Despre laser

Despre laserele medicale

Laserul este un dispozitiv complex, format dintr-o sursă de lumină, un mediu activ laser (solid, lichid sau gazos) și o cavitate optică rezonantă.

Mediul activ primește energie din exterior, fenomen numit pompare. Pomparea se poate realiza electric sau optic, folosind o sursă de lumină (flash, alt laser etc) și duce la excitarea atomilor din mediul activ, adică aducerea unora din electronii din atomii mediului pe niveluri de energie superioare. Față de un mediu aflat în echilibru termic, acest mediu pompat ajunge să aibă mai mulți electroni pe stările de energie superioare, fenomen numit inversie de populație.

Un fascicul de lumină care trece prin acest mediu activat va fi amplificat prin dezexcitarea stimulată a atomilor, proces în care un foton care interacționează cu un atom excitat determină emisia unui nou foton, de aceeași direcție, lungime de undă, fază și stare de polarizare. Astfel este posibil ca pornind de la un singur foton, generat prin emisie spontană, să se obțină un fascicul cu un număr imens de fotoni, toți avand aceleași caracteristici cu fotonul inițial. Acest fapt determină caracteristica de coerență a fasciculelor laser.

Cavitatea optică rezonantă, este formată de obicei din două oglinzi concave aflate la capetele mediului activ, cu rolul de a selecta fotonii generați pe o anumită direcție (axa optică a cavității) și de a-i recircula numai pe aceștia de cât mai multe ori prin mediul activ.

Trecerea fotonilor prin mediul activ are ca efect dezexcitarea atomilor și deci micșorarea factorului de amplificare optică a mediului. Se ajunge astfel la un echilibru activ, în care numărul atomilor excitați prin pompare este egal cu numărul atomilor dezexcitați prin emisie stimulată, punct în care laserul ajunge la o intensitate constantă. Avand în vedere că în mediul activ și în cavitatea optică există pierderi prin absorbție, reflexie parțială, împrăștiere, difracție, există un nivel minim, de prag, al energiei care trebuie furnizată mediului activ pentru a se obține efectul laser.

În funcție de tipul mediului activ și de modul în care se realizează pomparea acestuia laserul poate funcționa în undă continuă sau în impulsuri.

Caracteristicile fasciculului laser:

- Coerență: este proprietatea cea mai importantă a fasciculului laser. Unda emisă de laser se obține adunând undele emise de fiecare atom în parte. Undele luminoase clasice (nu laser) emise de fiecare atom sunt necoerente spațial (emisiunile atomilor situați în locuri diferite nu pot fi sincronizate) și temporal (unde radiate în momente de timp întâmplătoare, unda rezultată prezentând salturi în aceste momente). În cazul laserelor atomii emit lumina prin tranziții stimulate, astfel că emisia de lumină a diferiților atomi este sincronizată, ceea ce face ca unda emisă de întreg ansamblul să fie coerentă.

- Intensitate: în funcție de tipul de laser și de aplicația pentru care a fost construit, puterea transportată de fascicul poate fi foarte diferită, de la 5 mW la diodele ce citesc discurile de calculator până la mii de wați în industrie; cea mai mare putere raportată a fost în 1996 de 1,25 PW (petawatt, 1015 W).

- Monocromaticitate: este proprietatea radiațiilor laser de a avea o lungime de undă teoretic egală cu o singură valoare. În realitate însă, nici laserul nu poate emite o radiație perfect monocromatică.

- Direcționalitate: lumina laser este emisă sub forma unui fascicul paralel. Aceasta se explică prin acțiunea cavității optice rezonante de a selecta fotonii care se propagă paralel cu axa cavității.

Clasificarea laserilor din punct de vedere al securității:

- Clasa I este specifică echipamentelor industriale care au zona de acționare a fascicolului laser acoperită în totalitate, deci nu există posibilitatea apariției unor reflexii nedorite. Această clasă de laseri este cea mai sigură și nu necesită din partea operatorilor umani care deservesc echipamentul laser să poarte echipament de protecție optică (ochelari speciali sau mască);

- Clasa II;

- Clasa IIIa;

- Clasa IIIb;

- Clasa IV – sunt laseri care nu sunt prevăzuți cu nici o formă de protecție optică, fiind echipamente care pot fi ușor adaptate oricărui tip de prelucrări industriale. Identificarea unor astfel de echipamente laser se poate reliza privind eticheta lipită pe camera rezonantă pe care este inscripționat cuvântul OEM, alături de care se regăsește cuvântul CLASS IV.

