Laserit plastiikkakirurgiassa

Viime vuosisadan alussa Einstein selitti teoreettisesti laserin lähettämän energian prosessit artikkelissa "Säteilyn kvanttiteoria". Maiman rakensi ensimmäisen laserin vuonna 1960. Sittemmin laserteknologia on kehittynyt nopeasti, ja sillä on tuotettu erilaisia lasereita, jotka kattavat koko sähkömagneettisen spektrin. Niitä on sittemmin yhdistetty muihin tekniikoihin, kuten kuvantamisjärjestelmiin, robotiikkaan ja tietokoneisiin, laserin säteilyn tarkkuuden parantamiseksi. Fysiikan ja biotekniikan yhteistyön ansiosta lääketieteellisistä lasereista on tullut tärkeä osa kirurgien terapeuttisia työkaluja. Aluksi ne olivat kookkaita ja niitä käyttivät vain kirurgit, jotka olivat saaneet erityiskoulutuksen laserfysiikassa. Viimeisten 15 vuoden aikana lääketieteellisten lasereiden suunnittelu on kehittynyt helpommaksi käyttää, ja monet kirurgit ovat oppineet laserfysiikan perusteet osana jatko-opintojaan.

Tässä artikkelissa käsitellään: lasereiden biofysiikkaa; kudosten vuorovaikutusta lasersäteilyn kanssa; plastiikkakirurgiassa ja rekonstruktiivisessa kirurgiassa tällä hetkellä käytettäviä laitteita; yleisiä turvallisuusvaatimuksia lasereiden kanssa työskenneltäessä; lasereiden jatkokäytön kysymyksiä ihotoimenpiteissä.

Laserien biofysiikka

Laserit lähettävät valoenergiaa, joka kulkee tavallisen valon kaltaisina aaltoina. Aallonpituus on kahden vierekkäisen aallon huipun välinen etäisyys. Amplitudi on huipun koko, joka määrittää valon voimakkuuden. Valoaallon taajuus eli periodi on aika, joka aallolta kuluu yhden syklin suorittamiseen. Laserin toiminnan ymmärtämiseksi on tärkeää ymmärtää kvanttimekaniikkaa. Termi LASER on lyhenne sanoista Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (valon vahvistus stimuloidulla säteilyllä). Kun fotoni, valoenergian yksikkö, osuu atomiin, se aiheuttaa yhden atomin elektroneista hyppäämisen korkeammalle energiatasolle. Atomi muuttuu epävakaaksi tässä viritystilassa, ja fotoni vapautuu, kun elektroni putoaa takaisin alkuperäiselle, alemmalle energiatasolleen. Tätä prosessia kutsutaan spontaaniksi emissioksi. Jos atomi on korkeaenergisessä tilassa ja törmää toiseen fotoniin, se vapauttaa kaksi fotonia, joilla on identtinen aallonpituus, suunta ja vaihe, kun se palaa matalaenergiseen tilaan. Tätä prosessia, jota kutsutaan stimuloiduksi säteilyemissioksi, on olennainen laserfysiikan ymmärtämisen kannalta.

