Fototerapia - terapia cu radiatie laser

FOTOTERAPIA

Iradierea corpului cu radiatii electromagnetice neionizante (radiatii infrarosii, vizibile si ultraviolete), efectuata in asa numitele bai de soare sau bai de lumina (naturala sau artificiala) are efecte terapeutice in unele afectiuni generale, dereglari ale echilibrului hidromineral, boli de piele etc. In cursul de fotobiologie au fost mentionate cateva efecte biologice ale radiatiilor ultraviolete, care justifica utilizarea procedurilor terapeutice de iradiere cu aceste radiatii, fie ca atare, fie dupa o prealabila administrare de substante fotosensibilizatoare.

TERAPIA CU RADIATIE LASER

Un laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) este o sursa optica ce emite fotoni intr-un fascicul coerent de radiatii electromagnetice. Fasciculul este aproape monocromatic (cu o buna aproximatie, toti fotonii au aceeasi lungime de unda), foarte intens (rata de emisie raportata la suprafata este foarte mare) si ingust, practic unidirectional (fotonii au aceeasi directie, iar extinderea laterala a fasciculului este foarte mica). Radiatia laser este polarizata.

Spre deosebire de lasere, sursele obisnuite de lumina emit in toate directiile radiatie necoerenta, nepolarizata si cu un spectru larg de lungimi de unda.

COMPONENTELE UNUI LASER

Mediul laser activ este un material care produce amplificare optica. Aceasta se realizeaza prin emisie stimulata: o mare parte din mole 949d33j culele sau atomii materialului sunt stimulati de sursa de pompaj sa treaca pe un nivel superior de energie, E₁. Dupa un anumit timp, atomii aflati in stare excitata incep sa emita fotoni, revenind astfel pe nivelul energetic E₀ corespunzator starii fundamentale. Acest proces se numeste emisie spontana. Oricare din acesti fotoni emisi spontan poate sa fie absorbit de un atom ramas in stare fundamentala sau poate sa perturbe un atom excitat, fara insa a-i ceda energie. Deoarece o stare excitata este instabila, aceasta perturbare determina tranzitia atomului excitat la starea fundamentala (care este stabila), prin emisia unui foton avand aceeasi energie, directie si faza ca si fotonul incident. Aceasta este emisia stimulata.

O parte din fotonii emisi de atomii materialului sunt reflectati in interiorul mediului laser activ printr-un sistem special de oglinzi, putand stimula emisia altor fotoni. In acest fel, sunt emisi din ce in ce mai multi fotoni, realizandu-se amplificarea optica. Sistemul de oglinzi in dispozitivul laser formeaza o cavitate optica rezonanta: geometria sistemului de oglinzi este realizata astfel incat sa fie amplificate undele electromagnetice de o anumita frecventa (frecventa de rezonanta a cavitatii). Acestea se reflecta de mai multe ori pe suprafata oglinzilor, iar prin compunerea tuturor undelor respective in interiorul materialului laser se obtine o unda rezultanta cu aceeasi frecventa, dar de intensitate mult mai mare. In interiorul cavitatii optice rezonante, orice unda care se proa perpendicular pe oglinzi si are frecventa egala cu frecventa de rezonanta a cavitatii intra in rezonanta cu cavitatea si va fi amplificata. Fotonii emisi spontan au directii aleatoare. Undele care nu se proa paralel cu axa longitudinala a cavitatii rezonante nu sunt amplificate si nu sunt transmise in fasciculul laser. De aceea, fasciculul laser este bine colimat. In plus, datorita proprietatilor emisiei stimulate, toate undele electromagnetice emise vor avea acelasi de polarizare, deci radiatia laser este total polarizata. Oglinda partiala aflata la iesire reflecta doar o parte din fotoni (intre 20% si 60%, in functie de tipul laserului). Fotonii reflectati revin in mediul laser, contribuind la amplificarea optica. Restul fotonilor sunt emisi printr-o apertura a oglinzii, formand fasciculul laser.

Mediul laser poate produce amplificare optica numai daca numarul atomilor in stare excitata (N₁) din material este mai mare decat numarul atomilor in stare fundamentala (N₀). In acest caz spunem ca in mediu s-a produs o inversie de populatii. Daca insa N₀ > N₁, rata de absorbtie este mai mare decat rata de emisie a fotonilor, astfel incat emisia de radiatie se atenueaza. Daca N₀ = N₁, nu exista o rata neta de emisie. In acest caz mediul laser se numeste optic transparent.

