Corso di Elettronica Medicale: tecniche ottiche applicate alla medicina Università di Modena e Reggio Emilia

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1 Corso di Elettronica Medicale: tecniche ottiche applicate alla medicina VUT Anno accademico Indice (1) Introduzione: cenni di ottica di base Tipi di cromofori e interazione radiazione-materia. Transizioni elettroniche Transizioni vibrazionali Caratteristiche dei laser Laser utilizzati in applicazioni cliniche Interazione laser - tessuto biologico Interazione fotochimica Interazione fototermica Interazione fotomeccanica

2 Indice (2) Laser per terapia Oftalmologia Dermatologia Otorinolaringoiatria neurochirurgia Urologia Podiatria Chirurgia generica Diagnostica Tecniche di misura Esempi La luce E un onda elettromagnetica di espressione: E ( M 0 z, t) = E cos( ω t + βz + φ ) dove: ω = 2πυ λ = 2π / β φ 0 pulsazione [rad/s] lunghezza d onda [m] fase iniziale [rad] Inoltre λ = c υ

3 La luce Propagazione spazio-temporale Bande spettrali La luce: grandezze di interesse Intensità (lungo e breve periodo, tempo di volo, assorbimento e trasmissione, risoluzione in tempo) Spettro (Shift frequenziali doppler, assorbimento e trasmissione) Polarizzazione

4 Fondamenti di Ottica Sorgenti di luce (LED, SLD, LASER, Lampade) Fotorivelatori (Fotodiodi, APD, Tubi fotomoltiplicatori) Componenti ottici (Filtri, lenti, specchi, fibre ottiche) Componenti meccanici (Banco ottico, supporti per ottiche) Interazione Luce - Materia Riflessione Rifrazione Assorbimento Diffusione Variazioni di Polarizzazione

5 Riflessione e Rifrazione Legge di Snell α = δ n1 sen( α ) = n2 sen( β ) Riflession e totale : sen( β) = 1 α = arcsen( n 2 / n 1 ) Assorbimento Legge di Lambert-Beer I o (λ) c, α(λ) I(λ) I( λ) = I 0 OD = ln t ( λ) e [ I ( λ) / I( λ) ] = c α( λ) t 0 cα( λ)t

6 Esempio misura in-vitro Assorbimento Misura spettrale Assorbimento Spettro di ingresso Spettro di uscita Spettro di trasmissione = Uscita / Ingresso [%] Spettro di assorbimento = 1 - Spettro di trasmissione

7 Diffusione o scattering scattering di superficie scattering di volume Diffusione di Rayleigh (r<<λ) I diffusa I incidente r 4 λ 6 1 LS e il colore azzurro del cielo Ligh from the sun Scattered ligh O Earth I diffusa I incidente r 4 λ 6 1

8 Polarizzazione Introduzione APPLICAZIONI MEDICHE DEI LASER Fotobiologia La fotobiologia studia l interazione della radiazione elettromagnetica non ionizzata con le biomolecole e le risposte biologiche che ne derivano Lo studio si basa sulle alterazioni fotochimiche nelle biomolecole che influenzano la funzione delle cellule vive L energia dei fotoni a specifiche lunghezze d onda porta all eccitazione elettronica di specifiche molecole e conseguentemente a possibili reazioni chimiche L importanza delle distribuzione spettale della radiazione è legata alla possibilità di causare reazioni specifiche selezionando solo le molecole di interesse

