Lasers en chirurgie plastique

Au début du siècle dernier, dans une publication intitulée «Théorie quantique des rayonnements», Einstein a théoriquement justifié les processus qui doivent avoir lieu lorsque le laser émet de l'énergie. Maiman a construit le premier laser en 1960. Depuis lors, le développement rapide de la technologie laser, conduisant à la création d'une variété de lasers, couvrant l'ensemble du spectre électromagnétique. Ensuite, ils ont fusionné avec d'autres technologies, y compris les systèmes de visualisation, la robotique et les ordinateurs, pour améliorer la précision de la transmission du rayonnement laser. À la suite de la coopération dans le domaine de la physique et de la bio-ingénierie, les lasers médicaux en tant qu'agents thérapeutiques sont devenus une partie importante de l'arsenal des chirurgiens. Au début, ils étaient encombrants et n'étaient utilisés que par des chirurgiens spécialement formés à la physique des lasers. Au cours des 15 dernières années, la conception des lasers médicaux a progressé dans le sens de la facilité d'utilisation, et de nombreux chirurgiens ont étudié les bases de la physique des lasers dans l'enseignement post-universitaire.

Cet article traite de: la biophysique des lasers; interaction des tissus avec le rayonnement laser; les appareils actuellement utilisés en chirurgie plastique et reconstructive; exigences générales de sécurité pour travailler avec des lasers; questions de l'application ultérieure des lasers aux interventions sur la peau.

Biophysique des lasers

Les lasers émettent de l'énergie lumineuse, qui se déplace sous la forme d'ondes semblables à la lumière ordinaire. La longueur d'onde est la distance entre deux hauteurs d'onde adjacentes. L'amplitude est la grandeur du maximum, détermine l'intensité du rayonnement lumineux. La fréquence, ou la période de l'onde lumineuse, est le temps nécessaire pour un cycle de vagues complet. Pour comprendre l'effet d'un laser, il est important de considérer la mécanique quantique. Le terme "laser" (LASER) est l'abréviation de l'expression "amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement". Si un photon, une unité d'énergie lumineuse, entre en collision avec un atome, il transfère l'un des électrons de l'atome à un niveau d'énergie supérieur. L'atome dans un tel état excité devient instable et libère à nouveau un photon lorsque l'électron passe au niveau d'énergie initial inférieur. Ce processus est connu sous le nom d'émission spontanée. Si un atome est dans un état de haute énergie et entre en collision avec un autre photon, alors, lors de la transition vers un niveau de basse énergie, il attribuera deux photons qui ont la même longueur d'onde, direction et phase. Ce processus, appelé émission stimulée de rayonnement, sous-tend la compréhension de la physique des lasers.

Quel que soit le type, tous les lasers ont quatre composantes principales: un mécanisme d'excitation ou une source d'énergie, un milieu laser, une cavité optique ou un résonateur, et un système d'éjection. La plupart des lasers médicaux utilisés en chirurgie plastique du visage ont un mécanisme d'excitation électrique. Certains lasers (par exemple, un laser à colorant excité par une lampe flash) utilisent la lumière comme mécanisme d'excitation. D'autres peuvent utiliser des ondes radio à haute énergie ou des réactions chimiques pour fournir de l'énergie d'excitation. Le mécanisme d'excitation pompe l'énergie dans une chambre de résonance contenant un milieu laser, qui peut être un matériau solide, liquide, gazeux ou semi-conducteur. L'énergie déchargée dans la cavité du résonateur élève les électrons des atomes du milieu laser à un niveau d'énergie plus élevé. Lorsque la moitié des atomes dans le résonateur atteint une excitation élevée, l'inversion de population se produit. L'émission spontanée commence lorsque des photons sont émis dans toutes les directions et que certains d'entre eux entrent en collision avec des atomes déjà excités, ce qui conduit à l'émission stimulée de photons paires. L'amplification de l'émission stimulée se produit lorsque les photons se déplaçant le long de l'axe entre les miroirs sont réfléchis principalement d'avant en arrière. Cela conduit à une stimulation successive, puisque ces photons entrent en collision avec d'autres atomes excités. Un miroir a 100% de réflexion, et l'autre - transmet partiellement l'énergie rayonnée de la chambre de la cavité. Cette énergie est transférée aux tissus biologiques par le système d'éjection. Dans la plupart des lasers, c'est de la fibre optique. Une exception notable est le laser C02, qui a un système de miroirs sur une barre articulée. Pour le laser C02, il existe des fibres optiques, mais elles limitent la taille du point et l'énergie de sortie.

