O όρος laser αποτελεί ακρωνύμιο των αγγλικών λέξεων Light Amplification through the Stimulated Emission of Radiation και περιγράφει την φυσική διαδικασία της ενίσχυσης του φωτός και στηρίζεται στο έργο του Einstein: “The Quantum Theory of Radiation” που εισήγαγε την έννοια της εξαναγκασμένης εκπομπής της ακτινοβολίας. Στην ελληνική γλώσσα αποδίδεται ως: «Ενίσχυση του φωτός από εξαναγκασμένη εκπομπή ακτινοβολίας».

ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ-ΦΥΣΗ ΤΟΥ ΦΩΤΟΣ

Η ηλεκτρομαγνητική (Η/Μ) ακτινοβολία αποτελεί ενιαίο και συνεχές φάσμα που εκτείνεται από τις μικρού μήκους κύματος κοσμικές ακτίνες, gamma και Χ-ακτίνες, το υπεριώδες, ορατό και υπέρυθρο φως, τα μικροκύματα ως τα μεγάλου μήκους ραδιοκύματα στο άλλο άκρο. Το φως εμφανίζει διττή φύση. Αφ’ ενός θε-ωρείται κύμα (κυματική θεωρία) που χαρακτηρίζεται από το μήκος κύματος και τη συχνότητα του, αφ’ ετέ-ρου αποτελείται από δέσμη φωτονίων, σωματιδίων με ασήμαντη μάζα, που μεταφέρουν την ενέργεια (σωματι-διακή θεωρία). Μήκος κύματος καλείται η απόσταση μεταξύ δύο διαδοχικών κορυφών ή κοιλάδων. Μετριέ-ται σε υποδιαιρέσεις του μέτρου. Στο ορατό φως (400-700 nm) το μήκος κύματος προσδιορίζει το χρώμα τη ακτινοβολίας. Το μήκος κύματος είναι αντιστρόφως ανάλογο της συχνότητας, δηλαδή του αριθμού των κυ-μάτων που διέρχονται από ένα δεδομένο σημείο ανά δευτερόλεπτο. Ακτινοβολίες με μικρό μήκος κύματος έχουν μεγάλη συχνότητα, με αποτέλεσμα την παροχή μεγάλης ποσότητας ενέργειας.

 

 

ΔΙΑΤΑΞΗ ΣΥΣΚΕΥΩΝ LASER

Η δέσμη laser παράγεται, μόνο, με τεχνητό τρόπο, εντός ειδικά διαμορφωμένων συσκευών. Κάθε συσκευή αποτελείται από τέσσερα στοιχεία:

1. το οπτικό αντηχείο ή κοιλότητα συντονισμού, όπου, στα δύο άκρα του υπάρχουν δύο κάτο-πτρα, το ένα πλήρως ανακλαστικό και το άλλο μερικώς, το οποίο επιτρέπει την ελεγχόμενη έξο-δο ποσότητας από την παραγόμενη ακτινοβολία, υπό τη μορφή της δέσμης laser.
2. το ενεργό υλικό που προσδιορίζει τον τύπο του laser. Αυτό μπορεί να είναι αέριο (αργό, κρυ-πτό), υγρό (χρωστική) ή στερεό (αλεξανδρίτης).
3. την εξωτερική πηγή παροχής ενέργειας, ηλεκτρι-κή ή άλλης φύσεως, η οποία προκαλεί την διέγερση των ατόμων του ενεργού υλικού.
4. τις οπτικές ίνες ή τους αρθρωτούς βραχίονες για την μεταφορά της δέσμης από τη συσκευή στον στόχο.

Για να γίνει κατανοητός ο μηχανισμός παραγωγής ακτίνων laser, είναι αναγκαία η γνώση της διαδικασίας παραγωγής και εκπομπής του φωτός: αυθόρμητη ή εξαναγκασμένη.

ΑΥΘΟΡΜΗΤΗ ΚΑΙ ΕΞΑΝΑΓΚΑΣΜΕΝΗ ΕΚΠΟΜΠΗ ΤΟΥ ΦΩΤΟΣ

Στις συνηθισμένες θερμοκρασίες τα ηλεκτρόνια ενός ατόμου βρίσκονται κυρίως στη χαμηλότερη δυνατή ενεργειακή τους στάθμη. Τότε λέμε ότι το άτομο βρίσκεται στη θεμελιώδη του κατάσταση. Στην περίπτωση αυτή το άτομο μπορεί να διεγερθεί, δηλ. κάποιο από τα ηλεκτρόνιά του να μεταβεί σε υψηλότερη ενεργειακή στάθμη, απορροφώντας ένα φωτόνιο ενέργειας ίσης με τη διαφορά ενέργειας των σταθμών μεταξύ των οποίων γίνεται η μετάβαση  δείτε το Σχ. 1(a). Η διεργασία αυτή λέγεται παρακινούμενη απορρόφηση.

