Lāzeri plastiskajā ķirurģijā

Pagājušā gadsimta sākumā Einšteins savā rakstā ar nosaukumu "Kvantu starojuma teorija" teorētiski izskaidroja procesus, kas jānotiek, kad lāzers izstaro enerģiju. Maimans pirmo lāzeru uzbūvēja 1960. gadā. Kopš tā laika lāzertehnoloģija ir strauji attīstījusies, radot dažādus lāzerus, kas aptver visu elektromagnētisko spektru. Kopš tā laika tie ir apvienoti ar citām tehnoloģijām, tostarp attēlveidošanas sistēmām, robotiku un datoriem, lai uzlabotu lāzera piegādes precizitāti. Pateicoties sadarbībai fizikā un bioinženierijā, medicīniskie lāzeri ir kļuvuši par svarīgu ķirurgu terapeitisko instrumentu sastāvdaļu. Sākumā tie bija apjomīgi un tos izmantoja tikai ķirurgi, kuri bija īpaši apmācīti lāzerfizikā. Pēdējo 15 gadu laikā medicīnisko lāzeru dizains ir attīstījies, lai tos būtu vieglāk lietot, un daudzi ķirurgi ir apguvuši lāzerfizikas pamatus savas maģistrantūras apmācības ietvaros.

Šajā rakstā ir aplūkota: lāzeru biofizika; audu mijiedarbība ar lāzera starojumu; ierīces, ko pašlaik izmanto plastiskajā un rekonstruktīvajā ķirurģijā; vispārējās drošības prasības, strādājot ar lāzeriem; lāzeru turpmākās izmantošanas jautājumi ādas intervencēs.

Lāzeru biofizika

Lāzeri izstaro gaismas enerģiju, kas izplatās viļņos, kas ir līdzīgi parastajai gaismai. Viļņa garums ir attālums starp diviem blakus esošiem viļņa pīķiem. Amplitūda ir pīķa lielums, kas nosaka gaismas intensitāti. Gaismas viļņa frekvence jeb periods ir laiks, kas nepieciešams, lai vilnis pabeigtu vienu ciklu. Lai saprastu, kā darbojas lāzers, ir svarīgi izprast kvantu mehāniku. Termins LĀZERS ir akronīms no gaismas pastiprināšana ar stimulētu starojuma emisiju (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Kad fotons, gaismas enerģijas vienība, trāpa atomam, tas izraisa viena no atoma elektroniem lēcienu uz augstāku enerģijas līmeni. Šajā ierosinātajā stāvoklī atoms kļūst nestabils, atbrīvojot fotonu, kad elektrons atgriežas sākotnējā, zemākā enerģijas līmenī. Šis process ir pazīstams kā spontāna emisija. Ja atoms atrodas augstas enerģijas stāvoklī un saduras ar citu fotonu, atgriežoties zemas enerģijas stāvoklī, tas atbrīvos divus fotonus, kuriem ir identisks viļņa garums, virziens un fāze. Šis process, ko sauc par stimulētu starojuma emisiju, ir būtisks lāzerfizikas izpratnei.