Tyypistä riippumatta kaikissa lasereissa on neljä peruskomponenttia: viritysmekanismi tai energialähde, laserväliaine, optinen ontelo tai resonaattori ja ulostyöntöjärjestelmä. Useimmissa kasvojen plastiikkakirurgiassa käytettävissä lääketieteellisissä lasereissa on sähköinen viritysmekanismi. Jotkut laserit (kuten salamavalaisimella viritetty väriainelaser) käyttävät valoa viritysmekanismina. Toiset voivat käyttää korkeaenergisiä radiotaajuusaaltoja tai kemiallisia reaktioita viritysenergian tuottamiseen. Viritysmekanismi pumppaa energiaa resonanssikammioon, joka sisältää laserväliaineen, joka voi olla kiinteää, nestemäistä, kaasumaista tai puolijohdemateriaalia. Resonaattorin onteloon syötetty energia nostaa laserväliaineen atomien elektronit korkeammalle energiatasolle. Kun puolet resonaattorin atomeista on erittäin virittyneitä, tapahtuu populaatioinversio. Spontaani emissio alkaa, kun fotoneja emittoituu kaikkiin suuntiin ja jotkut törmäävät jo virittyneisiin atomeihin, mikä johtaa paritettujen fotonien stimuloituun emissioon. Stimuloitu emissio tehostuu, kun peilien välistä akselia pitkin kulkevat fotonit heijastuvat ensisijaisesti edestakaisin. Tämä johtaa peräkkäiseen stimulaatioon, kun nämä fotonit törmäävät muihin virittyneisiin atomeihin. Toinen peili on 100 % heijastava, kun taas toinen peili osittain läpäisee resonaattorikammiosta lähtevän energian. Tämä energia siirretään biologiseen kudokseen ejektiojärjestelmän avulla. Useimmissa lasereissa tämä on kuituoptiikkaa. Merkittävä poikkeus on CO2-laser, jossa on saranallisessa varressa oleva peilijärjestelmä. CO2-laserille on saatavilla optisia kuituja, mutta ne rajoittavat pisteen kokoa ja lähtöenergiaa.

Laservalo on järjestelmällisempää ja laadullisesti intensiivisempää kuin tavallinen valo. Koska laserväliaine on homogeeninen, stimuloidun emission lähettämillä fotoneilla on yksi aallonpituus, mikä luo monokromaattisuutta. Normaalisti valo siroaa voimakkaasti liikkuessaan poispäin lähteestä. Laservalo on kollimoitua: se siroaa vähän, mikä tarjoaa vakion energiaintensiteetin suurella etäisyydellä. Laservalon fotonit eivät ainoastaan liiku samaan suuntaan, vaan niillä on sama ajallinen ja spatiaalinen vaihe. Tätä kutsutaan koherenssiksi. Monokromaattisuuden, kollimaation ja koherenssin ominaisuudet erottavat laservalon tavallisen valon epäjärjestyneestä energiasta.

Laser-kudosvuorovaikutus

Laservaikutusten kirjo biologisiin kudoksiin ulottuu biologisten toimintojen moduloinnista höyrystämiseen. Useimmat kliinisesti käytetyt laserin ja kudoksen väliset vuorovaikutukset koskevat lämpökykyä koaguloida tai höyrystää. Tulevaisuudessa lasereita voidaan käyttää lämmönlähteiden sijaan luotaimina solujen toimintojen ohjaamiseksi ilman sytotoksisia sivuvaikutuksia.

Perinteisen laserin vaikutus kudokseen riippuu kolmesta tekijästä: kudosabsorptiosta, laserin aallonpituudesta ja laserin energiatiheydestä. Kun lasersäde osuu kudokseen, sen energia voi absorboitua, heijastua, läpäistä tai sirota. Kaikki neljä prosessia tapahtuvat vaihtelevassa määrin missä tahansa kudos-laserin vuorovaikutuksessa, joista absorptio on tärkein. Absorptioaste riippuu kudoksen kromoforipitoisuudesta. Kromoforit ovat aineita, jotka absorboivat tehokkaasti tietyn pituisia aaltoja. Esimerkiksi CO2-laserin energia absorboituu kehon pehmytkudoksiin. Tämä johtuu siitä, että vesimolekyylit, jotka muodostavat jopa 80 % pehmytkudoksesta, absorboivat hyvin CO2:ta vastaavan aallonpituuden. Sitä vastoin CO2-laserin absorptio on minimaalista luukudoksen alhaisen vesipitoisuuden vuoksi. Aluksi, kun kudos absorboi laserenergiaa, sen molekyylit alkavat värähdellä. Lisäenergian absorptio aiheuttaa proteiinin denaturoitumista, koagulaatiota ja lopulta haihtumista (höyrystymistä).

Kun lasersäde heijastuu kudoksesta, kudos ei vaurioidu, koska säteilyn suunta pinnalla muuttuu. Myöskään jos lasersäde kulkee pinnallisten kudosten läpi syvempään kerrokseen, välikudos ei kärsi. Jos lasersäde siroaa kudokseen, energia ei absorboidu pintaan, vaan jakautuu satunnaisesti syvempiin kerroksiin.