Αν με κάποιον τρόπο ένα άτομο βρεθεί σε μια διεγερμένη ενεργειακή κατάσταση το άτομο αυτό έχει κάποια πιθανότητα να εκπέμψει ένα φωτόνιο και να μεταβεί σε χαμηλότερη κατάσταση. Η διεργασία αυτή λέγεται αυθόρμητη αποδιέγερση (δείτε το Σχ. 1(b). Τα φωτόνια που εκπέμπονται με αυθόρμητη αποδιέγερση έχουν τυχαίες διευθύνσεις. Συνήθως ένα άτομο παραμένει σε διεγερμένη κατάσταση περίπου 10^-8 sec.

Αν κατά τη διάρκεια παραμονής του ηλεκτρονίου στη διεγερμένη κατάσταση πέσει πάνω του ένα φωτόνιο ενέργειας ίσης με την ενεργειακή διαφορά διεγερμένης – θεμελιώδους, το φωτόνιο αυτό παρακινεί το άτομο να αποδιεγερθεί, εκπέμποντας ένα δεύτερο φωτόνιο, το οποίο έχει ίδια κατεύθυνση και φάση με το φωτόνιο που υποκίνησε την αποδιέγερση (δείτε το Σχ. 1(c)). Η διαδικασία αυτή λέγεται παρακινούμενη ή εξαναγκασμένη εκπομπή και είναι η βάση της λειτουργίας του laser.

Σχ. 1: (a) Η διεργασία της διέγερσης ατόμου με απορρόφηση ενός φωτονίου. (b) Η διεργασία της αυθόρμητης εκπομπής/αποδιέγερσης. (c) Η διεργασία της παρακινούμενης ή εξαναγκασμένης εκπομπής. Το φωτόνιο σε όλες τις περιπτώσεις έχει ενέργεια ΔΕ=Ε₂-Ε₁.

Laser

Το φωτόνιο που εκπέμπεται με εξαναγκασμένη εκπομπή, μαζί με το προσπίπτον, μπορούν να υποκινήσουν αποδιέγερση δύο ακόμα διεγερμένων ατόμων, αν υπάρχουν στην περιοχή, αποδίδοντας δύο νέα φωτόνια κ.ο.κ., υποκινώντας έτσι μια αλυσιδωτή αντίδραση, με τελικό προιόν μια δέσμη φωτονίων ίδιας ενέργειας, κατεύθυνσης, και φάσης. Η δέσμη αυτή αποτελέι το φως laser και η διεργασία παραγωγής της λέγεται διεργασία laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – Ενίσχυση του φωτός μέσω εξαναγκασμένης εκπομπής ακτινοβολίας).

Τα βασικά χαρακτηριστικά του φωτός laser είναι τα εξής:

• Μονοχρωματικότητα: Το ποσόν ενέργειας ενός φωτονίου αποδίδεται από τον τύπο E = hc/λ (h: σταθερά του Planck, c: ταχύτητα η ακτινοβολία laser είναι μονοχρωματική, αφού όλα τα
  άτομα του ενεργού υλικού απελευθερώνουν φωτόνια με όμοια ενέργεια. Στην πράξη το εύρος της φασματι-κής γραμμής είναι απειροελάχιστο (10-9 Α).6 Η ιδιότητα αυτή αξιοποιείται στη θεραπευτική για
  την εκλεκτική απορρόφηση του φωτός laser από το κατάλληλο χρωμοφόρο (μελανίνη, αιμοσφαιρίνη κ.λπ.).
• Συμφωνία:  Τα κύματα του φωτός laser εμφανίζουν χωρική και χρονική συμφωνία, δηλαδή έχουν την ίδια συ-χνότητα και φάση τόσο στο χρόνο όσο και στο χώρο. Το φαινόμενο αυτό προσδίδει μεγάλη σταθερότητα φάσης κατά μήκος της δέσμης και τη διαφοροποιεί από τις συνήθεις πηγές φωτός.
• Κατευθυντικότητα:  Άμεσο αποτέλεσμα της κυματικής συνεκτικότητας (συμφωνίας) είναι η παράλληλη κίνηση των κυμάτων laser σε μία φωτοδέσμη, με πολύ μικρή γωνία από-κλισης. Η δέσμη laser αφενός μεταφέρεται σε μεγά-λη απόσταση, χωρίς απώλειες ισχύος, αφετέρου, με τη βοήθεια φακών ή κατόπτρων, μπορεί να εστιασθεί σε ένα ιδιαίτερα μικρό σημείο.
  Λαμπρότητα:  Λαμπρότητα μιας δεδομένης πηγής ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων αποτελεί η ισχύς την οποία εκπέμπει ανά μονάδα επιφανείας και μονάδα στερεάς γωνίας. Η διαδικασία ενίσχυσης στην οπτική κοιλότητα, η χαμηλού βαθμού απόκλιση της δέσμης και η ικανότητα εστίασης οδηγούν στην παραγωγή φωτός με ιδιαίτερα υψηλή ένταση.

