Referate

LASER-TERAPIA IN CARCINOAMELE CUTANATE

Fragmente din Referat Biofizica ” LASER-TERAPIA IN CARCINOAMELE CUTANATE ”

I.Evolutie istorica

“LASER” reprezinta acronimul pentru “Light Amplification by Stimulated Emision of Radiation”.
Conceptul de “emisie stimulata” a fost sugerat in 1917 de catre profesorul Albert Einstein, ceea ce a dus la descoperirea in 1960 a ruby-laserului de catre T. Maiman. La 6 luni dupa descoperirea acestuia, A.Javan a produs radiatie laser intr-o mixtura de gaze He-Ne, in timp ce la sfarsitul anului 1962 M. Nathan, R. Hall si T. Quist au produs emisie de radiatie laser prin semiconductori.
De atunci si pana acum s-au descoperit numeroase alte medii care pot sustine producerea laserilor, printre care enumeram: gazele ionice si moleculare(He-Ne, CO2, argon, excimeri) , cristale sintetice(rubin, Nd:YAG, Er:YAG, alexandrit), solutiile colorate.

II. Fizica laserului

1.Principiile laserului

Pentru a creea radiatia laser, sunt necesare patru conditii de baza:
i. mediul activ care sa poata emite radiatii in campul optic al unui spectru electromagnetic;
ii. inversia populationala produsa in mediul activ;
iii. mecanism de excitare care produce inversia populationala;
iv. rezonatorul optic care suporta frecventa de oscilatie, furnizand reactia pozitiva pentru amplificarea radiatiei de emisie spontana.

i. Mediul activ si nivelele energetice

Mediul activ poate fi o colectie de atomi, molecule sau ioni.
Consideram o diagrama de energie simplificata intr-un model de gaz ce reprezinta o colectie de atomi prin care examinam procesele clasice: absobtie stimulata si emisie spontana, precum si noul proces de emisie stimulata.
Atomii gazului sunt caracterizati de doua stari energetice:stare non- excitata E0 si starea excitataE1, cu E1>E0, separate de o distanta care corespunde unei energii E10=E1-E0 sau unei frecvente 10=E10/h, unde h este constanta lui Planck (fig. 1).Cand o unda electro-magnetica traverseaza prin sistem cu o frecventa 10, atomii din nivelul E0 absorbenergie si se urca intr-o stare superioara E1, proces numit absorbtie stimulata. In paralel cu procesul de absorbtie, are loc si un proces de emisie, prin care atomii din stadiul E1 trec in stadiul E0 printr-un proces rapid, repopuland nivelul E0. Procesul de reantoarcere al atomilor excitati din nivelul E1 in nivelul E0 poate avea loc in doua moduri; fie spontan, fie stimulat( in procesul de emisie stimulata, energia este adaugata in final undei stimulante), aceast implica ca fotonului care determina emisia stimulata I se adauga un al doilea foton care are aceeasi lungime de unda si aceeasi faza.
Astfel atomii care emit radiatii printr-un proces spontan emit dezordonat in timp, in timp ce atomii care emit radiatii dupa stimulare, emit in faza cu radiatia stimulanta.
Cele trei procese descrise se desfasoara simultan. Rata cu care atomii din nivelul E1 se misca spontan spre nivelul E0 este caracterizat de constanta A10, numita coeficientul Einstein de emisie spontana. Aceasta inseamna ca emisia spontana este N1A1( N1 reprezinta numarul de atomi din nivelul E1). Emisia stimulata si absorbtia au loc numai cand exista o radiatie externa. Einstein a aratat ca rata absobtiei stimulate este data de relatia N0B01(unde N0 reprezinta numarul de atomi din nivelul N0;  reprezinta densitatea spectrala a radiatieiin Js/m3 si B01 reprezinta coeficientul de emisie stimulata Einstein).
Se poate demonstra ca la echilibru coeficientulA10 este egal cu B10:
A10=8h10B10/c3-relatia Einstein, unde c este viteza luminii in vid.
Daca consideram un material cu coeficientul de absorbtie “a”, cu diferenta populationala(Ni-Nj) a doua nivele energetice aleatorii Ei si Ej, a unui model atomic mai complicat, cu EiNj avem:

A=Bij(Ni-Nj)hij/4c>0,
Ceea ce inseamna ca avem absorbtia radiatiei din mediu.