Kolmas kudoksen ja laserin vuorovaikutukseen liittyvä tekijä on energiatiheys. Laserin ja kudoksen vuorovaikutuksessa, kun kaikki muut tekijät pysyvät vakioina, täplän koon tai valotusajan muuttaminen voi vaikuttaa kudoksen tilaan. Jos lasersäteen täplän koko pienenee, tiettyyn kudostilavuuteen vaikuttava teho kasvaa. Käänteisesti, jos täplän koko kasvaa, lasersäteen energiatiheys pienenee. Täplän koon muuttamiseksi kudoksen säteilyjärjestelmää voidaan fokusoida, esifokusoida tai defokusoida. Esifokusoiduissa ja defokusoiduissa säteissä täplän koko on suurempi kuin fokusoidun säteen koko, mikä johtaa pienempään tehotiheyteen.

Toinen tapa vaihdella kudosvaikutuksia on laserenergian pulssaaminen. Kaikissa pulssimoodissa vuorottelevat päällä- ja poiskytkentäjaksot. Koska energia ei saavuta kudosta poiskytkentäjaksojen aikana, lämmöllä on mahdollisuus haihtua. Jos poiskytkentäjaksot ovat pidempiä kuin kohdekudoksen terminen relaksaatioaika, ympäröivän kudoksen vaurioitumisen todennäköisyys johtumisen vuoksi pienenee. Terminen relaksaatioaika on aika, joka tarvitaan, että puolet kohteen lämmöstä haihtuu. Aktiivisen aikavälin suhdetta aktiivisen ja passiivisen pulsaatiovälien summaan kutsutaan käyttösuhteeksi.

Käyttösuhde = päällä/päällä + pois

Pulssitiloja on erilaisia. Energiaa voidaan vapauttaa purskeina asettamalla laserin säteilyaika (esim. 10 sekuntia). Energiaa voidaan estää, jolloin mekaaninen suljin estää vakioaallon tietyin väliajoin. Superpulssitilassa energiaa ei yksinkertaisesti estetä, vaan se varastoidaan laserin energialähteeseen poiskytkentäjakson aikana ja sitten vapautetaan päälläolojakson aikana. Toisin sanoen huippuenergia superpulssitilassa on huomattavasti korkeampi kuin vakio- tai estotilassa.

Jättimäisessä pulssilaserissa energiaa varastoidaan myös sammutusjakson aikana, mutta laserväliaineessa. Tämä saavutetaan suljinmekanismilla ontelokammiossa kahden peilin välissä. Kun suljin on suljettu, laser ei laseroi, vaan energiaa varastoituu sulkimen molemmille puolille. Kun suljin on auki, peilit vuorovaikuttavat ja tuottavat korkeaenergisen lasersäteen. Jättimäisen pulssilaserin huippuenergia on erittäin korkea ja sen käyttösuhde on lyhyt. Moodilukittu laser on samanlainen kuin jättimäinen pulssilaser siinä, että ontelokammion kahden peilin välissä on suljin. Moodilukittu laser avautuu ja sulkee sulkimensa synkronoituna ajan kanssa, joka valon heijastumiseen kahden peilin välistä kuluu.

Laserien ominaisuudet

• Hiilidioksidilaser

Hiilidioksidilaseria käytetään yleisimmin otolaryngologiassa/pään ja kaulan kirurgiassa. Sen aallonpituus on 10,6 nm, näkymätön aalto sähkömagneettisen spektrin kaukoinfrapuna-alueella. Ohjaus helium-neon-lasersäteellä on välttämätöntä, jotta kirurgi voi nähdä toiminta-alueen. Laserväliaine on CO2. Sen aallonpituus absorboituu hyvin kudoksen vesimolekyyleihin. Vaikutukset ovat pinnallisia korkean absorption ja minimaalisen sironnan vuoksi. Säteily voi välittyä vain nivellettyyn tankoon sijoitettujen peilien ja erikoislinssien läpi. Kampivarsi voidaan kiinnittää mikroskooppiin tarkkuustöitä varten suurennoksen alla. Energiaa voidaan myös poistaa nivellettyyn tankoon kiinnitetyn tarkennuskahvan kautta.