Τα παραπάνω χαρακτηριστικά είναι αυτά που κάνουν το laser μοναδικό, καθώς δίδουν τη δυνατότητα μεγάλης έντασης και ελεγχόμενης συμβολής ακόμα και μακρυά από την εστία παραγωγής της δέσμης.

Από τα πιο πανω γίνεται φανερό ότι αν ένα φωτόνιο ενέργειας Ε₂-Ε₁ (βλ. Σχ. 2) πέσει πάνω σε ένα άτομο, το άτομο αν είναι σε διεγερμένη κατάσταση θα αποδιεγερθεί, προσφέροντας ένα επιπλέον φωτόνιο στο σύστημα, και αν είναι στη θεμελιώδη θα διεγερθεί, απορροφώντας ένα φωτόνιο από το σύστημα. Οι δύο αυτές διεργασίες είναι ισοπίθανες.

Άρα σε ένα σύστημα με λιγότερα από τα μισά άτομα σε διεγερμένη κατάσταση (όπως σε ένα σύστημα σε θερμοκρασία περιβάλλοντος) θα έχουμε περισσότερο απορρόφηση παρά εκπομπή φωτονίων και άρα μη δυνατότητα δημιουργίας laser. Αντίθετα, αν το μεγαλύτερο ποσοστό των ατόμων είναι σε διεγερμένη κατάσταση θα έχουμε κυρίως εξαναγκασμένη εκπομπή και άρα δυνατότητα δημιουργίας laser. (Η κατάσταση στην οποία το μεγαλύτερο ποσοστό των ατόμων ενός συστήματος είναι σε διεγερμένη στάθμη λέγεται αναστροφή πληθυσμών.)

Συγκεκριμένα, για τη δημιουργία laser θα πρέπει να πληρούνται οι ακόλουθες συνθήκες:

• Αναστροφή πληθυσμών στο σύστημα. Αυτό επιτυγχάνεται διαγείροντας τα άτομα είτε με κρούσεις με άλλα άτομα ή ιόντα (ηλεκτρονική άντληση) είτε με απορρόφηση ακτινοβολίας από εξωτερική πηγή (οπτική άντληση).
• Η διεγερμένη κατάσταση του συστήματος να είναι μετασταθής, δηλαδή ο χρόνος ζωής της (ο μέσος χρόνος που χρειάζεται για να αποδιεγερθεί αυθόρμητα ένα άτομο που βρίσκεται σε αυτήν) να είναι αρκετά μεγάλος (τ>10^-4 sec) ώστε το άτομο να μην αποδιεγείρεται αυθόρμητα πριν να συμβεί η παρακινούμενη αποδιέγερσή του.
• Περιορισμός των εκπεμπόμενων φωτονίων σε μικρό χώρο, ώστε να αλληλεπιδράσουν με όσο γίνεται περισσότερα άτομα του συστήματος και να τα “παρακινήσουν” σε εκπομπή φωτονίων. Αυτό γίνεται τοποθετώντας κάτοπτρα στα δύο άκρα του σωλήνα που περιέχει το σύστημα (το ένα από τα κάτοπτρα είναι ημιδιαφανές, ώστε να μπορούν να διαφεύγουν από αυτό τα φωτόνια laser).

Ένα παράδειγμα συσκευής laser δείχνεται στο Σχ. 3. Τα άτομα διεγείρονται μέσω κρούσεων με φορτισμένα σωματίδια (τα οποία επιταχύνονται στο δυναμικό V) ενώ το όλο σύστημα είναι περιορισμένο σε γυάλινο σωλήνα στα άκρα του οποίου υπάρχουν κάτοπτρα που επανακατευθύνουν τα εκπεμπόμενα φωτόνια μέσα στον σωλήνα ώστε να αλληλεπιδράσουν με περισσότερα άτομα, προκαλώντας έτσι ενίσχυση της δέσμης. Τα φωτόνια που εκπέμπονται με αυθόρμητη αποδιέγερση διαφεύγουν από τον σωλήνα.

Σχ. 2: Στο σύστημα που δείχνεται στο αριστερό μέρος του σχήματος οι δύο δυνατότητες αλλεπίδρασης με προσπίπτον φωτόνιο ενέργειας ΔΕ=Ε₂-Ε₁ οι οποίες φαίνονται στο κεντρικό και δεξιό μέρος του σχήματος είναι ισοπίθανες.Άρα σε ένα σύστημα με λιγότερα από τα μισά άτομα σε διεγερμένη κατάσταση (όπως σε ένα σύστημα σε θερμοκρασία περιβάλλοντος) θα έχουμε περισσότερο απορρόφηση παρά εκπομπή φωτονίων και άρα μη δυνατότητα δημιουργίας laser. Αντίθετα, αν το μεγαλύτερο ποσοστό των ατόμων είναι σε διεγερμένη κατάσταση θα έχουμε κυρίως εξαναγκασμένη εκπομπή και άρα δυνατότητα δημιουργίας laser. (Η κατάσταση στην οποία το μεγαλύτερο ποσοστό των ατόμων ενός συστήματος είναι σε διεγερμένη στάθμη λέγεται αναστροφή πληθυσμών.)

