Laser

Često se pojam laser poistovjećuje sa određenom vrstom uređaja, no zapravo malo ljudi zna da se radi o jednom specifičnom fizičkom pojmu čija povjest seže na početke prošlog stoljeća. Laser je akronim za Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, što bi u slobodnom prevodu značilo pojačanje svijetla pomoću stimulirane emisije. Upravo u konceptu stimulirane emisije stoji čitava znanost koja se je tijekom godina razvila na tom području. Početkom prošlog stoljeća poznati fizičari poput Alberta Einstena i Maxa Planca postavili su temelje kvantne fizike. Po tim osnovim načelima svijetlo putuje u kvantima ( paketima ) energije koji su nazvani fotoni. To drugim riječima znači da je interakcija fotona sa materijom strogo matematički definirana te ovisi o broju primljenih paketa . Obzirom na dualnu prirodu svijetla ( val i čestica ), svaki foton posjeduje određenu frekvenciju ( valnu duljinu ) odnosno «boju» koja je definirana strogim matematičkim jednađbama.

Pomoću tih saznanja te koristeći Bohrov model atoma ( slika ) Einstein objašnjava niz efekta kao što su florescencija, fosforescencija te svakako fotoelektrički efekt za kojeg je dobio i Nobelovu nagradu. Po Bohrovom modelu atoma, sam sustav se sastoji od određenog broja pozitivno nabijenih čestica u jezgri te određenog broja elektrona koji se rotiraju oko jezgre po tvz. kvantiziranim stazama. Drugim riječima , svi elektroni kruže po strogo definiranim putanjama te nemogu kružiti npr. između 2 staze. Putanje se nazivaju i energetske razine ili orbitale iz prostog razloga što elektroni koji se nalaze na višim stazama imaju i veću energiju. Ukoliko foton ( optičko pumpanje ) ili elektron ( električko pumpanje ) udari u atom najčešći je efekt apsorpcija tj. sva energija fotona apsorbira se u atom. Na atomskoj razini to znači da je udarac izazvao skok jednog domaćeg elektrona na višu razinu. To je moguće samo zato što je po kvantnoj teoriji sva energija dostupna u strogo definiranim paketima. Na koju će razinu skočiti domaći elektron ovisi samo o paketu energije koju je primio. Ono što je svima poznato je to da sva materija nakon nekog vremena ima tendenciju da se vrati u položaj maksimalnog mirovanja tj. atom će imati tendenciju da «isprazni» dobiveni energiju kako bi bio stabilniji. To se dešava kada se domaći pobuđeni elektron vraća na svoje staro mjesto. Obzirom da je energija neuništiva, a može samo mjenjati oblike, višak energije osloboditi će se u vidu fotona. Taj foton će imati energiju i valnu duljinu ( boju ) proporcionalnu kvantnom skoku elektrona koji ga je generirao. Iz navedenog je jasno zašto svijetlo putuje u kvantima. Taj foton dalje može međudjelovati sa materiom na već opisan način. Cjelokupni opisani proces naziva se spontana emisija i dešava se konstantno, no obično efekat nije vidljiv jer dominira apsorpcija nad emisijom.

U nekim specifičnim materijalima ( florescentnim ) spontana emisija je vidljiva. Nakon ovih saznanja postavlja se pitanje «Šta se dešava ako foton udari u već pobuđeni atom?». Na to isto pitanje 1917 godine Albert Einstein odgovara «Stimulirana emisija». Ukoliko foton udari u već pobuđeni atom, atom otpušta višak energije u vidu 2 fotona i vraća se u nisko energetsko stanje. Ta dva fotona imaju vrlo specifična svojstva. Oni su zapravo blizanci. Imaju istu energiju, istu boju ( valnu duljinu ), kreču se istim smjerom te su potpuno koherentni.