9 Cromofori Le molecole in grado di assorbire la luce vengono chiamate cromofori. Esistono 2 tipi principali di interazione luce-cromoforo: Transizioni elettroniche: l energia associata ai fotoni viene utilizzata per generare portatori liberi di carica (coppie-elettrone-lacuna). L assorbimento avviene principalmente nelle ragioni spettrali dell ultravioletto, del visibile e del vicino infrarosso (NIR). Es.: porfirine (clorofilla, emoglobina, vitamina B12). Transizioni di vibrazione: l energia associata ai fotoni viene trasformata in moti vibrazionali dei legami. L assorbimento avviene principalmente nelle ragioni spettrali dell infrarosso. In biologia il cromoforo dominante in grado di assorbire tramite transizione di vibrazione è l acqua. Energia Fotone= h ν ν = frequenza ottica (λν=c, c=310 8 m/s)) h=costante di Planck ( Js) Caratteristiche dei laser Terapie ottiche Il laser rappresenta uno strumento unico per la terapia medica e la tecnica chirurgica La luce Laser può essere facilmente focalizzata il che permette di indirizzare molta energia in punti molto piccoli utilizzando opportuni sistemi di lenti o microscopi e/o di canalizzarla tramite fibre ottiche La luce Laser può essere facilemnte modulata (impulsi brevi) permettendo di trasferire Gigawatts in pochi nanosecondi limitando limitazioni stress termici e meccanici nelle regioni di interesse La luce Laser ha uno spettro ben definito e stabile il che permette l accoppiamento efficiente con il picco di assorbimento dei cromofori

10 Interazione laser-tessuto Il tessuto biologico è una soluzione prettamente acquosa di molecole in grado di assorbire la luce Laser utilizzati Laser a CO2 (λ=10.6 µm): le lunghezze d onda all infrarosso vengono completamente assorbite dall acqua nei primi strati cellulari portando ad una vaporizzazione esplosiva della superficie del tessuto e ad un lieve danno del tessuto sottostante I laser ad eccimeri (emissione UV): elevato assorbimento dell acqua, hanno un effetto ancor più superficiale Laser Nd-YAG (1064 nm): questa radiazione viene assorbita poco dall acqua e il fascio viene trasmesso e diffuso in una regione centinaia di volte più grande rispetto al caso del laser a CO2.

11 Laser utilizzati Laser a Rubino (694 nm): la luce rossa è poco assorbita ad eccezione delle cellule contenenti particolari pigmenti La luce verde (514nm) e quella blu (488nm) del laser ad Argon: in modo simile alla radiazione emessa dal laser a Krypton ( e 568 nm), la luce viene viene trasmessa dall acqua e notevolmente assorbita dall emoglobina permettendo quindi la penetrazione dei tessuti densi e la coagulazione delle lesioni vascolari e pigmentose Solitamente i laser nelle finestre del visibile e dell infrarosso hanno effetti esclusivamente termici, mentre i fotoni ultravioletti degli eccimeri sono sufficientemente energetici da rompere alcuni legami chimici e causare la ionizzazione Spettro di assorbimento del tessuto La figura in basso mostra gli spettri di assorbimento principali dei tessuti biologici. Vengono mostrati anche i coefficienti di assorbimento in corrispondenza di alcune tipiche lunghezze d onda dei laser utilizzati.

12 Contributi all assorbimento Lo spettro di assorbimento è caratterizzato da numerosi contributi. Nell ultravioletto l assorbimento aumenta con il diminuire della lunghezza d onda. Oltre all acqua si ha assorbimento da parte delle proteine, del DNA e di altre molecole Nell infrarosso l assorbimento aumenta con l aumentare della lunghezza d onda a causa del contenuto di acqua nel tessuto. (Il tipico contenuto d acqua del tessuto biologico è del 75%) Nella regione del rosso-vicino infrarosso (NIR) l assorbimento è minimo. La regione viene chiamata finestra diagnostica e terapeutica Contributi all assorbimento Il sangue è un grande assorbente nel regime rosso-nir, ma considerato il fatto che la frazione di volume di sangue è una piccola percentuale nei tessuti, il coefficiente di assorbimento medio che influenza il trasporto di luce è moderato. Questo significa che le proprietà di assorbimento locali governano l interazione luce-tessuto mentre le proprietà di diffusione governano il trasporto della luce I melanosomi sono anch essi forti assorbenti. Anche in questo caso, però, vista la piccola percentuale di essi nell epidermide, il coefficiente di assorbimento medio risulta abbastanza basso