Συγκεκριμένα, για τη δημιουργία laser θα πρέπει να πληρούνται οι ακόλουθες συνθήκες:

• Αναστροφή πληθυσμών στο σύστημα. Αυτό επιτυγχάνεται διαγείροντας τα άτομα είτε με κρούσεις με άλλα άτομα ή ιόντα (ηλεκτρονική άντληση) είτε με απορρόφηση ακτινοβολίας από εξωτερική πηγή (οπτική άντληση). (Σημειώστε ότι για να επιτευχθεί αναστροφή πλήθυσμών χρειάζονται τρεις τουλάχιστον στάθμες στο σύστημα. Γιατί δεν γίνεται με δύο;)
• Η διεγερμένη κατάσταση του συστήματος να είναι μετασταθής, δηλαδή ο χρόνος ζωής της (ο μέσος χρόνος που χρειάζεται για να αποδιεγερθεί αυθόρμητα ένα άτομο που βρίσκεται σε αυτήν) να είναι αρκετά μεγάλος (τ>10^-4 sec) ώστε το άτομο να μην αποδιεγείρεται αυθόρμητα πριν να συμβεί η παρακινούμενη αποδιέγερσή του.
• Περιορισμός των εκπεμπόμενων φωτονίων σε μικρό χώρο, ώστε να αλληλεπιδράσουν με όσο γίνεται περισσότερα άτομα του συστήματος και να τα “παρακινήσουν” σε εκπομπή φωτονίων. Αυτό γίνεται τοποθετώντας κάτοπτρα στα δύο άκρα του σωλήνα που περιέχει το σύστημα (το ένα από τα κάτοπτρα είναι ημιδιαφανές, ώστε να μπορούν να διαφεύγουν από αυτό τα φωτόνια laser).

Ένα παράδειγμα συσκευής laser δείχνεται στο Σχ. 3. Τα άτομα διεγείρονται μέσω κρούσεων με φορτισμένα σωματίδια (τα οποία επιταχύνονται στο δυναμικό V) ενώ το όλο σύστημα είναι περιορισμένο σε γυάλινο σωλήνα στα άκρα του οποίου υπάρχουν κάτοπτρα που επανακατευθύνουν τα εκπεμπόμενα φωτόνια μέσα στον σωλήνα ώστε να αλληλεπιδράσουν με περισσότερα άτομα, προκαλώντας έτσι ενίσχυση της δέσμης. Τα φωτόνια που εκπέμπονται με αυθόρμητη αποδιέγερση διαφεύγουν από τον σωλήνα.

Σχ. 3: Παράδειγμα συσκευής laser.Το πρώτο laser, το οποίο εξέπεμπε κόκκινο φως, κατασκευάστηκε το 1960. Από τότε η τεχνολογία έχει προχωρήσει πάρα πολύ και σήμερα υπάρχουν laser σε διάφορα μήκη κύματος (υπέρυθρο, ορατό και υπεριώδες). Ένα κλασικό laser είναι το laser μίγματος He-Ne, το οποίο εκπέμπει σε μήκος κύματος 632,8 nm. Οι σχετικές ενεργειακές στάθμες δείχνονται στο Σχ. 4. Τυπική ισχύς για το laser αυτό είναι 10 mW, τυπική ένταση εξόδου 5100 mW/cm² και τυπική διάμετρος στην έξοδο του laser 0,5 mm.

Σχ. 4: Διάγραμμα των ενεργειακών στθμών του ατόμου του νέου. Το φως laser στο σύστημα He-Ne προέρχεται από τη μετάβαση από την μετασταθή στάθμη Ε₃ στην Ε₂.

Η ύλη υπό μορφή ατόμων αποτελείται: (α) από τον πυρήνα και (β) από ηλεκτρόνια, τα οποία περι-στρέφονται γύρω από αυτόν σε σταθερές τροχιές. Τα άτομα δύνανται να προσλαμβάνουν ή να χάνουν ενέργεια με τη μορφή ενός quantum της Η/Μ ακτι-νοβολίας, του φωτονίου, με αποτέλεσμα τη μεταπή-δηση των ηλεκτρονίων σε απώτερη ή εγγύτερη στιβά-δα προς τον πυρήνα.

