Applicazioni dei Laser alle Scienze Mediche

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1 Applicazioni dei Laser alle Scienze Mediche in- medicina.pdf

2 Applicazioni dei Laser alle Scienze Mediche Proprieta della luce laser coerenza monocromaocita direzionalita è concentrabilita brillanza è intensita 2

3 Parametri fisici energia = potenza tempo [J=W s] densità di energia = energia/superficie (fluenza) [J/cm 2 ] potenza = energia/tempo [W=J/sec] densità di potenza = potenza/superficie (flusso) [W/cm 2 ] 3

4 potenza di picco = energia pulsata/lunghezza impulso potenza media su 1s = energia pulsata frequenza 1 Joule/0.001 sec 1000 Watt max. pwr. f=10 Hz 10 Watt mean pwr 4

5 Interazione Luce-Tessuti 4 differenti meccanismi di interazione: Riflessione Laser sicurezza Trasmissione Dosimetria Diffusione Penetrazione Assorbimento Terapia 5

6 Interazione laser - tessuo Incidente Raggio Laser Riflessione (sicurezza) Riemissione (dosimetria) Diffusione (penetrazione) Assorbimento (terapia) Tessuto Trasmissione Raggio Laser (dosimetria) 6

7 Assorbimento: legge di Lambert- Beer Il coefficiente di assorbimento µ a è definito dalla relazione: - di = µ a I dx Legge di Lambert- Beer I 0 I(l) I(x) = I 0 exp( - µ a x ) dx l Il processo di assorbimento è caraeerizzato a livello microscopico dalla sezione d'urto σ, definita tramite il coefficiente di assorbimento µ a σ N con N numero di molecole/cc. Dalla misura di I 0, I(l), e l si ricava il valore di µ a, e, conoscendo N, quello di σ. 7

8 L'inverso del coefficiente di assorbimento1/µ a rappresenta, secondo la legge di Lambert- Beer, lo spessore di materiale che la radiazione deve aeraversare affinché l'intensità venga ridoea a ~ 1/3 del valore iniziale. Questa grandezza 11 Legge di Lambert Beer L esanzione 1/µ a prende il nome di lunghezza di esanzione o di penetrazione L est profondità di penetrazione 8

9 Propagazione della radiazione o;ca La radiazione omca incidente viene: Riflessa (Fresnel) per il salto di indice di rifrazione tra i due mezzi RifraEa: assorbita e diffusa. La diffusione o scadering origina dalle disomogeneità del materiale (responsabile della forte aeenuazione della cute tra 600 e 1000 nm, strato poco assorbente). radiazione incidente riflessione diffusione assorbimento radiazione trasmessa La radiazione diffusa viene in parte riflessa all'indietro, in parte assorbita, ed in parte trasmessa con un processo di scadering muloplo. 9

10 Assorbimento e diffusione Nelle bande o;che del visibile e del vicino infrarosso ha luogo una notevole diffusione di radiazione, dovuta all abbondanza di strucure cellulari di dimensioni confrontabili con la lunghezza d'onda di irraggiamento. SchemaGcamente, possiamo disgnguere tre Gpologie di propagazione della radiazione luminosa nei tessug che dipende dalla lunghezza d onda della radiazione laser e dalle caracerisgche del tessuto irraggiato 10

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14 Interazione laser - tessuo Parametri fondamentali: lunghezza d onda della radiazione intensita della radiazione tempo di esposizione Mappa di interazione medica dei laser coefficieno di assorbimento e trasmissione dei tessuo profondita di penetrazione della radiazione 14

15 Mappa di interazione medica dei laser Interazione termica Interazione fotochimica Interazione fotoablagva Interazione elecro- meccanica Power density (W/cm 2 ) InteracOon Ome (s) M- L Q- Sw

16 Interazione termica durata impulso: s concentrabilita : spot micro o millimetrici conversione di energia EM in energia termica eccitazione di stao vibrazionali molecole (MW- IR: 3-8 µm) hν + A - > A* (dimensioni maggiori) à scaeering anelasoco con altre molecole (t~ 100 ps) à aumento di energia cineoca à aumento temperatura 16

17 Acqua presente abbondantemente in tum i tessuo picco di assorbimento a 2940 nm, buon assorbimento IR CO 2 (10600 nm) e Nd:YAG (1064 nm) CO 2 : effeeo bisturi (effeeo termico), precisione (diametro del fascio), senza danno (effeeo emostaocizzante vs piccoli vasi sanguigni): tagli piu pulio e meno invasivi Nd:YAG: profondita di penetrazione piu elevata (~100 µm contro i µm del CO 2 ) à azione profonda in tessuo connemvi. Anche usato per vaporizzazione di tumori (Pà 100 W) Ar + (488 e nm): assorbito da emoglobina à coagulazione soeocutanea lesioni 17

