PDF Lasers De Alta Intensidade E Suas Interações Com Os Tecidos

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LASERS DE ALTA INTENSIDADE E SUAS

INTERAÇÕES COM OS TECIDOS

(2)

P. A. Ana

2

absorção penetração

absorção Penetração

Temperatura

Efeito

térmico coagulação, corte, vaporização, ablação ou carbonização

não térmico

fotoquímicos –

bioestimulação, analgésico e antiinflamatório

RELEMBRANDO …

(3)

RELEMBRANDO …

JANELAS DE ABSORÇÃO

• 200-350 nm (UV) -> proteínas e DNA dominam absorção

• 600-1300 nm -> geralmente, menores coeficientes de absorção óptica alta penetração - efeitos térmicos profundos (ou) terapias mediadas por processos fotoquímicos

• > 2000 nm (IR) -> água é o principal absorvedor

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4

0.2 0.4 0.6 0.8 1 2 3 4 6 8 10

10^-4 10^-3 10^-2 10^-1 10⁰ 10¹ 10² 10³ 10⁴ 10⁵

Coeficiente de absorção (cm-1 )

Comprimento de onda (m)

Água

Nd Tm Ho Er CO₂

Hidroxiapatita

Excimer

Lasers de corante Laser de Ti:safira Lasers de semicondutor (diodo) Laser de elétrons livres

Laser de Cr:LiSAF

PRINCIPAIS LASERS MÉDICOS

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LASERS DE ALTA INTENSIDADE

Regra geral:

• intensidades acima de 10 W / cm²

• radiação contínua (CW) ou com duração de pulsos acima de aproximadamente 1 ms

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MECANISMOS DE INTERAÇÃO LASER DE ALTA INTENSIDADE-TECIDO

• Térmicas

– Carbonização – Coagulação – Vaporização

– Decomposição térmica – ablação

• Fotoablação

• Ablação mediada por plasma

• Fotorruptura

6

(7)

MECANISMOS DE INTERAÇÃO LASER- TECIDO

10^-15 10^-12 10^-9 10^-6 10^-3 10⁰ 10³ 10^-3

10⁰ 10³ 10⁶ 10⁹ 10¹² 10¹⁵

1 fs 1 ps 1 ns 1 µs 1 ms 1 s

1 mW/cm² 1 W/cm² 1 kW/cm² 1 MW/cm² 1 GW/cm² 1 TW/cm² 1 PW/cm²

UV Fotoablação

IR Interações térmicas

vis - IR Interações fotoquímicas

15 minutos

Intensidade (W/cm2 ) Ablação induzida por plasma

Ablação por

ondas de choque

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INTERAÇÕES TÉRMICAS

• interações onde o parâmetro significativo é o aumento na temperatura local

• Não há uma reação química específica associada

8 Córnea humana vaporizada e coagulada com

120 pulsos de um laser de Er:YAG (90 s, 5 mJ, 1 Hz) Dente humano vaporizado com 20 pulsos de um laser de Er:YAG (90 s, 100 mJ, 1 Hz)

Dente humano carbonizado com um laser contínuo de CO₂(1 W)

Dente humano fundido com 100 pulsos de um laser de Ho:YAG (3,8 s, 18 mJ, 1 Hz)

100m

1mm

coagulação ablação explosiva

carbonização fusão

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INTERAÇÕES TÉRMICAS

Origem microscópica: absorção em bandas rotacionais-vibracionais moleculares, seguida por decaimento não-radioativo

absorção (fóton)  colisões inelásticas  aumento da energia cinética

 = 3 µm

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INTERAÇÕES TÉRMICAS

10

Processo altamente eficiente :

• absorção facilitada pelo grande número de estados vibracionais acessíveis na maioria das biomoléculas

CO₂ laser 10,6 m  hn = 0,12 eV Er:YAG laser 2,94 m  hn = 0,35 eV Nd:YAG laser 1,06 m  hn = 1,2 eV energia cinética média de uma molécula a 25^oC  kT = 0,025 eV

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INTERAÇÕES TÉRMICAS

Efeitos dependem de:

• Parâmetros laser

– Comprimento de onda – Densidade de energia – Tempo de exposição – Tamanho do spot – Taxa de repetição