No da bi se dobilo ono što se naziva danas laser bilo je potrebno jos čitavih 43 godine rada. Ono što je bilo potrebno da bi uopće došlo do laserskog efekta naziva se inverzija populacije. Tj. potrebno je držati većinu atoma ( u jednom molu materije ima 10 ^24 atoma ) u pobuđenom stanju te ih sve isprazniti u istom trenutku. To je bio i najveći problem istraživača. Naime , poznato je da je prosječno vrijeme u kojem se nalazi pobuđeni atom oko 10ns što je nedovoljno da bi se stvorila inverzija populacije.

No postoje specifični materijali koji posjeduju tvz. metastabilnu energetsku razinu (slika lijevo). Elektroni koji se nađu u metastabilnoj razini ostaju u tom stanju otprilike 1ms što je dovovljno da bi se sinhrnozirao sa ostalim (vidi animaciju). Konstruktivno laser se sastoji od izvora po kojem obično dobiva naziv, medija za optičko ili električko «pumpanje» te rezonantne komore. Izvori mogu biti plinoviti ( CO2, Ar, He-Ne,…), krutine ( Nd:YAG, Er:YAG, Ho:YAG, rubin, aleksandrit), plinski dimerski (XeCl, ArF,CrF,XeF..), tekući sa kolorantom( DYE laser ),poluvodiči (AlGaAs, AlInAs, GaAs ). Medij za optičko «pumpanje» obično je xenonova bljeskalica. Obično je vodeno hlađena te su takvi uređaju u principu veći, teži te skloni kvarovima mehaničkog tipa. Medij za električno pumpanje je električna energija ( CO2 i diodni laser ).

Rezonantna komora se sastoji od dvaju ogledala od kojih je jedno poluprozirno ,a sveukupna duljina rezonantne komore iznosi uvjek umnožak valne duljine. To je zato što se generirani fotoni unutar rezonantne komore odbijaju od ogledala te tako na svojoj putanji pobuđuju sve više atoma. Kada gustoća fotona pređe jednu kritičnu razinu dio laserske zrake izlazi iz komore putem polupropusnog ogledala. Svi laserski izvori osim poluvodiča ( diodni laseri ) zahtjevaju takav pristup konstrukciji.

Posebno bi poglavlje izdvojio za poluvodičke laserske izvore popularno nazvani diodni laseri. Diodni laserski izvor se sastoji od slojeva poluvodiča ( AlGaAs, InGaAs, .. ) čije su rubne plohe posebno obrađene kako bi činile rezonantnu komoru. Kao i kod ostalih laserskih izvora, valna duljina je direktno ovisna o kvantnom skoku aktivne materije, ali ono što je bitno kod ovih laserskih izvora je njihova visoka učinkovitost ( preko 60% u odnosu na 0,1 – 10% kod ostalih ), pobuda električnom strujom, te svakako mogućnost pulsirajućeg i kontinuiranog moda. Uređaji sa diodnim izvorom su lagani, vrlo transportabilni te ne zahtijevaju nikakvo održavanje kao ni zamjenu potrošnog materijala ( indukcijska bljeskalica kod ostalih ). Prosječan vijek trajanja vrlo kvalitetnog diodnog lasera je preko 10000 radnih sati. Obzirom na konstatnu evoluciju, te pronalazak novih poluvodiča ovi laserski izvori predstavljaju sigurno budućnost primjene lasera.

Ono što je bitno za operatera je da zna da se svaki laserki izvor razlikuje od ostalih po valnoj duljini «boji», po maksimalnoj iskoristivosti ( uložena energija/dobivena svjetlosna energija ), po modu rada ( kontinuirani, pulsirajući, superpulsirajući, Q-switched ), po načinu na koji se laserska zraka prenosi do tkiva itd.,a o tim parametrima će i ovisiti njegova interakcija sa tkivom. Interakcija sa tkivom može biti različita. Slijedeći zakone optike, laserka zraka će se djelomično reflektirati, djelomično apsorbirati te prolaskom kroz tkivo djelomično difraktirati. Nas najviše zanima efekt apsorpcije. Laserska se zraka apsorbira u česticama koje nazivamo kromofori. Postoje više tipova kromofora, no najvažniji su melanin ( prisutan u koži, pulpi dlake, pigmentarnim lezijama itd ), oxy i deoxyhemoglobin ( prisutan u krvi i općenito u vaskularnim lezijama ) te voda. Svaka valna duljina ima matematički afinitet prema određenim kromoforima te se obično koeficijenti apsorpcije prikazuju u vidu diagrama ( slika dolje ). Iz navedenog je vidljivo da su pojedine valne duljine vrlo selektivne ( inteligentni laseri ) kao npr 532nm koja ima jaku apsorpciju u oxyhemoglobinu a druge manje, npr 10600nm ( Co2 laser ) koji se apsorbira u vodi.