Neatkarīgi no veida, visiem lāzeriem ir četras pamatkomponentes: ierosmes mehānisms vai enerģijas avots, lāzera vide, optiskā rezonatora vai rezonatora sistēma un izmešanas sistēma. Lielākajai daļai medicīnisko lāzeru, ko izmanto sejas plastiskajā ķirurģijā, ir elektriskās ierosmes mehānisms. Daži lāzeri (piemēram, zibspuldzes ierosināts krāsu lāzers) kā ierosmes mehānismu izmanto gaismu. Citi var izmantot augstas enerģijas radiofrekvences viļņus vai ķīmiskas reakcijas, lai nodrošinātu ierosmes enerģiju. Ierosmes mehānisms sūknē enerģiju rezonanses kamerā, kurā atrodas lāzera vide, kas var būt cieta, šķidra, gāzveida vai pusvadītāju materiāls. Enerģija, kas tiek novadīta rezonatora dobumā, paaugstina lāzera vides atomu elektronus līdz augstākam enerģijas līmenim. Kad puse no rezonatora atomiem ir ļoti ierosināti, notiek populācijas inversija. Sākas spontāna emisija, kad fotoni tiek izstaroti visos virzienos un daži saduras ar jau ierosinātiem atomiem, kā rezultātā rodas pāru fotonu stimulēta emisija. Stimulētā emisija tiek pastiprināta, jo fotoni, kas pārvietojas pa asi starp spoguļiem, tiek atstaroti galvenokārt uz priekšu un atpakaļ. Tas izraisa secīgu stimulāciju, jo šie fotoni saduras ar citiem ierosinātiem atomiem. Viens spogulis ir 100% atstarojošs, bet otrs spogulis daļēji pārraida no rezonatora kameras izstaroto enerģiju. Šī enerģija tiek pārnesta uz bioloģiskajiem audiem, izmantojot izmešanas sistēmu. Vairumam lāzeru tā ir optiskā šķiedra. Ievērojams izņēmums ir CO2 lāzers, kuram ir spoguļu sistēma uz eņģēm piestiprinātas rokas. CO2 lāzeram ir pieejamas optiskās šķiedras, taču tās ierobežo starojuma punkta izmēru un izejas enerģiju.

Lāzera gaisma ir organizētāka un kvalitatīvi intensīvāka nekā parastā gaisma. Tā kā lāzera vide ir homogēna, stimulētās emisijas izstarotajiem fotoniem ir viens viļņa garums, kas rada monohromatiskumu. Parasti gaisma, attālinoties no avota, ir ļoti izkliedēta. Lāzera gaisma ir kolimēta: tā ir maz izkliedēta, nodrošinot nemainīgu enerģijas intensitāti lielā attālumā. Lāzera gaismas fotoni ne tikai pārvietojas vienā virzienā, bet tiem ir arī viena un tā pati laika un telpas fāze. To sauc par koherenci. Monohromatiskuma, kolimācijas un koherences īpašības atšķir lāzera gaismu no parastās gaismas nesakārtotās enerģijas.

Lāzera un audu mijiedarbība

Lāzera iedarbības spektrs uz bioloģiskajiem audiem aptver visu spektru, sākot no bioloģisko funkciju modulācijas līdz iztvaikošanai. Lielākā daļa klīniski izmantoto lāzera un audu mijiedarbību attiecas uz termiskajām spējām koagulēt vai iztvaikot. Nākotnē lāzerus varētu izmantot nevis kā siltuma avotus, bet gan kā zondes šūnu funkciju kontrolei bez citotoksiskām blakusparādībām.

Parastā lāzera ietekme uz audiem ir atkarīga no trim faktoriem: audu absorbcijas, lāzera viļņa garuma un lāzera enerģijas blīvuma. Kad lāzera stars trāpa audos, tā enerģija var tikt absorbēta, atstarota, pārraidīta vai izkliedēta. Visi četri procesi notiek dažādā mērā jebkurā audu un lāzera mijiedarbībā, no kuriem absorbcija ir vissvarīgākā. Absorbcijas pakāpe ir atkarīga no hromoforu satura audos. Hromofori ir vielas, kas efektīvi absorbē noteikta garuma viļņus. Piemēram, CO2 lāzera enerģiju absorbē ķermeņa mīkstie audi. Tas ir tāpēc, ka CO2 atbilstošo viļņa garumu labi absorbē ūdens molekulas, kas veido līdz pat 80% no mīkstajiem audiem. Turpretī CO2 lāzera absorbcija kaulos ir minimāla, jo kaulu audos ir zems ūdens saturs. Sākotnēji, kad audi absorbē lāzera enerģiju, to molekulas sāk vibrēt. Papildu enerģijas absorbcija izraisa olbaltumvielu denaturāciju, koagulāciju un visbeidzot iztvaikošanu (vaporizāciju).

Kad lāzera enerģija tiek atstarota no audiem, pēdējie netiek bojāti, jo mainās starojuma virziens uz virsmas. Tāpat, ja lāzera enerģija caur virspusējiem audiem nonāk dziļajā slānī, starpposma audi netiek ietekmēti. Ja lāzera stars ir izkliedēts audos, enerģija netiek absorbēta uz virsmas, bet gan nejauši sadalīta dziļajos slāņos.