13 Tipologie di interazione Interazione fotochimica. I fotoni partecipano stechiometricamente come reagenti nelle reazioni chimiche; ogni fotone assorbito da un cromoforo fa passare la molecola nello stato eccitato. Lo stato eccitato può essere poi gestito in vari modi. Interazione fototermica. Coagulazione fototermica : i fotoni assorbiti da un cromoforo possono riscaldare una zona biologica a livello intracellulare, cellulare o tessuto-organo Interazione fotomeccanica. I laser pulsati possono conferire l energia molto rapidamente alla regione di interesse. Quando la zona viene riscaldata avviene un espansione termoelastica che causa un aumento di pressione (fotoacustica) Applicazioni fotochimiche Applicazioni fotochimiche possibili Terapia fotodinamica per il trattamento del cancro, azione antibatterica, rimozione di virus dal sangue. Adesivi fotoattivati per la congiunzione chirurgica dei tessuti lesi denominata incollaggio fotochimico. Fotofissaggio di reagenti chimici ai tessuti in cui la luce fissa il reagente chimico sul tessuto o all interno delle cellule.tali agenti possono poi indurre varie risposte biologiche del corpo (ad es. una risposta immunologica).

14 Interazione fototermica Interazione fototermica. La delimitazione termica consiste nella creazione di calore in una zona prestabilita prima che che la diffusione termica possa dissipare il calore stesso. Teoricamente il tessuto circostante non viene riscaldato. Alcuni esempi sono: Danno termico intracellulare: laser Q-switched (impulsi di ns). Danno termico cellulare: su una singola cellula che ha assorbito un particolare cromoforo (impulsi di µs). Danno tessuto/organo: coagulazione di superfici epiteliali cancerogene o di tumori trasferendo calore con un laser continuo o ad impulsi lunghi (dai µs ai ms). Interazione fototermica Il risultato finale della terapia fototermica dipende dalla struttura del tessuto danneggiato e dalla risposta del corpo a tale lesione. Ad esempio La fotocoagulazione della pelle causa cicatrici. Esteticamente questo può essere dannoso ma, d altra parte, una leggera cicatrice superficiale può rifinire la pelle e rimuovere certi tipi di rughe portando ad un miglioramento estetico d insieme Cicatrizzare la retina per ancorare una retina staccata

15 Applicazioni fototermiche Trattamento di lesioni portwine stain : utilizzo del laser giallo (Argon-dye laser, λ=577 nm, picco di assorbimento per l'ossiemoglobina) pulsato per riscaldare selettivamente delle lesioni vascolari cutanee come il nevus flammeus o 'portwine stain della pelle. I vasi sanguinei vengono portati ad alte temperature per meno di 1/10 di secondo senza riscaldare la pelle circostante. I vasi danneggiati vengono poi rimossi dal corpo come una semplice ferita da bruciatura. Applicazioni fototermiche Trattamento di tumori nei polmoni o nell esofago Trattamento di noduli percutanei del tumore al fegato via ago utilizzando fibre ottiche ed evitando quindi l intervento della chirurgia Trattamento per limitare il distacco della retina etc...

16 Interazione fotomeccanica Interazione fotomeccanica. La limitazione di stress si riferisce al processo di innalzamento della pressione in una regione prima che quest ultima possa dissiparsi alla velocità del suono.un incremento di temperatura di 55 C tramite un laser ad impulsi può portare ad una pressione momentanea di quasi 1000 atmosfere! Una simile pressione fa letteralmente esplodere la zona interessata La Spallation è un altro evento fotomeccanico. Quando c è un confine libero come un interfaccia aria/tessuto, il tessuto si comprime alla superficie ma successivamente si espande come se fosse un elastico. L espansione è una pressione o stress positivo mentre la compressione è uno stress negativo. Se lo stress negativo supera la forza del tessuto l elastico si rompe e viene espulso un sottile strato di tessuto. Inoltre si propaga un onda che causa lacerazioni multiple Fenomeni fotomeccanici I cambiamenti di fase: vaporizzazione e la formazione di plasma costituiscono un altro fenomeno fotomeccanico. La vaporizzazione avviene quando l energia conferita supera la densità di energia richiesta per raggiungere la temperatura di 100 C. L acqua del tessuto si trasforma da liquida a gassosa e la bolla di vapore in espansione deforma il tessuto, portando spesso all espulsione del tessuto denominata ablazione. Il plasma si forma quando la densità di potenza massima derivata da un esposizione laser supera all incirca i 10Mw/cm². La ionizzazione della materia porta all espansione del plasma e ad una successiva deformazione meccanica del tessuto.