• Nd:YAG-laser

Nd:YAG-laserin (yttrium-alumiini-granaatti ja neodyymi) aallonpituus on 1064 nm eli se on lähi-infrapuna-alueella. Se on ihmissilmälle näkymätön ja vaatii ohjaavan helium-neonlasersäteen. Laserväliaine on yttrium-alumiini-granaatti ja neodyymi. Useimmat kehon kudokset absorboivat tätä aallonpituutta huonosti. Pigmentoitu kudos absorboi sitä kuitenkin paremmin kuin pigmentoimaton kudos. Energia kulkee useimpien kudosten pintakerrosten läpi ja haihtuu syvempiin kerroksiin.

Hiilidioksidilaseriin verrattuna Nd:YAG:n sironta on merkittävästi suurempi. Siksi tunkeutumissyvyys on suurempi ja Nd:YAG soveltuu hyvin syvien verisuonten koagulaatioon. Kokeessa suurin koagulaatiosyvyys oli noin 3 mm (koagulaatiolämpötila +60 °C). Nd:YAG-laserilla on raportoitu hyviä tuloksia syvien perioraalisten kapillaari- ja kavernoottisten muodostumien hoidossa. On myös raportti hemangioomien, lymfangioomien ja arteriovenoosien synnynnäisten muodostumien onnistuneesta laserfotokoagulaatiosta. Suurempi tunkeutumissyvyys ja epäselektiivinen tuhoaminen altistavat kuitenkin lisääntyneelle leikkauksen jälkeiselle arpeutumiselle. Kliinisesti tätä minimoidaan turvallisilla tehoasetuksilla, pistemäisellä lähestymisellä leesioon ja ihoalueiden hoidon välttämisellä. Käytännössä tummanpunaisen Nd:YAG-laserin käyttö on käytännössä korvattu lasereilla, joiden aallonpituus on spektrin keltaisella osalla. Sitä käytetään kuitenkin adjuvanttina tummanpunaisten (portviininpunaisten) nodulaaristen leesioiden hoidossa.

Nd:YAG-laserin on osoitettu estävän kollageenin tuotantoa sekä fibroblastiviljelmässä että normaalissa ihossa in vivo. Tämä viittaa menestykseen hypertrofisten arpien ja keloidien hoidossa. Kliinisesti keloidien poiston jälkeinen uusiutumisaste on kuitenkin korkea, huolimatta tehokkaasta paikallisesta steroidihoidosta.

• Ota yhteyttä Nd:YAG-laseriin

Nd:YAG-laserin käyttö kosketustilassa muuttaa merkittävästi säteilyn fysikaalisia ominaisuuksia ja absorptiota. Kosketuskärki koostuu safiiri- tai kvartsikiteestä, joka on kiinnitetty suoraan laserkuidun päähän. Kosketuskärki on suorassa vuorovaikutuksessa ihon kanssa ja toimii lämpöveitsenä, leikkaamalla ja koaguloimalla samanaikaisesti. Kosketuskärjen käytöstä on raportteja monenlaisissa pehmytkudostoimenpiteissä. Nämä sovellukset ovat lähempänä elektrokoagulaatiota kuin kosketukseton Nd:YAG-tila. Yleisesti ottaen kirurgit käyttävät nykyään laserin omia aallonpituuksia kudoksen leikkaamisen sijaan kärjen lämmittämiseen. Siksi laserin ja kudoksen vuorovaikutuksen periaatteet eivät sovellu tähän. Kosketuslaserin vasteaika ei ole yhtä suoraan verrannollinen kuin vapaan kuidun tapauksessa, ja siksi lämmityksessä ja jäähdytyksessä on viive. Kokemuksen myötä tästä laserista tulee kuitenkin kätevä iho- ja lihasläppäreiden eristämiseen.