Trešais faktors, kas attiecas uz audu mijiedarbību ar lāzeru, ir enerģijas blīvums. Lāzera un audu mijiedarbībā, kad visi pārējie faktori ir nemainīgi, plankuma lieluma vai ekspozīcijas laika maiņa var ietekmēt audu stāvokli. Ja lāzera stara plankuma lielums samazinās, jauda, kas iedarbojas uz noteiktu audu tilpumu, palielinās. Un otrādi, ja plankuma lielums palielinās, lāzera stara enerģijas blīvums samazinās. Lai mainītu plankuma lielumu, staru izmešanas sistēmu uz audiem var fokusēt, iepriekš fokusēt vai defokusēt. Iepriekš fokusētos un defokusētos staros plankuma lielums ir lielāks nekā fokusētais stars, kā rezultātā jaudas blīvums ir mazāks.

Vēl viens veids, kā mainīt ietekmi uz audiem, ir lāzera enerģijas impulss. Visos impulsa režīmos ieslēgšanas un izslēgšanas periodi mainās. Tā kā enerģija izslēgšanas periodos nesasniedz audus, pastāv iespēja, ka siltums izkliedēsies. Ja izslēgšanas periodi ir ilgāki par mērķa audu termiskās relaksācijas laiku, apkārtējo audu bojājuma iespējamība vadītspējas dēļ samazinās. Termiskās relaksācijas laiks ir laiks, kas nepieciešams, lai puse no mērķa siltuma izkliedētos. Aktīvā intervāla attiecību pret aktīvā un pasīvā pulsācijas intervālu summu sauc par darba ciklu.

Darba cikls = ieslēgts/ieslēgts + izslēgts

Ir dažādi impulsa režīmi. Enerģiju var atbrīvot impulsu veidā, iestatot periodu, kurā lāzers izstaro (piemēram, 10 sekundes). Enerģiju var bloķēt, kur nemainīgo vilni noteiktos intervālos bloķē mehānisks slēdzis. Superimpulsa režīmā enerģija netiek vienkārši bloķēta, bet gan uzglabāta lāzera enerģijas avotā izslēgšanas periodā un pēc tam atbrīvota ieslēgšanas periodā. Tas nozīmē, ka maksimālā enerģija superimpulsa režīmā ir ievērojami augstāka nekā nemainīgā vai bloķēšanas režīmā.

Milzu impulsa lāzerā enerģija tiek uzkrāta arī izslēgšanas periodā, bet lāzera vidē. To panāk ar slēdža mehānismu dobuma kamerā starp diviem spoguļiem. Kad slēdzis ir aizvērts, lāzers nedarbojas, bet enerģija tiek uzkrāta abās slēdža pusēs. Kad slēdzis ir atvērts, spoguļi mijiedarbojas, radot augstas enerģijas lāzera staru. Milzu impulsa lāzera maksimālā enerģija ir ļoti augsta ar īsu darba ciklu. Režīmu bloķēts lāzers ir līdzīgs milzu impulsa lāzeram ar to, ka starp diviem spoguļiem dobuma kamerā ir slēdzis. Režīmu bloķētais lāzers atveras un aizver savu slēdzi sinhroni ar laiku, kas nepieciešams, lai gaisma atstarotos starp abiem spoguļiem.

Lāzeru raksturojums

• Oglekļa dioksīda lāzers

Oglekļa dioksīda lāzeru visbiežāk izmanto otolaringoloģijā/galvas un kakla ķirurģijā. Tā viļņa garums ir 10,6 nm, kas ir neredzams vilnis elektromagnētiskā spektra tālajā infrasarkanajā diapazonā. Lai ķirurgs varētu redzēt darbības zonu, ir nepieciešama vadība gar hēlija-neona lāzera staru. Lāzera vide ir CO2. Tā viļņa garumu labi absorbē ūdens molekulas audos. Ietekme ir virspusēja, pateicoties augstajai absorbcijai un minimālajai izkliedei. Starojumu var pārraidīt tikai caur spoguļiem un īpašām lēcām, kas novietotas uz artikulēta stieņa. Kloķa sviru var piestiprināt pie mikroskopa precīzam darbam palielinājumā. Enerģiju var izstarot arī caur fokusēšanas rokturi, kas piestiprināts pie artikulēta stieņa.