ii. Inversiunea populationala si mecanismul de excitare

Pentru Ni-Nj<0 (Nj>Ni), atunci a<0, daca un fascicul de lumina cu frecventa ij trece prin sistem, atunci acest fascicul este amplificat, in loc sa fie absorbit.
Din pacate conditia Ni-Nj<0 nu este niciodata satisfacuta la echilibru termic, deoarece dupa statistica lui Boltzman Nj poate fi foarte aproape de Ni, dar niciodata Nj>Ni.
Astfel ca singura posibilitate prin care putem obtine Nj>Ni este de a aduce atomii din mediul activ intr-o stare in care distributia echilibrului termic este invalid, prin ajutorul unei surse de energie externa.Procesul prin care atomii sunt stimulati sau pompati si impinsi spre o stare de distributie termica neechilibrata este numit proces de excitatie, in timp ce starea Nj>Ni este numita inversare populationala. Inversarea populationala are ca rezultat amplificarea luminii cu ajutorul procesului de emisie stimulata.

iii. Rezonatorul optic

La majoritatea laserilor, fasciculul se retrege de mai multe ori in mediul activ datorita unui cuplu de oglinzi care este plasta perpendicular pe axul optic al laserilor. Cu o astfel de cavitate optica, lungimea efectiva a amplificatorului creste de cateva ori. Acest sistem constand din doua oglinzi, un acu reflectivitate totala, iar cealalta cu reflectivitate partiala, ofera feed-back-ul optic cerut si in multe cazuri furnizeaza selectarea frecventei laserului.

2.Proprietatile radiatiei laser

In procesul de emisie spontana, un foton va fi emis spontan dintr-un atom excitat dupa o perioada de timp. Laserul utilizeaza o sursa de energie, un mediu activ si o cavitate pentru stimularea emisiei fotonilor.
In procesul de emisie stimulata, o sursa externa de energie creeaza excitarea atomilor din mediul activ.Daca atomii instabili isi emit fotonii, acesti fotoni se ciocnesc cu alti atomi excitati din mediul activ si sunt triggerii unei cascade de reactiice are ca rezultat emisia a numerosi fotoni in acelasi timp cu aceleasi lungimi de unda, energie si faza. Atat timp cat inversia populationala catre o stare excitata continua, lumina laser continua sa se amplifice.
Cele patru mari proprietati ale laserului stau la baza aplicatiilor terapeutice ale energiei laser, respectiv:
i.monocromaticitatea;
ii.coerenta;
iii.directionalitatea;
iv.stralucirea.

i.Monocromaticitatea
Monocromatismul laserului este determinat de emiterea de catre acesta a unui fascicul luminos de o singura lungime de unda.(fig. 3)
Aceasta proprietate a laserilor este utila in clinica neoplasmului tegumentar deoarece cromoforii cutanati absorb selectiv anumite lungimi de unda. Lungimea de unda specifica a luminii laserului afecteaza deasemenea profunzimea penetrarii acestuia in tesut.In general, profunzimea penetrarii laserului creste o data cu cresterea lungimii de unda din cadrul spectrului vizibil.
Astfel incat, atunci cand se alege tipul laserului pentru o anumita afectiune cutanata, se are in vedere atat profunzimea cromoforului, cat si lungimea de unda specifica absorbita de acesta.

ii.Coerenta
Coerenta este a doua proprietate unica a laserului, acest fapt aratand ca undele luminoase sunt in faza atat in timp, cat si in spatiu. Natura coerenta a luminii laserului este datorata procesului de emisie stimulata. Cand lumina este emisa de un laser, este emisa in aceeasi directie si in aceeasi faza.

iii.Directionalitatea
Directionalitatea arata paralelismul undelor emise de un laser.Prin reflectarea luminii intr-o camera speciala situata intre doua oglinzi care permit iesirea doar a undelor paralele, se constituie aceasta proprietate.Deoarece undele luminii sunt paralele intre ele, tendinta spre divergenta este mica.Datorita acestei proprietati, fasciculul laser poate fi propagat pe o lunga distanta prin fibrele optice, fara a se pierde lumina prin imprastiere.
In practica clinica, fasciculul luminii laser este directionat catre tinta folosind fibre optice sau un brat articulat(manipulator optomecanic).