• Parâmetros do tecido

– Coenficiente de absorção – Coeficiente de espalhamento

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INTERAÇÕES TÉRMICAS

12

(13)

400^o

100^o

60^o

42^o 37^o

Aquecimento Tecidual

Redução na atividade de enzimas, imobilidade celular

Vaporização incisional, ablação Rápida Incisão e Fusão

• destruição de ligações

• alterações nas membranas

Normal

50^o

• redução na fração de células

sobreviventes

• necrose

• empalidecimento do tecido

Denaturação tecidual, coagulação

80^o Permeabilização de membranas

• destruição do equilíbrio de concentrações químicas

>150^o

•escurecimento do tecido

•pode ser evitado pelo resfriamento do tecido com gás ou água

Carbonização

• derretimento do tecido

•grande aumento de volume,

•bolhas de gás,

•rupturas mecânicas

•decomposição térmica

•vapor gerado carrega o excesso de calor e evita o aumento de temperatura do tecido adjacente

oC

EFEITOS TÉRMICOS

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14

Feixe laser Disposição dos efeitos térmicos dentro do tecido :

Tecido

Hipertermia Coagulação Carbonização

Vaporização

INTERAÇÕES TÉRMICAS

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INTERAÇÕES TÉRMICAS

Tempos de relaxação térmica da água e da hidroxiapatita

0.2 0.4 0.6 1 2 3 4 6 8 10

1µs 1ms 1s

Hidroxiapatita

Água

Tempo de relaxação térmica

15 min

Região de

interesse para ablação térmica

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RELEMBRANDO …

16

Interações térmicas

1. Apenas a luz que é absorvida é útil.

2. Uma parte da luz transmitida é espalhada dentro do tecido, o que em alguns casos leva a danos longe da região desejada.

3. É interessante utilizar lasers de comprimento de onda ressonantes, cujo feixe é fortemente absorvido pelo tecido. Nesse caso, o espalhamento não tem efeito significativo e a deposição de calor (distribuição de temperatura) acompanha a distribuição de intensidades do feixe laser (conhecida e controlada).

4. Se a duração do pulso laser é curta comparada com o tempo de relaxação térmica, o transporte de calor é insignificante durante o pulso laser. Nesse caso, o efeito térmico é predominantemente produzido na região de penetração óptica.

5. Para altas taxas de repetição dos pulsos, um aumento cumulativo na temperatura pode produzir danos extensos no tecido.

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LASERS DE ALTA INTENSIDADE - INTERAÇÕES TÉRMICAS

• Objetivo: aumentar a temperatura local do tecido para se obter um efeito desejado

• Efeitos: coagulação, vaporização, carbonização, derretimento, corte

• Lasers típicos: CO₂, Nd:YAG, Er:YAG, Er,Cr:YSGG, Ho:YAG, Ho:YLF, Argônio, Diodo

• Duração típica dos pulsos: 1 µs até 1 min

• Densidades de potência típicas: 10 – 10⁶ W/cm²

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LASERS DE ALTA INTENSIDADE

MECANISMOS DE INTERAÇÃO LASER-TECIDO

• Térmicas

• Fotoablação

• Fotorruptura

18

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ABLAÇÃO TÉRMICA = ABLAÇÃO EXPLOSIVA

• Ablação laser por vaporização de tecido ou por mecanismo termomecânico

• = remoção explosiva de tecido mediada pela água

– dependente da absorção

• água é o principal cromóforo

– concentração nos tecidos

– absorção intensa no infravermelho – localização sob camadas do tecido

100 m

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ABLAÇÃO EXPLOSIVA

• Altas pressões são geradas pelo rápido aquecimento de camadas de água confinadas abaixo da superfície do tecido, levando a microexplosões

• Pode ocorrer a temperaturas bem abaixo (~250^oC) do ponto de fusão dos tecidos duros (900C a 1200C)

20

O H

H

(21)

ABLAÇÃO EXPLOSIVA

• A absorção do laser pode se dar pelo material duro, pela água ou por ambos.