• Nd:YAG lāzers

Nd:YAG (itrija-alumīnija-granāta ar neodīmu) lāzera viļņa garums ir 1064 nm, t. i., tas atrodas tuvajā infrasarkanajā diapazonā. Cilvēka acij tas nav redzams un tam nepieciešams vadāms hēlija-neona lāzera stars. Lāzera vide ir itrija-alumīnija-granāta ar neodīmu. Lielākā daļa ķermeņa audu šo viļņa garumu absorbē slikti. Tomēr pigmentēti audi to absorbē labāk nekā nepigmentēti audi. Enerģija tiek pārraidīta caur vairuma audu virspusējiem slāņiem un izkliedējas dziļākajos slāņos.

Salīdzinot ar oglekļa dioksīda lāzeru, Nd:YAG izkliede ir ievērojami lielāka. Tāpēc iespiešanās dziļums ir lielāks, un Nd:YAG ir labi piemērots dziļu asinsvadu koagulācijai. Eksperimentā maksimālais koagulācijas dziļums ir aptuveni 3 mm (koagulācijas temperatūra +60 °C). Ir ziņots par labiem rezultātiem dziļu periorālu kapilāru un kavernozu veidojumu ārstēšanā, izmantojot Nd:YAG lāzeru. Ir arī ziņojums par veiksmīgu hemangiomu, limfangiomu un arteriovenozu iedzimtu veidojumu lāzera fotokoagulāciju. Tomēr lielāks iespiešanās dziļums un neselektīva destrukcija veicina palielinātu pēcoperācijas rētu veidošanos. Klīniski to samazina droši jaudas iestatījumi, punktveida pieeja bojājumam un ādas zonu apstrādes izvairīšanās. Praksē tumši sarkanā Nd:YAG lāzera izmantošanu praktiski ir aizstājuši lāzeri ar viļņa garumu spektra dzeltenajā daļā. Tomēr to izmanto kā adjuvantu lāzeru tumši sarkanas (portvīna) krāsas mezglainiem bojājumiem.

Ir pierādīts, ka Nd:YAG lāzers inhibē kolagēna veidošanos gan fibroblastu kultūrā, gan normālā ādā in vivo. Tas liecina par panākumiem hipertrofisku rētu un keloīdu ārstēšanā. Tomēr klīniski recidīvu biežums pēc keloīdu izgriešanas ir augsts, neskatoties uz spēcīgu papildterapiju lokālu steroīdu terapiju.

• Kontakta Nd:YAG lāzers

Nd:YAG lāzera izmantošana kontakta režīmā būtiski maina starojuma fizikālās īpašības un absorbciju. Kontakta gals sastāv no safīra vai kvarca kristāla, kas ir tieši piestiprināts lāzera šķiedras galam. Kontakta gals tieši mijiedarbojas ar ādu un darbojas kā termiskais skalpelis, vienlaikus griežot un koagulējot. Ir ziņojumi par kontakta gala izmantošanu plašā mīksto audu intervenciju klāstā. Šie pielietojumi ir tuvāki elektrokoagulācijas pielietojumiem nekā bezkontakta Nd:YAG režīms. Kopumā ķirurgi tagad izmanto lāzera dabiskos viļņu garumus nevis audu griešanai, bet gan gala sildīšanai. Tāpēc lāzera un audu mijiedarbības principi šeit nav piemērojami. Reakcijas laiks uz kontakta lāzeru nav tik tieši saistīts kā ar brīvo šķiedru, un tāpēc ir sildīšanas un dzesēšanas aiztures periods. Tomēr ar pieredzi šis lāzers kļūst ērts ādas un muskuļu atloku izolēšanai.

• Argona lāzers

Argona lāzers izstaro redzamus viļņus ar garumu 488–514 nm. Rezonatora kameras konstrukcijas un lāzera vides molekulārās struktūras dēļ šāda veida lāzers rada garo viļņu diapazonu. Dažiem modeļiem var būt filtrs, kas ierobežo starojumu līdz vienam viļņa garumam. Argona lāzera enerģiju labi absorbē hemoglobīns, un tās izkliede ir starp oglekļa dioksīda un Nd:YAG lāzera izkliedi. Argona lāzera starojuma sistēma ir optiskās šķiedras nesējs. Sakarā ar augsto hemoglobīna absorbciju, arī ādas asinsvadu audzēji absorbē lāzera enerģiju.