iv.Stralucirea
Amplificarea procesului intr-o cavitate laser produce o densitate energetica crescuta. Energia si puterea cuantifica cantitatea de lumina emisa de un laser.Energia masurata in Joule reprezinta lucrul mecanic, in timp ce puterea reprezinta rata la care energia este consumata.
Fluenta se refera la densitatea de energie a fasciculului laser masurat in J/cm2.
Iradierea reprezinta densitatea de puterea a fasciculului laser, care este egale cu puterea fasciculului laser raportata la aria fasciculului, ceea ce reprezinta marimea spotului. Prin manipularea fluentei, iradierii si a timpului de expunere, se poate utiliza laserul in diferite patologii.(fig.4)

3.Interactiunea laserului cu tesutul
5.Parametrii laser si interactiile tisulare
I.Caracteristicile razei laser
O trasatura importanta a luminii produsa de laser este modul de distributie al intensitatii de-a lungul diametrului razei.Majoritatea laserilor cutanati produc o raza cu un profil Gaussian in care maximul de intensitate este in centrul razei si se atenueaza spre periferie. Din punct de vedere clinic, aceasta are ca rezultat necesitatea de a trata tesutul cu o anumita suprapunere a razei laser , pentru a elibera energie catre tesut intr-un mod uniform. Dar exista laseri care au intensitatea cea mai mare la periferia razei sau fluctuand de-a lungul diametrului razei, ceea ce are ca rezultat o supraincalzire a tesutului la suprapunerea razelor, cu limitarea utilizarii acestora in clinica.

II.Marimea spotului
Marimea spotului laserului este echivalenta cu sectiunea fasciculului laser. Fluenta si iradierea sunt invers proportionale cu patratul razei laserului, astfel incat , injumatatind marimea spotului, creste densitatea de putere cu un factor multiplu de 4.
Aceasta proprietate subliniaza deasemenea disiparea laserului in piele. Astfel ca o marime a spotului mica permite o disipare mai mare a laserului in tesut.
O marime a spotului mare(7-10mm) este necesara penttru maxima penetrare a luminii laser in derm sau in tintele mai profunde.

III.Durata pulsului
Lumina laser poate fi furnizata tesutului in doua moduri distincte:
1. unde continue;
2. impulsuri laser.

1.Laserii cu unde continue emit un fascicul constant de lumina care poate determina lezare tisulara non-selectiva;
2.Emiterea pulsatila a luminii laser permite o leziune tisulara selectiva.

Durata timpului de expunere la o lumina laser determina rata cu care energia laser este furnizata tesutului.Astfel ca durata impulsului poate fi de la foarte scurta(nanosecunde), pana la lunga(milisecunde) cum sunt laserii folositi pentru indepartarea firelor de par. Durata impulsului oricarui laser dat va fi determinat prin timpul de relaxare termica al tesutului tinta de interes.(fig.6). Timpul de relaxare termica este proportional in general cu marima structurii tinta.De exemplu Q-switched laser tinteste structuri foarte mici cu timp de relaxare scurt, cum ar fi melanozomii si tusul din tatuaje.
Crescand durata impulsului laser YAG, creste si selectivitatea sa pentru structuri mai profunde, cun ar fi indepartarea firului de par.

IV.Racirea suprafetei de interes
Cand cromoforul continut in tesutul tinta pentru ablatie, cum este melanina foliculului pilos este localizat mai profund in piele comparativ cu alte tinte, cum ar fi melanina epidermica, selectivitatea laserilor pentru tesutul tinta poate fi imbunatatitaprin racirea suprafetei. Exista trei metode principale de furnizare a racirii suprafetei:
1.pre-racirea;
2.racirea in paralel cu aplicarea laserilor ;
3.post-racirea.

1.Pre-racirea se definste prin scaderea temperaturii epidermului imediat dupa furnizarea laserului pulsatil, de obicei prin spray cu criogen;
2.Racirea in paralel se produce in acelasi timp cu administrarea
impulsului laser, de obicei prin utilizarea unui varf cu apa racita, preferata
pentru laserii cu durata lunga a impulsului;
3.Post-racirea cu gheata ajuta la reducerea durerii si a edemului, dar are
efecte scazute pe micsorarea leziunii tisulare termice induse de laser.

Laserii cu CO2 si Er:YAG
Ablatia fototermica si remodelareader

Download Referat Biofizica | LASER-TERAPIA IN CARCINOAMELE CUTANATE