Zato će i efekti ta dva laserska izvora na tkivu biti različita. CO2 laser će jednostavno vaporizirati tkivo bez obzira dali je prisutan ili ne neki od osnovnih kromofora dok će KTP ( 532nm ) laser biti vrlo selektivan te će se apsorbirati samo u tkivima bogatim melaninom i oxyhemoglobinom. Treba spomenuti da se povećavanjem valne duljine laserske zrake ( prema infracrvenom području ) sposobost prodiranja u tkivo znatno povećava tako da laserski izvori valne duljine od 308nm ( excimerski laser ) prodiru svega 0,2 – 0,3mm dok će AlGaAs (diodni) laser valne duljine 808nm prodrijeti i do 4mm. No, vidljivo je po dijagramu da je njegov afinitet prema osnovnim endogenim kromoforima znatno manji. Uzveši u obzir te činjenice možemo zaključiti da će se različiti laserski izvori različito i ponašati u interakciji sa tkivom. Tako će biti moguće vršiti selektivnu fotokoagulaciju teleangektazija koje se nalaze i na nekoliko mm dubine matematičkom preciznošću bez oštećenja okolnjeg tkiva kao i vršiti lasersku dermoabraziju lica bez obzira na tip kože. Osim što se laserska zraka treba apsorbirati u tkivo, ona mora imati i dovoljnu energiju kako bi promijenila strukturu samog tkiva. Energija se mijeri u J ( Đul ), no u praksi se susreće termin fluenca ili gustoća energije J/cm2. Snaga se mjeri u vatima W i odnosi se na apsorbiranu energiju u jedinici vremena ( W/s). Treba napomenuti da nažalost ne postoji normativa koja bi obvezala proizvođače da uniformirano prikazuju podatke o snazi i fluenci svojih uređaja tako da se radni parametri jednog uređaja nemogu koristiti kao parametri uređaja drugog proizvođača. To drugim riječima znači da operater mora dobro poznavati problematiku i pristup primjeni lasera kako bi iskoristio sve prednosti i isključio mogućnost komplikacija.

 

Mod rada laserskih izvora

Prvi je konstruiran rubinski laser radio u kontinuiranom modu tj. emisija je bila konstantna. Obzirom na mehanizam pobude i na samu konstrukciju laserski izvori mogu raditi u kontinuiranom, pulsirajućem, superpulsirajućem i Q-switchedmodu rada. U kontinurianom modu fluence su relativno niske te se taj mod koristi sa fototerapiju, terapiju boli kao i fotodinamičku terapiju. Laseri koji mogu raditi u kontinuiranom modu sa poluvodički, Co2, rubinski, He-Ne itd. Ukoliko primjena zahtjeva veće fluence i kraća vremena ekspozicije koriste se pulsirajući laserski izvori koji proizvode impusle reda us do ms ( Nd:YAG, Er:YAG, diodni, pulsirajući CO2itd ).. U posebnu kategoriju spadaju tvz.Q-switched laseri. Konstruktivno se ti laserski izvori razlikuju od ostalih što je kod njih dodan elektrooptički zatvarač ( na mjestu poluprozirnog ogledala ) koji je izrađen od istog materijala kao i izvor. Kad dolazi do inverzije pupulacije i pumpanja aktivnog medija u jednom trenutku i sam zatvarač postane nabijen. U tom trenutku koji je obično jako kratak ( reda ns ). On postaje proziran tako da sva energija izlazi iz laserskog izvora.Q-switched laseri imaju vrlo visoke vršne snage koje prelaze ponekag i Gw ( 10*9 W ). Najčešći Q-switched laseri su Nd:YAG, rubinski ili aleksandrit.

