לייזרים בניתוחים פלסטיים

בתחילת המאה הקודמת, איינשטיין הסביר באופן תיאורטי את התהליכים שחייבים להתרחש כאשר לייזר פולט אנרגיה במאמר שכותרתו "תורת הקוונטים של הקרינה". מימן בנה את הלייזר הראשון בשנת 1960. מאז, טכנולוגיית הלייזר התפתחה במהירות, ויצרה מגוון לייזרים המשתרעים על פני כל הספקטרום האלקטרומגנטי. מאז הם שולבו עם טכנולוגיות אחרות, כולל מערכות הדמיה, רובוטיקה ומחשבים, כדי לשפר את דיוק אספקת הלייזר. באמצעות שיתופי פעולה בפיזיקה ובהנדסה ביולוגית, לייזרים רפואיים הפכו לחלק חשוב בכלי הטיפול של מנתחים. בהתחלה, הם היו מגושמים ונעשה בהם שימוש רק על ידי מנתחים שהוכשרו במיוחד בפיזיקה של לייזר. במהלך 15 השנים האחרונות, תכנון הלייזרים הרפואיים התקדם כדי להקל על השימוש בהם, ומנתחים רבים למדו את יסודות פיזיקת הלייזר כחלק מהכשרתם לתואר שני.

מאמר זה דן ב: ביופיזיקה של לייזרים; אינטראקציה של רקמות עם קרינת לייזר; מכשירים המשמשים כיום בכירורגיה פלסטית ומשחזרת; דרישות בטיחות כלליות בעת עבודה עם לייזרים; סוגיות של שימוש נוסף בלייזרים בהתערבויות עור.

ביופיזיקה של לייזרים

לייזרים פולטים אנרגיית אור שנעה בגלים הדומים לאור רגיל. אורך הגל הוא המרחק בין שני שיאים סמוכים של הגל. האמפליטודה היא גודל השיא, הקובעת את עוצמת האור. התדירות, או המחזור, של גל אור היא הזמן שלוקח לגל להשלים מחזור אחד. כדי להבין כיצד לייזר פועל, חשוב להבין את מכניקת הקוונטים. המונח לייזר הוא ראשי תיבות של Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. כאשר פוטון, יחידה של אנרגיית אור, פוגע באטום, הוא גורם לאחד האלקטרונים של האטום לקפוץ לרמת אנרגיה גבוהה יותר. האטום הופך לא יציב במצב מעורר זה, ומשחרר פוטון כאשר האלקטרון חוזר לרמת האנרגיה המקורית והנמוכה יותר שלו. תהליך זה מכונה פליטה ספונטנית. אם אטום נמצא במצב אנרגיה גבוהה ומתנגש בפוטון אחר, כאשר הוא חוזר למצב אנרגיה נמוכה הוא ישחרר שני פוטונים בעלי אורך גל, כיוון ופאזה זהים. תהליך זה, הנקרא פליטה מעוררת של קרינה, הוא בסיסי להבנת פיזיקת לייזר.

ללא קשר לסוג, לכל הלייזרים ארבעה רכיבים בסיסיים: מנגנון עירור או מקור אנרגיה, מדיום לייזר, חלל אופטי או מהוד, ומערכת פליטה. לרוב הלייזרים הרפואיים המשמשים בניתוחי פנים פלסטיים יש מנגנון עירור חשמלי. לייזרים מסוימים (כגון לייזר צבע המעורר על ידי פנס פלאש) משתמשים באור כמנגנון עירור. אחרים עשויים להשתמש בגלי רדיו בעלי אנרגיה גבוהה או בתגובות כימיות כדי לספק אנרגיית עירור. מנגנון העירור מזרים אנרגיה לתא תהודה המכיל את מדיום הלייזר, שיכול להיות מוצק, נוזלי, גז או חומר מוליך למחצה. האנרגיה המוזרמת לחלל המהוד מעלה את האלקטרונים של האטומים במדיום הלייזר לרמת אנרגיה גבוהה יותר. כאשר מחצית מהאטומים במהוד מעוררים מאוד, מתרחשת היפוך אוכלוסייה. פליטה ספונטנית מתחילה כאשר פוטונים נפלטים לכל הכיוונים וחלקם מתנגשים באטומים שכבר מעוררים, וכתוצאה מכך פליטה מגורה של פוטונים מזווגים. פליטה מגורה מתגברת כאשר פוטונים הנעים לאורך הציר בין המראות מוחזרים באופן מועדף הלוך ושוב. התוצאה היא גירוי רציף כאשר פוטונים אלה מתנגשים באטומים מעוררים אחרים. מראה אחת מחזירת אור ב-100%, בעוד שהמראה השנייה מעבירה חלקית את האנרגיה הנפלטת מתא התהודה. אנרגיה זו מועברת לרקמה הביולוגית באמצעות מערכת פליטה. עבור רוב הלייזרים, מדובר בסיב אופטי. יוצא מן הכלל בולט הוא לייזר CO2, בעל מערכת מראות על זרוע צירית. סיבים אופטיים זמינים עבור לייזר CO2, אך הם מגבילים את גודל הנקודה ואת אנרגיית המוצא.