17 Applicazioni fotomeccaniche Nelle applicazioni cliniche, i laser vengono utilizzati per tagliare e vaporizzare i tessuti durante le operazioni chirurgiche Altre applicazioni mediche nel campo della microchirurgia utilizzano il fenomeno della spallation per rimuovere solo tessuti a livello superficiale La generazione di plasma è comunemente utilizzata nella chirurgia oftalmica non invasiva Oftalmologia - chirurgia rifrattiva Il problema della focalizzazione Condizione dell occhio in cui le varie componenti non sono perfettamente proporzionate per permettere la messa a fuoco corretta degli oggetti sulla retina. Occhio normale: Il fuoco è posizionato perfettamente sulla retina, la quale trasforma l energia luminosa in energia elettrica che arriva al cervello tramite il nervo ottico. Occhio miope: A causa di un occhio troppo lungo o di una cornea dalla curvatura troppo accentuata il fuoco si posiziona davanti alla retina. Occhio ipermetrope: A causa di un occhio troppo corto o di una cornea dalla curvatura scarsa il fuoco si posiziona dietro alla retina. Occhio astigmatico: A causa di una cornea dalla forma non perfettamente sferica la luce viene deviata maggiormente verso una delle due mediane e quindi non viene focalizzata in un unico punto sulla retina.

18 Cheratotomia radiale ed astigmatica (RK - AK) RK: utilizzata negli Stati Uniti dal 1970.Vengono praticate delle incisioni radiali nella cornea ad un profondità all incirca del 90%. Indebolendo le strutture periferiche della cornea la regione centrale si appiattisce permettendo la diminuzione o l eliminazione della miopia. AK: effettuando incisioni tangenziali per appiattire la meridiana più deformata la superficie della cornea diviene maggiormente sferica. RK - AK: Vantaggi e svantaggi Vantaggi di queste tecniche: Costi limitati Buoni risultati su individui affetti da lieve miopia(fino a 3 diottrie) Svantaggi: Risultati piuttosto imprevedibili Correzione spesso insufficiente (necessità di ripetere l operazione) correzione talvolta troppo elevata in certi pazienti (che porta alla presbiopia) abbagliamenti notturni molto comuni per 6-18 mesi dopo l intervento fluttuazione nella visione fino a 6 mesi dopo. Possibilità di formazione di tessuto cicatrizzante anormale. Problemi nel portare lenti a contatto nel caso di insuccesso. Integrità strutturale della cornea indebolita. Seri oscuramenti della vista ad elevate altitudini.

19 Cheratoplastia lamellare automatizzata (ALK) Per curare la miopia un sofisticato strumento chiamato microcheratoma automatizzato viene utilizzato per rimuovere un sottile strato superficiale della cornea. Successivamente viene asportata una parte di tessuto della cornea in modo da appiattirla tramite il microcheratoma. Infine viene riposizionato lo strato superficiale senza bisogno di suturare. ALK: Vantaggi e svantaggi Vantaggi: Possibilità di trattare miopie gravi (fino alle 18 diottrie) e moderati casi di presbiopia Ritorno ad attività normali relativamente rapido. Svantaggi: Problemi tecnici con la rimozione meccanica del tessuto della cornea portano a dei risultati imprevedibili ed alla formazione di cicatrici. La tecnica è stata essenzialmente soppiantata dalle nuove procedure con laser ad eccimeri.