Χαρακτηριστικά των Lasers

Η φωτεινή ενέργεια μετριέται σε Joules (J) και είναι ανάλογη της ποσότητας φωτονίων που περιέχονται στη δέσμη. Το μήκος κύματος της ακτίνας laser εξαρτάται από το ενεργό υλικό που διεγείρεται και επηρρεάζει τον βαθμό απορρόφησης και σκέδασης εντός των ιστών. Στο ορατό τμήμα του Η/Μ φά-σματος το βάθος διείσδυσης στο δέρμα αυξάνει παράλληλα με την αύξηση του μήκους κύματος, ενώ ελαττώνεται στο υπέρυθρο τμήμα. Κάθε συσκευή laser χαρακτηρίζεται από την ισχύ εξόδου, δηλαδή από το ποσό ενέργειας το οποίο απελευθερώνεται στη μονάδα του χρόνου. Εκφράζεται σε Watts (W), όπου: 1 Watt = 1 Joule/sec. Για την κατανόηση και εκτίμηση του βαθμού των βιολογικών μεταβολών στο δέρμα από την παρεχόμενη ποσότητα φωτός χρησιμοποιούνται οι όροι πυκνότητα ισχύος και πυκνότητα ενέργειας. Η πυκνότητα ισχύος περιγράφει την ένταση της δέσμης ανά μονάδα επιφανείας και προσδιορίζει το ρυθμό της ιστικής καταστρο-φής. Εκφράζεται σε W/cm2 και υπολογίζεται από τον τύπο:

Όσο αυξάνεται η ισχύς εξόδου του laser (με σταθερή την ακτινοβολούμενη επιφάνεια), τόσο αυξάνεται και η καταστροφή των ιστών. Η πυκνότητα ενέργειας εκφράζει τη συνολική ποσότητα ενέργειας, η οποία παρέχεται από τη φωτεινή δέσμη ανά μονάδα επιφανείας της ενεργού διατομής. Υπολογίζεται από τον τύπο:

πυκνότητα ενέργειας (j/cm2) =πυκνότητα ισχύος (J/cm2/sec) x χρόνο έκθεσης (sec)

Είναι προφανές ότι η ακτινοβόληση μιας περιοχής προκαλεί διαφορετικά αποτελέσματα, μεταβαλλόμενου του χρόνου ακτινοβόλησης.

Η ισχύς της δέσμης laser δεν είναι ομοιόμορφα κατανεμημένη σε όλη την επιφάνεια του στόχου. Με τον όρο εγκάρσια ηλεκτρομαγνητική διαμόρφωση (transverse electromagnetic mode-TEM) περιγράφεται η κατανομή της ισχύος της δέσμης στην περιοχή της εστίας. Η ΤΕΜ  αντιστοιχεί σε μια κυκλική εγκάρσια διατομή της δέσμης, όπου το 86% της ισχύος ευρίσκεται στο κέντρο της με προοδευτική εξασθένηση προς την περιφέρεια (κωδωνοειδής κατανομή). Οι συσκευές laser εκπέμπουν την δέσμη φωτός συνεχώς ή σε ανεξάρτητους παλμούς μικρής διάρκειας, μετα-ξύ των οποίων παρεμβάλλεται περίοδος ηρεμίας. Τα lasers συνεχούς ροής χαρακτηρίζονται από χαμηλή ισχύ και αυξημένο κίνδυνο ανεξέλεγκτης καταστρο-φής των ιστών. Στα παλμικά lasers παρέχονται υψηλά ποσά ενέργειας σε μικρό χρονικό διάστημα, το οποίο καλείται εύρος παλμού, παρέχεται δε η δυνατότητα μεταβολής του, ανάλογα με το μέγεθός του θεραπευομένου στόχου. Ο όρος Q-switching αναφέρεται σε έναν ηλεκτρο-οπτικό διακόπτη εντός της οπτικής κοιλότητας ο οποίος επιτρέπει την απελευθέρωση όλης της ενέργειας που συσσωρεύεται σε αυτή, σε ένα σύντομο, υψηλής έντασης παλμό.

ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΩΝ LASERS ΣΤΟΥΣ  ΙΣΤΟΥΣ

Η δράση των lasers είναι αποτέλεσμα της μετατροπής της παρεχόμενης φωτεινής ενέργειας, μετά την απορρόφησή της από τους ιστούς, σε θερμική, μηχανική ή χημική ενέργεια. Πρόκειται για σύνθετο
φαινόμενο που εξαρτάται:

1.  από τα χαρακτηριστικά της ακτινοβολίας και των χρησιμοποιούμενων συσκευών: μήκος κύματος, ισχύς εξόδου, διάρκεια παλμού, μέγεθος δέσμης και
2.  από τις οπτικές και θερμικές ιδιότητες του ιστούς

