성형 외과 레이저

지난 세기 초 "방사선의 양자 이론 (Quantum Theory of Radiation)"이라는 제목의 논문에서 아인슈타인은 이론적으로 레이저가 에너지를 방출 할 때 발생해야하는 과정을 구체화했다. Maiman은 1960 년에 최초의 레이저를 제작했습니다. 그 이후로, 레이저 기술의 급속한 발전은 전체 전자기 스펙트럼을 커버하는 다양한 레이저의 생성을 이끌었다. 그런 다음 시각화 시스템, 로봇 공학 및 컴퓨터와 같은 다른 기술을 병합하여 레이저 복사 전송의 정확성을 향상 시켰습니다. 물리학 및 생체 공학 분야의 협력의 결과로, 치료제로서의 의료용 레이저는 외과 의사의 무기고에서 중요한 부분이되었습니다. 초기에 그들은 귀찮고 레이저의 물리학에서 특별히 훈련받은 외과의 사에 의해서만 사용되었습니다. 지난 15 년 동안 의료용 레이저의 디자인은 사용 편의성의 방향으로 나아졌으며 많은 외과의 사는 대학원 교육의 레이저 물리학의 기초를 연구했습니다.

이 기사에서는 레이저의 생물 물리학에 대해 논의합니다. 조직과 레이저 방사선의 상호 작용; 현재 플라스틱 및 재건 수술에 사용되는 장치; 레이저 작업에 대한 일반적인 안전 요구 사항 피부에 개입 할 때 레이저를 더 응용할 문제.

레이저의 생물 물리학

레이저는 빛의 에너지를 방출하며, 이는 일반적인 빛과 비슷한 형태로 움직입니다. 파장은 두 인접 웨이브 고 사이의 거리입니다. 진폭은 최대 광도이며 광 복사 강도를 결정합니다. 광파의 주파수 또는주기는 하나의 완전한 파동주기에 필요한 시간입니다. 레이저의 효과를 이해하려면 양자 역학을 고려하는 것이 중요합니다. "레이저"(레이저)라는 용어는 "방사선의 유도 방출에 의한 광 증폭"이라는 약어입니다. 광 에너지의 단위 인 광자가 원자와 충돌하면 원자의 전자 중 하나가 더 높은 에너지 준위로 이동합니다. 그런 흥분 상태에있는 원자는 불안정 해지고 전자가 초기의 낮은 에너지 준위로 넘어갈 때 다시 광자를 방출한다. 이 과정을 자 발 방출이라고합니다. 원자가 고 에너지 상태에 있고 다른 광자와 충돌하면 저에너지 레벨로 전이 할 때 동일한 파장, 방향 및 위상을 갖는 두 개의 광자를 할당합니다. 이 프로세스는 방사선의 유도 방출 (stimulated emission of radiation)이라고 불리며 레이저 물리학의 이해를 돕습니다.

유형에 관계없이 모든 레이저는 4 가지 주요 구성 요소를 가지고 있습니다 : 여기 장치 또는 에너지 소스, 레이저 매체, 광학 캐비티 또는 공진기 및 방출 시스템. 안면 성형 수술에 사용되는 대부분의 의료용 레이저에는 전기적 여기 메커니즘이 있습니다. 일부 레이저 (예 : 플래시 램프로 여기되는 염료 레이저)는 여기 메커니즘으로 빛을 사용합니다. 다른 사람들은 고 에너지 라디오 파나 화학 반응을 이용하여 여기 에너지를 제공 할 수 있습니다. 여기 장치는 고체, 액체, 기체 또는 반도체 재료 일 수있는 레이저 매체를 포함하는 공진 챔버로 에너지를 펌핑한다. 공진기의 공동 내로 방출 된 에너지는 레이저 매체의 원자의 전자를보다 높은 에너지 레벨로 상승시킨다. 공진기의 원자 절반이 높은 여기에 도달하면, 모집단 반전이 발생합니다. 자발적 방출은 모든 방향으로 광자가 방출되고 그 중 일부가 이미 여기 된 원자와 충돌하여 쌍 광자의 유도 방출을 유도합니다. 자극 방출의 증폭은 거울 사이의 축을 따라 이동하는 광자가 주로 앞뒤로 반사됨에 따라 발생합니다. 이 광자는 다른 여기 원자와 충돌하기 때문에 연속적인 자극이 발생합니다. 하나의 거울은 100 % 반사를 가지고, 다른 거울은 공동 챔버로부터 복사 된 에너지를 부분적으로 투과시킵니다. 이 에너지는 방출 시스템에 의해 생물학적 조직으로 전달됩니다. 대부분의 레이저에서는 광섬유입니다. 주목할만한 예외는 힌지 바에 거울 시스템이있는 C02 레이저입니다. CO2 레이저의 경우 광섬유가 있지만 스포트 크기와 출력 에너지가 제한됩니다.