20 Cheratectomia fotorifrattiva con laser ad eccimeri (PRK) Il laser ad eccimeri è uno strumento che utilizza impulsi ad alta energia di luce ultravioletta che rompono i legami molecolari fra le cellule della cornea con grande precisione. Il fascio luminoso è freddo o non termico. Per questo è ideale per la rimodellazione della cornea visto che elimina la possibilità di danneggiare il tessuto circostante con il calore. Un sofisticato computer controlla l emissione ed i movimenti del laser. PRK: Procedura adottata Nella procedura PRK il laser rimuove un sottile strato di tessuto sulla superficie centrale della cornea appiattendola in modo da permettere alla luce di focalizzarsi più accuratamente sulla retina. La copertura superficiale della cornea (epithelium) deve ricrescere affinché l occhio ricominci a vedere correttamente.

21 PRK: Vantaggi e svantaggi Vantaggi: Buoni risultati per bassi valori di miopia (fino a 3 diottrie) Relativamente precisa - raramente c è bisogno di ripetere l operazione (più accurata del RK) Procedura molto breve - il paziente torna alla normalità dopo 2-3 giorni Svantaggi: Per valori di miopia superiori alle 4 diottrie il ritorno della vista può essere lento poiché il tessuto cicatrizzante resta per numerose settimane Poiché l epithelium viene rimosso dal laser l occhio può restare lacrimante e sensibile alla luce per 2-3 giorni E necessario utilizzare gocce di cortisone per circa 8 settimane per minimizzare la presenza di tessuto cicatrizzante nel periodo di guarigione Cheratomilesi in sito assistita con laser ad eccimeri (LASIK) La procedura LASIK rappresenta la tecnologia più recente nella chirurgia rifrattiva. Essa combina la precisione dei laser ad eccimeri con i benefici precedentemente elencati del ALK.

22 LASIK: Procedura adottata In questa procedura il Microcheratoma incide la cornea creando una sorta di cappello corneale come precedentemente descritto. Il laser rimodella la parte di cornea sottostante per correggere miopia presbiopia od astigmatismo. Successivamente il cappello corneale viene riposizionato senza bisogno di suturare la parte. Già dal giorno seguente il paziente può ritornare ad attività normali e generalmente riacquista la vista. Fs-LASIK Esempio di procedura LASIK sperimentale effettuata con laser a femtosecondi.

23 LASIK: Vantaggi e svantaggi Vantaggi: Sembra avere risultati più precisi del RK. Equivalente al PRK nel trattamento di lievi miopie (fino a 3 diottrie) ma nettamente migliore per livelli di miopia più elevati. Buoni risultati nelle miopie gravi - risultati incoraggianti per il trattamento di presbiopia ed astigmatismo. Nessun dolore a parte lievi irritazioni per 1-2 giorni. Ritorno ad attività normali fin dal giorno dopo. Nessun bisogno di lenti a contatto protettive per la guarigione (a differenza del PRK). Generalmente nessun annebbiamento della vista come nei primi 2 mesi dopo il PRK. Non c è bisogno di gocce di cortisone nel periodo di guarigione. Svantaggi: Più caro del RK a causa del costo della tecnologia laser computerizzata. Distorsione occasionale della vista in caso di problemi con il microcheratoma. Oftalmologia - il glaucoma All interno dell occhio esiste una pressione normale che assicura la salute dell occhio stesso. E possibile immaginare l occhio come un lavandino dotato di rubinetto per l acqua e di un canale di sfogo. I fluidi si possono accumulare sia perché il rubinetto è troppo aperto sia perché il canale di sfogo è intasato. Per l occhio umano il fattore predominante nell aumento della pressione intra-oculare è un graduale intasamento del canale di sfogo. Se la pressione rimane elevata per un lungo periodo le fibre nervose del nervo ottico si danneggiano irrimediabilmente. Per questo motivo per poter trattare la patologia è necessario che la diagnosi sia fatta per tempo.