• principais lasers com grande absorção pela água ou pela H-A (a  ≥ 100 cm^-1) :

– Laser de CO₂ -> penetração pequena (µm) na H-A -> o calor que irá produzir a ablação é entregue por condução térmica no esmalte

– Lasers de érbio: penetração na H-A é maior que 0,1 mm – Lasers de Ho, Tm: penetração na H-A é maior que 50 cm

(desconsiderando espalhamento)

– Laser de elétrons-livres : entre 4 <  < 6 µm, penetração na H-A é ~ 1 cm

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(1) MODELO DO ESTOURO

Assume que a ablação ocorre instantaneamente e se estende a uma profundidade na qual a fluência do laser cai para um certo valor de limiar.

• mudanças transientes nas propriedades ópticas do tecido

• efeitos da pluma de ablação

• condução de calor no tecido

• prevê corretamente a forma e profundidade da cratera como função da fluência para valores próximos do limiar.

• não leva à descrição da uniformidade do dano gerado nas paredes e no fundo da cratera.

Ignora:

Características:

Descrição Matemática: 

 



 1  ( , )  1 )

, (

FL

r r F

d 

 

onde : d (r,) é a profundidade da cratera, F (r,) é a distribuição de fluência do pulso, F_L é a fluência de limiar e  é o coeficiente de absorção

COMO ESTIMAR A CRATERA GERADA?

(23)

COMO ESTIMAR A CRATERA GERADA?

EXEMPLO DE CÁLCULO DA CRATERA

laser de Er:YAG (2,94 m) com fluência de pulso de 25 J/cm²

A fluência de limiar para este laser é de 10 J/cm² para o esmalte e 1 J/cm² para a dentina.

Assumiu-se  = 800 cm^-1 para o esmalte e  = 4500 cm^-1para a dentina

60 40 20 0

Profundidade da cratera (m)

esmalte

dentina

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COMO ESTIMAR A CRATERA GERADA?

(2) MODELO DA CAMADA LÍQUIDA

Considera que o aquecimento pelo laser gera, além da vaporização de tecido, uma camada líquida que pode ser expelida da cratera pela variação de pressão radial, originada devido ao perfil Gaussiano do feixe laser.

Limitações:

• modelo tipicamente aplicável a durações de pulso da ordem de várias centenas de microsegundos;

• é melhor aplicado para tecidos moles.

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COMO ESTIMAR A CRATERA GERADA?

(3) MODELO DA MICROEXPLOSÃO DA GOTA D’ÁGUA

Considera que a água presente no tecido está concentrada em uma gota no centro da cratera que será gerada pela explosão.

Pôde-se demonstrar que a razão ótima entre o diâmetro da cratera e a sua profundidade é 2,8 para ablação de esmalte com laser de Ho:YLF. Além disso, pôde-se calcular a massa de tecido removida por pulso.

(26)

ABLAÇÃO EXPLOSIVA

Cuidados a serem observados:

• Fluências abaixo do limiar de ablação:

– calor acumula-se no tecido

– carbonização ou fusão devido ao superaquecimento pode ocorrer

26

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ABLAÇÃO EXPLOSIVA

LASER

carbonização

necrose

rachaduras

A B

LASER LASER

necrose

carbonização esmalte dentina

A B

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LASERS DE ALTA INTENSIDADE

• Térmicas

• Fotoablação

• Fotorruptura

28

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FOTOABLAÇÃO

• rompimento direto das ligações moleculares por fótons de alta energia (UV)

• ablação limpa, associada com pequeno ruído e fluorescência

• durações de pulso: 10 a 100 ns

• intensidades: 10⁷ a 10¹⁰ W/cm²

• Vantagens:

– precisão de corte – Previsibilidade

– Completa ausência de danos térmicos

• aplicação mais importante: cirurgias de correção refrativa da córnea -> lesões de miopia, hipermetropia e astigmatismo

(30)

FOTOABLAÇÃO

30

100 µm

(31)

FOTOABLAÇÃO - MECANISMO

• Simulação em tecidos homogêneos (polímeros de PMMA – polimetacrilato de metila - acrílico) -> fácil transposição para tecidos

não homogêneos

(biológicos)

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Interação da luz laser com tecidos biológicos: Aplicações

Puig - Setembro /1999 32

e ^-

A B

vibração

ligação covalente Molécula orgânica

promoção a estados excitados de energia, repulsivos



A B

vibração

ligação covalente Estado excitado instável

e ^-

dissociação



A B

dissociação

ligação quebrada

Átomos livres

fóton

AB + hn  (AB)*

AB + hv -> (AB)*

(AB)* A + B + E_cinética

Absorção de fótons de alta energia (UV)

