激光整形手術

上世紀初，愛因斯坦在題為“量子輻射理論”的出版物中從理論上證實了激光發射能量時必鬚髮生的過程。邁曼於1960年製造出第一台激光器。此後，激光技術迅速發展，導致各種激光器的產生，覆蓋整個電磁頻譜。然後他們與其他技術融合，包括可視化系統，機器人和計算機，以提高激光輻射傳輸的準確性。作為物理學和生物工程領域合作的結果，作為治療劑的醫用激光已成為外科醫生的重要組成部分。起初，它們很麻煩，只能由經過激光物理學專門培訓的外科醫生使用。在過去的15年中，醫療激光設計在易用性方面取得了進展，許多外科醫生在研究生教育中研究了激光物理的基礎知識。

本文討論：激光的生物物理學; 組織與激光輻射的相互作用; 目前用於整形和重建手術的設備; 使用激光的一般安全要求; 激光在皮膚干預中的進一步應用問題。

激光的生物物理學

激光器發出光能，其以類似於普通光的波的形式移動。波長是兩個相鄰波峰之間的距離。振幅是最大值的大小，決定了光輻射的強度。頻率或光波週期是一個完整波週期所需的時間。要理解激光的效果，重要的是要考慮量子力學。術語“激光”（LASER）是短語“通過受激輻射的光放大”的縮寫。如果一個光子（一個光能單位）與一個原子碰撞，它將原子的一個電子轉移到更高的能級。處於這種激發態的原子變得不穩定，並且當電子傳遞到初始的較低能級時再次釋放光子。這個過程被稱為自發發射。如果一個原子處於高能態並與另一個光子碰撞，那麼在轉換到低能級時，它將分配兩個具有相同波長，方向和相位的光子。這個過程稱為輻射的受激發射，是激光物理學理解的基礎。

無論類型如何，所有激光器都有四個主要部件：激發機製或能源，激光介質，光腔或諧振器以及噴射系統。用於面部整形手術的大多數醫用激光器都具有電激勵機制。一些激光器（例如，由閃光燈激發的染料激光器）使用光作為激勵機制。其他人可以使用高能無線電波或化學反應來提供激發能量。激發器機構將能量泵入包含激光介質的共振室中，所述激光介質可以是固體，液體，氣體或半導體材料。釋放到諧振腔中的能量將激光介質的原子的電子升高到更高的能量水平。當諧振器中的原子的一半達到高激發時，發生總體反轉。當光子在所有方向上發射時，自發發射開始，其中一些與已激發的原子發生碰撞，從而激發雙光子的發射。當沿著反射鏡之間的軸移動的光子主要來回反射時，發生受激發射的放大。這導致連續的刺激，因為這些光子與其他激發的原子碰撞。一面鏡子100％反射，另一面鏡子部分透射來自腔室的輻射能量。這種能量通過噴射系統轉移到生物組織。在大多數激光器中它是光纖。一個明顯的例外是C02激光器，它在鉸鏈桿上有一個鏡子系統。對於CO2激光器，有光纖，但是它們限制了光點尺寸和輸出能量。

與普通光線相比，激光的光線更有組織，質量更強。由於激光介質是均勻的，在受激發射下發射的光子具有一個波長，這產生單色性。通常，光源遠離光源時會發生強烈的漫射。激光被准直：它消散得很少，在很遠的距離提供恆定強度的能量。激光的光子不僅在一個方向上移動，它們具有相同的時間和空間相位。這就是所謂的連貫性。單色性，准直性和相干性將激光與普通光的無序能量區分開來。

激光 - 組織相互作用

激光對生物組織的影響範圍從生物功能的調節到蒸發。大多數臨床上使用的激光 - 組織相互作用涉及熱凝固或蒸發。未來，激光器不能用作熱源，而是用作控制細胞功能的探針，而沒有細胞毒性作用的副作用。