אור לייזר מאורגן ובעל עוצמה איכותית רבה יותר מאור רגיל. מכיוון שתוך הלייזר הומוגני, לפוטונים הנפלטים מפליטה מגורה יש אורך גל יחיד, מה שיוצר מונוכרומטיות. בדרך כלל, האור מפוזר מאוד כשהוא מתרחק מהמקור. אור לייזר מקולימציה: הוא מפוזר מעט, ומספק עוצמת אנרגיה קבועה על פני מרחק גדול. לא רק שהפוטונים של אור לייזר נעים באותו כיוון, יש להם את אותה פאזה זמנית ומרחבית. זה נקרא קוהרנטיות. התכונות של מונוכרומטיות, קולימציה וקוהרנטיות מבחינות בין אור לייזר לאנרגיה לא מסודרת של אור רגיל.

אינטראקציה בין לייזר לרקמה

ספקטרום השפעות הלייזר על רקמות ביולוגיות משתרע מוויסות תפקודים ביולוגיים ועד לאידוי. רוב האינטראקציות בין לייזר לרקמה הנמצאות בשימוש קליני נוגעות ליכולות תרמיות של קרישה או אידוי. בעתיד, לייזרים עשויים לשמש לא כמקורות חום, אלא כגשושים לשליטה בתפקודים תאיים ללא תופעות לוואי ציטוטוקסיות.

השפעת לייזר קונבנציונלי על רקמות תלויה בשלושה גורמים: ספיגת רקמות, אורך גל לייזר וצפיפות אנרגיית לייזר. כאשר קרן לייזר פוגעת ברקמה, האנרגיה שלה יכולה להיספג, להשתקף, להועבר או להתפזר. כל ארבעת התהליכים מתרחשים בדרגות שונות בכל אינטראקציה בין רקמה ללייזר, כאשר ספיגה היא החשובה ביותר. מידת הספיגה תלויה בתכולת הכרומופור של הרקמה. כרומופורים הם חומרים הבולעים ביעילות גלים באורך מסוים. לדוגמה, אנרגיית לייזר CO2 נספגת על ידי הרקמות הרכות של הגוף. הסיבה לכך היא שאורך הגל המתאים ל-CO2 נספג היטב על ידי מולקולות מים, המהוות עד 80% מהרקמות הרכות. לעומת זאת, ספיגת לייזר CO2 היא מינימלית בעצם, עקב תכולת המים הנמוכה של רקמת העצם. בתחילה, כאשר הרקמה סופגת אנרגיית לייזר, המולקולות שלה מתחילות לרטוט. ספיגת אנרגיה נוספת גורמת לדנטורציה, קרישה ולבסוף אידוי של החלבון (אידוי).

כאשר אנרגיית לייזר מוחזרת על ידי רקמה, האחרונה אינה ניזוקה, מכיוון שכיוון הקרינה על פני השטח משתנה. כמו כן, אם אנרגיית הלייזר עוברת דרך הרקמות השטחיות אל השכבה העמוקה, הרקמה הביניים אינה מושפעת. אם קרן הלייזר מתפזרת ברקמה, האנרגיה אינה נספגת על פני השטח, אלא מתפזרת באופן אקראי בשכבות העמוקות.