일반 조명과 비교하여 레이저의 빛은보다 체계적이고 질적으로 집중적입니다. 레이저 매체가 균질이기 때문에 유도 방출 하에서 방출 된 광자는 단색 성을 생성하는 하나의 파장을 갖는다. 일반적으로 빛은 광원에서 멀리 이동할 때 강하게 확산됩니다. 레이저 광은 평행을 이루며 거의 분산되지 않고 먼 거리에서 일정한 강도의 에너지를 제공합니다. 레이저 광의 광자는 한 방향으로 움직일뿐만 아니라 시간적 공간적 위상도 동일합니다. 이를 일관성이라고합니다. 단색 성, 시준 및 일관성의 특성은 레이저 광을 정상 광의 무질서한 에너지와 구별합니다.

레이저 - 조직 상호 작용

생물학적 조직에 대한 레이저 효과의 스펙트럼은 생물학적 기능의 조절에서부터 증발에 이릅니다. 임상 적으로 사용되는 대부분의 레이저 - 조직 상호 작용에는 열 응고 또는 증발이 포함됩니다. 미래에 레이저는 열원이 아닌 세포 독성 효과의 부작용없이 세포 기능을 제어하기위한 탐침으로 사용될 수 있습니다.

일반적인 레이저가 조직에 미치는 영향은 조직 흡수, 레이저 파장 및 레이저 에너지 밀도의 세 가지 요소에 따라 달라집니다. 레이저 빔이 조직과 충돌 할 때, 그 에너지는 흡수되거나, 반사되거나, 투과되거나, 산란 될 수 있습니다. 조직과 레이저의 상호 작용으로 모든 네 가지 과정이 다양하게 일어나며 그 중 흡수가 가장 중요합니다. 흡수 정도는 조직 내 발색단의 함량에 달려 있습니다. 발색단은 특정 길이의 파도를 효과적으로 흡수하는 물질입니다. 예를 들어, CO2 레이저의 에너지는 신체의 부드러운 조직에 흡수됩니다. 이는 CO2에 해당하는 파장이 연질 조직의 80 %까지를 구성하는 물 분자에 의해 잘 흡수된다는 사실 때문입니다. 대조적으로, CO2 레이저는 뼈에 최소한으로 흡수되며 이는 뼈 조직의 수분 함량이 낮기 때문입니다. 처음에는 조직이 레이저 에너지를 흡수하면 분자가 진동하기 시작합니다. 추가 에너지의 흡수는 변성, 응고 및 최종적으로 단백질의 증발 (증발)을 유발합니다.

레이저 에너지가 조직에 의해 반사 될 때, 표면상의 방사선 방향이 변하기 때문에 후자는 손상되지 않는다. 또한, 레이저 에너지가 표면 조직을 통해 깊은 층으로 통과하는 경우, 중간 조직은 영향을받지 않습니다. 레이저 빔이 조직 내로 분산되면 에너지는 표면에 흡수되지 않고 심층에 무작위로 분포합니다.