普通激光對組織的影響取決於三個因素：組織吸收，激光波長和激光能量密度。當激光束與組織碰撞時，其能量可被吸收，反射，傳播或散射。隨著組織和激光的任何相互作用，所有四個過程都發生在不同程度，其中吸收是最重要的。吸收程度取決於組織中髮色團的含量。髮色團是有效吸收一定長度波浪的物質。例如，CO2激光的能量被身體的軟組織吸收。這是由於對應於CO 2的波長被水分子很好地吸收，水分子構成高達80％的軟組織。相反，CO 2激光最少被骨吸收，這是由於骨組織中含水量低。最初，當組織吸收激光能量時，其分子開始振動。額外能量的吸收引起變性，凝結，並最終導致蛋白質蒸發（汽化）。

當激光能量被組織反射時，後者不會被損壞，因為表面上的輻射方向改變。而且，如果激光能量穿過表面組織進入深層，則中間組織不受影響。如果激光束消散到組織中，則能量不被吸收在表面上，而是隨機分佈在深層中。

關於組織與激光相互作用的第三個因素是能量密度。當激光和組織相互作用時，當所有其他因素不變時，改變斑點的大小或暴露時間可能會影響組織狀態。如果激光束斑點的尺寸減小，則作用在一定體積的組織上的功率增加。相反，如果光斑尺寸增加，則激光束的能量密度降低。要改變點的大小，您可以對結構上的彈出系統進行對焦，預聚焦或散焦。隨著光線的預聚焦和散焦，光斑尺寸大於聚焦光束，這導致較低的功率密度。

改變組織效應的另一種方式是激光能量的脈動。所有脈沖模式的輻射間歇性通電和斷電期間。由於在關機期間能量沒有到達組織，因此可以散熱。如果關閉時間長於目標組織的熱弛豫時間，則由熱導率損壞周圍組織的可能性降低。熱弛豫時間是耗散物體熱量一半所需的時間。有源間隙的持續時間與有源脈衝間隔和被動脈衝間隔之和的比率稱為佔空比。

運行週期=開/關+關

有各種脈沖模式。通過設定激光發射的時間（例如OD c），可以批量生產能量。當恆定波由機械快門以一定間隔阻擋時，能量可以重疊。在超脈沖模式下，能量不是簡單的阻塞，而是在關機期間存儲在激光能量源中，然後在開機期間彈出。也就是說，超脈沖模式中的峰值能量顯著高於恆定模式或重疊模式下的峰值能量。

在巨脈衝狀態下產生的激光中，能量在停機期間也保存下來，但是在激光環境中。這是通過在兩個反射鏡之間的腔室中使用阻尼器機構來實現的。封閉的擋板可防止激光產生，但可以將能量存儲在擋板的每一側。當瓣片打開時，鏡片相互作用，導致形成高能量激光束。在巨脈衝狀態下產生的激光的峰值能量非常高，且工作週期短。具有同步模式的激光器類似於以巨脈沖模式產生的激光器，因為在腔室中的兩個反射鏡之間設置了阻尼器。具有同步模式的激光器與在兩個反射鏡之間反射光所需的時間同步地打開和關閉其阻尼器。

激光器的特點

• 二氧化碳激光器

二氧化碳激光最常用於耳鼻咽喉科/頭頸部手術。其波長為10.6納米 - 電磁輻射光譜的遠紅外區域的不可見波。為了讓外科醫生看到影響區域，沿氦氖激光束的指導是必要的。激光介質是CO 2。它的波長很好地被組織中的水分子吸收。由於高吸收和最小的分散，效果是膚淺的。輻射只能通過反射鏡和放置在鉸鏈桿上的特殊透鏡傳播。曲柄桿可以安裝在顯微鏡上，以便在放大的情況下進行精確的工作。能量也可以通過連接到鉸鏈桿的聚焦手柄彈出。

