Introducción al láser

Introducción
Radiometría
Propiedades ópticas de la piel
Interacciones tisulares
Relajación térmica
Fototermolisis selectiva
Bibliografía
Autor

INTRODUCCION

Con frecuencia los médicos que se inician en el mundo láser están saturados y algunas ocasiones abrumados ante la terminología técnica que se utiliza en las charlas, reuniones, congresos, etc. en cuanto a potencia/energía, longitud de onda, anchura de pulso, fluencia o densidad de energía, etc.

Es nuestra misión en este artículo tratar de aclarar estos términos ya que se necesita algún tipo de familiaridad con algún lenguaje fundamental para dominar la complejidad de la luz láser e interacciones de esta sobre la piel y sobre los tejidos.

RADIOMETRÍA

Es necesario comprender cuatro definiciones:

  1. Energía
  2. Potencia
  3. Fluencia
  4. Irradiancia

La energía es el trabajo y se mide en Julios. La potencia es el porcentaje en el que la energía se consume y se mide en vatios (julios x segundo).

Los julios es una medida conveniente de la energía en un pulso simple de un láser pulsado.

Los vatios se deben utilizar para medir la potencia de un láser de onda contínua, el ejemplo más claro sería el de un láser de CO2 en emisión contínua de luz láser.

La energía y la potencia cuantifican la luz emitida por un láser. También necesitamos medir la intensidad o luminosidad de la luz que incide sobre la piel, que a su vez depende del área de piel sobre la cual la energía o la potencia es entregada.

Pongamos un ejemplo para tratar de clarificar estos conceptos:

Un láser pulsado, el pulso o anchura de pulso es el tiempo durante el cual se emite la luz láser, con un tamaño de spot de 1 cm se enfoca a un spot de tamaño de 0.5 cm de diámetro (el spot es circular, espacio por el que es emitida la radiación lumínica y se mide por su diámetro), la misma energía se está entregando a un área más pequeña y  por lo tanto estamos aumentando la densidad de energía.

Si enficamos un láser pulsado con una energía por pulso de 10 julios a un spot de 1 cm de diámetro (radio = 0,5 cm), el área del spot es ¼ r2 = ¼ 0.52. La densidad de energía es igual a la energía entregada, expresada en julios, dividida por ¼  r2,, por lo que en este caso será igual a 10/¼ 0.52 = 12.7 julios/cm2. Si esta misma energía la enfocamos a un spot de 0.5 cm, el área del spot es ¼ x 0.252, por lo que la densidad de energía (De) será 10/¼ x 0.252 = 50.9 J/cm2

Dividiendo a la mitad el tamaño del spot, la densidad de energía aumenta por un factor de 4, ya que la densidad de enrgía es inversamente proporcional al cuadrado del radio del tamaño del spot.

Contrariamente, para obtener la misma densidad de energía con un tamaño de spot de la mitad del diámetro, la energía láser entregada, tendrá que ser reducida cuatro veces. La fluencia es un término intercambiable con el de densidad de energía.

Irradiancia se refiere a la intensidad de un haz láser de onda contínua y se mide en vatios/cm2. Los cálculos son similares a los presentados previamente y muestran una relación similar entre el tamaño del spot e intensidad, como entre el tamaño del spot y fluencia. La intensidad es inversamente proporcional al cuadrado del radio del tamaño del spot.

PROPIEDADES ÓPTICAS DE LA PIEL

Cuando una luz láser choca contra la piel hay cuatro posibles interacciones: (Figura 1)

  • Reflexión
  • Dispersión
  • Absorción
  • Transmisión

La ley de Grothus-Draper afirma que solo puede haber efecto tisular si la luz es absorvida.

Solamente el 4-7% de la luz es reflejada por la piel. Ni la luz reflejada ni la luz transmitida tiene efecto tisular.

Existen diferentes cromóforos en la piel que absorven longitudes de onda selectivamente. Si conocemos el espectro de absorción de un cromóforo, podemos dirigir la luz láser de una longitud de onda apropiada a este cromóforo para producir el efecto tisular deseado.

Los principales cromóforos de la piel son: hemoglobina, melanina y el agua. Sus espectros de absorción son conocidos (Figura 2).

El adecuar la longitud de onda al cromóforo específico no es tan fácil como en un principio podría pensarse. Sobre el espectro visibble de la radiación electromagnética (REM), la profundidad de penetración está inversamente relacionada a la longitud de onda. Existe una ventana óptica en la piel relativa en la región de los 600-1300 nm (Figura 3).

