ROZDZIAŁ 1Charakterystyka światła laserowego
Światło generowane przez urządzenia laserowe charakteryzuje się unikalnymi właściwościami i różni się od innych źródeł światła, np. żarówek czy słońca. Wykorzystując w swojej praktyce zabiegowej lasery, należy znać najważniejsze cechy światła laserowego, a więc:
- Monochromatyczność - oznacza, że emitowane promieniowanie składa się z fotonów o jednakowej częstotliwości, co daje jednakową długość fali i jednakowy kolor, czyli światło jest jednobarwne (w przypadku światła widzialnego). Cechy te stanowią skutek procesu emisji wymuszonej, w którym generowane są fotony o właściwościach identycznych z fotonami stymulującymi, o tej samej energii, a tym samym i długości fali. W rzeczywistości światło laserowe nie jest zupełnie monochromatyczne, ma zazwyczaj niewielką szerokość linii widmowej. Właściwość ta pozwala na selektywne oddziaływanie z określonymi strukturami w tkance, czyli chromoforami, które absorbują konkretną długość fali.
- Koherencja (inaczej spójność) - jest najbardziej wyróżniającą cechą światła laserowego. Oznacza, że fale emitowane przez laser są ze sobą skorelowane w czasie i przestrzeni, czyli ich fazy są zsynchronizowane, a fotony poruszają się w sposób skoordynowany. Wynika to bezpośrednio z procesu emisji wymuszonej, który generuje fotony o takiej samej fazie, co fotony stymulujące, a także roli rezonatora optycznego, który selekcjonuje i wzmacnia tylko te fale, które są ze sobą w fazie. Wyróżniamy spójność przestrzenną i spójność czasową.
- Kolimacja (kierunkowość) - oznacza, że wiązka laserowa jest wąska, silnie skolimowana i ma niską rozbieżność. Pomaga to w dostarczeniu skoncentrowanej energii na znaczne odległości. Właściwość ta wynika z konstrukcji generatora optycznego, wzmacniającego te fale, które poruszają się wzdłuż jego osi. Dzięki wysokiej kierunkowości światło lasera może być efektywnie skupione przy udziale układów optycznych na bardzo małej powierzchni, osiągając niezwykle wysokie gęstości mocy.
Dzięki tym cechom lasery są precyzyjnymi urządzeniami, które selektywnie działają na docelowe struktury biologiczne, jednocześnie nie uszkadzając tkanki otaczającej.
Osiągnięcie planowanych efektów klinicznych, a przy tym uniknięcie potencjalnych działań niepożądanych w laseroterapii, gwarantuje zrozumienie reakcji, które są wywierane przez poszczególne lasery na tkankę na poziomie histologicznym. Świadomość i wiedza o tym pozwalają na dobór odpowiedniego typu lasera, optymalnych parametrów zabiegowych, a także pozwalają przewidzieć możliwe reakcje tkankowe.
1.1. Podstawy fizyczne oddziaływania promieniowania laserowego z tkanką
Interakcja promieniowania laserowego ze skórą jest złożonym procesem, który zależy od wielu czynników. Wiedza na temat tych zjawisk fizycznych niezbędna jest do przewidywania zachodzących efektów biologicznych i optymalizacji parametrów terapeutycznych.
1.1.1. Chromofory w skórze i ich rola w absorpcji światła
Selektywność zabiegów laserowych oparta jest na zjawisku absorpcji światła przez określone cząsteczki w tkance - chromofory. Każdy z chromoforów ma charakterystyczne spektrum absorpcji, tzn. pochłania światło o określonej długości fali w różnym stopniu. Głównymi chromoforami endogennymi w skórze są: woda, melanina, hemoglobina, kolagen, natomiast chromofory egzogenne to: tusze, pigmenty, ciała obce (np. żwir).
- Woda - jest najważniejszym chromoforem pod względem objętościowym. Stanowi minimum 60% masy każdej tkanki. Woda silnie absorbuje fale w zakresie dalekiej podczerwieni, które emitowane są przez lasery CO2 (10 600 nm), Er:YAG (2940 nm) czy laser tulowy (1927 nm). Pochłanianie energii przez wodę przyczynia się do jej gwałtownego podgrzania i odparowania, czego efektem jest ablacja tkanki.
