Механизмы лазерной термодеструкции
Ключарева С.В., Журба В.М., Ефремов В.А.
Поглощение лазерного излучения определяется содержанием в ткани соответствующих хромофоров. В ультрафиолетовой области спектра лазерное излучение поглощается в основном электронами атомов, что в свою очередь, приводит к ионизации, разрыву ковалентных связей и появлению радикалов. Целевыми хромофорами здесь является абсолютное большинство биомолекул, включая протеины. Излучение большинства используемых в хирургии лазеров лежит в видимой и ИК областях спектра. Здесь энергии фотонов недостаточно для ионизации. Поглощение приводит к вибрации и вращению молекул и вызывает выделение тепла в месте воздействия. Основными целевыми хромофорами являются молекулы воды, пигментные молекулы (меланин) и оксигемоглобин (рис.1). При этом эффективность использования и необходимая избирательность зависят в первую очередь от соотношения их спектров поглощения.
Рис.1. Спектр поглощения основных хромофоров ткани в видимом и ИК диапазоне (Boulnois JL, Photophysical Processes in Recent Medical Laser Develoments: A Review. Published in Lasers in Medical Science, vol 1, 1986).
Диодные лазеры имеют наибольшую глубину проникновения (до 8мм), рассеяние здесь доминирует. Длины волн лазерного излучения затрагивают участки спектров поглощения всех 3 основных хромофоров ткани, что позволяет рассматривать такие лазерные источники как наиболее универсальные. Характеристики поглощения прекрасно подходят для применения при самых различных хирургических вмешательствах: коагуляции, испарения, рассечения тканей, позволяют осуществлять безопасный для здоровой ткани селективный фототермолиз. Коэффициенты поглощения меланина, воды и оксигемоглобина меняются внутри диапазона 800-1000нм в несколько раз, поэтому правильный выбор длины волн лазерного излучения позволяет обеспечить необходимую избирательность воздействия.
Так, например, лазерное излучение с длиной волны 810нм эффективно поглощается меланином и минимально оксигемоглобином и водой и, следовательно, прекрасно подходит для удаления пигментных новообразований. Излучение с длиной волны 940нм поглощается меланином уже в 2,5 раза слабее, а водой и оксигемоглобином сильнее в 10 и 1,5 раза соответственно, что позволяет эффективно коагулировать кровеносные сосуды, в том числе глубоко залегающие. Излучение лазера 980нм поглощается меланином еще слабее, попадая при этом в локальные максимумы поглощения оксигемоглобина и воды, что обуславливает его эффективность в хирургии верхних слоев кожи, например, при удалении рубцов и татуировок.
Действие лазера в хирургии (в качестве режущего инструмента или коагулятора) основано на превращении электромагнитной энергии в тепловую. Поглощенное хромофорами излучение вызывает локальное повышение температуры, которое в свою очередь может приводить к необратимым изменениям биоткани.
С увеличением температуры нагревания ткани имеют место следующие процессы:
-
денатурация белка и разрушение мембран (при 40-450С);
-
коагуляция и некроз (600С);
-
обезвоживание
-
карбонизация (1500С);
-
вапоризация (свыше 3000С).
Различные тепловые эффекты воздействия лазера на ткань никогда не наблюдаются по отдельности, а чаще всего одновременно, (рис.2). Излучение, проникая вглубь ткани, частично поглощается и рассеивается, в результате чего образуется температурный градиент и соответствующие термические зоны. Правильно подбирая мощность и длину волны излучения можно добиваться нужного распределения термических зон в ткани для достижения нужного эффекта.
Все виды лазерных хирургических вмешательств в дерматологии и косметологии могут быть условно подразделены на два типа:
1. Абляционные (ablation (англ.) - вымывание, удаление, ампутация) - операции, в ходе которых проводят рассечение или удаление участка пораженной кожи, включая эпидермис. Такие операции требуют эффективного получения термической зоны вапоризации, то есть, высокой мощности лазерного излучения. Размеры зоны коагуляции и обугливания определяются длиной волны, т.е., по сути дела, выбором типа источника лазерного излучения. Так, например, СО2 лазер - идеальный инструмент для испарения - обладает плохими коагуляционными свойствами, в то время как диодные лазеры - менее эффективные вапоризаторы - способны обеспечить обширную зону коагуляции.
2. Неабляционные - операции, избирательно нацеленные на ликвидацию патологических структур без повреждения эпидермиса. По своей сути, неабляционные операции являются уникальными и с точки зрения механизма воздействия на ткани и с точки зрения получаемого эффекта вмешательства. Облученный участок ткани после прекращения воздействия на нее лазерной энергии остается на месте, а его постепенная ликвидация наступает позднее в результате серии местных биологических реакций, развивающихся в зоне облучения. В этом случае ключевым условием процедуры является адекватный подбор источника, излучение которого должно селективно поглощаться в субэпидермальных патологических структурах, а не в эпидермисе. Естественно, мощность лазерного излучения в данном случае выбирается меньшей характерного порога вапоризации.
Рис.2. Схематическое представление формирования термических зон: а - при бесконтактной коагуляции ткани; б - при разрезании ткани.
Другой важный момент, определяющий структуру термических зон, состоит в том, что часть тепла сравнительно медленно отводится из облучаемого участка за счет теплопроводности и сосудистой системой. Характерное время тепловой релаксации различных слоев и структурных элементов биоткани различно. Для дермы оно составляет ~600мс, для эпидермиса 100мкс-25мс в зависимости от цвета кожи, для сосудов различного калибра время релаксации составляет 1-500мс. Это означает, воздействие на целевой объект лазерного излучения длительностью больше характерного времени тепловой релаксации не приведет к повышению его температуры, но увеличит перегрев окружающих тканей. Поэтому ограничение времени воздействия является зачастую не менее важной задачей, чем подбор специфической длины волны...
Проведение высокоточных хирургических операций с минимальными термическими повреждениями возможно при использовании импульсных лазеров. В этом случае удается осуществлять выборочное нагревание локальной области, ограниченной характерной термической зоной. При этом весьма важно рациональное сочетание максимально возможной температуры нагревания и времени воздействия. Используя достаточно короткие (короче характерного времени релаксации) мощные импульсы удается реализовывать эффективное нагревание целевых структур, сводя перегрев окружающей ткани к минимуму. Так, например, для дистанционной лазерной коагуляции телеангиоэктазии лица при воздействии на сосуды диаметром 0,5мм (время релаксации такого сосуда составляет ~ 100мс) рекомендуется применять лазерное излучение длительностью импульсов 50-100мс, длиной волны 940нм («селективное окно» гемоглобина) и достаточной для надежной окклюзии мощностью 20Вт.
