Laser in der plastischen Chirurgie

Zu Beginn des letzten Jahrhunderts erläuterte Einstein in seiner Abhandlung „Die Quantentheorie der Strahlung“ theoretisch die Prozesse, die bei der Energieabgabe eines Lasers ablaufen. Maiman baute 1960 den ersten Laser. Seitdem hat sich die Lasertechnologie rasant weiterentwickelt und eine Vielzahl von Lasern hervorgebracht, die das gesamte elektromagnetische Spektrum abdecken. Sie wurden seitdem mit anderen Technologien wie Bildgebungssystemen, Robotik und Computern kombiniert, um die Präzision der Laserstrahlung zu verbessern. Durch die Zusammenarbeit von Physik und Bioingenieurwesen sind medizinische Laser zu einem wichtigen Bestandteil der therapeutischen Instrumente von Chirurgen geworden. Anfangs waren sie sperrig und wurden nur von Chirurgen verwendet, die eine spezielle Ausbildung in Laserphysik hatten. In den letzten 15 Jahren wurde das Design medizinischer Laser weiterentwickelt, um ihre Anwendung zu vereinfachen, und viele Chirurgen haben im Rahmen ihrer Weiterbildung die Grundlagen der Laserphysik erlernt.

In diesem Artikel werden folgende Themen behandelt: Biophysik von Lasern; Wechselwirkung von Gewebe mit Laserstrahlung; derzeit in der plastischen und rekonstruktiven Chirurgie verwendete Geräte; allgemeine Sicherheitsanforderungen bei der Arbeit mit Lasern; Fragen der weiteren Verwendung von Lasern bei Hauteingriffen.

Biophysik von Lasern

Laser emittieren Lichtenergie, die sich wellenförmig ausbreitet, ähnlich wie normales Licht. Die Wellenlänge ist der Abstand zwischen zwei benachbarten Wellenbergen. Die Amplitude ist die Größe des Wellenbergs und bestimmt die Lichtintensität. Die Frequenz oder Periode einer Lichtwelle ist die Zeit, die die Welle für einen Zyklus benötigt. Um die Funktionsweise eines Lasers zu verstehen, ist es wichtig, die Quantenmechanik zu verstehen. Der Begriff LASER ist ein Akronym für „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“. Trifft ein Photon, eine Einheit Lichtenergie, auf ein Atom, bewirkt dies, dass eines der Elektronen des Atoms auf ein höheres Energieniveau springt. Das Atom wird in diesem angeregten Zustand instabil und setzt ein Photon frei, wenn das Elektron auf sein ursprüngliches, niedrigeres Energieniveau zurückfällt. Dieser Prozess wird als spontane Emission bezeichnet. Befindet sich ein Atom in einem hochenergetischen Zustand und kollidiert mit einem anderen Photon, setzt es bei der Rückkehr in einen niederenergetischen Zustand zwei Photonen mit identischer Wellenlänge, Richtung und Phase frei. Dieser Prozess, der als stimulierte Strahlungsemission bezeichnet wird, ist für das Verständnis der Laserphysik von grundlegender Bedeutung.

Unabhängig vom Typ bestehen alle Laser aus vier Grundkomponenten: einem Anregungsmechanismus oder einer Energiequelle, einem Lasermedium, einem optischen Resonator und einem Ausstoßsystem. Die meisten medizinischen Laser, die in der plastischen Gesichtschirurgie eingesetzt werden, verfügen über einen elektrischen Anregungsmechanismus. Einige Laser (z. B. ein blitzlampenangeregter Farbstofflaser) nutzen Licht als Anregungsmechanismus. Andere nutzen hochenergetische Radiofrequenzwellen oder chemische Reaktionen zur Erzeugung der Anregungsenergie. Der Anregungsmechanismus pumpt Energie in eine Resonanzkammer, die das Lasermedium enthält. Dieses kann ein Feststoff, eine Flüssigkeit, ein Gas oder ein Halbleiter sein. Die in den Resonatorhohlraum abgegebene Energie hebt die Elektronen der Atome im Lasermedium auf ein höheres Energieniveau. Wenn die Hälfte der Atome im Resonator hochangeregt ist, tritt eine Besetzungsumkehr auf. Die spontane Emission beginnt, wenn Photonen in alle Richtungen emittiert werden und einige mit bereits angeregten Atomen kollidieren, was zur stimulierten Emission gepaarter Photonen führt. Die stimulierte Emission wird verstärkt, da Photonen, die sich entlang der Achse zwischen den Spiegeln bewegen, bevorzugt hin und her reflektiert werden. Dies führt zu einer sequentiellen Stimulation, wenn diese Photonen mit anderen angeregten Atomen kollidieren. Ein Spiegel reflektiert die emittierte Energie vollständig, während der andere Spiegel die aus der Resonatorkammer emittierte Energie teilweise durchlässt. Diese Energie wird durch ein Ausstoßsystem auf das biologische Gewebe übertragen. Bei den meisten Lasern handelt es sich dabei um Glasfasern. Eine bemerkenswerte Ausnahme bildet der CO2-Laser, der über ein Spiegelsystem an einem Gelenkarm verfügt. Für den CO2-Laser sind Glasfasern erhältlich, diese begrenzen jedoch die Punktgröße und die Ausgangsenergie.