Οπτικές ιδιότητες του δέρματος

Όταν το φως προσπέσει στην επιφάνεια του δέρματος, ακολουθεί συνδυασμός των φαινομένων της ανάκλασης, απορρόφησης, σκέδασης (διάχυσης) και μετάδοσης αυτού. Σύμφωνα με το νόμο Grothus-Draper, το φως δρα στους ιστούς μόνον όταν απορροφηθεί. Το δέρμα δεν αποτελεί ομοιογενές υλικό. Για πρακτικούς λόγους, θεωρούμε ότι συνίσταται: (α) από την κεράτινη στιβάδα με την υπόλοιπη επιδερμίδα και (β) από το χόριο, με διαφορετικές οπτικές ιδιότητες μεταξύ τους (ανακλαστικότητα και συντελεστές σκέδασης ή απορρόφησης του φωτός).

• Ανάκλαση:  Το φως μπορεί να ανακλαστεί από διάφορα στοι-χεία του δέρματος χωρίς καμία κλινική επίδραση. Η επιδερμίδα είναι υπεύθυνη για το μεγαλύτερο ποσο-στό ανάκλασης από το δέρμα. Υπολογίζεται ότι ανα-κλάται το 5-10% του προσπίπτοντος φωτός.
• Σκέδαση (διάχυση): Το φως διαχέεται προς όλες τις κατευθύνσεις, μα-κριά από τον αρχικό του στόχο. Οι ίνες του κολλαγό-νου είναι υπεύθυνες για το μεγαλύτερο ποσοστό διά-χυσης. Η διάχυση έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της έντασης του προσπίπτοντος φωτός. Η διάχυση, όμως, προς τα πίσω μπορεί ουσιαστικά να αυξήσει την ένταση της δέσμης μέσα στους ιστούς. Η σκέδα-ση μειώνεται όσο αυξάνει το μήκος κύματος.
• Μετάδοση: Το φως διέρχεται μέσα από τον ιστό-στόχο, π.χ. το χόριο, χωρίς κλινικό αποτέλεσμα.
• Aπορρόφηση: Απορρόφηση καλείται η διαδικασία πρόσληψη της φωτεινής ενέργειας και η μετατροπή της σε άλλη μορφή ενέργειας εντός των ιστών, ώστε να επέλθουν βιολογικές μεταβολές. Επιτελείται από ορισμένες εν-δογενείς ή εξωγενείς ουσίες του δέρματος που κα-λούνται χρωμοφόρα. Διακρίνονται σε ενδογενή: αι-μοσφαιρίνη, μελανίνη και νερό ενδοκυττάριο ή εξω-κυττάριο και εξωγενή: χρωστικές των tattoo. Ο συν-τελεστής απορρόφησης (cm -1 ) διαφέρει μεταξύ των χρωμοφόρων για τις επί μέρους ακτινοβολίες του Η/Μ φάσματος. Η μελανίνη εμφανίζει ευρύ φάσμα απορρόφησης (400 ως 750 nm), που ελαττώνεται όσο αυξάνει το μήκος κύματος της ακτινοβολίας. Η οξυαιμοσφαιρίνη απορροφά, έντονα, ακτινοβολία μήκους κύματος 418 nm και ασθενέστερα ακτινοβο-λία με μήκη κύματος 548 nm και 577 nm. Το νερό απορροφά φωτεινή ενέργεια που περιέχεται στο υπέ-ρυθρο τμήμα του φάσματος. Το βάθος διείσδυσης των ακτίνων laser εξαρτάται από τον βαθμό απορρό-φησης και σκέδασης τους. Η δράση στους ιστούς εί-ναι αποτέλεσμα της μετατροπής της απορροφηθεί-σας φωτεινής ενέργειας σε θερμική, μηχανική ή χη-μική ενέργεια.

Θερμική επίδραση

Το βιολογικό αποτέλεσμα της θερμικής ενέργει-ας στους ιστούς καθορίζεται από το ύψος της θερμο-κρασίας που θα επιτευχθεί και τη διάρκεια της ακτι-νοβόλησης. Αύξηση της θερμοκρασίας κατά 5-10°C
(υψηλότερα από τη θερμοκρασία των 37°C του σώ-ματος) προκαλεί βλάβες στα κύτταρα, κατ’ αρχάς αν-τιστρεπτές. Στη θερμοκρασία των 60°C μετουσιώ-νονται οι πρωτεΐνες και στους 70°C το DNA (διαδι-κασία της πήξης). Στους 100°C το ενδοκυττάριο νε-ρό φθάνει στο σημείο βρασμού και μετατρέπεται σε ατμό. Η ατμοποίηση αυξάνει υπερβολικά τον όγκο του κυττάρου και αναπτύσσει τρομερές δυνάμεις
στο κυτταρικό τοίχωμα, με συνέπεια την καταστρο-φή του με τη μορφή έκρηξης. Περαιτέρω αύξηση της θερμοκρασίας προκαλεί αποξήρανση και απαν-θράκωση.