La lumière du laser en comparaison avec la lumière ordinaire est plus organisée et qualitativement intensive. Comme le milieu laser est homogène, les photons émis sous émission stimulée ont une longueur d'onde, ce qui crée une monochromie. Habituellement, la lumière diffuse fortement lorsqu'elle s'éloigne de la source. La lumière laser est collimatée: elle se dissipe peu, fournissant une intensité constante d'énergie à grande distance. Les photons de la lumière laser ne bougent pas seulement dans une direction, ils ont la même phase temporelle et spatiale. C'est ce qu'on appelle la cohérence. Les propriétés de la monochromaticité, de la collimation et de la cohérence distinguent la lumière laser de l'énergie désordonnée de la lumière ordinaire.

Interaction laser-tissu

Le spectre des effets laser sur les tissus biologiques s'étend de la modulation des fonctions biologiques à l'évaporation. La plupart des interactions laser-tissu utilisées cliniquement impliquent une coagulation thermique ou une évaporation. À l'avenir, les lasers peuvent être utilisés non pas comme sources de chaleur, mais comme sondes pour contrôler les fonctions cellulaires sans effets secondaires des effets cytotoxiques.

L'effet d'un laser ordinaire sur le tissu dépend de trois facteurs: l'absorption des tissus, la longueur d'onde du laser et la densité d'énergie du laser. Lorsqu'un faisceau laser entre en collision avec un tissu, son énergie peut être absorbée, réfléchie, transmise ou dispersée. Avec n'importe quelle interaction de tissu et de laser, les quatre processus se produisent à des degrés variables, dont l'absorption est le plus important. Le degré d'absorption dépend de la teneur du chromophore dans le tissu. Les chromophores sont des substances qui absorbent efficacement les ondes d'une certaine longueur. Par exemple, l'énergie du laser CO2 est absorbée par les tissus mous du corps. Ceci est dû au fait que la longueur d'onde correspondant au C02 est bien absorbée par les molécules d'eau, qui constituent jusqu'à 80% des tissus mous. En revanche, le laser C02 est minimalement absorbé par l'os, ce qui est dû à la faible teneur en eau dans le tissu osseux. Initialement, lorsque le tissu absorbe l'énergie laser, ses molécules commencent à vibrer. L'absorption d'énergie supplémentaire provoque la dénaturation, la coagulation et, finalement, l'évaporation de la protéine (vaporisation).

Lorsque l'énergie du laser est réfléchie par le tissu, celui-ci n'est pas endommagé, puisque la direction du rayonnement sur la surface change. En outre, si l'énergie laser traverse les tissus de surface dans la couche profonde, le tissu intermédiaire n'est pas affecté. Si le faisceau laser se dissipe dans le tissu, l'énergie n'est pas absorbée sur la surface, mais distribuée aléatoirement dans les couches profondes.

Le troisième facteur concernant l'interaction des tissus avec un laser est la densité d'énergie. Lorsque le laser et le tissu interagissent, lorsque tous les autres facteurs sont constants, la modification de la taille du spot ou du temps d'exposition peut affecter l'état du tissu. Si la taille de l'endroit du faisceau laser diminue, la puissance agissant sur un certain volume de tissu augmente. Inversement, si la taille du spot augmente, la densité d'énergie du faisceau laser diminue. Pour modifier la taille du spot, vous pouvez faire la mise au point, la pré-mise au point ou la mise au point sur le système d'éjection. Avec la pré-focalisation et la défocalisation des rayons, la taille du spot est plus grande que le faisceau focalisé, ce qui entraîne une densité de puissance plus faible.

Une autre façon de changer les effets sur les tissus est la pulsation de l'énergie laser. Tous les modes d'impulsion du rayonnement intermittent des périodes de mise sous tension et hors tension. Puisque l'énergie n'atteint pas le tissu pendant les périodes d'arrêt, il est possible de dissiper la chaleur. Si les périodes d'arrêt sont plus longues que le temps de relaxation thermique du tissu cible, la probabilité d'endommager le tissu environnant par la conductivité thermique diminue. Le temps de relaxation thermique est la quantité de temps nécessaire pour dissiper la moitié de la chaleur d'un objet. Le rapport entre la durée de l'intervalle actif et la somme des intervalles de pulsation actifs et passifs est appelé rapport cyclique.

