整形手術のレーザー

アインシュタインは、レーザーがエネルギーを放出するときに起こらなければならないプロセスを理論的に立証しました。Maimanは1960年に最初のレーザーを製造しました。それ以来、レーザー技術の急速な発展は、さまざまなレーザーの創造につながり、電磁スペクトル全体をカバーしています。その後、可視化システム、ロボット、コンピュータなどの他の技術と統合して、レーザ放射の透過の精度を向上させました。物理学およびバイオエンジニアリングの分野における協力の結果として、治療薬としての医療用レーザーは、外科医の兵器の重要な一部となっている。当初、彼らは扱いにくく、レーザーの物理学で特別に訓練された外科医だけが使用していました。過去15年にわたり、医療用レーザーの設計は使いやすさの方向に進み、多くの外科医は大学院教育におけるレーザー物理の基礎を研究しました。

この記事では、レーザーの生物物理学、組織とレーザー放射線との相互作用; 現在プラスチックおよび再建手術に使用されている装置; レーザを扱うための一般的な安全要件。皮膚に介入する際のレーザーのさらなる適用の問題。

レーザーの生物物理学

レーザーは光エネルギーを放出し、通常の光と同様の波の形で動く。波長は、2つの隣接する波の高さの間の距離である。振幅は最大の大きさであり、光の放射の強さを決定する。光波の周波数または周期は、1つの完全な波周期に必要な時間である。レーザーの影響を理解するためには、量子力学を考えることが重要です。「レーザー」（レーザー）という用語は、「放射線の誘導放射による光増幅」の略語である。光エネルギーの単位である光子が原子と衝突すると、原子の電子の1つをより高いエネルギーレベルに移動させる。このような励起状態の原子は不安定になり、電子が最初の低エネルギーレベルに達すると再び光子を放出する。このプロセスは自発放出として知られている。原子が高エネルギー状態にあり、別の光子と衝突すると、低エネルギーレベルへの遷移時に、同じ波長、方向および位相を有する2つの光子が割り当てられる。このプロセスは、放射線の誘導放出と呼ばれ、レーザー物理学の理解の根底にある。

タイプにかかわらず、全てのレーザは、励起メカニズムまたはエネルギー源、レーザ媒体、光学キャビティまたは共振器、および射出システムの4つの主要な構成要素を有する。顔面形成外科手術で使用されるほとんどの医療用レーザは、電気的励起メカニズムを有する。いくつかのレーザー（例えば、フラッシュランプによって励起される色素レーザー）は、励起メカニズムとして光を使用する。他の人は、高エネルギーの電波または化学反応を利用して励起エネルギーを提供することができる。エキサイタ機構は、固体、液体、気体または半導体材料であり得るレーザ媒体を含む共振チャンバ内にエネルギーをポンピングする。共振器のキャビティに放出されたエネルギーは、レーザ媒体の原子の電子をより高いエネルギーレベルに上昇させる。共振器内の原子の半分が高い励起に達すると、反転分布が生じる。自発放出は、光子が全方向に放出され、それらのいくつかがすでに励起された原子と衝突するときに始まり、それによって対の光子の誘導放出が引き起こされる。誘導放出の増幅は、ミラー間の軸に沿って移動する光子が主として前後に反射する際に生じる。これらの光子は他の励起原子と衝突するため、これは連続的な刺激につながります。一方のミラーは100％の反射を有し、他方のミラーは放射エネルギーを部分的にキャビティチャンバから透過させる。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る。ほとんどのレーザーでは、光ファイバーです。注目すべき例外は、ヒンジ付きバーにミラーシステムを備えたCO 2レーザーです。CO 2レーザーには光ファイバーがありますが、スポットサイズと出力エネルギーが制限されます。

通常の光と比較してレーザーの光は、より組織化され、質的に集中している。レーザー媒質は均質であるため、誘導放出下で放出される光子は1つの波長を有し、単色性を生成する。通常、光は光源から遠ざかるにつれて強く拡散します。レーザー光はコリメートされます。レーザー光はほとんど散逸せず、遠距離で一定の強度のエネルギーを提供します。レーザ光の光子は一方向に移動するだけでなく、時間的および空間的にも同じ位相を持ちます。これを一貫性といいます。単色性、コリメーションおよびコヒーレンスの特性は、通常の光の不規則なエネルギーからレーザ光を区別する。

レーザーと組織の相互作用

生物学的組織に対するレーザー効果のスペクトルは、生物学的機能の調節から蒸発まで広がっている。臨床的に使用されるほとんどのレーザー - 組織相互作用は熱凝固または蒸発を伴う。将来、レーザーは熱源としてではなく、細胞傷害作用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使用することができます。