조직과 레이저의 상호 작용에 관한 세 번째 요소는 에너지 밀도입니다. 레이저와 조직이 상호 작용할 때, 다른 모든 요소가 일정 할 때, 스폿이나 노출 시간의 크기를 변경하면 조직 상태에 영향을 줄 수 있습니다. 레이저 빔의 스폿 크기가 감소하면 특정 조직 부피에 작용하는 힘이 증가합니다. 반대로, 스폿 크기가 증가하면, 레이저 빔의 에너지 밀도는 감소한다. 스폿의 크기를 변경하려면, 패브릭에서 방출 시스템의 초점을 맞추거나 사전 초점을 맞출 수 있습니다. 광선의 프리 포커스 (prefocusing) 및 디 포커싱 (defocusing)으로, 스팟 크기는 포커싱 된 빔보다 더 크고, 결과적으로 파워 밀도가 낮아진다.

조직 효과를 변경하는 또 다른 방법은 레이저 에너지의 맥동입니다. 방사선의 모든 펄스 모드는 전원을 켜고 끄는 간헐적 인 기간입니다. 정지 기간 동안 에너지가 조직에 도달하지 않기 때문에 열 방출이 가능합니다. 차단 기간이 표적 조직의 열 완화 시간보다 길면 열전도율에 의해 주변 조직에 손상 될 확률이 감소합니다. 열 완화 시간은 물체의 열의 절반을 분산시키는 데 필요한 시간입니다. 액티브 갭의 지속 시간 대 액티브 및 패시브 펄스 간격의 합의 비율을 듀티 사이클이라고합니다.

작동주기 = 켜짐 / 꺼짐 + 꺼짐

다양한 펄스 모드가 있습니다. 레이저가 방출되는 기간 (예 : OD c)을 설정하여 에너지를 일괄 적으로 생산할 수 있습니다. 기계적 셔터로 일정한 간격으로 일정한 물결이 차단되면 에너지가 중첩 될 수 있습니다. 슈퍼 펄스 모드에서, 에너지는 차단되지 않고, 셧다운 기간 동안 레이저 에너지 원에 저장되고, 온 - 기간 동안 방출된다. 즉, 수퍼 - 펄스 모드의 피크 에너지는 일정 모드 또는 오버랩 모드의 피크 에너지보다 상당히 높다.

거대한 맥박 영역에서 발생하는 레이저에서, 에너지는 또한 셧다운 기간 동안 보존되지만 레이저 환경에서는 보존된다. 이는 두 개의 거울 사이의 공동 챔버에 댐퍼 메커니즘을 사용함으로써 달성됩니다. 닫힌 플랩은 레이저 생성을 방지하지만 플랩의 양쪽에 에너지를 저장할 수 있습니다. 플랩이 열리면 거울이 상호 작용하여 고 에너지 레이저 빔이 형성됩니다. 거대한 펄스 영역에서 발생하는 레이저의 피크 에너지는 짧은 작동 주기로 매우 높습니다. 동기화 된 모드를 갖는 레이저는 거대 펄스 모드에서 발생하는 레이저와 유사하며, 캐비티 챔버 내의 2 개의 미러 사이에 댐퍼가 제공된다. 동기화 된 모드를 가진 레이저는 두 개의 거울 사이에서 빛을 반사하는 데 걸리는 시간과 동기화되어 댐퍼를 열고 닫습니다.

레이저의 특성

• 이산화탄소 레이저

이산화탄소 레이저는 이비인후과 / 두경부 수술에서 가장 많이 사용됩니다. 파동의 길이는 10.6 nm로 전자기 방사선의 원적외선 영역의 보이지 않는 파입니다. 외과의가 영향의 영역을 볼 수 있도록 헬륨 - 네온 레이저 광선을 따라 유도해야합니다. 레이저 매체는 CO2입니다. 그 파장은 조직 내의 물 분자에 잘 흡수됩니다. 그 효과는 흡수가 크고 분산이 적기 때문에 표면적입니다. 방사선은 경첩이 달린 막대 위에 놓인 거울 및 특수 렌즈를 통해서만 전달 될 수 있습니다. 크랭크 바는 배율 하에서 정밀 작업을 위해 현미경에 부착 될 수 있습니다. 힌지 바에 부착 된 초점 핸들을 통해 에너지를 배출 할 수도 있습니다.

