Lasers em cirurgia plástica

No início do século passado, Einstein explicou teoricamente os processos que devem ocorrer quando um laser emite energia em um artigo intitulado "A Teoria Quântica da Radiação". Maiman construiu o primeiro laser em 1960. Desde então, a tecnologia laser se desenvolveu rapidamente, produzindo uma variedade de lasers que abrangem todo o espectro eletromagnético. Desde então, eles têm sido combinados com outras tecnologias, incluindo sistemas de imagem, robótica e computadores, para melhorar a precisão da aplicação do laser. Por meio de colaborações em física e bioengenharia, os lasers médicos tornaram-se uma parte importante das ferramentas terapêuticas dos cirurgiões. No início, eram volumosos e usados apenas por cirurgiões com treinamento específico em física do laser. Nos últimos 15 anos, o design dos lasers médicos avançou para torná-los mais fáceis de usar, e muitos cirurgiões aprenderam os fundamentos da física do laser como parte de sua formação de pós-graduação.

Este artigo discute: biofísica dos lasers; interação dos tecidos com a radiação laser; dispositivos atualmente usados em cirurgia plástica e reconstrutiva; requisitos gerais de segurança ao trabalhar com lasers; questões de uso futuro de lasers em intervenções na pele.

Biofísica dos lasers

Os lasers emitem energia luminosa que se propaga em ondas semelhantes à luz comum. O comprimento de onda é a distância entre dois picos adjacentes da onda. A amplitude é o tamanho do pico, determinando a intensidade da luz. A frequência, ou período, de uma onda luminosa é o tempo que a onda leva para completar um ciclo. Para entender como um laser funciona, é importante entender a mecânica quântica. O termo LASER é uma sigla para Amplificação de Luz por Emissão Estimulada de Radiação. Quando um fóton, uma unidade de energia luminosa, atinge um átomo, ele faz com que um dos elétrons do átomo salte para um nível de energia mais alto. O átomo se torna instável nesse estado excitado, liberando um fóton quando o elétron retorna ao seu nível de energia original, mais baixo. Esse processo é conhecido como emissão espontânea. Se um átomo estiver em um estado de alta energia e colidir com outro fóton, ao retornar a um estado de baixa energia, ele liberará dois fótons com comprimento de onda, direção e fase idênticos. Esse processo, chamado emissão estimulada de radiação, é fundamental para entender a física do laser.

Independentemente do tipo, todos os lasers têm quatro componentes básicos: um mecanismo de excitação ou fonte de energia, um meio laser, uma cavidade óptica ou ressonador e um sistema de ejeção. A maioria dos lasers médicos usados em cirurgia plástica facial tem um mecanismo de excitação elétrica. Alguns lasers (como um laser de corante excitado por lâmpada de flash) usam luz como mecanismo de excitação. Outros podem usar ondas de radiofrequência de alta energia ou reações químicas para fornecer energia de excitação. O mecanismo de excitação bombeia energia para uma câmara ressonante contendo o meio laser, que pode ser um material sólido, líquido, gasoso ou semicondutor. A energia despejada na cavidade do ressonador eleva os elétrons dos átomos no meio laser para um nível de energia mais alto. Quando metade dos átomos no ressonador estão altamente excitados, ocorre uma inversão de população. A emissão espontânea começa quando os fótons são emitidos em todas as direções e alguns colidem com átomos já excitados, resultando na emissão estimulada de fótons pareados. A emissão estimulada é intensificada à medida que os fótons que viajam ao longo do eixo entre os espelhos são refletidos preferencialmente para frente e para trás. Isso resulta em estimulação sequencial à medida que esses fótons colidem com outros átomos excitados. Um espelho é 100% reflexivo, enquanto o outro transmite parcialmente a energia emitida pela câmara ressonadora. Essa energia é transferida para o tecido biológico por um sistema de ejeção. Para a maioria dos lasers, isso é fibra óptica. Uma exceção notável é o laser de CO2, que possui um sistema de espelhos em um braço articulado. Fibras ópticas estão disponíveis para o laser de CO2, mas elas limitam o tamanho do ponto e a energia de saída.