• Argonlaser

Argonlaser lähettää näkyviä aaltoja, joiden pituus on 488–514 nm. Resonaattorikammion rakenteen ja laserväliaineen molekyylirakenteen ansiosta tämäntyyppinen laser tuottaa pitkän aallonpituuden. Joissakin malleissa voi olla suodatin, joka rajoittaa säteilyn yhteen aallonpituuteen. Argonlaserin energia absorboituu hyvin hemoglobiiniin, ja sen sironta on hiilidioksidi- ja Nd:YAG-laserin välillä. Argonlaserin säteilyjärjestelmä on kuituoptinen kantaja. Hemoglobiinin suuren absorption vuoksi ihon verisuonikasvaimet absorboivat myös laserenergiaa.

• KTF-laser

KTP (kaliumtitanyylifosfaatti) -laser on Nd:YAG-laser, jonka taajuus kaksinkertaistetaan (aallonpituus puolittuu) johtamalla laserenergia KTP-kiteen läpi. Tämä tuottaa vihreää valoa (aallonpituus 532 nm), joka vastaa hemoglobiinin absorptiohuippua. Sen kudosläpäisy ja sironta ovat samanlaisia kuin argonlaserin. Laserenergia välittyy kuidun kautta. Kosketuksettomassa tilassa laser höyrystyy ja koaguloituu. Puolikontaktisessa tilassa kuidun kärki tuskin koskettaa kudosta ja siitä tulee leikkausinstrumentti. Mitä suurempi energia on käytössä, sitä enemmän laser toimii lämpöveitsenä, samalla tavalla kuin hiilidioksidilaser. Pienemmän energian yksiköitä käytetään pääasiassa koagulaatioon.

• Salamalampun virittynyt värilaser

Salamavalolla viritetty värilaser oli ensimmäinen lääketieteellinen laser, joka oli erityisesti suunniteltu ihon hyvänlaatuisten verisuonivaurioiden hoitoon. Se on näkyvän valon laser, jonka aallonpituus on 585 nm. Tämä aallonpituus on sama kuin oksihemoglobiinin kolmas absorptiohuippu, ja siksi hemoglobiini absorboi laserin energian pääasiassa. Aallonpituusalueella 577–585 nm kilpailevat kromoforit, kuten melaniini, absorboivat vähemmän valoa ja laserenergian sironta dermiksessä ja epidermiksessä on vähäisempää. Laserväliaine on rodamiiniväriaine, joka viritetään optisesti salamavalolla, ja emissiojärjestelmä on kuituoptinen kantaja. Värilaserkärjessä on vaihdettava linssijärjestelmä, jonka avulla voidaan luoda 3, 5, 7 tai 10 mm:n kokoisia täpliä. Laserpulssien jakso on 450 ms. Tämä pulssi-indeksi valittiin ihon hyvänlaatuisissa verisuonivaurioissa esiintyvien ektaattisten verisuonten lämpörelaksaatioajan perusteella.

• Kuparihöyrylaser

Kuparihöyrylaser tuottaa näkyvää valoa kahdella eri aallonpituudella: pulssimaisen vihreän aallon 512 nm ja pulssimaisen keltaisen aallon 578 nm. Laserväliaine on kupari, joka viritetään (höyrystetään) sähköisesti. Kuitujärjestelmä välittää energiaa kärkeen, jonka pistekoko vaihtelee 150–1000 µm:n välillä. Valotusaika vaihtelee 0,075 sekunnista vakioon. Pulssien välinen aika vaihtelee myös 0,1 sekunnista 0,8 sekuntiin. Kuparihöyrylaserin keltaista valoa käytetään kasvojen hyvänlaatuisten verisuonimuutosten hoitoon. Vihreää aaltoa voidaan käyttää pigmentoituneiden vaurioiden, kuten pisamien, lentigiinien, luomien ja keratoosien, hoitoon.