組織に対する通常のレーザーの効果は、組織吸収、レーザー波長、およびレーザーエネルギー密度の3つの要因に依存する。レーザービームが組織に衝突すると、エネルギーが吸収され、反射し、透過し、または散乱する。組織とレーザーの相互作用によって、4つのプロセスはすべて様々な程度で起こり、そのうちの吸収が最も重要です。吸収の程度は、組織中の発色団の含有量に依存する。発色団は、一定の長さの波を効果的に吸収する物質である。例えば、CO2レーザーのエネルギーは身体の軟組織によって吸収される。これは、CO 2に対応する波長が軟質組織の80％までを占める水分子によってよく吸収されるという事実による。これとは対照的に、CO 2レーザは、骨組織に含まれる水分が少ないため、骨に吸収されにくい。最初に、組織がレーザーエネルギーを吸収すると、その分子は振動し始める。追加のエネルギーの吸収は変性、凝固、そして最終的にタンパク質の蒸発（蒸発）を引き起こす。

レーザエネルギーが組織によって反射されると、表面上の放射方向が変化するので、レーザエネルギーは組織に損傷を与えない。また、レーザエネルギーが表面組織を通って深層に入る場合、中間組織は影響を受けない。レーザービームが組織内に散逸すると、エネルギーは表面に吸収されず、深い層にランダムに分布する。

組織とレーザーとの相互作用に関する第3の要因は、エネルギー密度である。レーザーと組織とが相互作用するとき、他のすべての因子が一定であれば、スポットまたは曝露時間の大きさを変えることは組織状態に影響を及ぼし得る。レーザービームのスポットのサイズが減少すると、特定の体積の組織に作用する力が増加する。逆に、スポットサイズが大きくなると、レーザビームのエネルギー密度が低下する。スポットのサイズを変更するには、ファブリック上の排出システムのフォーカス、プリフォーカスまたはデフォーカスを行うことができます。光線のプリフォーカスおよびデフォーカスによって、スポットサイズは集束されたビームよりも大きくなり、その結果、パワー密度が低下する。

組織効果を変化させる別の方法は、レーザーエネルギーの脈動である。すべてのパルスモードの放射線は断続的に電源をオン/オフします。シャットダウン期間中にエネルギーが組織に到達しないので、熱を放散することが可能である。遮断時間が標的組織の熱緩和時間よりも長い場合には、熱伝導率による周囲組織の損傷の可能性が減少する。熱緩和時間は、物体の熱の半分を放散するのに要する時間である。能動的な隙間の持続時間と能動的な脈動間隔と受動脈動間隔の合計との比をデューティサイクルといいます。

動作サイクル=オン/オン+オフ

さまざまなパルスモードがあります。エネルギーは、レーザーが放出される期間（例えば、OD c）を設定することによってバッチで生成することができる。一定の波が機械的シャッターによって一定の間隔で遮断されると、エネルギーが重なり合う可能性があります。スーパーパルスモードでは、エネルギーは単に遮断されるのではなく、シャットダウン期間中にレーザエネルギー源に蓄積され、オン期間中に放出される。すなわち、スーパーパルスモードのピークエネルギーは、一定モードまたはオーバーラップモードのピークエネルギーよりも著しく高い。

巨大パルス領域で発生するレーザでは、エネルギーはシャットダウン期間中に保存されるが、レーザ環境でも保存される。これは、2つのミラーの間のキャビティチャンバ内にダンパ機構を使用することによって達成される。閉じたフラップはレーザーの発生を防止するが、フラップの各側にエネルギーを蓄積することができる。フラップが開いているとき、ミラーは相互作用し、高エネルギーのレーザービームを形成する。巨大パルス方式で発生するレーザーのピークエネルギーは、短い動作サイクルで非常に高い。同期モードを有するレーザは、巨大パルス方式で発生するレーザと同様であり、ダンパがキャビティチャンバ内の2つのミラーの間に設けられる。同期モードを有するレーザは、2つのミラー間で光を反射するのに要する時間と同期してそのダンパーを開閉する。

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/頭頸部外科手術で最も頻繁に使用されます。その波の長さは10.6 nmで、電磁放射のスペクトルの遠赤外線領域の目に見えない波です。外科医が影響の領域を見るためには、ヘリウム - ネオンレーザーのビームに沿った誘導が必要である。レーザー媒質はCO 2である。その波長は、組織内の水分子によってよく吸収される。その効果は、高い吸収と最小限の分散のために表面的である。放射は、ヒンジ付きのバーに置かれた鏡や特殊レンズを通してのみ伝えることができます。クランクバーを顕微鏡に取り付けて、倍率の精密な作業が可能です。エネルギーは、ヒンジバーに取り付けられたフォーカスハンドルから排出することもできます。