A luz laser é mais organizada e qualitativamente intensa do que a luz comum. Como o meio laser é homogêneo, os fótons emitidos por emissão estimulada têm um único comprimento de onda, o que cria monocromaticidade. Normalmente, a luz é altamente espalhada à medida que se afasta da fonte. A luz laser é colimada: é pouco espalhada, fornecendo uma intensidade de energia constante em uma grande distância. Os fótons da luz laser não apenas se movem na mesma direção, como também têm a mesma fase temporal e espacial. Isso é chamado de coerência. As propriedades de monocromaticidade, colimação e coerência distinguem a luz laser da energia desordenada da luz comum.

Interação laser-tecido

O espectro dos efeitos do laser em tecidos biológicos abrange desde a modulação de funções biológicas até a vaporização. A maioria das interações laser-tecido utilizadas clinicamente diz respeito à capacidade térmica de coagular ou vaporizar. No futuro, os lasers poderão ser usados não como fontes de calor, mas como sondas para controlar funções celulares sem efeitos colaterais citotóxicos.

O efeito de um laser convencional no tecido depende de três fatores: absorção tecidual, comprimento de onda do laser e densidade de energia do laser. Quando um feixe de laser atinge o tecido, sua energia pode ser absorvida, refletida, transmitida ou dispersa. Todos os quatro processos ocorrem em graus variados em qualquer interação tecido-laser, dos quais a absorção é o mais importante. O grau de absorção depende do conteúdo de cromóforos do tecido. Cromóforos são substâncias que absorvem efetivamente ondas de um determinado comprimento. Por exemplo, a energia do laser de CO2 é absorvida pelos tecidos moles do corpo. Isso ocorre porque o comprimento de onda correspondente ao CO2 é bem absorvido pelas moléculas de água, que constituem até 80% do tecido mole. Em contraste, a absorção do laser de CO2 é mínima no osso, devido ao baixo teor de água do tecido ósseo. Inicialmente, quando o tecido absorve a energia do laser, suas moléculas começam a vibrar. A absorção de energia adicional causa desnaturação, coagulação e, finalmente, evaporação da proteína (vaporização).

Quando a energia do laser é refletida pelo tecido, este não é danificado, pois a direção da radiação na superfície é alterada. Além disso, se a energia do laser atravessar os tecidos superficiais para a camada profunda, o tecido intermediário não será afetado. Se o feixe de laser for espalhado no tecido, a energia não será absorvida na superfície, mas sim distribuída aleatoriamente nas camadas profundas.

O terceiro fator relacionado à interação do tecido com o laser é a densidade de energia. Na interação entre laser e tecido, quando todos os outros fatores são constantes, a alteração do tamanho do ponto ou do tempo de exposição pode afetar a condição do tecido. Se o tamanho do ponto do feixe de laser diminui, a potência que atua sobre um determinado volume de tecido aumenta. Por outro lado, se o tamanho do ponto aumenta, a densidade de energia do feixe de laser diminui. Para alterar o tamanho do ponto, o sistema de ejeção no tecido pode ser focado, pré-focalizado ou desfocado. Em feixes pré-focalizados e desfocados, o tamanho do ponto é maior que o feixe focado, resultando em uma menor densidade de potência.

Outra maneira de variar os efeitos nos tecidos é pulsar a energia do laser. Todos os modos pulsados alternam entre períodos ligado e desligado. Como a energia não atinge o tecido durante os períodos desligados, há uma chance de o calor se dissipar. Se os períodos desligados forem maiores que o tempo de relaxamento térmico do tecido alvo, a probabilidade de dano ao tecido circundante por condução é reduzida. O tempo de relaxamento térmico é o tempo necessário para que metade do calor no alvo se dissipe. A razão entre o intervalo ativo e a soma dos intervalos de pulsação ativa e passiva é chamada de ciclo de trabalho.