- Melanina - czyli pigment odpowiedzialny za barwę skóry, włosów i tęczówki oka. Chromofor ten jest celem dla laserów wykorzystywanych w redukcji zmian pigmentacyjnych oraz w epilacji. Melanina absorbuje światło w szerokim zakresie fal, tzn. od ultrafioletu do bliskiej podczerwieni. Przykładowymi laserami, których fale mają powinowactwo do melaniny, są: laser rubinowy (694 nm), aleksandrytowy (755 nm), diodowy (800-810 nm), Nd:YAG (1064 nm), jak również lasery typu Q-switched, które wykorzystują absorpcję przez melaninę do redukcji przebarwień.
- Hemoglobina - to białko występujące w erytrocytach, odpowiada za transport tlenu. Występuje w dwóch formach, czyli utlenowanej (oksyhemoglobina) oraz odtlenowanej (deoksyhemoglobina). Formy te mają nieco inne spektrum absorpcji. Hemoglobina stanowi główny cel dla laserów naczyniowych, które wykorzystuje się w leczeniu teleangiektazji, naczyniaków, rumienia oraz trądziku różowatego. Spektrum absorpcji hemoglobiny przekłada się na piki w zakresie światła niebieskiego, zielonego i żółtego. Przykładem laserów, których fala ma powinowactwo do hemoglobiny, jest pulsacyjny laser barwnikowy PDL (585 nm, 595 nm), KTP, czyli laser Nd:YAG z kryształem podwajającym częstotliwość (532 nm), laser argonowy (488, 514 nm), a także laser wykorzystywany do głębiej położonych lub szerszych naczyń krwionośnych Nd:YAG (1064 nm).
- Kolagen - występuje wszędzie w organizmie człowieka. Kolagen, który interesuje operatorów laserów, to obecny w skórze (w tym w błonie podstawnej), śródbłonku naczyń krwionośnych lub w zakończeniach rzekomych więzadeł podtrzymujących. Laserem, którego fala będzie absorbowana przez kolagen, jest laser diodowy (675 nm) oraz laser pikosekundowy (755 nm).
- Tusz pigmentu - to chromofor egzogenny dostarczony do skóry z zewnątrz, np. podczas wykonywania tatuażu czy makijażu permanentnego. Cząsteczki tuszu mogą mieć różne kolory, ale najczęściej spotykane są czarne czy grafitowe, które łatwiej ulegają rozbiciu przez promieniowanie laserowe i szybciej są redukowane. Większą trudność sprawiają pigmenty w kolorze czerwonym czy zielonym. Do usunięcia tatuaży wykorzystuje się lasery Q-switch (nanosekundowe) oraz lasery pikosekundowe o długościach fal 1064 nm, 532 nm, 755 nm i 694 nm.
Wiedza dotycząca procesów powinowactwa promieniowania świetlnego do określonego chromoforu jest fundamentem odpowiedniego doboru rodzaju lasera i długości fali do konkretnego wskazania klinicznego. Umożliwia to osiągnięcie selektywnej fototermolizy, czyli degradacji struktury docelowej przy jak najmniejszym uszkodzeniu otaczających tkanek. Pochłanianie promieniowania elektromagnetycznego przy przechodzeniu przez częściowo absorbujący i rozpraszający ośrodek opisuje prawo Lamberta-Beera.