• Nd：YAGレーザー

Nd：YAG（ネオジムを含むイットリウム - アルミニウムガーネット）レーザーの波長は1064nmであり、すなわち近赤外領域にある。人間の目には見えず、示唆的なヘリウム - ネオンレーザービームが必要です。レーザー媒質はネオジムを含むイットリウム - アルミニウムガーネットである。ほとんどの体組織はこの波長をよく吸収しません。しかし、色素沈着した組織は、色素沈着していない組織よりも良好に吸収されます。エネルギーはほとんどの組織の表面層を透過し、深い層に分散します。

二酸化炭素レーザと比較して、Nd：YAGの散乱ははるかに大きい。したがって、浸透の深さはより深く、Nd：YAGは深く陥った血管の凝固によく適しています。実験では、凝固の最大深さは約3 mm（凝固温度+60℃）です。Nd：YAGレーザーの助けを借りて深部の毛細血管および海綿体の治療の良好な結果が報告されている。また、血管腫、リンパ管腫および動静脈形成を伴うレーザー光凝固術の成功に関する報告もある。しかし、より深い浸透および無差別な破壊は、術後の瘢痕化の増加を引き起こす。臨床的には、これは、安全なパワー設定、アウトブレイクへのポイントアプローチ、および皮膚領域の回避によって最小化される。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よって実際に置き換えられました。しかし、それは暗赤色（ポートカラー）の結節形成のための補助レーザとして使用される。

Nd：YAGレーザーは、線維芽細胞培養およびインビボ正常皮膚の両方において、コラーゲンの産生を阻害することが示されている。これは、肥大性瘢痕およびケロイドの治療におけるこのレーザーの成功を示唆している。しかし、臨床的には、ケロイド後の再発の頻度は、ステロイドを用いた強力な局所治療にもかかわらず、高い。

• コンタクトNd：YAGレーザー

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および吸収率が大きく変化する。接触先端部は、レーザファイバの端部に直接取り付けられたサファイアまたは石英の結晶からなる。接触先端部は皮膚と直接相互作用し、熱メスとして作用し、切断および凝固を同時に行う。軟部組織に対する幅広い介入を伴うコンタクトチップの使用についての報告がある。これらのアプリケーションは、非接触Nd：YAGよりも電気凝固に近い。基本的に、外科医は、組織を切断するためではなく、チップを加熱するために、レーザー固有の波長を使用する。したがって、レーザと組織の相互作用の原理はここでは適用できません。コンタクトレーザーへの応答時間は、フリーファイバを使用した場合と同じくらい機能的ではないため、加熱と冷却に時間がかかります。しかし、経験によると、このレーザーは、皮膚および筋肉移植片の配分に都合がよい。

• アルゴンレーザー

アルゴンレーザーは488〜514nmの長さの可視波を放出する。キャビティチャンバの設計及びレーザ媒体の分子構造のために、このタイプのレーザは、長波長範囲を生成する。個々のモデルは、放射を単一の波長に制限するフィルタを有することができる。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、その分散は二酸化炭素とNd：YAGレーザーの中間です。アルゴンレーザ用の放射システムは、光ファイバキャリアである。ヘモグロビンによる大きな吸収のために、皮膚の血管新生物もレーザーのエネルギーを吸収する。

• KTPレーザー

KTP（リン酸カリウムカリウム）レーザーは、KT結晶を通してレーザーエネルギーを通過させることによって周波数が2倍になる（波長が半分になる）Nd：YAGレーザーである。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532nm）が得られる。組織へのその浸透および散乱は、アルゴンレーザーのそれと同様である。レーザエネルギーはファイバによって転送される。非接触モードでは、レーザは蒸発して凝固する。半接触モードでは、繊維の先端が生地にほとんど触れずに切削工具になる。より多くのエネルギーが使用されるほど、レーザーはサーマルナイフとして働き、炭素酸レーザーに似ています。低エネルギーの設備は、主に凝固のために使用されます。

• フラッシュランプで励起された色素レーザー

フラッシュランプによって励起された色素レーザーは、皮膚の良性の血管新生物を治療するために特別に開発された最初の医療用レーザーであった。これは波長585nmの可視光レーザーです。この波長は、オキシヘモグロビンによる吸収の3番目のピークと一致し、したがってこのレーザーのエネルギーはヘモグロビンによって主に吸収される。577-585nm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、真皮および表皮におけるレーザーエネルギーの散乱が少ない。レーザ媒質は色素ローダミンであり、これはフラッシュランプによって光学的に励起され、放射システムは光ファイバキャリアである。色素レーザーの先端には交換可能なレンズシステムがあり、スポットサイズを3,5,7または10 mmにすることができます。レーザーは450msの周期で脈動する。この脈動指数は、皮膚の良性の血管新生物に見出される異所性血管の熱緩和時間に基づいて選択された。

