形成外科におけるレーザー

前世紀初頭、アインシュタインは「放射の量子論」と題された論文の中で、レーザーがエネルギーを放射する際に必ず起こる過程を理論的に説明しました。メイマンは1960年に最初のレーザーを開発しました。それ以来、レーザー技術は急速に発展し、電磁スペクトル全体にわたる様々なレーザーが開発されました。これらのレーザーは、画像システム、ロボット工学、コンピュータなどの他の技術と融合し、レーザー照射の精度を向上させてきました。物理学とバイオエンジニアリングの連携により、医療用レーザーは外科医の治療ツールとして重要な役割を果たすようになりました。当初は大型で、レーザー物理学の専門訓練を受けた外科医のみが使用していました。しかし、過去15年間で医療用レーザーの設計は進化し、より使いやすくなりました。多くの外科医が大学院での研修の一環としてレーザー物理学の基礎を学んでいます。

この記事では、レーザーの生物物理学、レーザー放射と組織の相互作用、現在形成外科および再建外科で使用されている機器、レーザーを扱う際の一般的な安全要件、皮膚介入におけるレーザーの今後の使用に関する問題について説明します。

レーザーの生物物理学

レーザーは、通常の光と同様に波として伝わる光エネルギーを放射します。波長とは、波の隣接する2つのピーク間の距離です。振幅とはピークの大きさで、光の強度を決定します。光波の周波数、つまり周期とは、波が1周期を完了するのにかかる時間です。レーザーの仕組みを理解するには、量子力学を理解することが重要です。「LASER（レーザー）」という用語は、「Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（誘導放出による光増幅）」の頭字語です。光エネルギーの単位である光子が原子に当たると、原子の電子の1つがより高いエネルギー準位にジャンプします。この励起状態では原子は不安定になり、電子が元の低いエネルギー準位に戻る際に光子を放出します。このプロセスは自然放出として知られています。高エネルギー状態にある原子が別の光子と衝突した場合、低エネルギー状態に戻る際に、同じ波長、方向、位相を持つ2つの光子が放出されます。このプロセスは誘導放出と呼ばれ、レーザー物理学を理解する上で基本的なものです。

種類にかかわらず、すべてのレーザーは4つの基本構成要素から構成されます。励起機構またはエネルギー源、レーザー媒質、光空洞または共振器、そして射出システムです。顔面形成外科で使用される医療用レーザーのほとんどは、電気励起機構を備えています。一部のレーザー（フラッシュランプ励起色素レーザーなど）は、励起機構として光を使用します。他のレーザーは、高エネルギーの高周波波や化学反応を用いて励起エネルギーを生成します。励起機構は、固体、液体、気体、または半導体材料であるレーザー媒質を含む共鳴室にエネルギーを送り込みます。共鳴室に放出されたエネルギーは、レーザー媒質内の原子の電子をより高いエネルギー準位にまで上昇させます。共鳴室内の原子の半数が高度に励起されると、反転分布が発生します。光子が全方向に放出され、その一部が既に励起されている原子に衝突することで、光子対の誘導放出が生じ、自然放出が始まります。誘導放出は、鏡の間の軸に沿って移動する光子が優先的に往復反射されるにつれて増強されます。これらの光子が他の励起原子と衝突することで、順次励起光が照射されます。一方のミラーは100%反射し、もう一方のミラーは共振器室から放出されたエネルギーの一部を透過します。このエネルギーは、放出システムによって生体組織に伝達されます。ほとんどのレーザーでは、このシステムは光ファイバーです。注目すべき例外はCO2レーザーで、ヒンジ付きアームにミラーシステムが搭載されています。CO2レーザーにも光ファイバーは使用できますが、スポットサイズと出力エネルギーに制限があります。

レーザー光は通常の光よりも整然としており、質的にも強度が高い。レーザー媒質は均質であるため、誘導放出によって放出される光子は単一の波長を持ち、単色性を生み出す。通常、光は光源から遠ざかるにつれて散乱が大きくなるが、レーザー光はコリメートされており、散乱がほとんどないため、長距離にわたって一定のエネルギー強度を維持する。レーザー光の光子は同じ方向に移動するだけでなく、時間的にも空間的にも位相が一定である。これをコヒーレンスと呼ぶ。単色性、コリメーション、コヒーレンスといった特性が、レーザー光を通常の光の無秩序なエネルギーと区別する。

レーザーと組織の相互作用

レーザーが生物組織に及ぼす影響は、生物学的機能の調節から蒸発まで多岐にわたります。臨床的に用いられるレーザーと組織の相互作用の多くは、凝固または蒸発といった熱的作用に関係しています。将来的には、レーザーは熱源としてではなく、細胞毒性の副作用なしに細胞機能を制御するためのプローブとして利用されるようになるかもしれません。