RYCINA 1.1
Spektrum absorpcyjne chromoforów endogennych
RYCINA 1.2
Zakres promieniowania elektromagnetycznego
TABELA 1.1
Zakres fal promieniowania widzialnego i jego barwy
ZAKRES DŁUGOŚCI FAL [nm]
BARWA ŚWIATŁA
380-436
Fioletowa
436-470
Niebieska
470-500
Niebieskozielona
500-530
Zielona
530-566
Zielonożółta
566-589
Żółta
589-620
Pomarańczowa
620-780
Czerwona
TABELA 1.2
Charakterystyka absorpcji głównych chromoforów endogennych i egzogennych
CHROMOFOR
KLUCZOWE PIKI/ZAKRESY ABSORPCJI [nm]
TYPOWE ZASTOSOWANIE LASERA DŁUGOŚĆ FALI
Eumelanina
Szeroka absorpcja UV-VIS, malejąca w NIR
532, 694, 755, 800-1100, 1064
Oksyhemoglobina (HbO2)
Około 418, 542, 577
532, 577, 585, 595
Deoksyhemoglobina (Hb)
Około 430, 556-560
532, 585, 595, 1064
Woda
Główne piki: około 1450, około 1940, 2940, 10 600
1320, 1440, 1540, 1550, 2940, 10 600
Kolagen
650-900
675, 755
Tusz czarny
Szeroka absorpcja VIS-NIR
694, 755, 1064
Tusz czerwony
Około 400-550
532
Tusz niebieski/zielony
Zielony: około 600-700 (absorpcja w czerwieni), niebieski: około 600-650 (absorpcja w pomarańczowoczerwonym)
694, 755, 532 - dla niektórych zieleni
UV - promieniowanie elektromagnetyczne ultrafioletowe; VIS - promieniowanie elektromagnetyczne z zakresu światła widzialnego; NIR - promieniowanie elektromagnetyczne z zakresu bliskiej podczerwieni
1.2. Oddziaływanie światła na tkankę
Fotony emitowane muszą pokonać warstwę rogową naskórka przed tym, jak ulegną wniknięciu głębiej do skóry. Wiązka padająca na powierzchnię skóry ulega szeregowi zjawisk optycznych, które są odpowiedzialne za dalszą dystrybucję energii w tkance.
- Absorpcja (już wcześniej wymieniana) - to proces, w którym energia fotonów pochłaniana jest przez chromofor w skórze i przekształcana w inną formę energii, najczęściej energię cieplną. Jest to proces kluczowy dla osiągnięcia efektów terapeutycznych. Współczynnik absorpcji zależy od długości fali światła, rodzaju i stężenia chromoforów w tkance. Im więcej cząsteczek docelowych, tym większe pochłanianie, czyli absorpcja. W wyniku procesów starzenia zmniejsza się liczba niektórych chromoforów, a to warunkuje słabszą absorpcję światła.
- Rozpraszanie - opisuje zmianę kierunku rozprzestrzeniania fotonów w wyniku ich interakcji ze strukturami tkankowymi (włókna kolagenowe, błony komórkowe). Rozproszenie ma wpływ na objętość tkanki poddanej działaniu światła oraz efektywną głębokość penetracji. Skóra jest ośrodkiem silnie niejednorodnym optycznie, w którym zjawisko rozproszenia odgrywa rolę w osłabieniu padającego światła. Rozpraszanie światła w skórze może być powierzchowne (naskórkowe) i głębokie (skóra właściwa). Rozproszenie jest większe dla krótszych długości fal. W wyniku wielokrotnego rozproszenia wiązka skolimowana może zostać zastąpiona przez światło całkowicie rozproszone. Największe rozpraszanie jest w zakresie światła widzialnego i bliskiej podczerwieni (400-1200 nm).
- Odbicie - padające promieniowanie laserowe może częściowo ulegać odbiciu od granicy ośrodków, które charakteryzują się różnymi współczynnikami załamania światła, a przede wszystkim od warstwy rogowej naskórka. Większość odbicia uzależniona jest od długości fali, kąta padania oraz stanu powierzchni skóry. Współczynnik odbicia dla zdrowej skóry wynosi od 4% do 7%, przy prostopadłym kierowaniu wiązki. W przypadku technik bezkontaktowych może dochodzić do odbicia czy rozproszenia nawet od 30% do 70% światła padającego. Właściwości te należy uwzględnić przy ustalaniu dawki terapeutycznej.
- Transmisja - charakteryzuje część promieniowania, która przechodzi przez tkankę bez ulegania absorpcji lub rozproszenia. Jest to przejście światła przez tkankę bez efektu klinicznego (światło może przejść głębiej, gdzie nie ma chromoforu). Transmisja ma znaczenie w przypadku cienkich warstw tkanki lub długości fal, które są słabo pochłaniane i rozpraszane.
Opisane zjawiska mają bezpośredni wpływ na wykorzystanie energii lasera, jej deponowanie i dystrybucję w tkance. Przyczynia się to bezpośrednio na skuteczność terapeutyczną zabiegu i jego bezpieczeństwo.