Cycle de fonctionnement = on / on + off

Il existe différents modes d'impulsion. L'énergie peut être produite par lots en réglant la période d'émission du laser (par exemple, OD c). L'énergie peut se chevaucher lorsqu'une onde constante est bloquée à certains intervalles par un obturateur mécanique. Dans le mode super impulsion, l'énergie n'est pas simplement bloquée, mais stockée dans la source d'énergie laser pendant la période d'arrêt, puis éjectée pendant la période d'activation. C'est-à-dire que l'énergie de crête dans le mode super-impulsion est significativement supérieure à celle dans le mode constant ou le mode chevauchement.

Dans un laser produisant dans le régime d'impulsion géant, l'énergie est également conservée pendant la période d'arrêt, mais dans un environnement laser. Ceci est réalisé en utilisant un mécanisme d'amortissement dans la chambre à cavité entre les deux miroirs. Un volet fermé empêche la génération dans le laser, mais permet de stocker de l'énergie de chaque côté du volet. Lorsque le volet est ouvert, les miroirs interagissent, provoquant la formation d'un faisceau laser à haute énergie. L'énergie de pointe d'un laser produisant dans le régime d'impulsion géant est très élevée avec un cycle de fonctionnement court. Un laser avec des modes synchronisés est similaire à un laser qui génère dans le mode pulsé géant, en ce qu'un amortisseur est prévu entre les deux miroirs dans la chambre à cavité. Un laser avec des modes synchronisés ouvre et ferme son amortisseur en synchronisation avec le temps qu'il faut pour réfléchir la lumière entre deux miroirs.

Caractéristiques des lasers

• Laser au dioxyde de carbone

Le laser au dioxyde de carbone est le plus souvent utilisé en otorhinolaryngologie / chirurgie de la tête et du cou. La longueur de son onde est de 10,6 nm - une onde invisible de la région de l'infrarouge lointain du spectre du rayonnement électromagnétique. Un guidage le long du faisceau d'un laser hélium-néon est nécessaire pour que le chirurgien puisse voir la zone d'influence. Le milieu laser est C02. Sa longueur d'onde est bien absorbée par les molécules d'eau dans le tissu. Les effets sont superficiels en raison de l'absorption élevée et de la dispersion minimale. La radiation peut seulement être transmise par des miroirs et des lentilles spéciales placées sur une barre articulée. La barre de manivelle peut être attachée au microscope pour le travail de précision sous le grossissement. L'énergie peut également être éjectée par une poignée de mise au point fixée à la barre de charnière.

• Nd: laser YAG

La longueur d'onde du laser Nd: YAG (grenat d'yttrium-aluminium avec néodyme) est de 1064 nm, c'est-à-dire qu'elle se situe dans la région du proche infrarouge. Il est invisible à l'œil humain et nécessite un faisceau laser hélium-néon suggestif. Le milieu laser est le grenat d'yttrium-aluminium avec le néodyme. La plupart des tissus du corps n'absorbent pas bien cette longueur d'onde. Cependant, le tissu pigmenté l'absorbe mieux que celui non pigmenté. L'énergie est transmise à travers les couches superficielles de la plupart des tissus et est dispersée dans les couches profondes.

Comparé à un laser à dioxyde de carbone, la diffusion de Nd: YAG est beaucoup plus grande. Par conséquent, la profondeur de pénétration est plus grande et Nd: YAG est bien adapté à la coagulation des vaisseaux profonds. Dans l'expérience, la profondeur maximale de coagulation est d'environ 3 mm (température de coagulation +60 ° C). De bons résultats du traitement des formations capillaires et caverneuses péribuccales profondes à l'aide du laser Nd: YAG ont été rapportés. Il y a aussi un rapport sur la photocoagulation au laser réussie avec des hémangiomes, des lymphangiomes et des formations congénitales artério-veineuses. Cependant, une plus grande profondeur de pénétration et une destruction indiscriminée prédisposent à une augmentation des cicatrices postopératoires. Cliniquement, ceci est minimisé par des réglages de puissance sûrs, une approche ponctuelle de l'épidémie et l'évitement des zones cutanées. En pratique, l'utilisation d'un laser Nd: YAG de couleur rouge foncé a été pratiquement remplacée par des lasers de longueur d'onde située dans la partie jaune du spectre. Cependant, il est utilisé comme laser auxiliaire pour les formations nodales de couleur rouge foncé (couleur de port).

Il a été montré que le laser Nd: YAG inhibe la production de collagène, à la fois dans la culture des fibroblastes et dans la peau normale in vivo. Ceci suggère le succès de ce laser dans le traitement des cicatrices hypertrophiques et des chéloïdes. Mais cliniquement, la fréquence des rechutes après chéloïdes est élevée, malgré le puissant traitement local additionnel aux stéroïdes.