• KTF lāzers

KTP (kālija titanilfosfāta) lāzers ir Nd:YAG lāzers, kura frekvence tiek dubultota (viļņa garums tiek samazināts uz pusi), laižot lāzera enerģiju caur KTP kristālu. Tas rada zaļu gaismu (viļņa garums 532 nm), kas atbilst hemoglobīna absorbcijas maksimumam. Tā audu iespiešanās un izkliede ir līdzīga argona lāzera enerģijai. Lāzera enerģiju pārraida šķiedra. Bezkontakta režīmā lāzers iztvaiko un koagulē. Puskontakta režīmā šķiedras gals tik tikko pieskaras audiem un kļūst par griešanas instrumentu. Jo lielāka tiek izmantota enerģija, jo vairāk lāzers darbojas kā termiskais nazis, līdzīgi kā oglekļa dioksīda lāzers. Zemākas enerģijas vienības galvenokārt tiek izmantotas koagulācijai.

• Zibspuldzes ierosināts krāsu lāzers

Zibšņu lampas ierosinātais krāsu lāzers bija pirmais medicīniskais lāzers, kas īpaši izstrādāts labdabīgu ādas asinsvadu bojājumu ārstēšanai. Tas ir redzamās gaismas lāzers ar viļņa garumu 585 nm. Šis viļņa garums sakrīt ar oksihemoglobīna trešo absorbcijas maksimumu, un tāpēc šī lāzera enerģiju galvenokārt absorbē hemoglobīns. 577–585 nm diapazonā ir arī mazāka absorbcija no konkurējošiem hromoforiem, piemēram, melanīna, un mazāka lāzera enerģijas izkliede dermā un epidermā. Lāzera vide ir rodamīna krāsviela, ko optiski ierosina zibšņu lampa, un emisijas sistēma ir optiskās šķiedras nesējs. Krāsu lāzera uzgalim ir maināma lēcu sistēma, kas ļauj radīt punktus ar izmēru 3, 5, 7 vai 10 mm. Lāzers pulsē ar 450 ms periodu. Šis pulsācijas indekss tika izvēlēts, pamatojoties uz ektātisko asinsvadu termiskās relaksācijas laiku, kas atrodams labdabīgos ādas asinsvadu bojājumos.

• Vara tvaiku lāzers

Vara tvaika lāzers rada redzamo gaismu ar diviem atsevišķiem viļņu garumiem: pulsējošu zaļu vilni 512 nm un pulsējošu dzeltenu vilni 578 nm. Lāzera vide ir varš, kas tiek elektriski ierosināts (tvaicēts). Šķiedru sistēma pārraida enerģiju uz galu, kura plankuma izmērs ir mainīgs no 150 līdz 1000 µm. Ekspozīcijas laiks svārstās no 0,075 s līdz konstantam. Laiks starp impulsiem arī mainās no 0,1 s līdz 0,8 s. Vara tvaika lāzera dzelteno gaismu izmanto labdabīgu asinsvadu bojājumu ārstēšanai uz sejas. Zaļo vilni var izmantot pigmentētu bojājumu, piemēram, vasaras raibumu, lentigīnu, nevi un keratozes, ārstēšanai.

• Neizbalojošs dzeltenās krāsas lāzers

Dzeltenais nepārtrauktas darbības krāsu lāzers (CW) ir redzamās gaismas lāzers, kas rada dzeltenu gaismu ar viļņa garumu 577 nm. Tāpat kā zibspuldzes ierosinātais krāsu lāzers, to regulē, mainot krāsvielu lāzera aktivācijas kamerā. Krāsvielu ierosina argona lāzers. Šī lāzera izmešanas sistēma ir arī optiskās šķiedras kabelis, ko var fokusēt uz dažādiem punktu izmēriem. Lāzera gaismu var pulsēt, izmantojot mehānisku slēdzi vai Hexascanner uzgali, kas piestiprināts optiskās šķiedras sistēmas galam. Hexascanner nejauši virza lāzera enerģijas impulsus sešstūra rakstā. Tāpat kā zibspuldzes ierosinātais krāsu lāzers un vara tvaika lāzers, dzeltenais nepārtrauktas darbības krāsu lāzers ir ideāli piemērots labdabīgu asinsvadu bojājumu ārstēšanai uz sejas.