RYCINA 1.3
Oddziaływanie światła na tkankę
1.3. Selektywna fototermoliza
Selektywna fototermoliza (selective photo thermolysis, SPTL) to pojęcie wprowadzone przez R. Roxa Andersona i Johna A. Parrisha w 1983 roku. Fototermoliza oznacza foto-światło-fotony; termo - to konwersja energii światła na ciepło, natomiast liza - stanowi rozpad chromoforu. Selektywna fototermoliza była przełomem w rozwoju laseroterapii i zrewolucjonizowała podejście do tego rodzaju terapii, dając możliwość precyzyjnego i celowanego niszczenia docelowych struktur tkankowych przy jednoczesnym oszczędzaniu otaczających tkanek.
Kluczowe elementy, na których opiera się zasada selektywnej fototermolizy, to:
- selektywna absorpcja promieniowania - polega na wyborze długości fali lasera, która ma jak największe powinowactwo do danego chromoforu, np. melaniny w mieszku włosowym, hemoglobiny w naczyniach krwionośnych,
- dostarczenie energii w odpowiednim czasie - czyli czasie trwania impulsu laserowego, który musi być krótszy lub równy czasowi relaksacji termicznej (TRT) danego chromoforu. Daje to gwarancję, że ciepło generowane w cząsteczce docelowej nie zdąży w większym stopniu rozprzestrzenić się do tkanek otaczających,
- osiągnięcie progu fluencji - czyli dostarczona gęstość energii (fluencja) musi być wystarczająca do wywołania zamierzonego efektu termicznego, np. koagulacji, waporyzacji w tkance docelowej.
Spełnienie tych zasad pozwala na kontrolowaną destrukcję wybranych chromoforów i przekłada się na skuteczność zabiegów laserowych, np. epilacji laserowej, zamykania naczynek, redukcji zmian pigmentacyjnych. Należy jednak pamiętać, że konwersja energii promieniowania laserowego na energię cieplną i jej dyfuzja są procesami dynamicznymi, co przekłada się na dużą elastyczność dobieranych parametrów w konkretnych przypadkach zabiegowych.
1.4. Czas relaksacji termicznej
Czas relaksacji termicznej (TRT) jest kluczowy w obszarze interakcji promieniowania laserowego z tkankami biologicznymi. Jest to czas, w którym nagrzana cząsteczka (chromofor) traci 50% swojej energii cieplnej wskutek przewodnictwa cieplnego do otaczających tkanek. Odpowiednie wykorzystanie TRT przyczynia się do osiągnięcia pożądanego efektu zabiegowego bez traumatyzacji otaczających, zdrowych tkanek. Podczas wykonywania zabiegów laserowych TRT pomaga określić czas trwania impulsu laserowego do określonego chromoforu, w taki sposób, aby zdeponowana energia w chromoforze działała na niego, a nie na sąsiadujące struktury tkankowe, czyli TRT musi być dłuższy od czasu trwania impulsu. W tabeli 1.3 przedstawiono przybliżone czasy relaksacji termicznej dla poszczególnych chromoforów endogennych i egzogennych.
TABELA 1.3
Wartości czasu relaksacji termicznej (TRT) dla wybranych struktur biologicznych i cząsteczek egzogennych
STRUKTURA/CZĄSTECZKA
TYPOWY ROZMIAR/ŚREDNICA
PRZYBLIŻONY TRT
Melanosom
Około 0,5-1 ?m
50-1000 ns (1 ?s)
Naskórek - warstwa podstawna
Około 10-20 ?m
Około 3-10 ms
Mieszek włosowy
70/200-300 ?m
40-100 ms
Naczynie krwionośne
20-50 ?m
Około 1 ms
Naczynie krwionośne
100 ?m
Około 5-10 ms
Naczynie krwionośne
200-3000 ?m
Około 20-200 ms
Cząsteczka tuszu do tatuowania
10-100 nm
0,1-10 ns (lub ps)
RYCINA 1.4
Wpływ czasu trwania impulsu na zasięg uszkodzeń termicznych
1.5. Mechanizm oddziaływania promieniowania laserowego z tkanką
Działanie promieniowania laserowego na tkankę biologiczną jest procesem złożonym i zależny od wielu zmiennych (długości fali, rodzaju tkanki, rodzaju impulsu - ciągły/impulsowy, gęstości mocy i energii oraz czasu całkowitej ekspozycji na promieniowanie laserowe). Wszystkie wymienione parametry przyczyniają się do występowania różnych mechanizmów zachodzących w tkance i prowadzących do określonych efektów biologicznych. Wymienia się cztery główne efekty oddziaływań, czyli: fotochemiczne, fototermiczne, fotoablacyjne, elektromechaniczne (tzw. fotoakustyczne lub fotomechaniczne).