Ciclo de trabalho = ligado/ligado + desligado

Existem vários modos de pulso. A energia pode ser liberada em rajadas, definindo o período de emissão do laser (por exemplo, 10 segundos). A energia pode ser bloqueada, bloqueando a onda constante em determinados intervalos por um obturador mecânico. No modo superpulso, a energia não é simplesmente bloqueada, mas armazenada na fonte de energia do laser durante o período de inatividade e, em seguida, liberada durante o período de ativação. Ou seja, a energia de pico no modo superpulso é significativamente maior do que no modo constante ou de bloqueio.

Em um laser de pulso gigante, a energia também é armazenada durante o período de inatividade, mas no meio laser. Isso é realizado por um mecanismo de obturador na câmara da cavidade entre os dois espelhos. Quando o obturador é fechado, o laser não emite laser, mas a energia é armazenada em cada lado do obturador. Quando o obturador é aberto, os espelhos interagem para produzir um feixe de laser de alta energia. A energia de pico de um laser de pulso gigante é muito alta, com um ciclo de trabalho curto. Um laser com modo bloqueado é semelhante a um laser de pulso gigante, pois há um obturador entre os dois espelhos na câmara da cavidade. O laser com modo bloqueado abre e fecha seu obturador em sincronia com o tempo que a luz leva para refletir entre os dois espelhos.

Características dos lasers

• Laser de dióxido de carbono

O laser de dióxido de carbono é o mais comumente utilizado em otorrinolaringologia/cirurgia de cabeça e pescoço. Seu comprimento de onda é de 10,6 nm, uma onda invisível na região do infravermelho distante do espectro eletromagnético. A orientação ao longo do feixe de laser de hélio-neônio é necessária para que o cirurgião possa visualizar a área de ação. O meio do laser é o CO₂. Seu comprimento de onda é bem absorvido pelas moléculas de água no tecido. Os efeitos são superficiais devido à alta absorção e ao espalhamento mínimo. A radiação só pode ser transmitida através de espelhos e lentes especiais colocados em uma haste articulada. O braço da manivela pode ser acoplado a um microscópio para trabalhos de precisão sob ampliação. A energia também pode ser ejetada através de uma alça de foco acoplada à haste articulada.

• Laser Nd:YAG

O comprimento de onda do laser Nd:YAG (ítrio-alumínio-granada com neodímio) é de 1064 nm, ou seja, está na região do infravermelho próximo. É invisível ao olho humano e requer um feixe de laser de hélio-neon guia. O meio do laser é ítrio-alumínio-granada com neodímio. A maioria dos tecidos do corpo absorve mal esse comprimento de onda. No entanto, tecidos pigmentados o absorvem melhor do que tecidos não pigmentados. A energia é transmitida através das camadas superficiais da maioria dos tecidos e dissipa-se nas camadas profundas.

Comparado ao laser de dióxido de carbono, o espalhamento do Nd:YAG é significativamente maior. Portanto, a profundidade de penetração é maior e o Nd:YAG é bem adequado para a coagulação de vasos profundos. No experimento, a profundidade máxima de coagulação é de cerca de 3 mm (temperatura de coagulação de +60 °C). Bons resultados foram relatados no tratamento de formações capilares e cavernosas periorais profundas usando o laser Nd:YAG. Há também um relato de fotocoagulação a laser bem-sucedida de hemangiomas, linfangiomas e formações congênitas arteriovenosas. No entanto, a maior profundidade de penetração e a destruição não seletiva predispõem ao aumento da cicatriz pós-operatória. Clinicamente, isso é minimizado por configurações de potência seguras, uma abordagem pontual à lesão e a prevenção do tratamento de áreas da pele. Na prática, o uso do laser Nd:YAG vermelho-escuro foi praticamente substituído por lasers com comprimento de onda na parte amarela do espectro. No entanto, ele é usado como laser adjuvante para lesões nodulares de cor vermelho-escuro (vinho do Porto).

O laser Nd:YAG demonstrou inibir a produção de colágeno tanto em cultura de fibroblastos quanto em pele normal in vivo. Isso sugere sucesso no tratamento de cicatrizes hipertróficas e queloides. No entanto, clinicamente, as taxas de recorrência após a excisão de queloide são altas, apesar do tratamento adjuvante potente com esteroides tópicos.