Obzirom na sve navedeno do sada laserski efekat na tkivo se može u načelu podijeliti na nekoliko kategorija:

• Fotostimulativan
• Fotodinamički
• Fototermolitički
• Fotomehanički

 

Fotostimulacija

Fotostimulacija je jedan od najmanje shvaćenih fenomena interakcije laserske zrake sa tkivom. Prvi radovi na tu temu stari su otprilike 25 godina te makroskopski opisuju terapeutske učinke laserskog zračenja ( valne duljine u infracrvenom dijelu spektra, 808nm, 980nm, 10600nm ). Ubrzano cijeljenje rana, resorpcija hematoma i edema, terapija boli, neogeneza kolagena i elastina samo su neki od primjećenih efekta. Ono što je dokazano medicinskim studijama na molekularnoj razini je:

• povećanje ATP sinteze
• povećanje fagocitoze
• povećanje DNA i RNA sinteze
• povećanje neo-vaskularizacije
• povećanje sinteze kolagena i proteina (cijeljenje)
• smanjenje prostalglandina
• poboljšanje stanične respiracije
• poboljšanje imunosti

Iako se pravi razlozi još uvijek neznaju, pretpostavlja se da je u pitanju učinak polarizacije stanične mebrane i staničnih tijelešca. Obzirom na korištenu snagu laserko svijetlo stvara električna polja do 10^7 V/m.

 

Fotodinamički učinak

Fotodinamički učinci svijetlosnih izvora specifičnih karakteristika ( polarizirana svijetlolst, monokromatska svijetlost, polikromatska svijetlost visokog intenziteta itd ) primjenjuju se u medicini već dugi niz godina. Prve primjene sežu u područje onkologije gdje se i danas uspješno koriste kod procedura selektivnog odstranjivanja tumoralnih masa predhodnim “markiranjem”. Naknadnom interakcijom sa laserskim svijetlom induciraju se razni biokemiski procesi od kojih je najvažniji u toj primeni citotoksični. Isti se princip može uporabiti kod fotodinamičke epilacije gdje se topičkom primjenom zelenog indocijanina uništava bulbus i matrix dlake. Kao i kod fotostimulativnih učinka tako i kod fotodinamičkih učinka još uvijek nije dobro poznat točan proces koji je na bazi istih, no pretpostavka je da se struktura “fotosenzibilizatora” usljed apsorpcije određene valne duljine mijenja ( dolazi do kidanja odrđenih međuatomskih veza ) te tako omogućuje oslobađanje npr. citotoksičnih elemenata ( zeleni indocijanin ) ili pak regenerativnih elemenata ( 5-ALA 20%)

 