הגורם השלישי הנוגע לאינטראקציה של רקמה עם הלייזר הוא צפיפות האנרגיה. באינטראקציה של לייזר ורקמה, כאשר כל שאר הגורמים קבועים, שינוי גודל הנקודה או זמן החשיפה יכול להשפיע על מצב הרקמה. אם גודל הנקודה של קרן הלייזר פוחת, ההספק הפועל על נפח מסוים של רקמה עולה. לעומת זאת, אם גודל הנקודה עולה, צפיפות האנרגיה של קרן הלייזר פוחתת. כדי לשנות את גודל הנקודה, מערכת הפליטה על הרקמה יכולה להיות ממוקדת, ממוקדת מראש או לא ממוקדת. בקרניים ממוקדות מראש ולא ממוקדות, גודל הנקודה גדול יותר מהקרן הממוקדת, וכתוצאה מכך צפיפות הספק נמוכה יותר.

דרך נוספת לגוון את השפעות הרקמה היא להשתמש בפולסים של אנרגיית הלייזר. כל מצבי הפולסים מתחלפים בין תקופות דולקות וכיבוי. מכיוון שהאנרגיה אינה מגיעה לרקמה במהלך תקופות הכיבוי, קיים סיכוי לפיזור חום. אם תקופות הכיבוי ארוכות יותר מזמן ההרפיה התרמית של רקמת המטרה, הסבירות לנזק לרקמה הסובבת על ידי הולכה מצטמצמת. זמן ההרפיה התרמית הוא כמות הזמן הנדרשת לפיזור מחצית מהחום במטרה. היחס בין המרווח הפעיל לסכום מרווחי הפולסים הפעילים והפאסיביים נקרא מחזור עבודה.

מחזור עבודה = דלוק/דלוק + כבוי

ישנם מצבי פולס שונים. ניתן לשחרר את האנרגיה בפרצים על ידי הגדרת משך הזמן בו הלייזר פולט (למשל 10 שניות). ניתן לחסום את האנרגיה, כאשר הגל הקבוע נחסם במרווחים מסוימים על ידי תריס מכני. במצב סופרפולס, האנרגיה לא פשוט נחסמת, אלא מאוחסנת במקור אנרגיית הלייזר במהלך תקופת הכיבוי ולאחר מכן משתחררת במהלך תקופת ההפעלה. כלומר, אנרגיית השיא במצב סופרפולס גבוהה משמעותית מזו שבמצב קבוע או חסימה.

בלייזר פולסים ענק, אנרגיה מאוחסנת גם במהלך תקופת הכיבוי, אך בתוך תווך הלייזר. זה מושג על ידי מנגנון תריס בתא החלל שבין שתי המראות. כאשר התריס סגור, הלייזר אינו מייצר לייזר, אך אנרגיה מאוחסנת משני צידי התריס. כאשר התריס פתוח, המראות מקיימות אינטראקציה ויוצרות קרן לייזר בעלת אנרגיה גבוהה. אנרגיית השיא של לייזר פולסים ענק היא גבוהה מאוד עם מחזור עבודה קצר. לייזר נעול-מצב דומה ללייזר פולסים ענק בכך שיש תריס בין שתי המראות בתא החלל. הלייזר נעול-מצב נפתח וסוגר את התריס שלו בהתאם לזמן שלוקח לאור להחזיר בין שתי המראות.

מאפייני לייזרים

• לייזר פחמן דו-חמצני

לייזר פחמן דו-חמצני נמצא בשימוש הנפוץ ביותר בניתוחי אף אוזן גרון/ראש וצוואר. אורך הגל שלו הוא 10.6 ננומטר, גל בלתי נראה באזור האינפרא אדום הרחוק של הספקטרום האלקטרומגנטי. הנחיה לאורך קרן לייזר הליום-ניאון נחוצה כדי שהמנתח יוכל לראות את אזור הפעולה. מדיום הלייזר הוא CO2. אורך הגל שלו נספג היטב על ידי מולקולות מים ברקמה. ההשפעות הן שטחיות עקב ספיגה גבוהה ופיזור מינימלי. הקרינה יכולה לעבור רק דרך מראות ועדשות מיוחדות הממוקמות על מוט מפרקי. ניתן לחבר את זרוע הארכובה למיקרוסקופ לעבודה מדויקת תחת הגדלה. ניתן גם לפלוט אנרגיה באמצעות ידית מיקוד המחוברת למוט המפרקי.