- Efekt fotochemiczny - polega na pochłanianiu światła laserowego przez chromofory będące fotouczulaczami. Proces ten prowadzi do ich wzbudzenia oraz inicjacji serii reakcji chemicznych i zachodzi zazwyczaj przy niskiej gęstości mocy promieniowania. Nie wiąże się z bardzo dużym wzrostem temperatury skóry.
Wyróżnia się reakcję biologiczną dzięki zastosowaniu biostymulacji laserem LLLT (low-level-laser therapy), który wywiera wiele pozytywnych efektów biologicznych na poziomie komórkowym i tkankowym. Udowodnione są m.in. takie procesy, jak: przyspieszenie mitozy, zmiany w strukturze błon biologicznych, wzrost aktywności enzymatycznej, zwiększona synteza ATP, DNA, kolagenu, elastyny, a nawet działanie antymutagenne. Obserwuje się poprawę mikrokrążenia, a tym samym lepszego utlenowania tkanek, działanie immunomodulacyjne, np. w RZS (reumatoidalnym zapaleniu stawów), wzrost aktywności fagocytarnej monocytów i neutrofili w procesie gojenia ran, czy działanie przeciwbólowe poprzez wpływ na przewodnictwo nerwowe, większe wydzielanie beta-endorfin, poprawę przepływu limfy z miejsc zapalnych i modulację poziomu prostaglandyn. Przypuszcza się, że głównym mechanizmem regeneracyjnym jest przyspieszenie proliferacji komórek.
Drugim zyskującym na popularności rodzajem oddziaływania fotochemicznego jest terapia fotodynamiczna (photodynamic therapy, PDT). Do jej działania wymagane są trzy kluczowe elementy, czyli: fotouczulacz, światło o odpowiedniej długości fali, która aktywuje fotosensybilizator, oraz obecność tlenu w tkance. Najczęściej stosowanym fotouczulaczem w medycynie jest kwas 5-aminolewulinowy (aminolevulinic acid, ALA) lub jego ester metylowy (MAL), który nakładany jest miejscowo, selektywnie gromadzi się w komórkach, np. nowotworowych. Kolejnym etapem jest naświetlenie tego miejsca światłem o odpowiedniej długości fali, np. lampa LED - światłem niebieskim lub czerwonym czy światłem laserowym. Wskutek tego działania następuje generacja wysoce reaktywnych form tlenu (reactive oxygen species, ROS), które powodują oksydacyjne uszkodzenie struktur komórkowych, np. błon, mitochondriów, DNA, i dochodzi do apoptozy komórek docelowych. Terapia ta została zatwierdzona przez FDA (Food and Drug Administration) w leczeniu rogowacenia słonecznego. Wykorzystywana jest również w leczeniu wielu innych chorób dermatologicznych, takich jak: rak podstawnokomórkowy (basal cell carcinoma, BCC), rak kolczystokomórkowy in situ (choroba Bowena), liszaj płaski, trądzik różowaty, trądzik pospolity, zmiany naczyniowe, łysienie plackowate, a także w redukcji zmian barwnikowych czy fotoodmładzaniu. Terapia fotodynamiczna została dokładniej opisana w rozdziale 13.