Las longitudes de onda por debajo de los 300 nm tienen una fuerte absorción por las proteínas, melanina, ácido urocánico y DNA.

Las longitudes de onda mayores de los 1300 nm tienen una penetración superficial a pesar de su gran longitud de onda. Tienen una fuerte absorción por el agua que es el cromóforo dominante al final del espectro.

Para tener una idea de la dificultad de adecuar la longitud de onda al cromóforo específico,tomemos el ejemplo de la hemoglobina. Como se puede observar en la figura 2, la hemoglobina tiene un pico de absorción a los 420 nm, pero la longitud de onda es demasiado corta para el tratamiento de lesiones vasculares cutáneas, además la penetración a esta longitud de onda es de solo 100 µm, que es la región de la unión dermoepidérmica. Para obtener un efecto biológicoen los vasos dérmicos, es necesario penetrar más profundamente con una longitud de onda mayor.

El pico de absorciónde la hemoglobina a 577 nm es unamucho mejor opción, ya que esta longitudde onda penetra más profundamente y es menosabsorvida por la melanina epidérmica,dando lugar a menos alteraciones de la pigmentaciónposteriores al tratamiento observados comúnmentecon el láser de argón el cual tenía unalongitud de onda cercana a los 400 nm, aúncuando la absorción de la luz láser por lahemoglobina es sensiblemente menor que el picoa 420 nm.

INTERACCIONES TISULARES

Existen dos diferentes efectos tisularesproducidos por la luz emitida por un láser a unadeterminada longitud de onda, el efecto térmicoy el efecto mecánico, dependiendo de laanchura de pulso utilizada, es decir, dependiendode cuanto tiempo dure la emisión de luzproducida por un láser pulsado.

La luz láser solo puede hacerun efecto tisular cuando ésta es absorvida y convertida enenrgía, principalmente calor. El efectobiológico está determinado por la temperatura lograda.

La lesión celular con su inflamciónsubsecuente y reparación se produce después deincrementos mínimos de 5-10 ºC. Temperaturaspor debajo de 100 ºC producen unadesnaturalización de las macromoléculasrompiendo los enlaces de van der Waal, enlacesfísico-químicos de las proteínas.La mayoría de las proteínas se desnaturalizan a los 60 ºC,elDNA a los 70 ºC. A los 100 ºC el aguaintracelular excede su punto de ebulliciónproduciéndose vaporización. Elvapor producido aumenta rápidamente la presión dañandolas células y los vasos. Con temperaturassuperiores a los 100 ºC se produce disecación ycarbonización de los tejidos. Hoy sabemosque la temperatura necesaria para destruir elfolículo piloso es de 70 ºC con unaduración de un milisegundo.

Para estar seguros de que alteraciónen los tejidos deseamos efectuar, debemos saber conseguridad el incremento de temperatura y el efectoresultante. Debemos tener igualmente enconsideración la conducción térmica,es decir, la transmisión del calor a las estructurasadyacentes. Podría suceder que pulsosmuy largos o por el contrario muy cortos nodestruyan la estructura que se pretende y ademásse produzca lesión en los tejidos vecinos.

Cuando la luz láser es absorvida, la pérdida de calor comienza inmediatamente por la conducción a los tejidos adyacentes, esta pérdida se produce en todas las direcciones y es un proceso conocido como la Relajación Térmica (RT).

RELAJACIÓN TÉRMICA

La velocidad de relajación térmica varía según el Tiempo de Relajación Térmica - TRT de cada tejido. El TRT se define como el tiempo que tarda una estructura en enfriarse a la mitad de la temperatura que ha adquirido después de absorver la luz láser. Cada estructura tiene un TRT diferente:

* Epidermis (100 µm)                        10 ms
* Vaina del pelo (dermis medial)         3-5 ms
* Capa células basales epidermis      0.1 ms
* Folículo piloso (dermis medial)      20-30 ms
* Melanosoma individual                    0.001 ms
* Bulbo piloso                                   20-40 ms
* Vasos sanguíneos: diámetro - TRT

   50 µm    -  1 ms
 100 µm    -  5 ms
 500 µm    -  110 ms
 1000 µm  -  500 ms

* Folículo Piloso: Bulbo - establecido - 30 ms

    Conductividad grasa 70% /dermis
    TRT bulbo: 50-100 ms

Spots muy grandes aunque no producen un aumento de la dispersión intrínseca, tienen una mayor posibilidad de que los fotones tengan una retrodispersión en el haz incidente colimado, dando lugar por lo tanto a una menor amplituddel haz.