Promoção a estados excitados de energia, repulsivos Dissociação

Ejeção de fragmentos (sem necrose) ablação

FOTOABLAÇÃO – MECANISMO

Puig, MPLO

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Diagrama de níveis de energia :

hn

estado fundamental AB estado excitado (AB)*

Distância radial

Energia energia de

ligação

FOTOABLAÇÃO

(34)

34

Energia de dissociação de algumas ligações químicas típicas:

Laser Comprimento Energia do de onda (nm) fóton (eV)

ArF 193 6,4

KrF 248 5,0

Nd (4w) 263 4,7

XeCl 308 4,0

XeF 351 3,5

Argônio 514 2,4

Nd (2w) 526 2,4

He-Ne 633 2,0

Diodo 800 1,6

Nd 1050 1,2

Ho 2080 0,6

Er 2940 0,4

CO₂ 10600 0,1

Comprimentos de onda e energias de fóton para alguns sistemas laser selecionados :

FOTOABLAÇÃO

energia (eV)  2,7 3,0 3,6 4,1 4,8 6,4 7,1 C-S C-N

S-H C-C

C-O N-H O-H C = C C = O

UV

(35)

Modelo utilizado para fotoablação: Modelo do estouro

Mas: a profundidade de ablação é determinada pela energia do pulso até um limite de saturação Exemplo: ablação de córnea de coelho com laser de ArF

10² 10³ 10⁴

0,0 0,5 1,0

Profundidade de ablação (m/pulso)

FOTOABLAÇÃO – CÁLCULO DA CRATERA FORMADA

Plasma absorve radiação

(36)

FOTOABLAÇÃO

36

Nd:YLF, 532 nm, 150 µJ/pulso, 30 ps Nd:YLF, 263 nm, 20 µJ/pulso, 30 ps

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FOTOABLAÇÃO

(38)

FOTOABLAÇÃO

38

(39)

FOTOABLAÇÃO

Vantagens : ^{• Precisão}

• Previsibilidade

• Completa ausência de dano térmico aos tecidos adjacentes (para laser de ArF - 193 nm)

Desvantagens : • Componente térmica significativa para comprimentos de onda maiores que 193 nm

• Baixa velocidade de ablação

(menos que 1 m por pulso e taxas de repetição moderadas)

• Citotoxidade - DNA absorve intensamente entre 240-260 nm

• Danos ao DNA decrescem na ordem:

248 nm (KrF) > 193 nm (ArF) > 308 nm (XeCl)

(40)

FOTOABLAÇÃO

• Principais fontes UV

40

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FOTOABLAÇÃO

excimer

Lâmpada de mercúrio excimer

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LASERS DE ALTA INTENSIDADE - FOTOABLAÇÃO

42

• Objetivo: quebra de ligações moleculares por fótons de alta energia (UV)

• Efeitos: ablação muito limpa, associada com fluorescência

• Lasers típicos: excimers (ArF, KrF, XeCl, XeF)

• Duração típica dos pulsos: 10 a 100 ns

• Densidades de potência típicas: 10⁷ – 10¹⁰ W/cm²

• Principais aplicações: cirurgia refrativa da córnea

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LASERS DE ALTA INTENSIDADE

• Térmicas

• Fotoablação

• Fotorruptura

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ABLAÇÃO MEDIADA POR PLASMA

PLASMA

• gás consistindo de íons, elétrons, e partículas neutras (todos livres)

• As partículas têm energias elevadíssimas (milhares ou milhões de graus)

• Para se manter este estado é necessário fornecer energia continuamente para impedir a recombinação. Geralmente isso é feito através de um campo elétrico.

• O comportamento desse gás é dominado pela interação eletromagnética entre as partículas carregadas. ₄₄

(45)

ABLAÇÃO MEDIADA POR PLASMA

• Campo elétrico -> ruptura dielétrica

• = geração de um plasma devido a um intenso campo elétrico

(46)

RUPTURA DIELÉTRICA

• O parâmetro mais importante deste fenômeno é a força do campo elétrico local

E

, a qual determina o colapso óptico do tecido

• A força do campo elétrico está relacionada com a densidade de potência (equações da eletrodinâmica):

Onde:

• ₀ = constante dielétrica

• c = velocidade da luz

• Se E excede um valor de limiar, isto é, se o campo elétrico aplicado forçar a ionização de moléculas e átomos, ocorre a ruptura.