- Efekt fototermiczny - to najczęściej występująca reakcja w tkankach podczas zabiegów laserowych. Mechanizm działania polega na konwersji zaabsorbowanej energii świetlnej w energię cieplną, co przyczynia się do wzrostu temperatury w tkance poddanej zabiegowi. Reakcje biologiczne zależą od osiągniętej temperatury i czasu jej utrzymywania. Na intensywność efektu fototermicznego mają wpływ określone parametry, np.: długość fali, fluencja, czas trwania impulsu, średnica plamki, a także właściwości optyczne i termiczne tkanki, takie jak: współczynnik absorpcji dla danej fali, współczynnik rozpraszania, przewodność cieplna, pojemność cieplna, dodatkowo również stopień perfuzji krwi w miejscu zabiegowym, który odpowiada za odprowadzanie ciepła.
TABELA 1.4
Reakcje biologiczne w zależności od osiągniętej temperatury
ZAKRES TEMPERATUR
REAKCJA BIOLOGICZNA
CHARAKTERYSTYKA REAKCJI
Poniżej 45°C
Hipertermia łagodna
Odwracalne zmiany w komórkach: zaburzenia struktury makrocząsteczek, zmiany w przepuszczalności błon komórkowych, redukcja aktywności enzymatycznej; przeżywalność komórek po ekspozycji w czasie 30-60 minut
45-60°C
Koagulacja
Błony komórkowe ulegają uszkodzeniu, białka mogą tworzyć agregaty, zmiany mogą być częściowo odwracalne przy krótkich ekspozycjach
60-80°C
Koagulacja
Denaturacja białek (60°C), w tym kolagenu, prowadzi do martwicy koagulowanej komórki i tkanki, struktura tkanki staje się bardziej zbita, nieodwracalne uszkodzenia następują w kilka sekund, wykorzystanie - zamykanie naczyń krwionośnych, epilacja
Około 100°C
Waporyzacja/ablacja termiczna
Odparowanie wody, wzrost ciśnienia pary wodnej w komórkach prowadzi do ich rozerwania, następuje powierzchowne usunięcie tkanki
Powyżej 100°C
Karbonizacja/zwęglenie
Składniki tkanki: białka, lipidy, ulegają procesowi pirolizy - zwęglenia, tkanka staje się czarna, krucha, widoczny jest dym, jest to niepożądany efekt w zabiegach laserowych
Powyżej 300°C
Topnienie
Dochodzi do dalszego rozkładu termicznego i topnienia zwęglonej tkanki
- Efekt fotoablacyjny - to usunięcie tkanki, która została poddana promieniowaniu lasera. Ma miejsce w wysokich gęstościach mocy i krótkim czasie trwania impulsu. Jest to gwałtowny proces konwersji energii światła w energię cieplną. Dochodzi do gwałtownego wzrostu temperatury oraz ciśnienia w bardzo małej objętości. W przypadku laserów, których głównym chromoforem jest woda Er:YAG, CO2, dochodzi do odparowania wody wewnątrz- i zewnątrzkomórkowej. Głębokość uszkodzeń termicznych zależy od typu lasera: dla lasera ekscymerowego (193 nm) wynosi 1 ?m, dla lasera Er:YAG to około 30 ?m, a dla lasera CO2 stanowi 50 ?m. Efekt fotoablacyjny w klinicznym zastosowaniu wykorzystywany jest przy resurfacingu, dermabrazji laserowej, redukcji blizn, usuwaniu łagodnych zmian, np. brodawek łojotokowych czy znamion naskórkowych.