• 銅蒸気レーザー

銅蒸気レーザーは、長さが512nmのパルス緑色の波と長さが578nmのパルス状の黄色の波の2つの別個の波長を有する可視放射を生成する。レーザ媒体は銅であり、電気的に励起（蒸発）される。ファイバーファイバーシステムは、150-1000μmの可変スポットサイズを有する先端にエネルギーを伝達する。露光時間は0.075秒から一定の範囲です。パルス間の時間もまた0.1秒から0.8秒まで変化する。黄銅の蒸気レーザー光を用いて、顔の良性血管病変を治療する。緑色の波は、そばかす、紅斑、母斑および角化症のような色素形成形成物を治療するために使用することができる。

• 非減衰イエロー色素レーザー

非減衰波を有するイエロー色素レーザは、波長577nmの黄色光を生成する可視光レーザである。フラッシュランプによって励起された色素上のレーザーと同様に、レーザー活性化チャンバー内の色素を変えることによって調整される。染料はアルゴンレーザーによって励起される。このレーザーのための放出システムはまた、異なるスポットサイズに焦点を合わせることができる光ファイバケーブルである。レーザー光は、光ファイバーシステムの端部に取り付けられた機械的シャッターまたはヘキサスケーターチップを使用することによって脈動することができる。Hexascannerは、レーザーエネルギーのパルスを六角形の輪郭の内側にランダムに誘導します。フラッシュランプと銅蒸気レーザーで励起される色素レーザーのように、非減衰波の黄色色素レーザーは理想的には顔の良性血管病変の治療に適しています。

• エルビウムレーザー

エルビウム：UASレーザーは、3000nmの水で吸収スペクトルの帯域を使用します。2940nmのその波長はこのピークに対応し、組織水に強く吸収される（二酸化炭素レーザーの約12倍）。近赤外スペクトルで発光するこのレーザーは目に見えず、目に見えるガイドビームと共に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、一連のマイクロパルスからなる200〜300μsの持続時間のマクロパルスを放出する。これらのレーザーはヒンジバーに取り付けられた先端で使用されます。組織をより迅速かつより均一に除去するために、走査装置をシステムに一体化することもできる。

• ルビーレーザー

ルビーレーザー - 波長694nmの光を発するパルス状のランプで励起されたレーザー。このレーザーは、スペクトルの赤色領域に位置し、目で見ることができます。それは短いパルスを生成し、組織へのより深い浸透（1mmより深い）を達成するためにレーザーシャッターを有することができる。長パルスのルビーレーザを使用して、レーザ毛の除去中に毛包を優先的に加熱する。このレーザ放射は、ミラーおよびヒンジ付きロッドのシステムによって伝達される。水にはほとんど吸収されませんが、メラニンに強く吸収されます。タトゥーに使用される異なる顔料はまた、694nmの波長を有する光線を吸収する。

• アレキサンドライトレーザー

フラッシュランプで膨張させることができるソリッドステートレーザーであるアレキサンドライトレーザーは、755nmの波長を有する。スペクトルの赤色部分に位置するこの波長は、目に見えないので、導波ビームを必要とする。それは入れ墨のための青色と黒色の色素、並びにメラニンに吸収されるが、ヘモグロビンは吸収されない。これは、可撓性ファイバ上に放射線を透過させることができる比較的コンパクトなレーザである。レーザーは比較的深く浸透し、髪や入れ墨の除去に便利です。スポットサイズは7と12 mmです。

• ダイオードレーザー

近年、超伝導材料上のダイオードは光ファイバー装置と直接結合され、異なる波長のレーザー放射（使用される材料の特性に依存する）の放出につながった。ダイオードレーザーは、その性能によって区別される。彼らは50％の効率で入ってくる電気エネルギーを光に移すことができます。この効率は、発熱および入力パワーの低減に関連して、コンパクトなダイオードレーザが大きな冷却システムのない設計を有することを可能にする。光は、光学的に光ファイバーで伝送される。

• フィルタリングされたインパルスランプ

脱毛に使用されるフィルタリングされたパルスランプはレーザではありません。逆に、それは強烈で、インコヒーレントなインパルススペクトルです。波長590-1200nmの光を放射するために、システムは水晶フィルタを使用する。可変でもあるパルスの幅および積分密度は、選択的光熱分解の基準を満たし、この装置を脱毛レーザと同等のものとする。

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