Clasificarea laserelor:

După modalitățile de emisie a luminii laser, laserele pot fi:
• cu emisie continuă, ce pot fi utilizate continuu sau pentru durate determinate (prin manevrarea unui obturator mecanic sau întreruperea comandată a sursei);
• cu emisie intermitentă, produsă prin descărcarea bruscă de tensiuni înalte sau de unde radio în camera de rezonanță. Lumina laser astfel produsă este foarte puternică, are o durată foarte scurtă și poate fi controlată cu ajutorul unui cristal birefringent pe post de obturator.

După tipul sursei de emisie, laserele se împart în:
• solide: laser cu rubin, laser YAG: Nd (Ytrium – Aluminiu – Garnet: Neodym), YAG: Er (erbiu);
• cu lichide (lasere cu coloranți);
• cu gaze (CO2, Argon, Heliu-Neon);
• cu semiconductori (diode cu arseniură de galliu).

Laserele utilizate în medicină:

Cum interacționează fasciculul laser cu țesuturile?

Fascicolul luminos produce în țesuturi efecte fizico-chimice multiple:
• efectul termic: la nivelul țesutului țintă, transportată de fascicolul laser este absorbită și se transformă în căldură. Datorită faptului că fasciculul laser este direcționabil și poate fi focalizat, el poate acționa pe suprafețe de la câțiva nm2 până la câțiva mm2;
• efectul fotochimic: se produce prin absorbția selectivă a fascicolului laser de către unii constituenți naturali ai unor celule sau a anumitor substanțe introduse în țesuturi (cromofori);
• efectul electromecanic: laserele de mare putere, datorită combinării dintre câmpul electromagnetic și fascicolul laser, pot provoca ionizări, cu ruperea unor legături moleculare și apariția radicalilor liberi (efecte asemănătoare radiațiilor ionizante);
• efectul cromatic multifotonic: consta în posibilitatea de modificare a lungimii de undă și a numărului de fotoni la impactul sau traversarea țesuturilor de către fascicolul laser.

Tipuri de lasere medicale:

1. Lasere chirurgicale
Laserul cu bioxid de carbon (CO2) este cel mai raspândit laser care folosește simultan și un laser heliu-neon cu lumină rosie, cu emisie continuă, pentru a ținti cu ajutorul lui punctul de impact pentru fascicolul laser CO2 care este invizibil. Laserul CO2 are emisie continuă, controlată cu ajutorul unui obturator comandat manual sau electronic. Distanța de focalizare este cuprinsă între 10 și 30 cm. În acest punct de focalizare, fascicolul laser are puterea maximă ce poate fi folosită pentru incizii chirurgicale. Defocalizarea fascicolului laser se folosește pentru vaporizarea leziunilor. Eficiența laserului CO2 este direct proporțională cu puterea sa, care trebuie să fie de minim 20 W.
Indicațiile laserului CO2 sunt reprezentate de:
• vegetațiile veneriene (indicația de electie), verucile vulgare, papiloamele virale cutanate și mucoase, moluscum contagiosum;
• chirurgia displaziilor vasculare tumorale mari;
• boala Bowen genitală;
• boala Paget extramamară;
• tumorile cutanate benigne multiple dar de mici dimensiuni;
• rinofima;
• leucokeratozele labiale;
• tatuajele policrome, sub rezerva de a se obține o imagine “în negativ” a tatuajului.