46

2

0

) 1 , ,

( r z t cE

I  

(47)

COLAPSO ÓPTICO

• = Ruptura dielétrica causada por um pulso laser de alta intensidade focalizado em um gás, líquido ou na superfície de um sólido

• Ocorre para intensidades acima de 10¹¹ W/cm² em sólidos e líquidos, ou 10¹⁴ W/cm² no ar.

• Campo elétrico correspondente: 10⁷ V/cm

• O plasma gerado absorve fortemente a radiação UV, visível e IR  “plasma quente”

• Para sólidos, o pulso laser também causa ablação do material

(48)

ABLAÇÃO MEDIADA POR PLASMA

48

Nd:YLF, 30 ps, 1 mJ, 5.10¹² W/cm²

(49)

MECANISMOS ENVOLVIDOS

Avalanche de elétrons:

• Lasers Q-switched: emissão termoiônica devido a uma ionização térmica do material

• Lasers Mode-locked: ionização multi-fotônica ocorre devido ao alto campo elétrico induzido pelo intenso pulso laser

(50)

MECANISMOS ENVOLVIDOS

• Densidade de elétrons livres criada no foco do feixe laser:

tipicamente entre 10¹⁸ / cm³ e 10²¹ / cm³.

• Temperatura do plasma: tipicamente de algumas dezenas de milhares de ^oC.

• A energia do pulso ultracurto é depositada em uma camada bastante fina de material: esse processo tem coeficientes de absorção típicos acima de 10⁴ cm^-1.

• A energia dos elétrons é transferida para os íons, e acontece a ejeção do material.

50

(51)

CÁLCULO DA ESPESSURA DO MATERIAL REMOVIDO

fórmula aproximada para a ablação por pulsos de femtosegundos

Onde:

F_P é a fluência do pulso laser

E_E é a energia de evaporação do material por unidade de volume.

.

5

_E

P

E

d  F

(52)

CÁLCULO DA ESPESSURA DO MATERIAL REMOVIDO

Portanto: A ablação é seletiva!

52

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0 10 20 30 40

Profundidade de ablação (m / pulso)

Energia do pulso (mJ)

Esmalte cariado Dentina sadia Esmalte sadio

Laser de Nd:YLF : duração 30 ps, foco 30 m

Puig, MPLO

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OUTRAS CONSIDERAÇÕES

Energia do pulso:

• refletida pelo plasma

• ejetada com os vapores

• quebra das ligações do material

• aquecimento do material

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USLP = ULTRA SHORT LASER PULSES

Empresa: Clark-MXR, Inc. (Michigan, USA) Modelo: CPA-2001

• Ti:Safira

• energia por pulso > 0,8 mJ

• largura de pulso < 150 fs

• comprimento de onda: 775 nm

• taxa de repetição: 1kHz

• Alimentação: 110V (Sem necessidade de sistema externo de refrigeração)

• PREÇO:  US$ 300 000^.00 (sem sistema de entrega de feixe)

54

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USLP = ULTRA SHORT LASER PULSES

Empresa: Spectra-Physics (California, USA) Modelo: Hurricane

• Ti:Safira

• energia por pulso > 0,8 mJ

• largura de pulso < 130 fs

• comprimento de onda: ~ 825 nm

• taxa de repetição: 1kHz (5kHz disponível)

• Tamanho: 93.6 x 64.8 x 22.8 cm

• Alimentação: 110V (Sem necessidade de sistema externo de refrigeração)

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ABLAÇÃO MEDIADA POR PLASMA

56

Dente humano exposto a 16 000 pulsos de um laser Nd:YLF de picosegundos

(1,05 m).

Duração dos pulsos: 30 ps.

Energia dos pulsos: 1 mJ A ablação mostrada na foto é resultado da varredura dos feixes focalizados sobre o tecido.

As rachaduras superficiais ocorreram durante a preparação para a microscopia eletrônica.