• לייזר Nd:YAG

אורך הגל של לייזר Nd:YAG (איטריום-אלומיניום-גרנט עם ניאודימיום) הוא 1064 ננומטר, כלומר הוא נמצא בתחום הקרוב לאינפרא אדום. הוא בלתי נראה לעין האנושית ודורש קרן לייזר הליום-ניאון מכוונת. מדיום הלייזר הוא איטריום-אלומיניום-גרנט עם ניאודימיום. רוב רקמות הגוף סופגות אורך גל זה בצורה גרועה. עם זאת, רקמות פיגמנטיות סופגות אותו טוב יותר מרקמות לא פיגמנטיות. האנרגיה מועברת דרך השכבות השטחיות של רוב הרקמות ומתפזרת בשכבות העמוקות.

בהשוואה ללייזר פחמן דו-חמצני, פיזור ה-Nd:YAG גדול משמעותית. לכן, עומק החדירה גדול יותר ו-Nd:YAG מתאים היטב לקרישה של כלי דם עמוקים. בניסוי, עומק הקרישה המרבי הוא כ-3 מ"מ (טמפרטורת קרישה +60 מעלות צלזיוס). דווחו תוצאות טובות בטיפול בתצורות נימיות ומעורות עמוקות סביב הפה באמצעות לייזר Nd:YAG. ישנו גם דיווח על פוטוקואגולציה מוצלחת בלייזר של המנגיומות, לימפנגיומות ותצורות מולדות עורקיות-ורידיות. עם זאת, עומק החדירה הגדול יותר וההרס הלא סלקטיבי גורמים לעלייה בצלקות לאחר הניתוח. מבחינה קלינית, הדבר ממוזער על ידי הגדרות עוצמה בטוחות, גישה נקודתית לנגע והימנעות מטיפול באזורי עור. בפועל, השימוש בלייזר Nd:YAG אדום כהה הוחלף כמעט לחלוטין על ידי לייזרים בעלי אורך גל הנמצא בחלק הצהוב של הספקטרום. עם זאת, הוא משמש כלייזר אדג'ובנטי עבור נגעים נודולריים בצבע אדום כהה (יין פורט).

לייזר Nd:YAG הוכח כמעכב ייצור קולגן הן בתרבית פיברובלסטים והן בעור רגיל in vivo. ממצא זה מצביע על הצלחה בטיפול בצלקות היפרטרופיות וקלואידים. עם זאת, קלינית, שיעורי ההישנות לאחר כריתת קלואידים גבוהים, למרות טיפול סטרואידים מקומי נלווה ועוצמתי.

• לייזר מגע Nd:YAG

השימוש בלייזר Nd:YAG במצב מגע משנה באופן משמעותי את התכונות הפיזיקליות ואת ספיגת הקרינה. קצה המגע מורכב מגביש ספיר או קוורץ המחובר ישירות לקצה סיב הלייזר. קצה המגע מקיים אינטראקציה ישירה עם העור ופועל כמכשיר מנתחים תרמי, חותך ומקריש בו זמנית. ישנם דיווחים על שימוש בקצה המגע במגוון רחב של התערבויות ברקמות רכות. יישומים אלה קרובים יותר לאלה של אלקטרו-קואגולציה מאשר מצב Nd:YAG ללא מגע. באופן כללי, מנתחים משתמשים כיום באורכי הגל הטבועים בלייזר לא לחיתוך רקמות, אלא לחימום הקצה. לכן, עקרונות האינטראקציה בין לייזר לרקמה אינם ישימים כאן. זמן התגובה ללייזר המגע אינו קשור ישירות כמו בסיב חופשי, ולכן יש תקופת השהיה לחימום וקירור. עם זאת, עם ניסיון, לייזר זה הופך לנוח לבידוד מתלי עור ושרירים.