Laserlicht ist geordneter und qualitativ intensiver als gewöhnliches Licht. Da das Lasermedium homogen ist, haben die durch stimulierte Emission emittierten Photonen eine einzige Wellenlänge, wodurch Monochromatizität entsteht. Normalerweise wird Licht stark gestreut, wenn es sich von der Quelle entfernt. Laserlicht hingegen ist kollimiert: Es wird kaum gestreut und bietet so über große Distanzen eine konstante Energieintensität. Die Photonen des Laserlichts bewegen sich nicht nur in die gleiche Richtung, sondern haben auch die gleiche zeitliche und räumliche Phase. Dies nennt man Kohärenz. Die Eigenschaften Monochromatizität, Kollimation und Kohärenz unterscheiden Laserlicht von der ungeordneten Energie gewöhnlichen Lichts.

Laser-Gewebe-Interaktion

Das Spektrum der Lasereffekte auf biologisches Gewebe reicht von der Modulation biologischer Funktionen bis zur Verdampfung. Die meisten klinisch genutzten Laser-Gewebe-Interaktionen beruhen auf thermischen Fähigkeiten zur Koagulation oder Verdampfung. Zukünftig könnten Laser nicht mehr als Wärmequellen, sondern als Sonden zur Steuerung zellulärer Funktionen ohne zytotoxische Nebenwirkungen eingesetzt werden.

Die Wirkung eines herkömmlichen Lasers auf Gewebe hängt von drei Faktoren ab: Gewebeabsorption, Laserwellenlänge und Laserenergiedichte. Trifft ein Laserstrahl auf Gewebe, kann seine Energie absorbiert, reflektiert, transmittiert oder gestreut werden. Alle vier Prozesse treten in unterschiedlichem Ausmaß bei jeder Gewebe-Laser-Interaktion auf, wobei die Absorption der wichtigste ist. Der Absorptionsgrad hängt vom Chromophorgehalt des Gewebes ab. Chromophore sind Substanzen, die Wellen einer bestimmten Länge effektiv absorbieren. Beispielsweise wird CO₂-Laserenergie von Weichteilen des Körpers absorbiert. Dies liegt daran, dass die dem CO₂ entsprechende Wellenlänge gut von Wassermolekülen absorbiert wird, die bis zu 80 % des Weichgewebes ausmachen. Im Gegensatz dazu ist die CO₂-Laserabsorption in Knochen aufgrund des geringen Wassergehalts des Knochengewebes minimal. Wenn Gewebe Laserenergie absorbiert, beginnen seine Moleküle zunächst zu vibrieren. Die Absorption zusätzlicher Energie führt zur Denaturierung, Koagulation und schließlich zur Verdampfung des Proteins (Vaporisation).

Wenn Laserenergie vom Gewebe reflektiert wird, wird dieses nicht geschädigt, da sich die Strahlungsrichtung an der Oberfläche ändert. Auch wenn die Laserenergie durch das oberflächliche Gewebe in die tieferen Schichten gelangt, wird das Zwischengewebe nicht beeinträchtigt. Bei der Streuung des Laserstrahls im Gewebe wird die Energie nicht an der Oberfläche absorbiert, sondern zufällig in den tieferen Schichten verteilt.