Fototermolitički učinak

Andreson i Parrish su početkom 80′ godina postavili teoriju o selektivnoj fototermolizi da bi je kasnije upotpunili sa proširenom teorijom o selektivnoj fototermolizi. Poznato je da bi svijetlo imalo termolitički učinak na tkivo potrebno je tkivo dovesti na određenu temperaturu i zadržati ga određeno vrijme.Ovisno o tkivu, termoliza nastupa na oko 75C. Anderson i Parrish kreću od pretpostavke da se laserom mora uništiti neželjeni kromofor, a da pritom okolnja tkiva ostanu netaknuta. Zato se uvodi TRT ( termal relaxation time ) ili termorelaksacijsko vrijeme kao jedan od najbitnih parametra u laserskoj ablativnoj terapiji. TRT je vrijeme koje je potrebno da pogođeni kromofor disipira oko 63% primljenje termalne energije. Ako je duljina laserskog impulsa manja ili jednaka TRT neće doći do oštećenja okolnjih struktura. Nesmjemo zaboraviti da govorimo o primjeni valne duljine koja će se dobro absorbirati u željenom kromoforu i dostatnoj korištenoj fluenci. Fluenca je energetska doza (J/cm2) ili bolje rečeno energetska gustoća po jediničnoj površini koju prima pogođeni cilj. Ona ovisi o snazi lasera ( P ), o vremenu ekspozicije ( t ) te o površini koju pogađa laserska zraka ( S ),a računa se po formuli F=P*t/S. Iz navedenog je vrlo jasno da će korištenjem više snage ili produljavanjem vremena ekspozicije ili pak smanjenjem aktivne površine fluenca rasti. Uzmimo primjer da želimo imati fluencu od 20J/cm2 a imamo fiksiranu snagu lasera na 20W. Koristeći formulu željenu fluencu možemo dobiti pomoću impusla trajanja 10ms imajući aktivnu površinu od 1mm2 ili produljavanjem impulsa na 100ms,ali sa aktivnom površinom od 10mm2. Dakle fluenca i vrijeme trajanja impusla zajedno sa valnom duljinom lasera najbitniji su parametri koje operater mora dobro poznavati. Radi raznolikosti tkiva TRT jako varira, kreće od nekoliko ns ( kod čestica tetovaža ) do nekoliko stotina ms kod vaskularnih lezija ( npr. kapilari presjeka 10-50um imaju TRT od 1-10ms dok bulbus dlake presjeka 200-300um od 25-50ms )Anderson i Parrish su ubrzo uvidjeli da teorija o selektivnoj fototermolizi ima dobre osnove u primjeni odstranjivanja tetovaža ili pigmentarnih lezija no rezultati su bili nešto slabiji kod vaskularnih lezija i epilacije. Razlog tome stoji u činjenici da je kod tetovaža i pigmentarnih lezija sam kromofor ujedno i željeni cilj, dok je kod vaskularnih lezija stijenka krvne žile i sva ona struktura koja ju hrani, a ne hemoglobin koji je kao kromofor medij za prijenos energije. Isto i kod epilacije gdje želimo uništiti strukturu iz koje se rađa dlaka (matrix),a ne melanin koji je kao kromofor prisutan u dlaci. Iz tih saznanja teorija o selektivnoj fototermolizi je proširena te se u zadnje vrijeme dodao pojam TDT ( termal destruction time ) tj.vrijeme potrebno da se ireverzibilno ošteti cilj. U praksi TDT je vrijeme potrebno da se 63% termalen energije disipira iz ne samo kromofora nego i cijelokupnog cilja ( npr. ne samo melanin nego i bulbus i okolnje strukture dlaka ). TDT je višestruko duži od TRT. Iz toga proizlazi ako se poštuje TDT mora se koristiti hlađenje tkiva kako nebi došto do oštećenja. Sa druge strane učinkovitost je višestruka tako da se danas za epilaciju koriste long pulse laseri ( Nd:YAG, diodni ) gdje se impulsi od uobičajenih 25-30ms produljuju i na 150ms

 

Fotomehanički učinak

Kada su korištene fluence jako velike a vrijeme ekspozicije jako kratko dolazi do fotomehaničkog učinka laserskog svijetla na tkivo. Kod korištenja velikih vršnih snaga ( 10^3 – 10^6 W ), laser ima na molekularnoj razini fotoelektično djelovanje. Dolazi do nagle polarizacije sa električnim poljima koja prelaze milione volti i metru. Usljed tako visokih električnih polja struktura ima tendeciju raspršivanja te se stvara intracelularna plazma koja svojom ekspanzijom proizvodi udarni aktustični val. Redovito su takvi laserski izvori tipa Q-switched koji su u stanju proizvesti impulse od samo nekoliko ns sa visokom vršnom snagom. Kao što se može pretspostaviti svoju ulogu nailaze u tretmanima tetovaža ( TRT od nekoliko ns ), površinski sitnih pigmentarnih lezija,nevus Otta i Ito, a koristeći egzogene kromofore moguće je vrštiti i epilaciju no u tom pogledu bolji se rezultati postižu long pulse laserima.