• Contactez le laser Nd: YAG

L'utilisation du laser Nd: YAG dans le mode de contact modifie de manière significative les propriétés physiques et l'absorptivité du rayonnement. La pointe de contact se compose d'un cristal de saphir ou de quartz, directement attaché à l'extrémité de la fibre laser. La pointe de contact interagit directement avec la peau et agit comme un scalpel thermique, coupant et coagulant simultanément. Il y a des rapports de l'utilisation d'une pointe de contact avec un large éventail d'interventions sur les tissus mous. Ces applications sont plus proches de l'électrocoagulation que du Nd: YAG sans contact. Fondamentalement, les chirurgiens utilisent maintenant des longueurs d'onde spécifiques au laser non pas pour couper des tissus, mais pour chauffer la pointe. Par conséquent, les principes d'interaction du laser avec les tissus ne sont pas applicables ici. Le temps de réponse au laser de contact n'est pas aussi direct que lors de l'utilisation d'une fibre libre, et il existe donc une période de latence pour le chauffage et le refroidissement. Cependant, avec l'expérience, ce laser devient pratique pour l'attribution de greffes de peau et de muscle.

• Laser à l'argon

Le laser à argon émet des ondes visibles d'une longueur de 488 à 514 nm. En raison de la conception de la chambre à cavité et de la structure moléculaire du milieu laser, ce type de laser produit une gamme de longueurs d'onde longues. Les modèles individuels peuvent avoir un filtre qui limite le rayonnement à une seule longueur d'onde. L'énergie du laser argon est bien absorbée par l'hémoglobine, et sa dispersion est intermédiaire entre le dioxyde de carbone et le laser Nd: YAG. Le système de rayonnement pour un laser à argon est un transporteur à fibre optique. En raison de la grande absorption par l'hémoglobine, les néoplasmes vasculaires de la peau absorbent également l'énergie du laser.

• Laser KTP

Le laser KTP (potassium titanyl phosphate) est un laser Nd: YAG dont la fréquence est doublée (la longueur d'onde est réduite de moitié) en faisant passer l'énergie du laser à travers le cristal KT. Cela donne une lumière verte (longueur d'onde 532 nm), qui correspond au pic d'absorption de l'hémoglobine. Sa pénétration dans les tissus et la diffusion est similaire à celle d'un laser à argon. L'énergie laser est transférée par fibre. En mode sans contact, le laser s'évapore et coagule. Dans le mode semi-contact, l'extrémité de la fibre touche à peine le tissu et devient un outil de coupe. Plus l'énergie est utilisée, plus le laser agit comme un couteau thermique, similaire à un laser au carbone acide. Les installations à plus faible énergie sont principalement utilisées pour la coagulation.

• Un laser à colorant excité par une lampe flash

Le laser à colorant excité par la lampe flash a été le premier laser médical spécialement développé pour traiter les néoplasmes vasculaires bénins de la peau. Ceci est un laser de lumière visible avec une longueur d'onde de 585 nm. Cette longueur d'onde coïncide avec le troisième pic d'absorption par l'oxyhémoglobine, et donc l'énergie de ce laser est principalement absorbée par l'hémoglobine. Dans la gamme 577-585 nm, il y a aussi moins d'absorption par les chromophores concurrents, tels que la mélanine, et moins de diffusion de l'énergie laser dans le derme et l'épiderme. Le milieu laser est de la rhodamine colorée, qui est excitée optiquement par une lampe flash, et le système de rayonnement est un support de fibre optique. La pointe du laser à colorant a un système de lentille remplaçable, ce qui permet de créer une taille de point de 3, 5, 7 ou 10 mm. Le laser pulse avec une période de 450 ms. Cet indice de pulsation a été choisi en fonction du temps de relaxation thermique des vaisseaux ectasiques retrouvés dans les néoplasmes vasculaires bénins de la peau.

• Laser à vapeur de cuivre

Un laser à vapeur de cuivre produit un rayonnement visible ayant deux longueurs d'onde distinctes: une onde verte pulsée de 512 nm de longueur et une onde jaune pulsée de 578 nm de longueur. Le milieu laser est du cuivre, qui est excité (évaporé) électriquement. Le système fibre-fibre transfère de l'énergie à la pointe, qui a une taille de point variable de 150-1000 μm. La durée d'exposition varie de 0,075 s à une constante. Le temps entre les impulsions varie également de 0,1 s à 0,8 s. La lumière laser à vapeur de cuivre jaune est utilisée pour traiter les lésions vasculaires bénignes sur le visage. L'onde verte peut être utilisée pour traiter des formations pigmentées telles que les taches de rousseur, le lentigo, le nevi et la kératose.