Exemple de medii laser:

- anumite cristale dopate cu ioni ale pamanturilor rare (neodimiu, iterbiu) sau ale unor metale (titan, crom). Cele mai des utilizate cristale: granat de ytriu si aluminiu (YAG), ortovanadat de ytriu (YVO4), rubin sau safir;

- sticle dopate cu ioni laser-activi;

- gaze: amestecuri de heliu si neon (He-Ne), azot, argon, monoxid de carbon, dioxid de carbon sau vapori ale unor metale (cupru, argint);

- excimeri (dimeri excitati): F₂, ArF, XeCl, XeF;

- semiconductori: galiu-arseniu (GaAs), indiu-galiu-arseniu (InGaAs), galiu-azot (GaN).

In mediul laser activ inversia populatiilor se realizeaza prin pompaj optic. Sursa de energie pentru pompajul optic poate fi un curent electric (de exemplu in semiconductori sau gaze, prin descarcari electrice la tensiuni inalte), lumina produsa de lampi cu descarcare in gaz sau de un alt laser, reactii chimice (cazul laserelor chimice, de ex. laserul cu fluorura de hidrogen: hidrogenul gazos reactioneaza cu produsii de combustie ai etilenei in trifluorura de azot), fisiune nucleara (lasere cu pompaj nuclear), sau fascicule de electroni de mare energie.

INTERACTIA RADIATIEI LASER CU TESUTUL

a) Procese termice

- coagulare

- vaporizare

b) Procese netermice

- efecte fotomecanice

- efecte fotochimice

Efecte termice

In conditii normale, temperatura corpului este de 37sC. O incalzire de scurta durata a unui tesut la o temperatura < 60sC nu produce nici o modificare in tesut. La temperaturi care depasesc 60sC, apare coagularea: proteinele se denatureaza, suferind transformari ireversibile. In sange, eritrocitele afectate determina formarea trombusurilor (cheaguri de sange). Prin denaturare, fibrele de colagen se scurteaza ireversibil.

La 100sC apa incepe sa se evapore, distrugand membrana plasmatica a celulelor (prin explozie). Temperatura in tesut ramane la 100sC pana cand se evapora toata apa. Deoarece apa necesita multa energie pentru vaporizare, procesul de evaporare este relativ lent. Practic, temperatura nu creste peste 100sC un timp destul de mare, chiar daca tesutul ramane in continuare sub actiunea fasciculului laser. Daca emisia continua, temperatura poate atinge 400sC. Se produce carbonizarea tesutului.

Efecte fotomecanice:

- tensiuni elastice

- ruperi prin vaporizare exploziva

- unde de soc

Toate efectele fotomecanice conduc la fotoablatie. In sens larg, ablatie semnifica eliminare. Sensul medical/biologic al ablatiei se refera in special la inactivarea celulelor (care impiedica tesutul sa isi desfasoare procesele fiziologice de supravietuire), nu neaparat la eliminarea fizica a celulelor.

Pulsurile laser cu energie mica pot avea o intensitate extrem de mare atunci cand fasciculul este foarte ingust. De exemplu, un puls laser cu durata de 0,1 ns, diametrul de 50 mm si energia de 3 mJ are intensitatea

I = !!

In astfel de cazuri se produce o unda de soc mecanic, datorata numarului extrem de mare de fotoni imprastiati in tesut, care produc o incalzire rapida a tesutului iradiat. Apar intinderi elastice ale tesutului si procese de recul in urma ejectiei materialului distrus. Toate acestea genereaza o unda de soc care se proa in tesut cu viteza sunetului (sau mai mare), ducand la tensiuni foarte mari si distrugerea tesutului. Utilizare in tratamentul unor afectiuni oculare (cataracta, remodelarea corneei), in cardiologie (angioplastie, aritmii), chirurgie ortopedica (ablatie de cartilaj sau os genunchi, articulatii), stomatologie (perforatii in carii, gingii).

Efecte fotochimice

Radiatiile UV pot rupe unele legaturi chimice ale moleculelor. Polimerii sunt desfacuti in molecule mici care, nemaifiind legate, difuzeaza in tesut. Laserele cu excimeri produc radiatie ultravioleta si sunt extrem de performante, avand o rezolutie spatiala < 1 mm. Un puls de laser de acest tip indeparteaza 0,25 mm de tesut! Metoda de mare acuratete, utilizata in special in corectarea defectelor de forma ale corneei.