• Erbija lāzers

Erbium:UAS lāzers izmanto ūdens absorbcijas joslu ar viļņa garumu 3000 nm. Tā viļņa garums 2940 nm atbilst šim maksimumam, un to spēcīgi absorbē audu ūdens (aptuveni 12 reizes vairāk nekā CO2 lāzeru). Šis tuvā infrasarkanā starojuma lāzers ir neredzams acij, un tas jāizmanto ar redzamu mērķēšanas staru. Lāzeru pumpē zibspuldzes lampa, un tas izstaro 200–300 μs ilgus makroimpulsus, kas sastāv no virknes mikroimpulsu. Šos lāzerus izmanto ar rokturi, kas piestiprināts pie artikulētas rokas. Sistēmā var integrēt arī skenēšanas ierīci, lai nodrošinātu ātrāku un vienmērīgāku audu noņemšanu.

• Rubīna lāzers

Rubīna lāzers ir ar zibspuldzi pumpējošs lāzers, kas izstaro gaismu ar 694 nm viļņa garumu. Šis lāzers, kas atrodas spektra sarkanajā apgabalā, ir redzams ar aci. Tam var būt lāzera slēdzis, lai radītu īsus impulsus un panāktu dziļāku audu iekļūšanu (dziļāk par 1 mm). Garo impulsu rubīna lāzers tiek izmantots, lai lāzerepilācijas laikā īpaši uzsildītu matu folikulus. Šī lāzera gaisma tiek pārraidīta, izmantojot spoguļus un artikulētu strēles sistēmu. To slikti absorbē ūdens, bet spēcīgi absorbē melanīns. Dažādi pigmenti, ko izmanto tetovējumiem, arī absorbē 694 nm starus.

• Aleksandrīta lāzers

Aleksandrīta lāzers ir cietvielu lāzers, ko var pumpēt ar zibspuldzes lampu, un tā viļņa garums ir 755 nm. Šis viļņa garums, kas atrodas spektra sarkanajā daļā, nav redzams ar aci, tāpēc tam ir nepieciešams vadotnes stars. To absorbē zilie un melnie tetovējumu pigmenti, kā arī melanīns, bet ne hemoglobīns. Tas ir relatīvi kompakts lāzers, kas var pārraidīt starojumu caur elastīgu gaismas vadotni. Lāzers iekļūst relatīvi dziļi, padarot to piemērotu matu un tetovējumu noņemšanai. Punktu izmēri ir 7 un 12 mm.

• Diodes lāzers

Nesen diodes uz supravadošiem materiāliem ir tieši savienotas ar optisko šķiedru ierīcēm, kā rezultātā tiek izstarota lāzera gaisma dažādos viļņu garumos (atkarībā no izmantoto materiālu īpašībām). Diožu lāzeri izceļas ar savu efektivitāti. Tie var pārveidot ienākošo elektrisko enerģiju gaismā ar 50% efektivitāti. Šī efektivitāte, kas saistīta ar zemāku siltuma ģenerēšanu un ieejas jaudu, ļauj konstruēt kompaktus diožu lāzerus bez lielām dzesēšanas sistēmām. Gaisma tiek pārraidīta, izmantojot optisko šķiedru.

• Filtrēta zibspuldzes lampa

Filtrētā impulsa lampa, ko izmanto epilācijai, nav lāzers. Tā vietā tas ir intensīvs, nekoherents impulsa spektrs. Sistēma izmanto kristāla filtrus, lai izstarotu gaismu ar viļņa garumu 590–1200 nm. Impulsa platums un integrālais blīvums, kas arī ir mainīgs, atbilst selektīvās fototermolīzes kritērijiem, kas šo ierīci pielīdzina epilācijas lāzeriem.

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