Der dritte Faktor bei der Wechselwirkung von Gewebe mit dem Laser ist die Energiedichte. Bei der Wechselwirkung von Laser und Gewebe kann eine Änderung der Punktgröße oder der Belichtungszeit, sofern alle anderen Faktoren konstant bleiben, den Zustand des Gewebes beeinflussen. Verringert sich die Punktgröße des Laserstrahls, erhöht sich die auf ein bestimmtes Gewebevolumen wirkende Leistung. Umgekehrt verringert sich mit zunehmender Punktgröße die Energiedichte des Laserstrahls. Um die Punktgröße zu verändern, kann das Ausstoßsystem auf dem Gewebe fokussiert, vorfokussiert oder defokussiert werden. Bei vorfokussierten und defokussierten Strahlen ist die Punktgröße größer als beim fokussierten Strahl, was zu einer geringeren Leistungsdichte führt.

Eine weitere Möglichkeit, Gewebeeffekte zu variieren, ist die Pulsierung der Laserenergie. Alle Pulsmodi wechseln zwischen Ein- und Aus-Phasen. Da die Energie das Gewebe während der Aus-Phasen nicht erreicht, besteht die Möglichkeit der Wärmeableitung. Sind die Aus-Phasen länger als die thermische Relaxationszeit des Zielgewebes, verringert sich die Wahrscheinlichkeit einer Schädigung des umliegenden Gewebes durch Wärmeleitung. Die thermische Relaxationszeit ist die Zeit, die benötigt wird, bis die Hälfte der Wärme im Zielgewebe abgeführt ist. Das Verhältnis des aktiven Intervalls zur Summe der aktiven und passiven Pulsationsintervalle wird als Tastverhältnis bezeichnet.

Arbeitszyklus = ein/ein + aus

Es gibt verschiedene Pulsmodi. Die Energie kann in Schüben freigesetzt werden, indem die Dauer der Laseremission (z. B. 10 Sekunden) eingestellt wird. Die Energie kann blockiert werden, wobei die konstante Welle in bestimmten Abständen durch einen mechanischen Verschluss blockiert wird. Im Superpulsmodus wird die Energie nicht einfach blockiert, sondern während der Aus-Phase in der Laserenergiequelle gespeichert und dann während der Ein-Phase freigesetzt. Das heißt, die Spitzenenergie im Superpulsmodus ist deutlich höher als im Konstant- oder Blockierungsmodus.

Auch bei einem Riesenpulslaser wird Energie während der Ausschaltphase gespeichert, allerdings im Lasermedium. Dies geschieht durch einen Verschlussmechanismus in der Hohlkammer zwischen den beiden Spiegeln. Bei geschlossenem Verschluss erzeugt der Laser keine Laserstrahlung, sondern Energie wird auf beiden Seiten des Verschlusses gespeichert. Bei geöffnetem Verschluss interagieren die Spiegel und erzeugen einen hochenergetischen Laserstrahl. Die Spitzenenergie eines Riesenpulslasers ist sehr hoch und die Einschaltdauer kurz. Ein modengekoppelter Laser ähnelt einem Riesenpulslaser, da sich zwischen den beiden Spiegeln in der Hohlkammer ein Verschluss befindet. Der modengekoppelte Laser öffnet und schließt seinen Verschluss synchron zur Zeit, die das Licht für die Reflexion zwischen den beiden Spiegeln benötigt.

Eigenschaften von Lasern

• Kohlendioxidlaser

Der Kohlendioxidlaser wird vor allem in der Hals-Nasen-Ohrenheilkunde und in der Kopf-Hals-Chirurgie eingesetzt. Seine Wellenlänge beträgt 10,6 nm und ist eine unsichtbare Welle im fernen Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums. Die Führung des Helium-Neon-Laserstrahls ist notwendig, damit der Chirurg den Eingriffsbereich gut erkennen kann. Das Lasermedium ist CO₂. Seine Wellenlänge wird von Wassermolekülen im Gewebe gut absorbiert. Die Effekte sind aufgrund der hohen Absorption und geringen Streuung oberflächlich. Die Strahlung kann nur durch Spiegel und Speziallinsen auf einem Gelenkarm übertragen werden. Der Kurbelarm kann für Präzisionsarbeiten unter Vergrößerung an einem Mikroskop befestigt werden. Die Energieabgabe erfolgt auch über einen Fokussiergriff am Gelenkarm.