24 Trabeculoplastia con laser ad argon (ALT) Il laser ad Argon (luce verde) è stato usato per molti anni nel trattamento del glaucoma cronico ad angolo aperto (graduale intasamento dei canali di drenaggio). In questa procedura una speciale lente a contatto viene posizionata di fronte all occhio ed il fascio laser viene focalizzato nell area dei canali di sfogo in modo da rendere liberi i passaggi ostruiti. In generale il paziente è in grado di tornare ad attività normali fin da subito. Pare che l effetto del trattamento svanisca dopo circa 7-10 anni e sia necessaria un ulteriore applicazione. Iridotomia laser Nel glaucoma ad angolo chiuso (anormalità strutturale presente fin dalla nascita) i canali di drenaggio sono troppo stretti ed è possibile che avvenga un improvviso intasamento in età adulta. Prima dell introduzione della tecnologia laser l unico trattamento possibile era una procedura chirurgica che implicava la creazione di una apertura artificiale interna all iride. Ora è possibile realizzare l apertura con l utilizzo del laser evitando quindi l operazione e limitando decisamente il dolore. In genere si utilizza un laser ad Argon o uno YAG laser nel caso in cui serva più potenza.

25 Ciclofotocoagulazione con laser a diodo In certi individui che presentano grossi problemi di glaucoma viene utilizzato il laser a diodo. Con questo strumento si effettuano numerose applicazioni sulla sclera nell area sottostante il corpo ciliare (struttura dell occhio che produce il fluido interno). In questo modo viene danneggiata una parte delle cellule che producono il fluido. Oftalmologia - problemi alla retina Il primo utilizzo medico della tecnologia laser è stato il trattamento di vasi sanguinei anormali nella retina causati dal diabete. La luce verde viene assorbita selettivamente dai vasi sanguinei. Da qui l utilizzo del laser ad argon che funziona da saldatore microscopico sigillando le perdite dei vasi. E un fatto accettato che la vista dei diabetici è stata prolungata principalmente grazie ai trattamenti con il laser. La chiave principale per preservare la vista consiste in una precoce diagnosi delle anormalità. Per questo è consigliabile che gli affetti da diabete effettuino un controllo annuale da un oftalmologo.

26 Dermatologia - chirurgia estetica Grazie alla capacità delle nuove tecnologie laser di rimuovere con precisione sottili strati cutanei si sono sviluppate numerose tecniche che permettono di migliorare l estetica come la rimozione delle rughe o l eliminazione di tessuti grassi in eccesso. Per questo tipo di interventi i laser utilizzati sono il laser a CO2 e il laser ad erbio. Esempi di applicazioni estetiche Laser a CO2: utilizzato nella rimozione di rughe, di grasso in eccesso e di danni cutanei causati dal sole o dall acne. prima dopo

27 Vantaggi del laser a CO2 Vantaggi del laser a CO2 rispetto al lifting facciale: meno traumatico - la pelle non deve essere incisa e successivamente suturata; per questo il periodo di ricovero è inferiore e meno doloroso. Il laser a CO2 può trattare le rughe nella parte mediana del viso (in particolare sulle guance e sul labbro superiore). A differenza del lifting è possibile rimuovere i danni cutanei causati dal sole o dall invecchiamento. Vantaggi del laser a CO2 rispetto a dermabrasioni o creme. Meno traumatico più efficiente nella rimozione delle rughe maggiore precisione nella asportazione degli strati cutanei Laser all erbio nella dermatologia Laser ad erbio: utilizzato al posto del laser a CO2 perché più adatto per il trattamento estetico di determinati individui nei seguenti casi: pazienti dalla pelle scura con problemi di iperpigmentazione se sottoposti a trattamento con laser a CO2. Pur essendo meno efficace nella rimozione delle rughe non è necessaria l anestesia locale. Minore rossore postoperatorio, quindi periodo di recupero inferiore. Più adatto per trattamenti nella regione del collo.