• Nd : YAG 레이저

Nd : YAG (이트륨 - 알루미늄 가닛과 네오디뮴) 레이저의 파장은 1064 nm, 즉 근적외선 영역에 있습니다. 인간의 눈에는 보이지 않으며 암시적인 헬륨 - 네온 레이저 빔이 필요합니다. 레이저 매체는 네오디뮴이 함유 된 이트륨 - 알루미늄 가닛입니다. 대부분의 신체 조직은이 파장을 잘 흡수하지 않습니다. 그러나 색소 조직은 색소 처리되지 않은 조직보다 색소 조직을 더 잘 흡수합니다. 에너지는 대부분의 조직의 표면층을 통해 전달되고 깊은 층에 분산됩니다.

이산화탄소 레이저에 비해 Nd : YAG의 산란은 훨씬 큽니다. 따라서 침투 깊이가 더 깊어지고 Nd : YAG는 깊은 혈관의 응고에 매우 적합합니다. 실험에서 응고의 최대 깊이는 약 3 mm (응고 온도 +60 ° C)입니다. Nd : YAG 레이저의 도움을 받아 깊은 치골 모세 혈관 및 동굴 형성의 좋은 치료 결과가보고되었습니다. 또한 혈관종, 림프관종 및 동정맥 형성에 대한 레이저 광응고술에 대한 보고서도 있습니다. 그러나 침투 깊이와 무차별 파괴가 심한 경우 수술 후 흉터가 증가하게됩니다. 임상 적으로 이것은 안전한 전원 설정, 발발에 대한 지점 접근법 및 피부 부위의 회피로 최소화됩니다. 실제로, 진한 빨간색 Nd : YAG 레이저의 사용은 스펙트럼의 노란색 부분에있는 파장을 가진 레이저로 대체되었습니다. 그러나, 그것은 어두운 붉은 색 (포트 색상)의 노드 형성을위한 보조 레이저로 사용됩니다.

Nd : YAG 레이저는 섬유 아세포 (fibroblast) 배양 및 생체 내 정상 피부에서의 콜라겐 생성을 억제한다는 것이 밝혀졌습니다. 이것은 비대성 흉터와 켈로이드 치료에서이 레이저의 성공을 시사합니다. 그러나 임상 적으로 스테로이드를 이용한 강력한 국소 치료에도 불구하고 켈로이드 후 재발의 빈도는 높습니다.

• 연락처 Nd : YAG 레이저

접촉 모드에서의 Nd : YAG 레이저의 사용은 방사선의 물리적 특성 및 흡수율을 크게 변화시킨다. 접촉 팁은 레이저 섬유의 끝 부분에 직접 부착 된 사파이어 또는 석영으로 구성되어 있습니다. 접촉 팁은 피부와 직접 상호 작용하며 동시에 열 메스로 작용하여 절단 및 응고를 동시에 수행합니다. 연조직에 광범위한 개입이있는 접촉 팁 사용에 대한 보고서가 있습니다. 이러한 어플리케이션은 비접촉 Nd : YAG보다 전기 응집에 더 가깝습니다. 근본적으로, 외과의 사는 지금 절단 조직을 위해 아닙니다, 그러나 끝을 가열하기를 위해 레이저 특정한 파장을 이용한다. 그러므로 레이저와 조직의 상호 작용 원리는 여기에 적용되지 않습니다. 접촉 레이저에 대한 응답 시간은 유리 섬유를 사용할 때와 같이 직접적인 기능이 아니므로 가열 및 냉각 시간이 지연됩니다. 그러나 경험이 레이저는 피부와 근육 이식의 할당에 편리합니다.