• לייזר ארגון

לייזר ארגון פולט גלים גלויים באורך של 488-514 ננומטר. בשל תכנון תא התהודה והמבנה המולקולרי של מדיום הלייזר, לייזר מסוג זה מייצר טווח גלים ארוך טווח. בחלק מהדגמים עשוי להיות פילטר המגביל את הקרינה לאורך גל יחיד. אנרגיית לייזר הארגון נספגת היטב על ידי המוגלובין, ופיזורה הוא בינוני בין זו של לייזר פחמן דו-חמצני ללייזר Nd:YAG. מערכת הקרינה של לייזר ארגון היא נשא סיב אופטי. בשל הספיגה הגבוהה על ידי המוגלובין, גם גידולים וסקולריים של העור סופגים אנרגיית לייזר.

• לייזר KTF

לייזר KTP (אשלגן טיטניל פוספט) הוא לייזר Nd:YAG שתדירותו מוכפלת (אורך הגל מצטמצם בחצי) על ידי העברת אנרגיית הלייזר דרך גביש KTP. זה מייצר אור ירוק (אורך גל 532 ננומטר), התואם לשיא הבליעה של המוגלובין. חדירת הרקמות והפיזור שלו דומים לאלה של לייזר ארגון. אנרגיית הלייזר מועברת על ידי סיב. במצב ללא מגע, הלייזר מתאדה ומתקרש. במצב חצי מגע, קצה הסיב בקושי נוגע ברקמה והופך לכלי חיתוך. ככל שהאנרגיה בה נעשה שימוש גבוהה יותר, כך הלייזר פועל כסכין תרמית, בדומה ללייזר פחמן דו-חמצני. יחידות אנרגיה נמוכות יותר משמשות בעיקר לקרישה.

• מנורת פלאש מעוררת לייזר צבע

לייזר הצבע המעורר על ידי מנורת הבזק היה הלייזר הרפואי הראשון שתוכנן במיוחד לטיפול בנגעים שפירים בכלי הדם בעור. זהו לייזר אור נראה בעל אורך גל של 585 ננומטר. אורך גל זה עולה בקנה אחד עם שיא הבליעה השלישי של אוקסיהמוגלובין, ולכן האנרגיה של לייזר זה נספגת בעיקר על ידי המוגלובין. בטווח של 577-585 ננומטר יש גם פחות ספיגה על ידי כרומופורים מתחרים כמו מלנין ופחות פיזור של אנרגיית הלייזר בדרמיס ובאפידרמיס. מדיום הלייזר הוא צבע רודאמין, המעורר אופטית על ידי מנורת הבזק, ומערכת הפליטה היא נשא סיב אופטי. לקצה לייזר הצבע יש מערכת עדשות מתחלפות המאפשרת יצירת גודל נקודה של 3, 5, 7 או 10 מ"מ. הלייזר פולס עם מחזור של 450 מילישניות. מדד פולסטיליות זה נבחר על סמך זמן הרלקסציה התרמית של כלי דם אקטטיים שנמצאו בנגעים שפירים בכלי הדם בעור.

• לייזר אדי נחושת

לייזר אדי הנחושת מייצר אור נראה בשני אורכי גל נפרדים: גל ירוק פועם של 512 ננומטר וגל צהוב פועם של 578 ננומטר. מדיום הלייזר הוא נחושת, אשר מעוררת (מאדה) חשמלית. מערכת סיבים מעבירה אנרגיה לקצה, בעל גודל נקודה משתנה של 150-1000 מיקרומטר. זמן החשיפה נע בין 0.075 שניות לקבוע. הזמן בין הפולסים משתנה גם הוא בין 0.1 שניות ל-0.8 שניות. האור הצהוב של לייזר אדי הנחושת משמש לטיפול בנגעים שפירים בכלי הדם בפנים. ניתן להשתמש בגל הירוק לטיפול בנגעים פיגמנטיים כגון נמשים, עפעפיים, שברים וקרטוזיס.