28 Trattamento di vene varicose Vene varicose: il trattamento avviene tramite l utilizzo di un laser al neodimio (versapulse laser) in grado di penetrare lo strato superficiale della pelle senza danneggiarlo ma la cui energia viene assorbita dai vasi sanguinei anormali che vengono di conseguenza distrutti. Nonostante la presenza di un leggero senso di irritazione il paziente è in grado di tornare ad attività normali fin dallo stesso giorno del trattamento. Altre anormalità dei vasi sanguinei Lesioni di tipo portwine stain: sebbene siano necessarie numerose applicazioni anche queste anormalità dei vasi sanguinei vengono trattate in modo indolore dal versapulse laser. prima dopo prima dopo

29 Depilazione laser La depilazione laser si basa sul principio della fototermolisi selettiva. I sistemi di depilazione utilizzano lunghezze d onda comprese fra i 680 e i 760 nm in modo da penetrare l epidermide e raggiungere le zone in cui si trovano i follicoli. L energia del laser viene assorbita dalla melanina che si trova nel follicolo e nella radice del pelo coagulando il follicolo stesso. Il fattore limitante nella depilazione laser è rappresentato dal colore della pelle. Individui con la pelle scura hanno un maggior contenuto di melanina, per cui rischiano di subire danni alla pelle. Esempi di depilazione laser Esempi di applicazioni nella regione del collo. prima dopo un anno prima dopo 2 anni

30 Tipi di laser utilizzati nella depilazione I tipi di laser utilizzati nella depilazione sono: Laser a diodo Laser ad alessandrite ad impulsi lunghi Q-switched YAG laser al neodimio* YAG laser al neodimio ad impulsi lunghi* * adatti per i trattamenti di tutti i tipi di pelle Rimozione tatuaggi La luce viene selettivamente assorbita dal pigmento del tatuaggio e riduce l inchiostro in piccoli frammenti che vengono eliminati dal sistema immunitario del corpo. Tipicamente sono necessari 4 o 5 trattamenti a distanza di parecchi mesi prima della completa rimozione del tatuaggio.

31 Applicazioni in otorinolaringoiatria Trattamento di patologie relative alle vie aeree tramite laser a CO2. L utilizzo del laser permette la rimozione di tessuti senza compromettere la respirazione del paziente. Il laser a CO2 è usato nel trattamento di condizioni sia maligne che benigne della laringe, della faringe e della cavità orale. In modo simile gli Nd:YAG laser e i laser a kripton che possono essere trasmessi attraverso fibre ottiche vengono usati per rimuovere escrescenze nell albero tracheobronchiale e nell esofago. La precisione garantita dal laser permette la rimozione di tessuto osseo e il riposizionamento di protesi artificiali per migliorare l udito del paziente. Applicazioni in neurochirurgia La grande precisione di taglio dei laser per la microchirurgia li rende uno strumento importante per la realizzazione di incisioni nel cervello e nella spina dorsale. I laser a CO2, KTP(Potassium-Titanyl-Phosphate):YAG e Nd:YAG vengono usati frequentemente nella vaporizzazione e coagulazione dei tumori, specialmente se situati in profondità o addirittura sotto il cervello. Infine i laser trasmissibili tramite fibre ottiche sono sempre più utilizzati per la vaporizzazione dei dischi spinali nel trattamento di pazienti affetti da ernia al disco con l ausilio di un minimo intervento chirurgico e di una sonda endoscopica.

32 Esempi di utilizzo in neurochirurgia Esempi di incisioni effettuate su tessuto nervoso con laser ad impulsi a 140-fs. Urologia Vari tipi di laser vengono utilizzati con successo nel trattamento del sistema urinario e genitale. Le patologie più comuni sono: Calcoli urinari. Tumori uroteliali. Ostruzioni dovute alla restrizione della giunzione ureteropelvica. Allargamento benigno della prostata. Condiloma benigno del pene e dell uretra. Tumore superficiale del pene. La maggior parte di questi trattamenti necessita di anestesia totale e porta ad eccellenti risultati senza perdite di sangue.

