Этот показатель пульсации был выбран на основании времени тепловой релаксации эктазированных сосудов, обнаруживаемых в доброкачественных сосудистых новообразованиях кожи.

• Лазер на парах меди

Лазер на парах меди дает видимое излучение, имеющее две отдельные длины волны: импульсную зеленую волну длиной 512 нм и импульсную желтую волну длиной 578 нм. Лазерная среда - медь, которая возбуждается (испаряется) электрически. Фиброволоконная система передает энергию в наконечник, который имеет изменяемый размер пятна 150-1000 мкм. Время экспозиции колеблется от 0,075 с до постоянного. Время между импульсами также варьирует от 0,1 с до 0,8 с. Желтый свет лазера на парах меди используется для лечения доброкачественных сосудистых образований на лице. Зеленая волна может применяться для лечения таких пигментных образований, как веснушки, лентиго, невусы и кератоз.

• Незатухающий желтый лазер на красителе

Желтый лазер на красителе с незатухающей волной является лазером видимого света, вырабатывающим желтый свет с длиной волны 577 н м . Как и лазер н а красителе, возбуждаемый импульсной лампой, он настраивается путем изменения красителя в камере активации лазера. Краситель возбуждается аргоновым лазером. Системой выброса для этого лазера я вляе тс я также волоконнооптический кабель, который можно фокусировать на разные размеры пятна. Свет лазера может пульсировать при использовании механической заслонки или наконечника Hexascanner, присоединяемого к концу волоконнооптический системы. Hexascanner бессистемно направляет импульсы лазерной энергии внутри шестиугольного контура. Как лазер на красителе, возбуждаемый импульсной лампой, и лазер на парах меди, желтый лазер на красителе с незатухающей волной идеально подходит для лечения доброкачественных сосудистых образований на лице.

• Эрбиевый лазер

Эрбий:УАС лазер использует полосу спектра поглощения водой 3000 нм. Его длина волны 2940 нм соответствует этому пику и сильно поглощается тканевой водой (примерно в 12 раз бо льше, ч ем углекислотный лазер). Этот лазер, излучающий в околоинфракрасном спектре, невидим глазом и должен использоваться с видимым наводящим лучом. Лазер накачивается импульсной лампой и испускает макроимпульсы продолжительностью 200-300 мкс, которые состоят из серий микроимпульсов. Эти лазеры используются с наконечником, прикрепленным к шарнирной штанге. В систему может также быть встроено сканирующее устройство для более быстрого и равномерного удаления ткани.

• Рубиновый лазер

Рубиновый лазер - накачиваемый импульсной лампой лазер, испускающий свет с длиной волны 694 нм. Этот лазер, находящийся в красной области спектра, видим глазом. Он может иметь лазерный затвор для получения коротких импульсов и достижения более глубокого проникновения в ткани (глубже 1 мм). Длинноимпульсный рубиновый лазер используется для преимущественного нагревания волосяных фолликулов при лазерной эпиляции. Это лазерное излучение передается с помощью зеркал и системы шарнирной штанги. Он плохо поглощается водой, но сильно поглощается меланином. Различные пигменты, используемые для татуировок, также поглощают лучи с длиной волны 694 нм.

• Александритовый лазер

Александритовый лазер, твердотельный лазер, который может накачиваться импульсной лампой, имеет длину волны 755 нм. Эта длина волны, находящаяся в красной части спектра, не видна глазом и поэтому требует наводящего луча. Он поглощается синими и черными пигментами для татуировки, а также меланином, но не гемоглобином. Это относительно компактный лазер, который может передавать излучение по гибкому световоду. Лазер проникает относительно глубоко, что делает его удобным для удаления волос и татуировок. Размер пятна составляет 7 и 12 мм.

• Диодный лазер

Недавно диоды на сверхпроводящих материалах были непосредственно сопряжены с волоконнооптическими устройствами, что привело к эмиссии лазерного излучения с различными длинами волн (зависящими от характеристик используемых материалов). Диодные лазеры отличаются их производительностью. Они могут переводить входящую электрическую энергию в свет с эффективностью 50% . Эта эффективность, связанная с меньшим выделением тепла и входной мощностью, позволяет компактным диодным лазерам иметь конструкцию, лишенную больших систем охлаждения. Свет передается волоконно-оптически.

• Фильтруемая импульсная лампа

Фильтруемая импульсная лампа, используемая для удаления волос, не является лазером. Напротив, это интенсивный, некогерентный, импульсный спектр. Для излучения света с длиной волны 590-1200 нм система использует кристаллические фильтры. Ширина и интегральная плотность импульса, также изменяемые, удовлетворяют критериям для избирательного фототермолиза, что ставит это устройство в один ряд с лазерами для удаления волос.

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