• 아르곤 레이저

아르곤 레이저는 488-514 nm 길이의 가시 광선을 방출합니다. 캐비티 챔버의 설계 및 레이저 매체의 분자 구조로 인해, 이러한 유형의 레이저는 장파장 범위를 생성합니다. 개별 모델에는 방사선을 단일 파장으로 제한하는 필터가있을 수 있습니다. 아르곤 레이저의 에너지는 헤모글로빈에 잘 흡수되며 분산은 이산화탄소와 Nd : YAG 레이저의 중간입니다. 아르곤 레이저의 방사선 시스템은 광섬유 캐리어입니다. 헤모글로빈에 의한 큰 흡수 때문에 피부의 혈관 신 생물 또한 레이저의 에너지를 흡수합니다.

• KTP 레이저

KTP (potassium titanyl phosphate) 레이저는 KT 결정을 통해 레이저 에너지를 전달함으로써 주파수가 두 배로 (파장이 절반으로) Nd : YAG 레이저입니다. 이것은 헤모글로빈의 흡수 피크에 해당하는 녹색 빛 (파장 532 nm)을 제공합니다. 조직으로의 침투 및 산란은 아르곤 레이저와 유사합니다. 레이저 에너지는 섬유에 의해 전달됩니다. 비접촉 모드에서는 레이저가 증발하고 응고됩니다. 반 접촉 모드에서 섬유의 끝은 직물에 거의 닿지 않으며 절삭 공구가됩니다. 에너지가 많이 사용될수록 탄소 산성 레이저와 비슷한 열 칼로 작용합니다. 에너지가 낮은 설비는 주로 응고에 사용됩니다.

• 플래시 램프로 여기 된 염료 레이저

플래시 램프에 의해 여기 된 염료 레이저는 피부의 양성 혈관 신 생물을 치료하기 위해 특별히 개발 된 최초의 의료용 레이저였습니다. 이것은 파장이 585 nm 인 가시 광선 레이저입니다. 이 파장은 옥시 헤모글로빈에 의한 흡수의 세 번째 피크와 일치하므로이 레이저의 에너지는 주로 헤모글로빈에 흡수됩니다. 577-585nm 범위에서, 또한 멜라닌과 같은 경쟁 발색단에 의한 흡수가 적고 진피 및 표피에서 레이저 에너지의 산란이 적습니다. 레이저 매체는 염료 로다 민이며, 플래시 램프로 광학적으로 여기되며, 방사선 시스템은 광섬유 캐리어입니다. 염료 레이저의 팁에는 교체 가능한 렌즈 시스템이있어 3, 5, 7 또는 10 mm의 스폿 크기를 만들 수 있습니다. 레이저는 450ms의 주기로 맥동합니다. 이 맥박 지수는 피부의 양성 혈관 신 생물에서 발견되는 외배 혈관의 열 이완 시간을 기준으로 선택되었습니다.

• 구리 증기 레이저

구리 증기 레이저는 길이가 512nm 인 펄스 녹색 파와 길이가 578nm 인 펄스 황색 파 두 개의 분리 된 파장을 갖는 가시 광선을 생성합니다. 레이저 매체는 구리로 전기적으로 여기 (증발)됩니다. 섬유 - 섬유 시스템은 150-1000 μm의 다양한 스폿 크기를 갖는 팁에 에너지를 전달합니다. 노출 시간 범위는 0.075 초에서 일정합니다. 펄스 간격도 0.1 초에서 0.8 초까지 다양합니다. 황동 증기 레이저 광선은 양성 혈관 병변을 치료하는 데 사용됩니다. 녹색 물결은 주근깨, lentigo, nevi 및 keratosis와 같은 색소 형성을 치료하는 데 사용할 수 있습니다.

• 감쇠가없는 노란색 염료 레이저

Undamped wave가있는 노란색 염료 레이저는 파장이 577nm 인 황색 빛을 생성하는 가시 광선 레이저입니다. 플래시 램프로 여기는 염료의 레이저와 마찬가지로 레이저 활성화 챔버의 염료를 바꿈으로써 조정됩니다. 염료는 아르곤 레이저로 여기됩니다. 이 레이저의 방출 시스템은 광섬유 케이블이기 때문에 다양한 스폿 크기에 초점을 맞출 수 있습니다. 레이저 광은 광섬유 시스템의 끝 부분에 부착 된 기계식 셔터 또는 Hexascanner 팁을 사용하여 맥동을 일으킬 수 있습니다. Hexascanner는 레이저 에너지의 펄스를 6 각형 윤곽 내부로 무작위로 지정합니다. 플래시 램프에 의해 여기 된 염료 레이저와 구리 증기 레이저와 같이, 감쇠가없는 파장의 황색 염료 레이저는 얼굴의 양성 혈관 병변 치료에 이상적입니다.