従来のレーザーが組織に及ぼす影響は、組織の吸収、レーザー波長、レーザーエネルギー密度という3つの要因に依存します。レーザー光線が組織に当たると、そのエネルギーは吸収、反射、透過、または散乱されます。組織とレーザーの相互作用において、これら4つのプロセスは程度の差はあれ発生しますが、その中で最も重要なのは吸収です。吸収の程度は、組織の発色団含有量に依存します。発色団とは、特定の波長の波を効果的に吸収する物質です。例えば、CO2レーザーエネルギーは体の軟組織に吸収されます。これは、CO2に対応する波長が、軟組織の最大80%を占める水分子によく吸収されるためです。一方、骨組織の水分含有量が少ないため、CO2レーザーの吸収は骨では最小限に抑えられます。組織がレーザーエネルギーを吸収すると、まず分子が振動を始めます。その後、さらなるエネルギー吸収によってタンパク質の変性、凝固、そして最終的には蒸発（気化）が起こります。

レーザーエネルギーが組織で反射された場合、表面における照射方向が変化するため、組織は損傷を受けません。また、レーザーエネルギーが表層組織を通過して深層に到達した場合、中間組織は影響を受けません。レーザービームが組織内で散乱した場合、エネルギーは表面で吸収されず、深層にランダムに分布します。

組織とレーザーの相互作用に関する3つ目の要因はエネルギー密度です。レーザーと組織の相互作用において、他のすべての要因が一定であれば、スポットサイズや照射時間を変えることで組織の状態に影響を与えることができます。レーザービームのスポットサイズが小さくなると、一定量の組織に作用するパワーは増加します。逆に、スポットサイズが大きくなると、レーザービームのエネルギー密度は低下します。スポットサイズを変更するには、組織への照射システムをフォーカス、プリフォーカス、またはデフォーカスすることができます。プリフォーカスビームとデフォーカスビームでは、スポットサイズがフォーカスビームよりも大きくなるため、パワー密度は低くなります。

組織への影響を変化させるもう一つの方法は、レーザーエネルギーをパルス化することです。すべてのパルスモードは、オン期間とオフ期間を交互に繰り返します。オフ期間中はエネルギーが組織に到達しないため、熱が放散する可能性があります。オフ期間が標的組織の熱緩和時間よりも長い場合、熱伝導による周囲組織への損傷の可能性は低減します。熱緩和時間とは、標的組織の熱の半分が放散するのに必要な時間です。アクティブ期間とアクティブパルス間隔およびパッシブパルス間隔の合計の比をデューティサイクルと呼びます。

デューティサイクル = オン/オン + オフ

様々なパルスモードがあります。レーザーの発光周期（例：10秒）を設定することで、エネルギーをバースト的に放出できます。また、一定間隔で機械式シャッターによって一定波を遮断することで、エネルギーをブロックすることも可能です。スーパーパルスモードでは、エネルギーは単にブロックされるのではなく、オフ期間中にレーザーエネルギー源に蓄積され、オン期間中に放出されます。つまり、スーパーパルスモードのピークエネルギーは、一定モードやブロッキングモードよりも大幅に高くなります。

巨大パルスレーザーでは、オフ期間中もエネルギーはレーザー媒質に蓄えられます。これは、2枚のミラーの間にあるキャビティチャンバー内のシャッター機構によって実現されます。シャッターが閉じている間はレーザーは発振しませんが、エネルギーはシャッターの両側に蓄えられます。シャッターが開いている間は、ミラーが相互作用して高エネルギーのレーザービームを生成します。巨大パルスレーザーのピークエネルギーは非常に高く、デューティサイクルは短くなります。モード同期レーザーは、キャビティチャンバー内の2枚のミラーの間にシャッターがある点で巨大パルスレーザーに似ています。モード同期レーザーは、2枚のミラー間で光が反射するのにかかる時間と同期してシャッターを開閉します。

レーザーの特性

• 二酸化炭素レーザー

二酸化炭素レーザーは、耳鼻咽喉科および頭頸部外科手術において最も一般的に使用されています。その波長は10.6 nmで、電磁スペクトルの遠赤外線領域に属する目に見えない波です。外科医が手術部位を視認できるように、ヘリウムネオンレーザービームに沿った誘導が必要です。レーザー媒体はCO2です。その波長は組織内の水分子によく吸収されます。高い吸収と最小限の散乱により、効果は表面的です。放射線は、関節式ロッドに設置されたミラーと特殊レンズを介してのみ透過します。クランクアームを顕微鏡に取り付けることで、拡大鏡を用いた精密な手術が可能です。また、関節式ロッドに取り付けられたフォーカスハンドルからエネルギーを放出することもできます。