Según un cálculo personalbasado en el coeficiente de absorción de los tejidos paradiferentes longitudes de onda, el spot idealpara una longitud de onda de 800-820 nm,debería de ser de 5.2 mm de diámetropara que a tres mm de profundida mantenga el 37%de la energía depositada.

Los objetos más pequeñosse enfrían más rápidamente que los más grandes.Losmelanosomas de 0.5-10 µm tienen un TRTmás corto que los capilares que miden 10-100 µm(aproximadamente 1 milisegundo).

Por lo tanto, el efecto tisular está cuasado por:

  1. Por la influencia de la energía láser calentando un cromóforo determinado.
  2. Por la difusión de ese calor a estructuras vecinas.

La extensión del daño térmico se determina por:

  1. La elevación de la temperatura lograda, lo que determina el daño al objeto que nos dirijimos.
  2. El periodo de tiempo que esa partícula se calienta, la cual está influenciada por la conductividad del calor.

Esta extensión del daño tisular dependerá de:

  1. La densidad de la energía aplicada por el láser.
  2. Duración del pulso.
  3. Conductividad del calor a otras estructuras.

El otro efecto tisular producido por la luz emitida por un láser es el efecto mecánico.

Debemos saber que los láseres pueden ocasionar también un efecto fotomecánico, esto ocurre cuando la duración del pulso es más corto que el TRT de la estructura diana. En este caso se produce una explosión termoelástica súbita debida al calor localizado espacialmente, por la diferencia de temperatura entre el objeto que se calienta y lo que le rodea.

Con pulsos muy cortos, el porcentaje de incremento en la temperatura puede ser notable, produciendo un abrupto gradiente de temperatura entre el objeto y lo que le rodea, este efecto se ha documentado con los dye láser utilizados en el tratamiento de lesiones vasculares. Cuando se tratan vasos con pulsos de 1.5 µs, el incremento de temperatura estimado en los eritrocitos es de 107 ºC por segundo, este aumento súbito de temperatura en los vasos puede ser responsable del inicio de ondas de presión que originan la ruptura del vaso, el conocido efecto púrpura.

Existen más evidencias del daño fotoacústico producido por los láseres Q-switched. Los melanosomas son el objetivo en el tratamiento del pigmento endógeno, se produce daño mecánico en el núcleo de los melanocitos y rotura, que posteriormente estos fragmentos son fagocitados. Además el daño mecánico producido en los tatuajes mediante láser puede ser el mecanismo primario por el que se remueve el pigmento.

FOTOTERMOLISIS SELECTIVA

El concepto de fototermolisis selectiva se sigue de un entendimiento de las interacciones tisulares desencadenadas por el láser. La absorción específica de esta luz generada por un láser de unas características determinadas es necesaria para lograr un efecto tisular. La meta final de la cirugía mediante láser es dirigir la energía precisamente a un cromóforo específico de la piel sin causar daño en los tejidos adyacentes.

Existen tres variables para lograr esta precisión microscópica:

  1. La longitud de onda debe ser absorvida con más avidez por el objeto específico que por las estructuras alrededor de él.
  2. La fluencia debe ser lo suficientemente alta para alterar térmicamente el objeto al que nos dirijimos.
  3. La duración de la exposición debe ser menor del tiempo necesario para que el objeto se enfríe.

Si la anchura de pulso es igual o excede el TRT se produce daño no específico debido a la difusión de calor a las estructuras adyacentes. Contrariamente, si la anchura de pulso es demasiado corta, puede ocurrir: a) vaporización o daño por ondas de choque, b) en el caso de lesiones vasculares, se produce un daño insuficiente en la pared del vaso como para eliminarlo.

Esta es la esencia de la fototermolisis selectiva. Eligiendo la longitud de onda que es absorvida selectivamente por el tejido diana, debería ser posible seleccionar la fluencia y la duración de pulso que dañará térmicamente esa estructura determinada sin lesionar los tejidos adyacentes.

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Autor:

    Hilario Robledo MD, PhD, FACS

Director Gerente
Cirujano General y del Aparato Digestivo
Doctor en Medicina y Cirugía
Fellow American College of Surgeons
Miembro de la Sociedad Española de Cirujanos

Centro de Trabajo:

Centro Láser Vigo
Vigo. Pontevedra.

Dirección:

         Dr. Hilario Robledo
         Centro Láser Vigo
         Romil 46, 1A
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