- Efekt fotoakustyczny (fotomechaniczny/elektromechaniczny) - obserwowany jest przy bardzo wysokich gęstościach mocy promieniowania (setki MW/cm2 do GW/cm2) i ekstremalnie krótkich czasach trwania impulsu (nano-, pikosekundy). Wyróżnia się dwa mechanizmy prowadzące do efektów fotoakustycznych:
- generowanie fal naprężeń w wyniku szybkiej ekspansji termicznej - wykorzystywany przy usuwaniu tatuaży laserami Q-switched i pikosekundowymi. Bardzo krótkie impulsy laserowe pochłaniane są przez cząsteczki pigmentu, powodując nagrzanie. Gwałtowna reakcja cząsteczek generuje fale naprężeń (akustycznych lub uderzeniowych) o dużej amplitudzie, które rozchodzą się w otaczającej tkance. Fale mechaniczne powodują rozerwanie i fragmentację cząsteczki pigmentu na mniejsze, które są usuwane przez makrofagi na drodze fagocytozy,
- przebicie optyczne (optical breakdown) i tworzenie plazmy - przy jeszcze wyższych gęstościach mocy, w ognisku wiązki laserowej, dochodzi do powstawania bardzo silnego pola elektrycznego, które jest w stanie zjonizować atomy i cząsteczki w tkance. Prowadzi to do powstawania obszaru o wysokiej gęstości swobodnych elektronów i bardzo wysokiej temperatury (około 10 000 K). Proces ten nazywany jest przebiciem optycznym (laser induced optical breakdown, LIOB). Gwałtowne uderzenie mikroplazmy tworzy silną falę uderzeniową (o ciśnieniu około 20-60 kbar), która mechanicznie niszczy tkankę. Procesowi może towarzyszyć tworzenie się pęcherzyków kawitacyjnych w tkance. Efekty kliniczne tego mechanizmu wykorzystuje się w zabiegach fotoodmładzania, redukcji blizn przy użyciu laserów frakcyjnych nieablacyjnych pikosekundowych (z głowicą dyfrakcyjną), w naskórku i skórze właściwej tworzą się mikroskopijne wakuole lub obszary kawitacji, które stymulują procesy regeneracyjne i remodeling tkanki.
1.6. Dobór parametrów zabiegowych
Staranny dobór parametrów zabiegowych, które muszą być precyzyjnie dopasowane do określonego celu zabiegu, czyli chromoforu docelowego, przekłada się na skuteczność i bezpieczeństwo terapii laserowej.
Kluczowe parametry związane z laseroterapią to:
- długość fali, wyrażana w nanometrach (nm), powinna być tak dobrana, aby osiągnąć maksymalną absorpcję energii przez docelowy chromofor, a jednocześnie minimalizując pochłanianie przez tkanki otaczające chromofory konkurencyjne, jak np. melanina występująca w naskórku w trakcie zabiegu zamykania naczyń w skórze właściwej. Od długości fali zależy także głębokość penetracji promieniowania w tkance. Im większa długość fali, tym głębsza penetracja (dotyczy zakresu promieniowania od ultrafioletu do bliskiej podczerwieni),
- czas trwania impulsu (pulse duration), wyrażony w jednostkach czasu (ms, ?s, ns, ps), zgodnie z zasadami selektywnej fototermolizy czas trwania impulsu powinien być krótszy lub równy czasowi relaksacji termicznej (TRT) cząsteczki docelowej. Przestrzeganie tej zasady pozwala na ograniczenie dyfuzji ciepła poza obszar chromoforu, a tym samym minimalizuje uszkodzenia termiczne tkanek otaczających. Przykładem może być zabieg usuwania tatuaży, gdzie cząsteczka pigmentu ma bardzo niski TRT, dlatego wykorzystuje się lasery nano- i pikosekundowe o bardzo krótkich czasach trwania impulsu, tzn. 1 ns = 10-9 s, 1 ps = 10-12 s. Natomiast przy zabiegach epilacji czy zamykania naczyń krwionośnych, gdzie chromofor jest większy, wykorzystuje się lasery o dłuższych czasach trwania impulsu, np. w ms, gdzie 1 ms = 10-3 s,
- fluencja (gęstość energii), jest to ilość energii dostarczonej na jednostkę powierzchni (J/cm2). Fluencja musi być odpowiednio wysoka, aby osiągnąć próg uszkodzenia termicznego w chromoforze i wywołać zamierzony efekt biologiczny (koagulację, waporyzację lub fragmentację pigmentu). Ustawienie zbyt niskich parametrów gęstości energii nie przyniesie oczekiwanego efektu terapeutycznego, natomiast zbyt wysokie parametry prowadzą do uszkodzenia termicznego nie tylko samego chromoforu docelowego, lecz także chromoforów konkurencyjnych czy tkanki otaczającej, powodując powikłania w postaci oparzeń, a w dalszej kolejności blizny i zmiany pigmentacyjne (hiper- czy hipopigmentacje),