ANGIOPLASTIA CU LASER

Este o procedura prin care se elimina placa ateromatoasa coronariana intr-o zona in care placa blocheaza fluxul sanguin. Un cateter cu laser este introdus in artera, traversand zona de blocaj (1). Cateterul contine fibre optice multiple, subtiri si foarte flexibile, care faciliteaza inaintarea si pozitionarea laserului in artera. Se utilizeaza un laser excimer cu clorura de xenon (l = 308 nm) in regim de pulsuri. Pulsurile laser vaporizeaza placa in straturi succesive, descompunand-o in molecule si fragmente microscopice (2). Pe durata operarii laserului, cateterul inainteaza in zona de blocaj, redeschizand artera (3). Daca exista blocaje multiple, cateterul este pozitionat la urmatorul blocaj si faza de ablatie (2) se repeta. Dupa eliberarea blocajelor, cateterul este retras. Pentru evaluarea rezultatelor se efectueaza o radiografie cu contrast, in care este vizualizat fluxul sanguin in artera (se injecteaza intravenos o substanta de contrast, apoi se efectueaza radiografia cu raze X). Daca este necesar, se procedeaza la angioplastia cu balon. Se reintroduce un cateter avand atasat in partea terminala un balon. In zona afectata a arterei balonul este expandat, netezind peretii arteriali si largind artera (4). Cateterul este apoi retras si circulatia sanguina restabilita (5).

LITOTRIPSIA

Calculii renali sunt fragmentati utilizand radiatia emisa de un laser Ho (holmiu):YAG (l mm), in pulsuri avand durata de 250 ms. Radiatia este transmisa printr-un endoscop cu fibre optice.

OPERATII CU LASER ALE TUMORILOR

In general, terapia cu laser se aplica pentru a reduce sau distruge tumorile superficiale, prin efecte termice, dar si in chirurgia paliativa, pentru a reduce sangerarile sau pentru a elibera obstructiile traheei sau esofagului. Laserul poate fi de asemenea folosit in extractia polipilor sau tumorilor care blocheaza colonul sau stomacul. Terapia cu laser poate fi aplicata ca atare, dar in majoritatea cazurilor este combinata cu alte tratamente (chirurgie, chimioterapie, radioterapie). In unele cazuri se utilizeaza laserul pentru cauterizarea terminatiilor nervoase, cu scopul de a diminua durerile post-operatorii, sau pentru fotocoagularea vaselor de sange care hranesc tumora, limitand cresterea si expansiunea celulelor tumorale. In general, radiatia laser este administrata tesutului prin intermediul unui endoscop flexibil, la care sunt atasate fibrele optice de transmisie. In terapia cancerului se utilizeaza in special trei tipuri de lasere: laserul cu dioxid de carbon, laserul cu argon si laserul Nd:YAG. Laserele cu argon si CO₂ sunt utilizate in special in terapia cancerului pielii, deoarece au o distanta mica de atenuare. Laserul Nd:YAG este folosit in special in tratamentul tumorilor unor organe interne (uter, colon, esofag, trahee, ca urinara). Laserul cu argon este utilizat de asemenea in terapia fotodinamica pentru activarea substantei fotosensibilizatoare care distruge celulele tumorale.

Terapia cu laser a melanomului intraocular

Irisul, corpul ciliar si coroida contin melanocite, celule pigmentare. Cand acestea devin canceroase, cancerul se numeste melanom. Laserul se utilizeaza in terapia melanomului coroidal. Tumorile coroidale apar in partea posterioara a ochiului. Laserul este utilizat frecvent in tratarea tumorilor coroidale de dimensiuni mici (<3 mm), fie prin termoterapie, fie prin fotocoagulare.

Tratamentul prin termoterapie consta in injectarea unui colorant special in tumora, dupa care fasciculul laser este focalizat pe tumora (transpupilar, fara a utiliza fibre optice). Moleculele colorantului sunt supraincalzite de radiatia laser, devenind toxice pentru celulele canceroase. Prin termoterapie tumora este distrusa in mod direct.

Tratamentul prin fotocoagulare distruge tumora in mod indirect. Laserul este aplicat pentru a coagula vasele de sange tumorale, blocand fluxul sanguin spre tumora.

In cazul tumorilor coroidale cu dimensiuni mai mari de 3 mm, tratamentul cu laser (prin termoterapie sau fotocoagulare) se efectueaza numai dupa un tratament de radioterapie interna.