18 Coefficiente assorbimento tessuo: 1000 nm (IR) 190 nm (VUV) acqua Lunghezza d onda della radiazione componeno tessuo 18

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20 Parametri fisici differeng Laser Coefficiente di assorbimento Excimer Argon KTP Nd Ho Er CO 2 Coefficiente di assorbimento [1/cm] 100,000 10,000 1, Melanina Ossi- Emoglobina emoglobina Lunghezza d onda [µm] Acqua 20

21 Ar + (488 e nm): assorbito da emoglobina à coagulazione soeocutanea lesioni stratum corneum µm stratum Malpighi à 100 µm derma subcuos profondita di penetrazione della radiazione nella pelle umana 21

22 Profondita di penetrazione Excimer Argon Nd-YAG Ho Er CO 2 Distanza di assorbimento [mm] Pigmented tissue 0.2 Lunghezza d onda [µm] Er CO

23 Profondita di penetrazione luce 23

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25 Zona di vaporizzazione e coagulazione vaporizzazione coagulazione 25

26 Temperatura e danni ai tessuo 43 C- 45 C Ipertermia, cambiamento conformaz. cellule 50 C 60 C 80 C 100 C > 100 C C 3350 C Riduzione amvita enzimi Coagulazione, scioglimento proteine Carbonizzazione, scioglimento collagene Formazione vacuoli extracellulari RoEura vacuoli Termoablazione del tessuto Vaporizzazione del carbonio 26

27 Interazione termica Terapia tumori Necrosi selemva dei tessuo: fibra omca, luce laser portata endoscopicamente nella massa tumorale (tessuto tumorale piu sensibile alla temperatura del tessuto sano) fino a 45 C- > necrosi Chirurgia tumorale d urgenza: vaporizzazione di masse tumorali che ostruiscono vasi sanguigni grossi o vie respiratorie 27

28 Come la luce Laser interagisce sul tessuto Energia Laser convertita in calore Riscaldamento lento Coagulazione Necrosi Riscaldamento rapido (vaporizzazione) Taglio Ablazione 28

29 Laser, calore e tessuto Laser raggio Assorbimento Radiazione di calore del Laser Tessuto 29

30 Vaporizzazione del tessuto La luce laser è assorbita dal tessuto La temperatura dell acqua arriva fino a 100 C L acqua bolle e il calore è espulso come vapore 30

31 Dove va il calore? Freddo Assorbimento Energia Laser assorbita dal tessuto Calore Temperatura del tessuto cresce Vaporizzazione Conduzione Il calore è espulso in vapore e detriti Danni termici Trauma termico del tessuto 31

32 Due strade per il calore Radiazione Il Laser colpisce il tessuto ad una profondità determinata dalla lunghezza d onda Conduzione Il calore scende nella regione colpita dal laser fino al tessuto adiacente 32

33 I danni termici dipendono dalla conduzione Fascio Pulsato Thermal damage caused by direct heating by the laser Char Thermal damage caused by direct heating by the laser Fascio Continuo Tempo danni termici causati dalla conduzione del calore 33

34 Laser Pulsato vs Laser Continuo Potenza Laser (watt) Laser Pulsato Tempo Laser Continuo Questi 2 laser portano la stessa quantità di potenza ma il laser pulsato provoca meno danni sul tessuto del laser continuo Per minimizzare i rischi di danni termici sul tessuto si deve usare un Laser Pulsato 34

35 Assorbimento del tessuto con due tipi diversi di laser Basso assorbimento Laser #1 Alto assorbimento Laser #2 Assorbimento del raggio laser in questa regione 35

36 Diffusione della luce laser con alto assorbimento (Laser continuo) Regione Vaporizzata Tessuto toccato dalla diffusione della luce Tessuto toccato dalle radiazioni laser Diffusione laterale della luce Assorbimento della luce à Ampia zona di diffusione Risultati: riscaldamento e necrosi 36

37 Basso assorbimento Alto assorbimento e dispersione La luce non è radiata e dispersa in profondità La luce è dispersa e trasmessa in profondità Per minimizzare le necrosi scegliere un Laser a basso assorbimento 37

38 Due principali linee guida per minimizzare i danni sul tessuto Stop radiazioni Usare un laser con basso assorbimento Stop conduzione Usare un laser pulsato per vaporizzare velocemente un tessuto 38