• Nd:YAG-Laser

Die Wellenlänge des Nd:YAG-Lasers (Yttrium-Aluminium-Granat mit Neodym) beträgt 1064 nm und liegt damit im nahen Infrarotbereich. Er ist für das menschliche Auge unsichtbar und erfordert einen Helium-Neon-Laserstrahl, der ihn leitet. Das Lasermedium ist Yttrium-Aluminium-Granat mit Neodym. Die meisten Körpergewebe absorbieren diese Wellenlänge schlecht. Pigmentiertes Gewebe absorbiert sie jedoch besser als nicht pigmentiertes. Die Energie wird durch die oberflächlichen Schichten der meisten Gewebe übertragen und in den tieferen Schichten abgeführt.

Verglichen mit dem Kohlendioxidlaser ist die Streuung des Nd:YAG-Lasers wesentlich größer. Daher ist auch die Eindringtiefe größer und Nd:YAG eignet sich gut zur Koagulation tiefer Gefäße. Im Experiment liegt die maximale Koagulationstiefe bei ca. 3 mm (Koagulationstemperatur +60 °C). Es wurden gute Ergebnisse bei der Behandlung tiefer perioraler kapillärer und kavernöser Formationen mit dem Nd:YAG-Laser berichtet. Es gibt auch Berichte über eine erfolgreiche Laser-Photokoagulation von Hämangiomen, Lymphangiomen und arteriovenösen kongenitalen Formationen. Die größere Eindringtiefe und die nicht-selektive Zerstörung begünstigen jedoch eine verstärkte postoperative Narbenbildung. Klinisch wird dies durch sichere Leistungseinstellungen, ein punktförmiges Annähern an die Läsion und die Vermeidung der Behandlung von Hautbereichen minimiert. In der Praxis wurde der dunkelrote Nd:YAG-Laser nahezu vollständig durch Laser mit einer Wellenlänge im gelben Bereich des Spektrums ersetzt. Er wird jedoch als adjuvanter Laser bei dunkelroten (Portwein) knotigen Läsionen eingesetzt.

Der Nd:YAG-Laser hemmt nachweislich die Kollagenproduktion sowohl in Fibroblastenkulturen als auch in normaler Haut in vivo. Dies deutet auf eine erfolgreiche Behandlung hypertropher Narben und Keloide hin. Klinisch gesehen ist die Rezidivrate nach Keloidexzision jedoch trotz einer wirksamen begleitenden topischen Steroidbehandlung hoch.

• Kontakt Nd:YAG-Laser

Die Verwendung des Nd:YAG-Lasers im Kontaktmodus verändert die physikalischen Eigenschaften und die Absorption der Strahlung erheblich. Die Kontaktspitze besteht aus einem Saphir- oder Quarzkristall, der direkt mit dem Ende der Laserfaser verbunden ist. Die Kontaktspitze interagiert direkt mit der Haut und agiert wie ein thermisches Skalpell, das gleichzeitig schneidet und koaguliert. Es gibt Berichte über die Verwendung der Kontaktspitze bei zahlreichen Eingriffen an Weichteilen. Diese Anwendungen ähneln eher der Elektrokoagulation als dem kontaktlosen Nd:YAG-Modus. Im Allgemeinen verwenden Chirurgen die dem Laser innewohnenden Wellenlängen heute nicht zum Schneiden von Gewebe, sondern zum Erhitzen der Spitze. Deshalb sind die Prinzipien der Laser-Gewebe-Interaktion hier nicht anwendbar. Die Reaktionszeit auf den Kontaktlaser ist nicht so direkt wie bei der freien Faser, und deshalb gibt es eine Verzögerungszeit für das Erhitzen und Abkühlen. Mit zunehmender Erfahrung eignet sich dieser Laser jedoch gut zum Isolieren von Haut- und Muskellappen.