(57)

ABLAÇÃO MEDIADA POR PLASMA

Córnea com Nd:YLF, 30 ps, 200 µJ

50 µm

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ABLAÇÃO MEDIADA POR PLASMA

• Objetivo: ablação laser pela formação de um plasma ionizante

• praticamente sem dependência com comprimento de onda

• Efeitos: ablação limpa, associada com pequeno ruído e clarão azulado

• durações de pulso: 100 fs a 500 ps

• intensidades: 10¹¹ a 10¹³ W/cm²

• aplicações mais importantes: cirurgias da córnea, odontologia

• principais lasers usados: Nd:YLF, Ti:Safira, Cr:LiSAF

58

(59)

ANÁLISE DO PLASMA FORMADO

Análise espectroscópica da centelha de plasma:

• a densidade de elétrons livres

• temperatura do plasma

• Composição química do plasma

Controle do tecido que sofre ablação

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ANÁLISE DO PLASMA FORMADO

LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy – Espectroscopia de Ruptura Induzida por Laser)

• técnica espectroanalítica que emprega a microamostragem por ablação a laser e subseqüente excitação dos espécies presentes no microplasma durante a ablação ou imediatamente após esta

60

(61)

LIBS

• emprega um feixe de laser pulsado, de alta irradiância, da ordem de GW/cm², que é focalizado sobre a superfície da amostra

• promove a formação de um plasma de alta temperatura, geralmente entre 10.000 a 20.000 K

• Durante a relaxação, os átomos, íons e fragmentos de moléculas excitados no plasma emitem um espectro de emissão característico do material volatilizado da amostra

(62)

LIBS

62

(63)

LIBS

(64)

LASERS DE ALTA INTENSIDADE

• Térmicas

• Fotoablação

• Fotorruptura

64

(65)

Principais efeitos do colapso óptico:

– Formação de plasma

– Geração de ondas de choque

• Se o colapso óptico ocorrer no interior de tecidos moles ou líquidos, ocorre cavitação ou formação de jato

• Durante a fotodisrupção, o tecido é dividido por meio de forças mecânicas

• Enquanto que a ablação induzida por plasma é confinada espacialmente na região de colapso, ondas de choque e cavitação propagam pelo tecido

– Ex: para pulsos de ns, os efeitos mecânicos podem ser da ordem de

FOTORRUPTURA = FOTODISRUPÇÃO =

ABLAÇÃO POR ONDAS DE CHOQUE

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FOTODISRUPÇÃO

• Face anterior de uma placa de vidro, exposta a dez pulsos de um laser de Nd:YLF, com pulsos de 30 ps de duração e energia de 1 mJ, focalizados em 30m.

66

(67)

FOTODISRUPÇÃO

FENÔMENOS QUE OCORREM:

• Formação de plasma: começa durante o pulso laser e dura por poucos ns -> difusão de elétrons livres para o tecido circundante

• Geração de ondas de choque: associada com a expansão do plasma -> começa durante a formação do plasma

• Cavitação: efeito macroscópico que começa de 50 a 150 ns após o pulso laser

• ocorre quando o laser está focalizado no interior do tecido, e não em sua superfície

• Bolhas de cavitação = vapor de água ou óxido de carbono que podem se difundir para o tecido adjacente -> gera colapsos no tecido

• Formação de jato: ocorre quando a bolha é gerada na proximidade de uma interface sólida

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FOTODISRUPÇÃO

68

Optical Breakdown

Formação de plasma

- ionização do volume focal - confinado espacialmente

- 70% a 99% da energia

Geração de onda de choque

- alto gradiente de pressão - movendo a velocidade

supersônica - 1% a 5% da energia

Cavitação

- vapor induz tensões mecânicas

- sucessiva expansão e colapso

- 10% a 15% da energia

Formação de jato

- próximo a interfaces sólidas

- durante colapso de cavitação

Fotodisrrupção Ablação induzida por plasma

Ablação do tecido

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FOTODISRUPÇÃO

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FOTODISRUPÇÃO

• Objetivos: fragmentação e corte de tecido por forças mecânicas

• Efeitos: formação de plasma; geração de ondas de choque;

cavitação; formação de jato

• durações de pulso: 100 fs a 100 ns

• intensidades: 10¹¹ a 10¹⁶ W/cm²

• aplicações mais importantes: fragmentação de cristalino (capsulotomia posterior do cristalino – após cirurgia de catarata) e destruição de cálculos urinários. Tem se tornado uma ferramenta bem estabelecida para cirurgias minimamente invasivas.

70

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