39 Concetti chiave R Limite di ablazione termica La minima quantità di energia/cm 2 richiesta per una instantanea vaporizzazione del tessuto (5 Joules/cm 2 per il CO2 laser) R Tempo di rilassamento termico La quantità di tempo richiesto per dissipare l energia senza danni permanenti sul tessuto (~ millisecondi ) 39

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41 CO 2 acqua: velocita diffusione della necrosi = 0.8 mm/s impulsi t laser ~ 50 µs, f=100 Hz, E=100 mj, spot ~ 300µm à velocita di spostamento = 3 cm/s OJalmologia: patologie reona 41

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43 Mappa di interazione medica dei laser Interazione termica Interazione fotochimica Interazione fotoablagva Interazione elecro- meccanica Power density (W/cm 2 ) InteracOon Ome (s) M- L Q- Sw

44 Interazione eleeromeccanica durata impulso: 10 ns 20 ps Nd:YAG Q- switched o Mode- Locked Impulso corto focalizzato sul bersaglio Produzione di alta intensita di energia (I~ W/cm 2 ) Produzione di campi eleerici elevao (E~ V/cm) Breakdown dieleerico (En laser ~ En ionizz.molecola ) Formazione di plasma di eleeroni liberi (emissione termoionica (10 11 W/cm 2 )/assorbimento muloplo di fotoni (10 14 W/cm 2 ; 10 J/cm 2 ; N e ~10 21 cm - 3, T>20000 C) Propagazione di onda d urto sferica alla velocita del suono (l~30µm) RoEura meccanica localizzata tessuo (pressione (kbar)> forza di coesione tessuo) 44

45 UOlizzo Campo ojalmico: rimozione Ossutale entro il bulbo omco senza incisioni (reonopaoe, rimozione tessuo opachi post cataraea) Rimozione di calcoli: pressione onda d urto del plasma Patologie cardiovascolari: rimozione trombi in vasi piccoli 45

46 Interazione fotochimica durata impulso: 10 ns 100 µs Interazione che avviene per mezzo dei tessuo fotosensibili (cromofori [Acidi nucleici (DNA, RNA), aminoacidi, proteine: nm] e pigmeno) selemvita del bersaglio Reazione chimica: energia trasmessa dalla reazione produce mutamento delle macromolecole biologiche (trasformazione fotochimica) à isomero o nuova molecola Modalita : fotosensibilizzazione e fotoablazione 46

47 Fotosensibilizzazione Fotoamvazione di molecole dovuta alla luce (cura dei tumori: terapia fotodinamica PDT): porfirine 47

48 Processo: 1. Inserimento del fotosensibilizzante 2. Ritenzione selemva da parte del tessuto tumorale 3. Irraggiamento laser 4. Eccitazione risonante del fotosensibilizzante: P + hν à P* 5. Decadimento veloce di P* (20 ns) e trasferimento di energia a molecole O 2 6. Produzione di radicali liberi che si legano alle pareo dei lipidi e degli acidi nucleici 7. Eradicamento del tumore ü Scarso danno termico a tessuo sani ü RisultaO piu duraturi vs terapia termica ü Sostanze fotosensibilizzano à radicali liberi nell organismo (no luce) 48

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50 Fotoablazione Forte assorbimento di biomolecole nel range nm (energia ~6 ev, > energia legami molecolari); impulsi ~ 15 ns; dissociazione di macromolecole in fotoprodom repulsivi: ABà A + B - ; energia residuaà energia cineoca prodom à espulsione Processo: 1. Impulsi laser UV focalizzao sul tessuto (I~10 8 W/cm 2 ) 2. Forte assorbimento di impulso UV (6 ev) da proteine, amidi, pepodi (profondita di penetrazione ~ 1µm) 3. Eccitazione delle macromolecole 4. Fotodissociazione in fotoprodom repulsivi 5. Espulsione dei fotoprodom (no necrosi tessuo) Laser UV: ArF (193 nm), KrF (248 nm) e Nd:YAG (266 nm, IV armonica) Applicazioni: Chirurgia riframva dell occhio, tecniche PRK a LASIK 50

51 DiagnosOca Diagnosi patologie tumorali. Riemissione in fluorescenza (transizioni Sà S) dei fotoni coereno assorbio da molecole organiche Analisi dello speero di fluorescenza (maggiore emissione del tessuto malato (30%)), analisi puntuale à no estensione zona tumorale DiagnosOca endoscopica Immagini di ampie zone tumorali osservazione di emissione in fluorescenza globale (diversa a seconda dello spessore del tessuto sano/malato) 51