• Haalistumaton keltainen värilaser

Keltainen jatkuvatoiminen värilaser on näkyvän valon laser, joka tuottaa keltaista valoa, jonka aallonpituus on 577 nm. Kuten salamavalolla viritetty värilaser, sitä viritetään muuttamalla laserin aktivointikammiossa olevaa väriainetta. Väriaine viritetään argonlaserilla. Tämän laserin ulostyöntöjärjestelmä on myös valokuitukaapeli, jota voidaan kohdistaa erikokoisiin täpliin. Laservaloa voidaan pulssata mekaanisella sulkimella tai Hexascanner-kärjellä, joka kiinnitetään valokuitujärjestelmän päähän. Hexascanner suuntaa laserenergiapulsseja satunnaisesti kuusikulmaiseen kuvioon. Salamavalolla viritettyjen värilasereiden ja kuparihöyrylasereiden tavoin keltainen jatkuvatoiminen värilaser sopii erinomaisesti kasvojen hyvänlaatuisten verisuonivaurioiden hoitoon.

• Erbium-laser

Erbium:UAS-laser käyttää veden 3000 nm:n absorptiokaistaa. Sen 2940 nm:n aallonpituus vastaa tätä huippua ja kudosvesi absorboi sen voimakkaasti (noin 12 kertaa enemmän kuin CO2-laser). Tämä lähi-infrapunalaser on silmälle näkymätön ja sitä on käytettävä näkyvän tähtäyssäteen kanssa. Salamavalo pumppaa laseria, ja se lähettää 200–300 μs:n pituisia makropulsseja, jotka koostuvat sarjasta mikropulsseja. Näitä lasereita käytetään nivellettyyn käsikappaleeseen kiinnitetyn osan kanssa. Järjestelmään voidaan integroida myös skannauslaite nopeampaa ja tasaisempaa kudospoistoa varten.

• Rubiinilaser

Rubiinilaser on salamalampulla pumpattava laser, joka lähettää valoa 694 nm:n aallonpituudella. Tämä spektrin punaisella alueella oleva laser on silmällä näkyvä. Siinä voi olla lasersuljin, joka tuottaa lyhyitä pulsseja ja saavuttaa syvemmän kudostunkeutumisen (syvemmälle kuin 1 mm). Pitkäpulssista rubiinilaseria käytetään ensisijaisesti karvatuppien lämmittämiseen laserkarvanpoistossa. Tämä laservalo lähetetään peilien ja nivelletyn puomijärjestelmän avulla. Vesi absorboi sitä huonosti, mutta melaniini absorboi sitä voimakkaasti. Erilaiset tatuoinneissa käytettävät pigmentit absorboivat myös 694 nm:n säteitä.

• Aleksandriittilaser

Aleksandriittilaser on salamalampulla pumpattava kiinteän olomuodon laser, jonka aallonpituus on 755 nm. Tämä spektrin punaisella alueella oleva aallonpituus ei ole silmälle näkyvä ja vaatii siksi ohjaussäteen. Siniset ja mustat tatuointipigmentit sekä melaniini absorboivat sen, mutta eivät hemoglobiinia. Se on suhteellisen kompakti laser, joka voi lähettää säteilyä joustavan valonohjaimen läpi. Laser tunkeutuu suhteellisen syvälle, joten se soveltuu karvojen ja tatuointien poistoon. Säteiden koot ovat 7 ja 12 mm.

• Diodilaser

Viime aikoina suprajohtavien materiaalien diodit on kytketty suoraan valokuitulaitteisiin, mikä johtaa laservalon emittoimiseen eri aallonpituuksilla (käytettyjen materiaalien ominaisuuksista riippuen). Diodilaserit erottuvat hyötysuhteeltaan. Ne pystyvät muuttamaan tulevan sähköenergian valoksi 50 %:n hyötysuhteella. Tämä hyötysuhde yhdistettynä pienempään lämmöntuotantoon ja syöttötehoon mahdollistaa kompaktien diodilasereiden suunnittelun ilman suuria jäähdytysjärjestelmiä. Valo lähetetään valokuidun kautta.

• Suodatettu salamalamppu

Karvanpoistoon käytetty suodatettu pulssilamppu ei ole laser, vaan se on voimakas, epäkoherentti pulssispektri. Järjestelmä käyttää kidesuodattimia emittoimaan valoa, jonka aallonpituus on 590–1200 nm. Pulssin leveys ja integraalitiheys, jotka myös vaihtelevat, täyttävät selektiivisen fototermolyysin kriteerit, mikä asettaa tämän laitteen samalle tasolle karvanpoistolasereiden kanssa.

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