• Laser Nd:YAG de contato

O uso do laser Nd:YAG no modo de contato altera significativamente as propriedades físicas e a absorção da radiação. A ponta de contato consiste em um cristal de safira ou quartzo diretamente fixado à extremidade da fibra do laser. A ponta de contato interage diretamente com a pele e atua como um bisturi térmico, cortando e coagulando simultaneamente. Há relatos do uso da ponta de contato em uma ampla gama de intervenções em tecidos moles. Essas aplicações são mais próximas daquelas da eletrocoagulação do que o modo Nd:YAG sem contato. Em geral, os cirurgiões agora usam os comprimentos de onda inerentes do laser não para cortar tecido, mas para aquecer a ponta. Portanto, os princípios da interação laser-tecido não são aplicáveis aqui. O tempo de resposta ao laser de contato não está tão diretamente relacionado quanto com a fibra livre e, portanto, há um período de atraso para aquecimento e resfriamento. No entanto, com a experiência, esse laser se torna conveniente para isolar retalhos de pele e músculos.

• Laser de argônio

O laser de argônio emite ondas visíveis com comprimento de onda de 488-514 nm. Devido ao design da câmara ressonadora e à estrutura molecular do meio laser, esse tipo de laser produz um longo alcance de onda. Alguns modelos podem possuir um filtro que limita a radiação a um único comprimento de onda. A energia do laser de argônio é bem absorvida pela hemoglobina e seu espalhamento é intermediário entre o de um laser de dióxido de carbono e o de Nd:YAG. O sistema de radiação do laser de argônio é um transportador de fibra óptica. Devido à alta absorção pela hemoglobina, as neoplasias vasculares da pele também absorvem a energia do laser.

• Laser KTF

O laser KTP (fosfato de titanila de potássio) é um laser Nd:YAG cuja frequência é dobrada (comprimento de onda reduzido pela metade) ao passar a energia do laser através de um cristal KTP. Isso produz luz verde (comprimento de onda de 532 nm), que corresponde ao pico de absorção da hemoglobina. Sua penetração e dispersão no tecido são semelhantes às de um laser de argônio. A energia do laser é transmitida por uma fibra. No modo sem contato, o laser vaporiza e coagula. No modo de semicontato, a ponta da fibra mal toca o tecido e se torna um instrumento de corte. Quanto maior a energia utilizada, mais o laser atua como uma faca térmica, semelhante a um laser de dióxido de carbono. Unidades de menor energia são usadas principalmente para coagulação.

• Laser de corante excitado por lâmpada flash

O laser de corante excitado por lâmpada flash foi o primeiro laser médico projetado especificamente para o tratamento de lesões vasculares benignas da pele. É um laser de luz visível com comprimento de onda de 585 nm. Esse comprimento de onda coincide com o terceiro pico de absorção da oxi-hemoglobina e, portanto, a energia desse laser é predominantemente absorvida pela hemoglobina. Na faixa de 577-585 nm, há também menor absorção por cromóforos concorrentes, como a melanina, e menor dispersão da energia do laser na derme e epiderme. O meio do laser é o corante rodamina, que é opticamente excitado por uma lâmpada flash, e o sistema de emissão é um transportador de fibra óptica. A ponta do laser de corante possui um sistema de lentes intercambiáveis que permite a criação de um tamanho de ponto de 3, 5, 7 ou 10 mm. O laser pulsa com um período de 450 ms. Esse índice de pulsatilidade foi escolhido com base no tempo de relaxamento térmico de vasos ectásicos encontrados em lesões vasculares benignas da pele.

• Laser de vapor de cobre

O laser de vapor de cobre produz luz visível em dois comprimentos de onda distintos: uma onda verde pulsada de 512 nm e uma onda amarela pulsada de 578 nm. O meio do laser é o cobre, que é excitado (vaporizado) eletricamente. Um sistema de fibras transmite energia para a ponta, que possui um tamanho de ponto variável de 150 a 1000 µm. O tempo de exposição varia de 0,075 s a constante. O tempo entre os pulsos também varia de 0,1 s a 0,8 s. A luz amarela do laser de vapor de cobre é usada para tratar lesões vasculares benignas na face. A onda verde pode ser usada para tratar lesões pigmentadas, como sardas, lentigos, nevos e ceratose.