Εκλεκτική φωτοθερμόλυση

Οι Anderson και Parrish προσέδωσαν σημαντική ώθηση στην θεραπευτική δράση των lasers με την διατύπωση της θεωρίας της εκλεκτικής φωτοθερμό-λυσης, στην οποία περιγράφουν την ελεγχόμενη
καταστροφή (destruction) της ανεπιθύμητης βλάβης, όταν αυτή ταυτίζεται με το χρωμοφόρο, χωρίς σην μαντικές επιπτώσεις (damage) στους περιβάλλοντες ιστούς, όταν:

• επιλέγεται μήκος κύματος που απορροφάται προνομιακά από το χρωμοφόρο σε σύγκριση με τους περιβάλλοντες ιστούς,
• παρέχεται ικανή ποσότητα ενέργειας, ώστε να με-ταβληθεί η θερμική κατάσταση του στόχου, και
• η διάρκεια της παροχής ενέργειας (ακτινοβόλη-σης) είναι μικρότερη του χρόνου θερμικής χαλά-ρωσης (TRT) του χρωμοφόρου.

Χρόνος θερμικής χαλάρωσης (TRT) καλείται το απαιτούμενο χρονικό διάστημα για τον υποδιπλα-σιασμό της θερμοκρασίας που αναπτύσσεται στον στόχο μετά την πρόσληψη της φωτεινής ενέργειας.
Εξαρτάται από το μέγεθος του στόχου (πίνακας 1). Αν ο χρόνος ακτινοβόλησης είναι ≤του TRT, τότε η παραγόμενη θερμική ενέργεια παραμένει εντός του στόχου και δεν διαχέεται στο περιβάλλον του.

Eπέκταση της θεωρίας της εκλεκτικής φωτοθερμόλυσης

Σε ορισμένες περιπτώσεις χρωμοφόρο και στόχος δεν ταυτίζονται, όπως στην φωτοαποτρίχωση, όπου η καταστροφή της μελανίνης (χρωμοφόρο) δεν αρκεί για την ημιμόνιμη απομάκρυνση της τρίχας (στόχος). Για να επιτευχθεί το επιθυμητό κλινικό αποτέ-λεσμα, το εύρος παλμού του κατάλληλου laser πρέ-πει να είναι αφ’ ενός μεγαλύτερο του TRTτης μελα-νίνης, ώστε εκτός της άμεσης θερμική καταστροφής του χρωμοφόρου να επέλθει καταστροφή και των υπολοίπων τμημάτων της τρίχας, μέσω της θερμικής διάχυσης, αφ΄ετέρου μικρότερο κάποιας κριτικής τι-μής ώστε να μην επηρρεασθούν οι περιβάλλοντες ιστοί. Ο αναγκαίος χρόνος καλείται χρόνος θερμικής καταστροφής (επέκταση της θεωρίας της εκλεκτικής φωτοθερμόλυσης).

Kλασματική φωτοθερμόλυση

Η θεωρία της κλασματικής φωτοθερμόλυσης (ΚΦ) (Fractional photothermolysis), διατυπώθηκε από τους Manstein και συν. το 2004. Στην προτεινόμενη τεχνική η φωτεινή ακτίνα διαχωρίζεται σε μικρότερες μεταβαλλόμενες δέσμες που προκαλούν θερμική βλάβη με την δημιουργία τρισδιάστατων ζωνών (microscopic treatment zones MTZ), χωρίς την πρόκληση φλεγμονής ή νέκρωσης, ενώ το περιβάλλον παραμένει ανέπαφο. Τα άθικτα κύτταρα γύρω από τους προσβεβλημένους ιστούς αποτελούν την δεξαμενή για την ταχεία αποκατάσταση του κατεστραμμένου δέρματος.

Το νερό αποτελεί το χρωμοφόρο στόχο, στην διαδικασία της ΚΦ. Ανάλογα με τον συντελεστή απορρόφησης της παραγόμενης ακτινοβολίας από το νερό, η κλασματική φωτοθερμόλυση διακρίνεται σε: αφαιρετική (ablative): lasers μήκους κύματος με ισχυρή απορρόφηση από το νερό (2.790 mm YSGG, 2.940 mm Er:YAG & 10.600 mm CO2) προκαλούν εξάχνωση και άμεση απομάκρυνση του ιστού και μη αφαιρετική (non ablative): lasers με μήκος κύματος μικρότερης απορροφητικότητας από το νερό ( 1.410 mm, 1.440 mm, 1.540 mm, 1.550 mm και 1.927 mm) θερμαίνουν και προκαλούν πήξη του ιστού, ενώ η επιφάνεια του δέρματος παραμένει άθικτη.