33 Podiatria Come negli altri settori della medicina anche nella podiatria le potenzialità del laser permettono la realizzazione di interventi chirurgici con una maggiore precisione ed efficacia. Alcune delle applicazioni più comuni sono: Trattamento di granulomi. Neurofibromatosi. Emangiomi. Varie tipologie di cisti. Incisioni di neuromi. Fibroma periunguale. Chirurgia generica Molte procedure chirurgiche possono teoricamente essere effettuata con l utilizzo del laser. I chirurghi generici usano laser a varie lunghezze d onda e sistemi di trasmissione per tagliare, coagulare, vaporizzare o rimuovere tessuti. Attualmente i dispositivi laser possono sostituire bisturi, unità elettrochirurgiche, sonde o dispositivi a microonde per effettuare procedure standard come la mastectomia (operazione al seno) o la colecistectomia (rimozione chirurgica della cistifellea).

34 Chirurgia laser: incollaggio fototermico L incollaggio laser (anastamosi) è la tecnica che utilizza l energia laser per la congiunzione chirurgica di due parti di tessuto biologico. Esistono due tipi di procedura: Incollaggio fototermico: L energia laser viene convertita in calore causando una trasformazione delle proteine che creano un sottile strato di collante in grado di tenere unite le due superfici di tessuto. Una strategia comune è quella di usare un composto di albumina e di un cromoforo in grado di assorbire selettivamente l energia del laser incidente. Il composto si scalda ed unisce le due parti di tessuto senza provocare un danno termico ai tessuti vicini. Chirurgia laser: incollaggio fotochimico Incollaggio fotochimico: Alcuni reagenti fotoattivati sono in grado di congiungere i tessuti. I reagenti vengono posizionati fra le due superfici e la luce li attiva formando dei collegamenti incrociati che realizzano la congiunzione. In questo modo i tessuti vengono incollati senza calore. Un esempio pratico di utilizzo è quello dell agente 1,8-naftalimide.

35 Esempio di incollaggio laser Esempio pratico: una vena recisa ricongiunta tramite incollaggio laser. Vantaggi del laser in chirurgia Vantaggi derivanti dall utilizzo del laser: Perdite di sangue ridotte. Minore disagio post-operatorio. Limitazione della diffusione di alcuni tipi di tumori. Possibilità di infezioni derivanti dalle ferite notevolmente ridotta. Intervento della chirurgia molto limitato con conseguente miglioramento del rimarginarsi delle ferite.

36 Terapia fotodinamica (PDT) Nella terapia fotodinamica (PDT per il trattamento di tumori) vengono somministrate al paziente sostanze fotosensibili attivate in un secondo momento tramite la luce. A differenza della chemioterapia classica, la terapia fotodinamica agisce solo nelle zone illuminate La PDT viene utilizzata per il trattamento di tumori, per alleviare l artrite e per la distruzione di virus. Vantaggi della PDT: permette un trattamento aggressivo e localizzato senza gli effetti collaterali sistematici della chemioterapia Svantaggi della PDT: necessità di conoscere con precisione la localizzazione del tumore Esempio di accumulo di agente fotosensibile fluorescente in cellule tumorali. (la fotofirina si è accumulata nelle membrane e nei mitocondri delle cellule). Diagnostica La luce è in grado di rivelare molte caratteristiche del tessuto senza danneggiarlo minimamente. La luce può essere trasportata via fibre ottiche che le permettono di raggiungere punti remoti all interno del corpo tramite aghi o cateteri endoscopici. Questa caratteristica costituisce il punto di forza delle tecniche ottiche. La luce non penetra in profondità nei tessuti. La luce visibile ha una penetrazione di qualche mm mentre la luce nel vicino infrarosso di qualche cm. Da un lato è una debolezza poiché è possibile analizzare solo un modesto volume di tessuto; d altro canto la maggior parte del corpo umano è costituita da sottili strati di tessuto, perciò le tecniche ottiche sono molto utili nell analisi localizzata. Molte decisioni mediche vengono prese in base allo stato dei sottili strati di tessuto.