Механизмы воздействия лазера на кожу

а) Оптические свойства кожи. Распространение оптического излучения в обычной среде, такой как воздух или стекло, описывается просто, особенно для монохроматического и направленного света лазера. На распространение влияют три процесса: отражение, рефракция и поглощение. Однако когда излучение попадает в такую непрозрачную среду, как кожа, необходимо также учитывать значительное рассеивание света внутри ткани, которое препятствует распространению света.

Когда оптическое излучение сталкивается с кожей, часть протонов отражается ввиду различий в индексе рефракции воздуха и кожи. С наличием этого эффекта связана необходимость ношения защитных очков во время лазерной терапии. В коже фотоны распространяются не прямо, но быстро и резко изменяют направление в результате столкновения с компонентами кожи, это явление называется рассеянием света. Способ и величина рассеяния зависят от размера рассеивающих объектов и длины излучаемой волны. Размер рассеивающих объектов составляет от нескольких нанометров (мелкие клеточные органеллы, клеточные мембраны) до нескольких микронов (крупные клеточные органеллы, клетки, коллаген) и сотен микронов (волосяной фолликул, потовые железы).

В случае мелких объектов имеет место изотропное рэлевское рассеяние, а для крупных объектов характерно неизотропное рассеяние. В обоих случаях степень рассеяния уменьшается с увеличением длины волны.

При возрастании длины волны фотоны меньше отклоняются на пути в кожу. Следовательно, чем длиннее световые волны, тем глубже излучение проникает в кожу. Если ультрафиолетовое излучение Б-диапазона (около 300 нм) проникает в кожу на несколько десятых миллиметра, то инфракрасное излучение (напр., лазер типа Nd: YAG, 1064 нм) достигает глубины пенетрации в несколько миллиметров. Однако рост глубины пенетрации с увеличением длины волны обращается вспять для волн, длина которых больше 1000 нм, поскольку излучение все больше поглощается находящейся в коже водой.

К счастью, рассеяние света в коже направлено в основном вперед, и в кожу проникает много фотонов. Но, к сожалению, рассеяние изменяет геометрию луча в коже, что существенно влияет на дозиметрию. Сложно определить количество фотонов, достигающих в коже цели (например, сосуда). Чем больше фотонов достигает цели, тем больше тепла генерируется внутри мишени.

Распространение широкополосного излучения, такого как при эмиссии И ПС, более сложный процесс, чем в случае эмиссии лазеров. Фотоны с различными длинами волн при широкополосной эмиссии (500-950 нм) проникают в кожу на различные глубины. При распространении в коже фотоны могут в любой момент поглощаться различными хромофорами.

Механизмы воздействия лазера на кожу
На распространение излучения в ткани влияют три основных процесса: отражение, абсорбция и рассеяние.

б) Взаимодействие излучения и кожи. В случае монохроматических лазеров фотоны одной длины волны поглощаются согласно коэффициенту абсорбции соответствующих хромофор на этой длине волны. Процесс поглощения широкополосного излучения ИПС сложный. Фотоны с длинами волн в диапазоне 500-950 поглощаются в разной степени. Это однозначно осложняет дозиметрию ИПС в клинической практике. Кроме того, имеющиеся на рынке различные ИПС генерируют излучение, спектры которого значительно отличаются, даже если применяются одни и те же фильтры. Это препятствует сравнению параметров радиационной дозиметрии различных ИПС, что затрудняет клинические исследования.

Когда монохроматическое излучение лазера или широкополосная эмиссия ИПС поглощаются различными хромофорами кожи, оксигемоглобином, меланином или водой, энергия излучения преобразуется либо в тепло, либо в химические реакции. Лазер Nd: YAG (неодимовый на иттрий-алюминиевом гранате с удвоением частоты при 532 нм) и импульсные лазеры на красителях (585-600 нм) преимущественно взаимодействуют с оксигемоглобином. Излучение рубинового лазера (694 нм), лазера на александрите (755 нм) и диодного лазера (около 810 нм) хуже поглощается оксигемоглобином и больше подходит для пигментированных очагов, включая удаление волос. Излучение лазера типа Nd: YAG (1064 нм) поглощается всеми хромофорами в минимальной степени.

Тем не менее, при высоких уровнях энергетической экспозиции (Дж/см2), этот лазер можно применять для неспецифической коагуляции тканей (в режиме непрерывного излучения) или сосудистых очагов (в импульсном режиме). В последнем случае можно применять также диодные лазеры и лазеры на александрите. Инфракрасные лазеры, такие как Er: YAG (эрбиевые лазер на иттрий-алюминиевом гранате) и СO2 — лазеры (на углекислом газе) взаимодействуют только с водой, нагревая ткань для вапоризации или абляции.