• Laser à colorant jaune non amorti

Un laser à colorant jaune avec une onde non amortie est un laser à lumière visible produisant une lumière jaune avec une longueur d'onde de 577 nm. Comme un laser sur un colorant, excité par une lampe flash, il est accordé en changeant le colorant dans la chambre d'activation laser. Le colorant est excité par un laser à argon. Le système d'éjection pour ce laser est également un câble à fibre optique, qui peut être focalisé sur différentes tailles de spots. La lumière laser peut pulser en utilisant un obturateur mécanique ou un embout Hexascanner fixé à l'extrémité du système de fibre optique. Hexascanner dirige aléatoirement des impulsions d'énergie laser à l'intérieur du contour hexagonal. Comme un laser à colorant excité par une lampe flash, et un laser à vapeur de cuivre, un laser à colorant jaune avec onde non amortie est idéal pour traiter les lésions vasculaires bénignes sur le visage.

• Erbium laser

Erbium: Le laser UAS utilise une bande de spectre d'absorption avec de l'eau de 3000 nm. Sa longueur d'onde de 2940 nm correspond à ce pic et est fortement absorbée par l'eau du tissu (environ 12 fois plus grande que le laser au dioxyde de carbone). Ce laser, émettant dans le proche infrarouge, est invisible à l'œil et doit être utilisé avec un faisceau de guidage visible. Le laser est pompé par une lampe flash et émet des macro-impulsions d'une durée de 200 à 300 μs, constituées d'une série de micro-impulsions. Ces lasers sont utilisés avec une pointe attachée à la barre de charnière. Un dispositif de balayage peut également être intégré dans le système pour une élimination plus rapide et plus uniforme des tissus.

• Ruby laser

Ruby laser - un laser pompé par une lampe pulsée émettant une lumière d'une longueur d'onde de 694 nm. Ce laser, situé dans la région rouge du spectre, est visible à l'oeil nu. Il peut avoir un obturateur laser pour produire des impulsions courtes et atteindre une pénétration plus profonde dans le tissu (plus profond que 1 mm). Un laser à rubis à longue impulsion est utilisé pour chauffer préférentiellement les follicules pileux au cours de l'épilation au laser. Ce rayonnement laser est transmis au moyen de miroirs et du système d'une tige articulée. Il est mal absorbé par l'eau, mais fortement absorbé par la mélanine. Différents pigments utilisés pour les tatouages absorbent également les rayons d'une longueur d'onde de 694 nm.

• Alexandrite laser

Le laser Alexandrite, un laser à l'état solide qui peut être gonflé par une lampe flash, a une longueur d'onde de 755 nm. Cette longueur d'onde, située dans la partie rouge du spectre, n'est pas visible à l'oeil et nécessite donc un faisceau de guidage. Il est absorbé par les pigments bleus et noirs pour les tatouages, ainsi que la mélanine, mais pas l'hémoglobine. C'est un laser relativement compact qui peut transmettre le rayonnement sur une fibre flexible. Le laser pénètre relativement profondément, ce qui le rend pratique pour enlever les poils et les tatouages. La taille du spot est de 7 et 12 mm.

• Laser à diode

Récemment, des diodes sur des matériaux supraconducteurs ont été directement couplées à des dispositifs à fibres optiques, ce qui a conduit à l'émission d'un rayonnement laser de différentes longueurs d'onde (en fonction des caractéristiques des matériaux utilisés). Les lasers à diode se distinguent par leur performance. Ils peuvent transférer l'énergie électrique entrante dans la lumière avec une efficacité de 50%. Cette efficacité, associée à une génération de chaleur et une puissance d'entrée moindres, permet aux lasers à diode compacte d'avoir une conception dépourvue de grands systèmes de refroidissement. La lumière est transmise par fibre optique.

• Lampe à impulsions filtrée

La lampe à impulsion filtrée utilisée pour l'épilation n'est pas un laser. Au contraire, c'est un spectre d'impulsion intense, incohérent. Pour l'émission de lumière d'une longueur d'onde de 590-1200 nm, le système utilise des filtres à cristal. La largeur et la densité intégrale de l'impulsion, également variables, satisfont aux critères de la photothermolyse sélective, qui met ce dispositif sur un pied d'égalité avec les lasers d'épilation.

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