• Argonlaser

Der Argonlaser emittiert sichtbare Wellen mit einer Länge von 488–514 nm. Aufgrund der Konstruktion der Resonatorkammer und der molekularen Struktur des Lasermediums erzeugt dieser Lasertyp einen langwelligen Bereich. Einige Modelle verfügen über einen Filter, der die Strahlung auf eine Wellenlänge begrenzt. Die Energie des Argonlasers wird gut vom Hämoglobin absorbiert, und seine Streuung liegt zwischen der eines Kohlendioxid- und eines Nd:YAG-Lasers. Das Strahlungssystem des Argonlasers ist ein Glasfaserträger. Aufgrund der hohen Absorption durch Hämoglobin absorbieren auch vaskuläre Neoplasien der Haut Laserenergie.

• KTF-Laser

Der KTP-Laser (Kaliumtitanylphosphat) ist ein Nd:YAG-Laser, dessen Frequenz durch einen KTP-Kristall verdoppelt wird (die Wellenlänge wird halbiert). Dadurch entsteht grünes Licht (Wellenlänge 532 nm), das der Absorptionsspitze von Hämoglobin entspricht. Seine Gewebedurchdringung und Streuung ähneln denen eines Argonlasers. Die Laserenergie wird über eine Faser übertragen. Im berührungslosen Modus verdampft und koaguliert der Laser. Im Semikontaktmodus berührt die Faserspitze das Gewebe kaum und wird zum Schneideinstrument. Je höher die eingesetzte Energie, desto stärker wirkt der Laser wie ein thermisches Messer, ähnlich einem Kohlendioxidlaser. Geräte mit niedrigerer Energie werden hauptsächlich zur Koagulation eingesetzt.

• Durch Blitzlampe angeregter Farbstofflaser

Der durch eine Blitzlampe angeregte Farbstofflaser war der erste medizinische Laser, der speziell für die Behandlung gutartiger Gefäßläsionen der Haut entwickelt wurde. Es handelt sich um einen Laser für sichtbares Licht mit einer Wellenlänge von 585 nm. Diese Wellenlänge stimmt mit dem dritten Absorptionsmaximum von Oxyhämoglobin überein, weshalb die Energie dieses Lasers überwiegend von Hämoglobin absorbiert wird. Im Bereich von 577–585 nm gibt es zudem eine geringere Absorption durch konkurrierende Chromophore wie Melanin und eine geringere Streuung der Laserenergie in Dermis und Epidermis. Das Lasermedium ist Rhodamin-Farbstoff, der durch eine Blitzlampe optisch angeregt wird, und das Emissionssystem ist ein Glasfaserträger. Die Spitze des Farbstofflasers verfügt über ein austauschbares Linsensystem, mit dem sich Lichtflecke mit einer Größe von 3, 5, 7 oder 10 mm erzeugen lassen. Der Laser pulsiert mit einer Periode von 450 ms. Dieser Pulsatilitätsindex wurde auf Grundlage der thermischen Relaxationszeit ektatischer Gefäße in gutartigen Gefäßläsionen der Haut gewählt.

• Kupferdampflaser

Der Kupferdampflaser erzeugt sichtbares Licht mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen: eine gepulste grüne Welle von 512 nm und eine gepulste gelbe Welle von 578 nm. Das Lasermedium ist Kupfer, das elektrisch angeregt (verdampft) wird. Ein Fasersystem überträgt die Energie zur Spitze, die eine variable Spotgröße von 150–1000 µm aufweist. Die Belichtungszeit reicht von 0,075 s bis konstant. Die Zeit zwischen den Pulsen variiert ebenfalls von 0,1 s bis 0,8 s. Das gelbe Licht des Kupferdampflasers wird zur Behandlung gutartiger Gefäßläsionen im Gesicht eingesetzt. Die grüne Welle kann zur Behandlung pigmentierter Läsionen wie Sommersprossen, Lentigines, Nävi und Keratosen eingesetzt werden.