• 에르븀 레이저

Erbium : UAS 레이저는 3000 nm의 물로 흡수 스펙트럼 대역을 사용합니다. 2940 nm의 파장은이 피크에 해당하며 조직 수 (이산화탄소 레이저의 약 12 배)에 강하게 흡수됩니다. 근적외선 스펙트럼으로 방출되는이 레이저는 눈에 보이지 않으며 보이는 가시 광선과 함께 사용해야합니다. 레이저는 플래시 램프에 의해 펌핑되고 일련의 마이크로 펄스로 구성된 200-300 μs의 마크로 펄스를 방출합니다. 이 레이저는 힌지 바에 부착 된 팁으로 사용됩니다. 조직을 더 빠르고 더 균일하게 제거 할 수 있도록 스캔 장치를 시스템에 통합 할 수도 있습니다.

• 루비 레이저

루비 레이저 (Ruby laser) - 파장이 694 nm 인 빛을 발하는 펄스 램프로 펌핑되는 레이저. 이 레이저는 스펙트럼의 붉은 영역에 위치하며 눈으로 볼 수 있습니다. 짧은 펄스를 생성하고 조직에 더 깊게 침투하도록 레이저 셔터를 가질 수 있습니다 (1 mm보다 깊음). 긴 펄스 루비 레이저는 레이저 제모 과정에서 모낭을 우선적으로 가열하는 데 사용됩니다. 이 레이저 복사는 거울 및 힌지 막대 시스템을 통해 전송됩니다. 그것은 물에 잘 흡수되지 않지만 멜라닌에 강하게 흡수됩니다. 귀영 나팔을 위해 사용 된 다른 안료는 또한 694 nm의 파장을 가진 광선을 흡수합니다.

• 알렉산드라이트 레이저

플래시 램프에 의해 팽창 될 수있는 고체 상태의 레이저 인 Alexandrite 레이저는 755nm의 파장을 가지고 있습니다. 스펙트럼의 빨간색 부분에 위치한이 파장은 눈에 보이지 않으므로 안내 빔이 필요합니다. 그것은 문신뿐만 아니라 멜라닌에 대한 파란색과 검은 색 안료에 의해 흡수되지만 헤모글로빈에는 흡수되지 않습니다. 이것은 유연한 섬유를 통해 복사를 전달할 수있는 비교적 소형 레이저입니다. 레이저는 비교적 깊게 침투하여 머리카락과 문신을 제거하는데 편리합니다. 스폿 크기는 7과 12mm입니다.

• 다이오드 레이저

최근에는 초전도 물질상의 다이오드가 광섬유 장치와 직접 결합되어 다른 파장의 레이저 방사 (사용 된 재료의 특성에 따라 다름)가 발생합니다. 다이오드 레이저는 성능면에서 두드러집니다. 그들은 50 %의 효율로 들어오는 전기 에너지를 빛으로 옮길 수 있습니다. 열 발생 및 입력 전력의 감소와 관련된 이러한 효율성은 소형 다이오드 레이저가 대형 냉각 시스템이없는 설계를 가질 수있게한다. 빛은 섬유 광학적으로 전송됩니다.

• 필터링 된 임펄스 램프

제모에 사용되는 필터링 된 펄스 램프는 레이저가 아닙니다. 반대로, 그것은 강렬하고, 비 일관적이고, 충동적인 스펙트럼이다. 파장이 590-1200 nm 인 빛을 방출하기 위해 시스템은 수정 필터를 사용합니다. 펄스의 너비와 적분 밀도는 선택적으로 광 수분 분해의 기준을 충족시켜이 장치를 제모 레이저와 동등하게 만듭니다.

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