• Nd：YAG激光器

Nd：YAG（摻釹釔鋁石榴石）激光器的波長為1064 nm，即在近紅外區域。它對人眼是不可見的，需要暗示性的氦氖激光束。激光介質是含釹的釔鋁石榴石。大多數身體組織不能很好地吸收這種波長。然而，色素組織比未染色的組織更好地吸收它。能量通過大多數組織的表層傳播，並分散在深層。

與二氧化碳激光器相比，Nd：YAG的散射要大得多。因此，穿透深度更大，Nd：YAG非常適合深層血管的凝血。在實驗中，最大凝固深度約為3mm（凝固溫度+ 60℃）。已有報導用Nd：YAG激光治療深部周圍毛細血管和海綿體的良好結果。還有關於血管瘤，淋巴管瘤和動靜脈先天性成功的激光光凝的報導。然而，更大的穿透深度和不加區別的破壞傾向於增加術後疤痕。在臨床上，這是通過安全的電源設置，爆發點和避免皮膚區域的最小化。在實踐中，使用暗紅色Nd：YAG激光器實際上被波長位於光譜黃色部分的激光器所取代。但是，它被用作暗紅色（端口顏色）節點形成的輔助激光器。

已經表明，Nd：YAG激光抑製成纖維細胞培養和體內正常皮膚中膠原蛋白的產生。這表明這種激光治療肥厚性瘢痕和瘢痕疙瘩的成功。但臨床上，瘢痕疙瘩後復發的頻率很高，儘管強效的局部治療使用了類固醇。

• 聯繫Nd：YAG激光器

Nd：YAG激光在接觸模式下的使用顯著改變了輻射的物理性質和吸收性。接觸尖端由藍寶石或石英晶體組成，直接連接到激光光纖的末端。接觸尖端直接與皮膚相互作用，起到熱手術刀的作用，同時切割和凝固。有報導稱在軟組織上使用廣泛干預的接觸尖端。這些應用比非接觸式Nd：YAG更接近電凝。基本上，外科醫生現在使用不是用於切割組織的激光特定波長，而是用於加熱尖端。因此，激光與組織的相互作用原理在此不適用。接觸式激光器的響應時間不像使用自由光纖時那樣直接，因此加熱和冷卻存在滯後時間。然而，憑藉經驗，這種激光便於分配皮膚和肌肉移植物。

• 氬激光

氬激光器發射長度為488-514納米的可見波。由於腔室的設計和激光介質的分子結構，這種類型的激光器產生長波長范圍。單個模型可能有一個濾波器，將輻射限制在單個波長。氬激光的能量被血紅蛋白充分吸收，其分散在二氧化碳和Nd：YAG激光之間。氬激光的輻射系統是光纖載體。由於血紅蛋白的大量吸收，皮膚的血管腫瘤也吸收激光的能量。

• KTP激光器

KTP（磷酸鈦氧鉀）激光器是一種Nd：YAG激光器，其激光能量通過KT晶體後倍頻（波長減半）。這產生了對應於血紅蛋白吸收峰值的綠光（波長532nm）。它滲入組織和散射與氬激光相似。激光能量通過光纖傳輸。在非接觸模式下，激光蒸發並凝固。在半接觸模式下，光纖的尖端幾乎不接觸織物並成為切割工具。使用的能量越多，激光作為熱刀的作用越強，類似於碳酸激光器。較低能量的裝置主要用於凝結。

• 由閃光燈激發的染料激光器

由閃光燈激發的染料激光是專門開髮用於治療皮膚良性血管腫瘤的第一種醫用激光。這是一種波長為585 nm的可見光激光。該波長與氧合血紅蛋白吸收的第三個峰值一致，因此該激光的能量主要被血紅蛋白吸收。在577-585nm範圍內，由於競爭性髮色團如黑色素的吸收較少，並且在真皮和表皮中激光能量的散射較少。激光介質是染料羅丹明，其被閃光燈光學激發，並且輻射系統是光纖載體。染料激光器的尖端有一個可更換的透鏡系統，可以產生3，5，7或10 mm的光斑尺寸。激光脈衝週期為450毫秒。這種脈動指數是根據皮膚良性血管腫瘤中發現的擴張血管的熱鬆弛時間來選擇的。