Φωτομηχανική δράση

Η ταχεία αύξηση της θερμοκρασίας οδηγεί στην δημιουργία ακουστικών κυμάτων που προκαλούν τον σχηματισμό κενοτοπίων εντός του κυττάρου και την καταστροφή του. Η περιγραφείσα διαδικασία επιτυγ-χάνεται με τη συγκέντρωση όλης της ενέργειας σε ένα ισχυρό παλμό, διάρκειας της τάξεως των nanoseconds (Q-switched laser) και επιτελείται με μηχανι-κό τρόπο.

Φωτοχημική δράση

Ο συνδυασμός της τοπικής εφαρμογής φωτοευαι-σθητοποιών ουσιών (5-aminolevulinic acid: ALA ή ο εστέρας methyl 5-aminolevulinate: MAL) και φωτός από διάφορες πηγές (μπλε και κόκκινο διοδικό φως, παλμικό laser χρωστικής ή έντονο παλμικό φως) κα-λείται φωτοδυναμική θεραπεία που παράγει διεγερ-μένο μονήρες οξυγόνο και προκαλεί καταστροφή των κυτταρικών μεμβρανών.

LASERS ΚΑΙ  ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ

Ανάλογα με το χρωμοφόρο/στόχο εφαρμόζεται ακτινοβολία laser με μήκος κύματος που απορροφάται εκλεκτικά απ’ αυτόν. Σε πολλές περιπτώσεις, δεν επιλέγεται ενέργεια μήκους κύματος με την υψηλότερη απορρόφηση, αλλά προτιμάται μήκος κύματος που απορροφάται ασθενέστερα μεν από τον στόχο, αλλά δεν δρα σε άλλο χρωμοφόρο.  Παρακάτω περιγράφονται τα lasers που χρησιμοποιούνται σε διάφορες παθήσεις, ανάλογα με το χρωμοφόρο.

 

Aιμοσφαιρίνη

• Παλμικό laser χρωστικής (577-600 nm) (PDL): Aγγειακές δυσπλασίες, τηλεαγγειεκτασίες προσώπου, φλεβικές λίμνες, ερυθρές ουλές, αστεροειδή αιμαγγειώματα, ποικιλόδερμα Civatte, πυογόνο κοκκίωμα, δερματικές παθήσεις με αγγειακό στοιχείο: μυρμηκίες, κ.ά.
• KTP (532 nm): Aγγειακές δυσπλασίες, τελεαγγειεκτασίες προσώπου, ποδιών, ροδόχρους νόσος.
• long- pulsed alexandrite (755 nm): Eκλεκτική απορρόφηση από την δεοξυαιμοσφαιρίνη: υπερτροφικές αγγειακές δυσπλασίες, αντιμετώπιση φλεβών κάτω άκρων.
• long- pulsed Nd:YAG (1064 nm): Aντιμετώπιση φλεβεκτασιών κάτω άκρων, φλεβικές λίμνες, τελεαγγειεκτασίες προσώπου, φλεβικές δυσπλασίες, αγγειακές δυσπλασίες.

Μελανίνη

• double-frequency QS Nd: YAG (532 nm): Επιδερμικές βλάβες, Φωτότυπος δέρματος Ι-ΙΙΙ.
• Q-switched ruby (694 nm): Επιδερμικές/δερματικές βλάβες,  Φωτότυπος δέρματος Ι-ΙΙΙ.
• Q-switched alexandrite (755 nm): Επιδερμικές/δερματικές βλάβες, Φωτότυπος δέρματος Ι-IV
• Q-switched Nd:YAG (1064nm): Δερματικές βλάβες, Φωτότυπος δέρματος ΙΙΙ-VI

Για Αποτρίχωση

• normal mode ruby (694 nm): Φωτότυπος δέρματος I-III.
• long pulse alexandrite (755 nm): Φωτότυπος δέρματος IIV.
• laser Diode (800 nm): Φωτότυπος δέρματος I-IV.
• long- pulsed Nd:YAG (1064 nm): Φωτότυπος δέρματος IVI.

Για Εξωγενείς χρωστικές: tattoos

• double-frequency QS Nd: YAG(532nm): Ερυθρά χρωστική.
• Q-switched ruby (694 nm): Μαύρη, μπλε, πράσινη χρωστική.
• Q-switched alexandrite (755 nm): Μαύρη, μπλε, πράσινη χρωστική.
• Q-switched Nd:YAG (1064nm): Μαύρη, μπλε χρωστική.

Νερό

• Nd:YAG (1320 nm), Mid-IR diode (1450 nm) Erbium: glass (1540 nm), Thulium: YAG (1927 nm) Δερματική ανάπλαση (μη αφαιρετική κλασματική φωτοθερμόλυση).
• Erbium: YAG (2940 nm), CO2(10600 nm): Ρυτίδες, ουλές, έντονη φωτογήρανση (αφαιρετική κλασματική φωτοθερμόλυση).