- wielkość plamki (spot size) - wyrażana w jednostce miary, jaką jest długość, w milimetrach (mm), gdzie 1 mm = 10-3 m lub mikrometrach (?m), gdzie 1 ?m = 10-6 m. Rozmiar plamki zabiegowej światła ma kluczowy wpływ na głębokość penetracji światła lasera w głąb tkanki, ponieważ przy małej średnicy plamki zabiegowej dochodzi do większego rozpraszania światła lasera i straty fotonów, co ogranicza penetrację wiązki na większej głębokości, natomiast przy dużej średnicy plamki zabiegowej występuje małe rozproszenie, fotony sumują się i wiązka penetruje głębiej w tkankę. Należy także pamiętać o kolejnych zasadach fizyki, a mianowicie zwiększenie średnicy plamki przy takiej samej mocy przyczyni się do zmniejszenia gęstości mocy, tzw. fluencji (J/cm2), np. wartości parametrów lasera pikosekundowego: energia 100 mJ, plamka zabiegowa 2 mm daje fluencję 3,18 J/cm2; przy tej samej energii 100 mJ, a plamce zabiegowej 5 mm fluencja maleje do 0,50 J/cm2, natomiast przy plamce zabiegowej 10 mm fluencja wynosi 0,12 J/cm2. Wyższą skuteczność terapeutyczną można osiągnąć, stosując większą średnice plamki zabiegowej i jednocześnie większe bezpieczeństwo terapii. Wielkość plamki wpływa na szybkość pokrycia obszaru zabiegowego.
RYCINA 1.5
Zależność średnicy plamki zabiegowej do głębokości wnikania promieniowania laserowego
Należy również omówić temat strategii minimalizacji uszkodzeń termicznych otaczających tkanek, czyli zapobieganie powikłaniom po zabiegach z użyciem laserów. Wymienia się kilka strategii bezpieczeństwa zabiegowego:
- chłodzenie intensywne naskórka - to kluczowa czynność w trakcie zabiegów laserowych, szczególnie tych, których chromoforem docelowym są cząsteczki położone w skórze właściwej, np. naczynia krwionośne czy mieszki włosowe. Ważne jest odpowiednie schłodzenie tkanki, szczególnie u pacjentów z wyższym fototypem skóry według skali Fitzpatricka (III-VI), ze względu na dużą zawartość melaniny w naskórku, która może pochłaniać większą część energii, powodując powikłania. Wyróżnia się kilka metod chłodzenia skóry: kontaktowe z wykorzystaniem np. szafirowego szkiełka w głowicy, kriogeniczne, czyli rozpylenie kriogenu, lub konwekcyjne, czyli skierowany strumień zimnego powietrza na obszar zabiegowy. Wszystkie te czynności należy wykonać przed rozpoczęciem zabiegu laserowego, w trakcie, a także po zakończonej terapii, ponieważ chłodzenie chroni naskórek przed przegrzaniem, zmniejsza ryzyko wystąpienia oparzeń, pęcherzy, blizn, zmian pigmentacyjnych. Dzięki zastosowaniu chłodzenia można - w miarę bezpiecznie - przeprowadzić zabieg z wykorzystaniem wyższych fluencji, co przekłada się na lepszą skuteczność terapii,
- technika wielokrotnych, zsynchronizowanych impulsów (multiple synchronized pulsing) - wiąże się z podaniem serii krótkich impulsów laserowych w jedno miejsce zabiegowe z przerwami, tzw. opóźnieniami między tymi impulsami. Dzięki krótkim impulsom, technika ta pozwala na dostarczenie energii do chromoforu docelowego, a przerwy między nimi chronią naskórek przed przegrzaniem. Taki system jest również wykorzystywany w urządzeniach IPL (intense pulsed light),
- metody frakcyjne wykorzystywane w laserach ablacyjnych czy nieablacyjnych - polegają na tworzeniu w skórze mikroskopijnych kolumn uszkodzenia termicznego (microscopic thermal zones, MTZ), z nienaruszoną zdrową tkanką. Tkanka zdrowa przyspiesza cały proces gojenia, dzięki temu możliwe jest skrócenie czasu rekonwalescencji, ograniczenie ryzyka wystąpienia powikłań pozabiegowych w porównaniu z metodami ablacji pełnej, czyli obejmującej całą powierzchnię skóry.