• 銅蒸氣激光器

銅蒸氣激光器產生具有兩個獨立波長的可見光輻射：長度為512nm的脈衝綠波和長度為578nm的脈衝黃波。激光介質是銅，電激發（蒸發）。纖維光纖系統將能量轉移到尖端，其尖端尺寸為150-1000微米。曝光時間範圍從0.075秒到一個常數。脈沖之間的時間也從0.1s變化到0.8s。黃銅蒸氣激光燈用於治療面部良性血管病變。綠波可用於治療雀斑，雀斑，痣和角化病等色素沉著。

• 非阻尼黃色染料激光器

具有無阻尼波的黃色染料激光器是可見光激光器，產生波長為577nm的黃光。像閃光燈激髮染料上的激光一樣，通過更換激光活化室中的染料來調節它。染料被氬激光激發。這種激光器的彈射系統也是光纜，可以集中在不同的光斑尺寸上。激光可以通過使用機械快門或連接到光纖系統末端的Hexascanner尖端脈動。Hexascanner隨機將六角形輪廓內的激光能量脈衝導入。就像由閃光燈和銅蒸氣激光器激發的染料激光一樣，具有無阻尼波的黃色染料激光對於治療面部的良性血管損傷是理想的。

• 鉺激光器

鉺：UAS激光器使用3000nm水的吸收光譜帶。其波長為2940納米對應於該峰值，並被組織水強烈吸收（比二氧化碳激光器大約12倍）。這種在近紅外光譜中發射的激光對眼睛是不可見的，應該與可見的導光束一起使用。激光由閃光燈泵浦並發射200-300微秒持續時間的微脈衝，其由一系列微脈衝組成。這些激光器的尖端連接到鉸鏈桿上。掃描裝置也可以集成在系統中以更快和更均勻地去除組織。

• 紅寶石激光

紅寶石激光 - 一種脈衝燈泵浦的激光，發射波長為694 nm的光。該激光位於光譜的紅色區域，可以用眼睛看到。它可以有一個激光快門產生短脈衝，並實現更深入組織（深度超過1毫米）。在激光脫毛過程中，使用長脈衝紅寶石激光來優先加熱毛囊。這種激光輻射通過反射鏡和鉸鏈桿系統傳輸。它很難被水吸收，但被黑色素強烈吸收。用於紋身的不同顏料也吸收波長為694 nm的光線。

• 翠綠寶石激光

Alexandrite激光器是一種可用閃光燈充氣的固態激光器，波長為755 nm。位於光譜的紅色部分的這個波長對於眼睛是不可見的，因此需要導向光束。它被藍色和黑色色素吸收，用於紋身，以及黑色素，但不含血紅蛋白。這是一種相對緊湊的激光器，可以通過柔性光纖傳輸輻射。激光穿透深度較深，便於去除頭髮和紋身。斑點尺寸是7和12毫米。

• 二極管激光器

近來，超導材料上的二極管直接與光纖器件耦合，從而導致不同波長的激光輻射（取決於所用材料的特性）。二極管激光器以其性能而著稱。它們可以將輸入的電能以50％的效率傳輸到燈光中。這種效率與較少的熱量產生和輸入功率相關聯，使得緊湊型二極管激光器可以具有沒有大型冷卻系統的設計。光線通過光纖傳輸。

• 濾波脈衝燈

用於脫毛的濾波脈衝燈不是激光。相反，它是一種強烈的，不連貫的脈衝頻譜。為了發射波長為590-1200nm的光，系統使用晶體濾波器。脈衝的寬度和積分密度也是可變的，滿足選擇性光熱解的標準，這使得該裝置與脫毛激光器相當。

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