• Nd:YAGレーザー

Nd:YAG（イットリウム・アルミニウム・ガーネット・ネオジム）レーザーの波長は1064 nm、つまり近赤外線領域です。この波長は人間の目には見えず、ヘリウム・ネオンレーザービームの誘導が必要です。レーザー媒質はイットリウム・アルミニウム・ガーネット・ネオジムです。体内のほとんどの組織はこの波長をほとんど吸収しません。しかし、色素組織は無色素組織よりもこの波長をよく吸収します。エネルギーはほとんどの組織の表層を通過し、深層で消散します。

炭酸ガスレーザーと比較して、Nd:YAGレーザーの散乱は大幅に大きい。そのため、浸透深度が深く、Nd:YAGレーザーは深部血管の凝固に適しています。実験では、最大凝固深度は約3 mm（凝固温度+60 °C）でした。Nd:YAGレーザーを用いた口囲深部毛細血管および海綿状血管の形成に対する良好な結果が報告されています。また、血管腫、リンパ管腫、および先天性動静脈形成に対するレーザー光凝固の成功例も報告されています。しかし、浸透深度が深く、非選択的に破壊されるため、術後の瘢痕が残りやすくなります。臨床的には、安全な出力設定、病変への点状アプローチ、皮膚領域への治療の回避によって、瘢痕は最小限に抑えられます。実際には、暗赤色のNd:YAGレーザーの使用は、スペクトルの黄色部分にある波長のレーザーに事実上置き換えられています。しかし、暗赤色（ポートワイン色）の結節性病変に対する補助レーザーとして使用されます。

Nd:YAGレーザーは、線維芽細胞培養と正常皮膚の両方において、生体内でのコラーゲン産生を阻害することが示されています。これは、肥厚性瘢痕およびケロイドの治療に有効であることを示唆しています。しかしながら、臨床的には、強力な補助的局所ステロイド治療にもかかわらず、ケロイド切除後の再発率は高いことが分かっています。

• Nd:YAGレーザーについて

Nd:YAG レーザーを接触モードで使用すると、放射線の物理的特性と吸収が大きく変わります。接触チップは、レーザー ファイバーの端に直接取り付けられたサファイアまたは石英結晶で構成されています。接触チップは皮膚と直接相互作用し、熱メスとして機能して、切断と凝固を同時に行います。接触チップは、さまざまな軟部組織介入に使用されているという報告があります。これらの用途は、非接触 Nd:YAG モードよりも電気凝固に近いものです。一般に、外科医は現在、レーザーの固有波長を組織を切断するためではなく、チップを加熱するために使用しています。したがって、レーザーと組織の相互作用の原理は、ここでは適用できません。接触レーザーへの応答時間は、フリー ファイバーの場合ほど直接関連していないため、加熱と冷却のための遅延期間があります。ただし、経験を積むと、このレーザーは皮膚や筋皮弁の分離に便利になります。

• アルゴンレーザー

アルゴンレーザーは、488～514nmの可視光線を放射します。共振器室の設計とレーザー媒質の分子構造により、このタイプのレーザーは長波長域の波長を生成します。一部のモデルには、放射を単一波長に制限するフィルターが搭載されています。アルゴンレーザーのエネルギーはヘモグロビンによく吸収され、その散乱は二酸化炭素レーザーとNd:YAGレーザーの中間です。アルゴンレーザーの放射システムは光ファイバーキャリアです。ヘモグロビンによる高い吸収性のため、皮膚の血管腫瘍もレーザーエネルギーを吸収します。

• KTFレーザー

KTP（リン酸チタン酸カリウム）レーザーは、レーザーエネルギーをKTP結晶に通すことで周波数を2倍（波長を半分に）するNd:YAGレーザーです。これにより、ヘモグロビンの吸収ピークに対応する緑色光（波長532 nm）が生成されます。組織への浸透性と散乱はアルゴンレーザーに似ています。レーザーエネルギーはファイバーによって伝送されます。非接触モードでは、レーザーは蒸発して凝固します。半接触モードでは、ファイバーの先端が組織にほとんど触れず、切断器具として機能します。使用されるエネルギーが高いほど、レーザーは二酸化炭素レーザーに似た熱メスとして作用します。低エネルギーユニットは主に凝固に使用されます。

• フラッシュランプ励起色素レーザー

フラッシュランプ励起色素レーザーは、皮膚の良性血管病変の治療に特化した最初の医療用レーザーでした。これは波長585 nmの可視光レーザーです。この波長は酸素化ヘモグロビンの3番目の吸収ピークと一致するため、このレーザーのエネルギーは主にヘモグロビンに吸収されます。577～585 nmの範囲では、メラニンなどの競合する発色団による吸収も少なく、真皮と表皮におけるレーザーエネルギーの散乱も少なくなります。レーザー媒体はフラッシュランプによって光励起されるローダミン色素で、発光システムは光ファイバーキャリアです。色素レーザーの先端には、3、5、7、または10 mmのスポットサイズを作成できる交換可能なレンズシステムがあります。レーザーは450 ms周期でパルスを発します。この脈動指数は、皮膚の良性血管病変に見られる拡張性血管の熱緩和時間に基づいて選択されました。