• Laser de corante amarelo que não desbota

O laser de corante amarelo CW é um laser de luz visível que produz luz amarela com comprimento de onda de 577 nm. Assim como o laser de corante excitado por lâmpada de flash, ele é ajustado pela mudança do corante na câmara de ativação do laser. O corante é excitado por um laser de argônio. O sistema de ejeção deste laser também é um cabo de fibra óptica que pode ser focado em diferentes tamanhos de ponto. A luz do laser pode ser pulsada usando um obturador mecânico ou uma ponta Hexascanner que se conecta à extremidade do sistema de fibra óptica. O Hexascanner direciona aleatoriamente pulsos de energia do laser dentro de um padrão hexagonal. Assim como o laser de corante excitado por lâmpada de flash e o laser de vapor de cobre, o laser de corante amarelo CW é ideal para o tratamento de lesões vasculares benignas na face.

• Laser de érbio

O laser Erbium:UAS utiliza a faixa de absorção de água de 3000 nm. Seu comprimento de onda de 2940 nm corresponde a esse pico e é fortemente absorvido pela água tecidual (aproximadamente 12 vezes mais que o laser de CO2). Este laser infravermelho próximo é invisível a olho nu e deve ser usado com um feixe de mira visível. O laser é bombeado por uma lâmpada de flash e emite macropulsos com duração de 200 a 300 μs, que consistem em uma série de micropulsos. Esses lasers são usados com uma peça de mão acoplada a um braço articulado. Um dispositivo de varredura também pode ser integrado ao sistema para uma remoção de tecido mais rápida e uniforme.

• Laser de rubi

O laser de rubi é um laser bombeado por lâmpada de flash que emite luz no comprimento de onda de 694 nm. Este laser, que está na região vermelha do espectro, é visível a olho nu. Pode possuir um obturador de laser para produzir pulsos curtos e alcançar uma penetração mais profunda no tecido (mais de 1 mm). O laser de rubi de pulso longo é usado para aquecer preferencialmente os folículos capilares na depilação a laser. Essa luz laser é transmitida por meio de espelhos e um sistema de haste articulada. É pouco absorvida pela água, mas fortemente absorvida pela melanina. Vários pigmentos usados em tatuagens também absorvem raios de 694 nm.

• Laser de Alexandrita

O laser Alexandrite, um laser de estado sólido que pode ser bombeado por uma lâmpada de flash, tem um comprimento de onda de 755 nm. Este comprimento de onda, na parte vermelha do espectro, não é visível a olho nu e, portanto, requer um feixe guia. É absorvido pelos pigmentos azuis e pretos da tatuagem, bem como pela melanina, mas não pela hemoglobina. É um laser relativamente compacto que pode transmitir radiação através de um guia de luz flexível. O laser penetra relativamente profundamente, tornando-o adequado para remoção de pelos e tatuagens. Os tamanhos dos pontos são 7 e 12 mm.

• Laser de diodo

Recentemente, diodos em materiais supercondutores têm sido acoplados diretamente a dispositivos de fibra óptica, resultando na emissão de luz laser em vários comprimentos de onda (dependendo das características dos materiais utilizados). Os lasers de diodo se distinguem por sua eficiência. Eles podem converter energia elétrica em luz com uma eficiência de 50%. Essa eficiência, associada à menor geração de calor e potência de entrada, permite o projeto de lasers de diodo compactos sem grandes sistemas de resfriamento. A luz é transmitida via fibra óptica.

• Lâmpada de Flash Filtrada

A lâmpada pulsada filtrada utilizada para depilação não é um laser. Em vez disso, é um espectro pulsado intenso e não coerente. O sistema utiliza filtros de cristal para emitir luz com comprimento de onda de 590-1200 nm. A largura e a densidade integral do pulso, também variáveis, atendem aos critérios para fototermólise seletiva, o que coloca este dispositivo no mesmo nível dos lasers para depilação.

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