2. Laserele vasculare
Lungimea de undă este absorbită preferențial de către pigmentul hemoglobinic și care acționează selectiv pe vasele sangvine dermice.
Se poate face o clasificare a laserelor vasculare în functie de:
➢ modalitatea de emisie
• laserele cu argon – emisie continuă, fascicolul laser are culoarea bleu-verzuie (488-514,5 nm), apropiată de spectrul de absorbție al hemoglobinei și melaninei.
• laserul YAG:Nd – emisie pseudocontinuă, lungime de undă de 532 nm.
• laser cu coloranți – emisie continuă, lungime de undă de 577 sau 585 nm.
• laser cu coloranți pulsați – emisie pulsatorie (450 de microsecunde), lungime de undă de 585 nm.
Cu excepția laserului cu argon, care provoacă necroza epidermică, celelalte lasere traversează epidermul. Hemoglobina și oxihemoglobina absorb lumina laser a cărei energie se transformă în energie termică ce provoacă ruperea peretelui vascular și apoi degenerescența lui; acest proces este denumit fototermoliză selectivă.
➢ modul de acțiune
• lasere continue și psudocontinue;
• lasere “flashlamp-primped pulsed dye”.
Laserele continue și pseudocontinue acționează printr-un mecanism pur termic, care predomină la nivelul și în jurul vaselor dermice superficiale (necroza de coagulare). Laserele pseudocontinue sunt de fapt lasere ce emit impulsuri foarte scurte dar cu frecvență foarte rapidă de ieșire putând fi asimilate ca mod de acțiune cu laserele care emit continuu.
Laserele “flashlamp-primped pulsed dye” diferă de precedentele prin modul de emisie pulsabilă (450 ns/impact), care provoacă termic și mecanic o ruptură a peretelui vascular, care va fi la originea unei tromboze secundare (fototermoliza selectivă). Această ruptură vasculară explică apariția imediată a unei purpure negricioase care va dura aproximativ 10 zile.

Indicațiile laserelor vasculare:

• angiomul plan;
• telangectaziile de diferite tipuri: din rozacee, din radiodermite, telagiectaziile esențiale, reziduale unui hemangiom sau secundare unei maladii sistemice;
• angioame stelate;
• manifestările cutanate ale maladiei Rendu-Osler;
• eritrozele faciale și cervicale;
• cuperoză.

3. Laserele pigmentare
Au ca scop țintirea și distrugerea selectivă a melaninei conținută în melanozomi, pe de o parte, și a pigmenților minerali sau organici care intră în compoziția tatuajelor, pe de altă parte. Azi sunt utilizate trei tipuri de lasere pentru tratarea tatuajelor și a leziunilor melanice benigne:
• laserul YAG:Nd – lungimea de undă de 532 nm (pentru neurochirurgie de 1.064 nm), declanșarea la 1.040 nanosecunde;
• laserul Alexandrite – lungimea de undă de 760 nm, declanșarea la 100 nanosecunde;
• laserul Rubin (cristal de rubin) – lungimea de undă de 694 nm, emisie continuă sau intermitentă (20-25 nanosecunde).
Toate aceste lasere emit impulsuri cu durată foarte scurtă, de ordinul zecilor de nanosecunde (10-80 ns). Aceste durate sunt mult inferioare timpilor de relaxare termică a țesuturilor țintă, ceea ce determină o fototermoliza selectivă a pigmenților cu fragmentarea lor și eliminarea secundară de către sistemul fagocitar.
Indicațiile laserelor pigmentare:
• tatuaje: în raport cu laserul CO2 continuu, prezintă 2 avantaje majore: caracterul puțin dureros și absența cvasitotală a cicatricei (în jur de 30% discromii tranzitorii). Însă presupune un tratament de lungă durată (3-10 ședințe în funcție de tipul tatuajului; separate de minim 2 luni interval); pentru tatuaje dense sau profunde tratamentul poate fi incomplet. În funcție de culoarea tatuajului se folosește cu predilecție un anumite laser:
– tatuajele negre sau albastre: răspund la oricare din cele 3 varietăți de laser;
– tatuajele roșii: răspund mai ales la laserul YAG 532,
– tatuajele verzi sau galbene: răspund la laserul alexandrit și rubin.
• leziuni melanice benigne: melanoza Becker, petele “café-au-lait”, nevul Ota, pentru lentigo, melanoze postinflamatorii, postscleroterapie, cloasma și efelide. Este de subliniat necesitatea absolută a unui diagnostic cert înainte de a trata orice leziune pigmentară cu laser. Se evită tratarea nevilor pigmentari cu laser.

4. Laserele cosmetice
Majoritatea laserelor pot fi folosite și pentru tratamente cosmetice. Acestea sunt prevăzute cu scanner și piesă de mână automatizată, având o eficiență și viteză de lucru crescute.

5. Laserele biostimulatoare
Laserul cu semiconductori He-Ne se folosește în tratamentul unor procese inflamatorii cronice (acnee, ulcerul de gambă, etc.). Prin creșterea fluxului sanguin local se stimulează și se accelerează procesele de remaniere tisulară.