• לייזר צבע צהוב שאינו דוהה

לייזר צבע CW צהוב הוא לייזר אור נראה המפיק אור צהוב באורך גל של 577 ננומטר. בדומה ללייזר צבע המופעל על ידי מנורת הבזק, הוא מכוון על ידי שינוי הצבע בתא הפעלת הלייזר. הצבע מופעל על ידי לייזר ארגון. מערכת הפליטה של לייזר זה היא גם כבל סיב אופטי שניתן למקד אותו לגדלי נקודה שונים. ניתן להפעיל פולסים על אור הלייזר באמצעות תריס מכני או קצה Hexascanner המתחבר לקצה מערכת הסיבים האופטיים. ה-Hexascanner מכוון באופן אקראי פולסים של אנרגיית לייזר בתוך תבנית משושה. כמו לייזר צבע המופעל על ידי מנורת הבזק ולייזר אדי נחושת, לייזר צבע CW צהוב אידיאלי לטיפול בנגעים שפירים בכלי דם בפנים.

• לייזר ארביום

לייזר Erbium:UAS משתמש בפס הבליעה של מים באורך גל של 3000 ננומטר. אורך הגל שלו, 2940 ננומטר, מתאים לשיא זה והוא נספג חזק על ידי מים ברקמות (פי 12 בערך יותר מלייזר CO2). לייזר קרוב-אינפרא אדום זה אינו נראה לעין ויש להשתמש בו עם קרן כיוון נראית לעין. הלייזר מופעל על ידי מנורת הבזק ופולט מקרו-פולסים בני 200-300 מיקרו-שניות, המורכבים מסדרה של מיקרו-פולסים. לייזרים אלה משמשים עם ידית המחוברת לזרוע מפרקית. ניתן גם לשלב מכשיר סריקה במערכת להסרה מהירה ואחידה יותר של רקמות.

• לייזר רובי

לייזר האודם הוא לייזר המופעל באמצעות מנורת הבזק, הפולט אור באורך גל של 694 ננומטר. לייזר זה, הנמצא באזור האדום של הספקטרום, נראה לעין. ייתכן שהוא כולל תריס לייזר כדי לייצר פולסים קצרים ולהשיג חדירה עמוקה יותר לרקמות (עמוק יותר מ-1 מ"מ). לייזר האודם בעל הפולסים הארוכים משמש לחימום עדיף של זקיקי שיער בהסרת שיער בלייזר. אור לייזר זה מועבר באמצעות מראות ומערכת זרועות מפרקי. הוא נספג בצורה גרועה על ידי מים, אך נספג חזק על ידי מלנין. פיגמנטים שונים המשמשים לקעקועים סופגים גם הם קרניים של 694 ננומטר.

• לייזר אלכסנדריט

לייזר אלכסנדריט, לייזר במצב מוצק שניתן להפעילו באמצעות מנורת הבזק, בעל אורך גל של 755 ננומטר. אורך גל זה, בחלק האדום של הספקטרום, אינו נראה לעין ולכן דורש קרן הנחיה. הוא נספג על ידי פיגמנטים כחולים ושחורים של קעקועים, כמו גם מלנין, אך לא המוגלובין. זהו לייזר קומפקטי יחסית שיכול להעביר קרינה דרך מוליך אור גמיש. הלייזר חודר לעומק יחסית, מה שהופך אותו למתאים להסרת שיער וקעקועים. גדלי הנקודות הם 7 ו-12 מ"מ.

• לייזר דיודה

לאחרונה, דיודות על חומרים מוליכי-על חוברו ישירות להתקני סיבים אופטיים, וכתוצאה מכך פליטת אור לייזר באורכי גל שונים (בהתאם למאפייני החומרים המשמשים). לייזרי דיודה נבדלים ביעילותם. הם יכולים להמיר אנרגיה חשמלית נכנסת לאור ביעילות של 50%. יעילות זו, הקשורה לייצור חום נמוך יותר והספק קלט נמוך יותר, מאפשרת לתכנן לייזרי דיודה קומפקטיים ללא מערכות קירור גדולות. האור מועבר דרך סיבים אופטיים.

• מנורת פלאש מסוננת

מנורת הפעימה המסוננת המשמשת להסרת שיער אינה לייזר. במקום זאת, זוהי ספקטרום פעימה אינטנסיבי, לא קוהרנטי. המערכת משתמשת במסנני קריסטל כדי לפלוט אור באורך גל של 590-1200 ננומטר. הרוחב והצפיפות האינטגרלית של הפעימה, גם הם משתנים, עומדים בקריטריונים לפוטותרמוליזה סלקטיבית, מה שמציב מכשיר זה בשורה אחת עם לייזרים להסרת שיער.

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