• 銅蒸気レーザー

銅蒸気レーザーは、512nmの緑色パルス波と578nmの黄色パルス波という2つの異なる波長の可視光を生成します。レーザー媒体は銅で、電気的に励起（蒸発）されます。ファイバーシステムによってエネルギーが先端に伝達され、そのスポットサイズは150～1000µmの範囲で可変です。照射時間は0.075秒から一定です。パルス間隔も0.1秒から0.8秒の範囲で変化します。銅蒸気レーザーの黄色光は、顔面の良性血管病変の治療に使用されます。緑色光は、そばかす、黒子、母斑、角化症などの色素性病変の治療に使用できます。

• 退色しない黄色色素レーザー

黄色CW色素レーザーは、波長577 nmの黄色光を生成する可視光レーザーです。フラッシュランプ励起色素レーザーと同様に、レーザー活性化チャンバー内の色素を変更することで調整されます。色素はアルゴンレーザーによって励起されます。このレーザーの射出システムも光ファイバーケーブルで構成されており、様々なスポットサイズに焦点を合わせることができます。レーザー光は、機械式シャッター、または光ファイバーシステムの端に取り付けられたヘキサスキャナーチップを使用してパルス状に照射できます。ヘキサスキャナーは、レーザーエネルギーのパルスを六角形パターン内にランダムに照射します。フラッシュランプ励起色素レーザーや銅蒸気レーザーと同様に、黄色CW色素レーザーは顔面の良性血管病変の治療に最適です。

• エルビウムレーザー

エルビウムUASレーザーは、水の吸収帯である3000nmを利用します。波長2940nmはこの吸収ピークに相当し、組織水分に強く吸収されます（CO2レーザーの約12倍）。この近赤外線レーザーは目に見えないため、可視光線を照射して使用する必要があります。レーザーはフラッシュランプによって励起され、200～300μsのマクロパルスを放射します。マクロパルスは一連のマイクロパルスで構成されています。これらのレーザーは、関節式アームに取り付けられたハンドピースを用いて使用されます。より迅速かつ均一な組織除去を実現するために、スキャニング装置をシステムに組み込むこともできます。

• ルビーレーザー

ルビーレーザーは、フラッシュランプ励起レーザーで、波長694nmの光を発します。このレーザーはスペクトルの赤色領域に属し、肉眼で確認できます。短パルスを生成し、より深い組織（1mm以上）への浸透を可能にするレーザーシャッターを備えている場合もあります。長パルスルビーレーザーは、レーザー脱毛において毛包を優先的に加熱するために使用されます。このレーザー光は、ミラーと関節式ブームシステムを用いて伝送されます。水には吸収されにくいですが、メラニンには強く吸収されます。タトゥーに使用される様々な色素も、694nmの光を吸収します。

• アレキサンドライトレーザー

アレキサンドライトレーザーは、フラッシュランプで励起可能な固体レーザーで、波長は755nmです。この波長はスペクトルの赤色領域に属し、目には見えないため、ガイドビームが必要です。この波長は、青や黒のタトゥー色素、メラニンには吸収されますが、ヘモグロビンには吸収されません。アレキサンドライトレーザーは比較的コンパクトなレーザーで、柔軟なライトガイドを通して光を伝達できます。レーザーは比較的深くまで浸透するため、脱毛やタトゥーの除去に適しています。スポットサイズは7mmと12mmです。

• ダイオードレーザー

最近、超伝導材料上のダイオードが光ファイバーデバイスに直接接続され、様々な波長（使用される材料の特性によって異なります）のレーザー光を放射できるようになりました。ダイオードレーザーは、その効率によって特徴付けられます。入射する電気エネルギーを50%の効率で光に変換できます。この効率は、発熱と入力電力の低減と相まって、大型の冷却システムを必要としないコンパクトなダイオードレーザーの設計を可能にします。光は光ファイバーを介して伝送されます。

• フィルター付きフラッシュランプ

脱毛に使用されるフィルター付きパルスランプはレーザーではなく、高強度で非コヒーレントなパルススペクトルです。このシステムは、水晶フィルターを用いて590～1200nmの波長の光を放射します。パルスの幅と積分密度は可変であり、選択的光熱分解の基準を満たしているため、この装置は脱毛用レーザーと同等の性能を備えています。

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