В отличие от лазеров, эмиссия ИПС широкополосная и может поглощаться всеми хромофорами одновременно. При применении отсекающего фильтра 500, энергетическая экспозиция (Дж/см2) накапливается фотонами волн разной длины (500-950 нм), которые по-разному поглощаются таким хромофором кожи, как оксигемоглобин. Кроме того, как уже упоминалось при описании оптических свойств кожи, эти фотоны достигают в коже разной глубины. Следовательно, конверсия излучения ИПС в тепловую энергию в мишени, расположенной на определенной глубине, будет совершенно иной, чем в случае лазерного излучения.

Если для фотохимических реакций требуется только небольшая интенсивность излучения, то для фототермических реакций интенсивность должна быть высокой. После поглощения хромофором специфической мишени (наир., оксигемоглобином в кровеносном сосуде) энергия этих фотонов вызывает повышение температуры внутри мишени. В то же время, повышение температуры способствует потоку тепловой энергии кнаружи мишени. Этот процесс противодействует генерации тепла и таким образом ограничивает повышение температуры до максимальной величины.

При низких параметрах интенсивности и длительном времени экспозиции (длительности импульса) применение лазеров и ИПС приводит к умеренному повышению температуры. Диапазон температур варьирует от температуры тела до 100 °С (коагуляция), что достигается при времени экспозиции от миллисекунд до непрерывного излучения. Когда ткань нагревается до точки кипения, излучение приводит к испарению кожи. Короткие импульсы лазера на углекислом газе (С02) нагревают ткань очень быстро, что приводит к быстрой вапоризации. Этот эффект с высокой точностью приводит к появлению маленьких отверстий с минимальным термическим повреждением окружающей ткани.

Режим с достаточно высокой интенсивностью и микросекундной длительностью импульсов подходит для абляции кожи при температурах выше 100 °С. При очень высоких параметрах интенсивности (107-109 Вт/см2) и очень малой длительности импульсов (наносекунды), температура мишени может достигнуть сотен градусов Цельсия. Такое очень короткое и интенсивное нагревание может привести к взрыву мишени. Поскольку общая энергия лазерного импульса ограничена, абляцию и эффект взрыва в лазерной медицине можно ограничить очень маленьким объемом. Такие высокие параметры интенсивности при коротких импульсах можно получить только лазером, но не ИПС.

Когда на кожу доставляется импульсное излучение, энергетическая экспозиция (Дж/см2) остается в узком диапазоне, примерно в пределах двух порядков величин. В отличие от этого, интенсивность и длительность импульсов могут варьировать как минимум в пределах 5 порядков величин. Приблизительно можно сказать, что чем выше интенсивность (Вт/см2) и короче длительность импульса, тем выше максимальная температура внутри объема мишени. Изменяя параметры интенсивности и длительности импульса, можно адаптировать температуру до уровней коагуляции, вапоризации или взрыва специфической мишени в коже.

Механизмы воздействия лазера на кожу
Различные длины волн лазерного излучения соответствуют спектрам абсорбции различных хромофоров в коже.
Механизмы воздействия лазера на кожу
Спектр эмиссии типичного ИПС должен соответствовать спектру абсорбции соответствующих хромофоров.
Фильтры, отсекающие волны длиной 500 нм, обеспечивают совпадение со спектром абсорбции гемоглобина; фильтр с отсечкой волн длиной 650 нм соответствует преимущественно меланину.
Механизмы воздействия лазера на кожу

в) Селективный фототермолиз. Основная цель процедуры — точно разрушить специфическую мишень в коже (такую как сосуд, пигмент) без перманентного повреждения окружающих её структур кожи. Этой цели можно достигнуть применением импульсного облучения и принципа селективного термолиза. Для селективного разрушения мишени путем нагревания необходимо учитывать следующие моменты. Длина волны применяемого излучения должна преимущественно поглощаться хромофорами мишени, что сложно осуществить в случае широкополосной эмиссиии ИПС. Энергия импульса излучения должна быть достаточно высокой, чтобы добиться термического разрушения всей цели.

Продолжительность импульса должна быть сопоставима с временем термической релаксации (tR), которое зависит в основном от диаметра мишени (D):

tR = pc/16k * D2∼D2.