• Lichtechter gelber Farbstofflaser

Der gelbe CW-Farbstofflaser ist ein sichtbarer Laser, der gelbes Licht mit einer Wellenlänge von 577 nm erzeugt. Wie der blitzlampenangeregte Farbstofflaser wird er durch den Farbstoffwechsel in der Laseraktivierungskammer eingestellt. Die Anregung des Farbstoffs erfolgt durch einen Argonlaser. Das Auswurfsystem dieses Lasers besteht ebenfalls aus einem Glasfaserkabel, das auf verschiedene Punktgrößen fokussiert werden kann. Das Laserlicht kann mithilfe eines mechanischen Verschlusses oder einer Hexascanner-Spitze, die am Ende des Glasfasersystems angebracht wird, gepulst werden. Der Hexascanner lenkt Laserenergieimpulse zufällig in einem hexagonalen Muster. Wie der blitzlampenangeregte Farbstofflaser und der Kupferdampflaser eignet sich der gelbe CW-Farbstofflaser ideal zur Behandlung gutartiger Gefäßläsionen im Gesicht.

• Erbiumlaser

Der Erbium:UAS-Laser nutzt das 3000-nm-Absorptionsband von Wasser. Seine Wellenlänge von 2940 nm entspricht diesem Peak und wird stark von Gewebewasser absorbiert (etwa 12-mal stärker als der CO2-Laser). Dieser Nahinfrarotlaser ist für das Auge unsichtbar und muss mit einem sichtbaren Zielstrahl verwendet werden. Der Laser wird von einer Blitzlampe gepumpt und emittiert Makropulse von 200–300 μs Dauer, die aus einer Reihe von Mikropulsen bestehen. Diese Laser werden mit einem an einem Gelenkarm befestigten Handstück verwendet. Für eine schnellere und gleichmäßigere Gewebeentfernung kann zusätzlich eine Scan-Vorrichtung in das System integriert werden.

• Rubinlaser

Der Rubinlaser ist ein blitzlampengepumpter Laser, der Licht mit einer Wellenlänge von 694 nm emittiert. Dieser Laser, der im roten Spektralbereich liegt, ist für das menschliche Auge sichtbar. Er kann über einen Laserverschluss verfügen, um kurze Impulse zu erzeugen und eine tiefere Gewebepenetration (tiefer als 1 mm) zu erreichen. Der langpulsige Rubinlaser wird zur gezielten Erwärmung der Haarfollikel bei der Laser-Haarentfernung eingesetzt. Die Laserlichtübertragung erfolgt über Spiegel und ein Gelenkarmsystem. Wasser absorbiert das Laserlicht nur schwach, Melanin hingegen stark. Auch verschiedene Tätowierpigmente absorbieren 694-nm-Strahlen.

• Alexandritlaser

Der Alexandritlaser, ein Festkörperlaser, der mit einer Blitzlampe gepumpt werden kann, hat eine Wellenlänge von 755 nm. Diese Wellenlänge im roten Spektralbereich ist für das Auge nicht sichtbar und benötigt daher einen Leitstrahl. Sie wird von blauen und schwarzen Tätowierpigmenten sowie von Melanin, nicht jedoch von Hämoglobin, absorbiert. Es handelt sich um einen relativ kompakten Laser, der Strahlung durch einen flexiblen Lichtleiter übertragen kann. Der Laser dringt relativ tief ein und eignet sich daher zur Haar- und Tattooentfernung. Die Spotgrößen betragen 7 und 12 mm.

• Diodenlaser

Neuerdings werden Dioden auf supraleitenden Materialien direkt an Glasfasern gekoppelt, wodurch Laserlicht mit unterschiedlichen Wellenlängen (abhängig von den Eigenschaften der verwendeten Materialien) emittiert wird. Diodenlaser zeichnen sich durch ihre Effizienz aus. Sie können eingehende elektrische Energie mit einem Wirkungsgrad von bis zu 50 % in Licht umwandeln. Diese Effizienz, verbunden mit geringerer Wärmeentwicklung und Eingangsleistung, ermöglicht die Entwicklung kompakter Diodenlaser ohne aufwändige Kühlsysteme. Die Lichtübertragung erfolgt über Glasfasern.

• Gefilterte Blitzlampe

Die zur Haarentfernung verwendete gefilterte Pulslampe ist kein Laser. Sie erzeugt ein intensives, nichtkohärentes Pulsspektrum. Das System nutzt Kristallfilter, um Licht mit einer Wellenlänge von 590–1200 nm zu emittieren. Die ebenfalls variable Breite und integrale Dichte des Pulses erfüllen die Kriterien der selektiven Photothermolyse, wodurch dieses Gerät zur Haarentfernung mit Lasern vergleichbar ist.

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