Где p,c,k — термические параметры мишени. Время термической релаксации — это время, необходимое для снижения температуры мишени до 50% от максимальной величины. Время термической релаксации приблизительно пропорционально квадрату среднего диаметра мишени. Многие из вычисленных параметров времени соответствуют длительности импульсов, применяемых в клинической практике.

В случае пигментированных очагов, содержащих небольшие частицы меланина или пигмента татуировки, применяются наносекундные импульсы лазеров с модуляцией добротности. Помимо короткой длительности импульсов для терапии необходима высокая интенсивности света для достижения состояния взрыва пигментных частиц в коже.

Применение импульсов длительностью в миллисекунды подходит для коагуляции мелких кровеносных сосудов диаметром 50-150 мкм. На рисунке ниже изображена коагуляция кровеносного сосуда в дерме. Импульсное излучение проникает в кожу, и, вследствие рассеяния, энергетическая экспозиция (Дж/см2) уменьшается от известного значения (Дж/см2 у кожной поверхности) до меньшей величины. Эта меньшая величина представляет собой энергетический поток, который будет поглощаться в кровеносном сосуде. Вначале повышается только температура в сосуде, и происходит его коагуляция. Однако в результате повышения температуры в сосуде тепловая энергия начинает перетекать в окружающую дерму. В этот момент импульс облучения следует завершить, чтобы добиться селективного разрушения сосуда. Если импульс длится дольше, чем длится период термической релаксации, в дерму поступает избыточный поток тепла, что может вызвать нежелательные побочные реакции.

Термическое разрушение волосяного фолликула достигается при применении импульсов облучения в диапазоне 10-15 мс. Такой же диапазон длительности импульсов применяется при терапии крупных сосудов, в частности вен на нижних конечностях. Однако расчетная величина не соответствует этому диапазону. В случае объемных мишеней, селективный фототермолиз необходимо подстроить под новый параметр, которым является охлаждение нагретой мишени. Чем крупнее мишень, тем медленнее охлаждение и, следовательно, выше возможность эффективной коагуляции.

Механизмы воздействия лазера на кожу
Взаимодействие импульсного облучения с сосудом в коже, демонстрирующее концепцию селективного фототермолиза.

г) Фракционный фототермолиз. Излучение лазера обычно попадает на поверхность кожи в форме округлого пятна, размер которого находится в миллиметровом диапазоне. Применение фракционного фототермолиза создает на участке терапии пространственно разделенные зоны микротермического повреждения, так называемые микроскопические терапевтические зоны (МТЗ). Они образуются в коже в результате сфокусированного лазерного излучения. МТЗ представляют собой четко ограниченные микрозоны денатурации ткани диаметром примерно 100 мкм, окруженные жизнеспособной тканью, с интервалами в 200 мкм. МТЗ генерируются аблятивным или неяблятивным способом. Фракционный фототермолиз — это новая концепция омоложения кожи. МТЗ распределяются не вручную, а с использованием компьютеризованного сканера для создания периодической решетки термических повреждений.

д) Охлаждение кожи. Лазерная терапия кожных заболеваний требует доставки на поверхность кожи высокоэнергетического светового потока. Большинство мишеней для терапии расположены в зоне дермо-эпидермального соединения или в дерме. Чтобы достичь этих мишеней, фотоны должны пройти сквозь эпидермис, который может частично поглотить поступающее излучение. Кроме того, избыточное тепло, вызванное поглощением излучения в дерме, может спровоцировать повреждение дермальных и эпидермальных структур. Чтобы избежать нежелательного термического повреждения кожи, её поверхность часто охлаждают до, после и во время воздействия лазера, используя различные методы.

Самый простой и дешевый метод охлаждения — применение кубиков льда на кожу до, после или даже во время воздействия лазера. Аппликация в течение 10 секунд может привести к охлаждению кожной поверхности до 10 °С. Примерно такие же результаты дает контакт кожной поверхности с активно охлажденным металлом или стеклом. Некоторые лазеры, вместо контактного охлаждения, оборудованы охлаждением в форме спрея. Незадолго до воздействия лазера на кожную поверхность направляют струю холодного газа (обычно тетрафторэтана), что уменьшает температуру эпидермиса примерно до 5 °С. Охлаждения добиваются также, подвергая участок терапии воздействию потока холодного воздуха из специального кондиционера.

- Рекомендуем далее ознакомиться со статьей "Безопасность лазера (лазерной терапии) для человека"

Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 26.9.2019

Ваши замечания и вопросы: