SEMINÁRIO - LASER em Medicina

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1 SEMINÁRIO - LASER em Medicina
Carlos Marques-Neves, MD PhD Dept of Physiology & Dept of Ophthalmology,  Researcher at Unit of Autonomic Nervous System at IMM Faculty of Medicine of Lisbon, Portugal

2 SUMÁRIO PROPRIEDADES E EFEITOS BIOLOGICOS DO LASER LASER DIAGNÓSTICO
GDX OCT LASER TERAPÊUTICO FOTOTERMICO FOTODISRUPTIVO FOTOABLATIVO FOTOQUIMICO

3 Lasers Médicos Aplicações terapêuticas: Aplicações Diagnósticas:
Oftalmologia Dermatologia Ginecologia Gastroenterologia Urologia Estomatologia Ortopedia Neurocirurgia PDT Scanning laser ophthalmoscope (SLO) Laser Doppler blood flow meter OCT Transducers

4 “Ligth Amplification by Stimulated Emission of Radiation”
LASER “Ligth Amplification by Stimulated Emission of Radiation” Amplificação de Luz por Emissão Estimulada de Radiação

5 Emissão expontânea

6 Inversão da população E2 E1 E2 E1

7 Emissão estimulada E2 E1

8 Elementos de um laser Meio activo Fonte de energia exterior-Bombagem
Cavidade óptica ressonante Mecanismo de “out-put”

9 Fonte de energia exterior
Elementos de um laser Cavidade óptica ressonante Meio activo Espelho posterior R=100% Espelho anterior R<100% Fonte de energia exterior - Bombagem- Mecanismo de “out-put”

10 Elementos de um laser Meio activo Fonte de energia exterior-Bombagem
Cavidade óptica ressonante Mecanismo de “out-put”

11 Meio activo Substância com características ópticas, mecânicas, atómicas ou moleculares que tornam possível e eficiente a acção laser. Impõe o comprimento de onda (). Os lasers são habitualmente denominados em função do seu meio activo.

12 Meio Activo GÁZ: Ar+, Kr+, CO2, HeNe, ArF, KrF, XeCl, vapor metálico Cu LIQUIDO: Dye laser SÓLIDO: O elemento activo é suportado por um cristal ( YAG ,YLF, YSGG ) SEMICONDUTOR: Díodo

13 Propriedades da radiação LASER
Monocromaticidade Direcionalidade-COLIMAÇÃO Coerência: espacial e temporal Intensidade ou brilho Polarização

14 Luz como onda electromagnética
Interacção laser - tecido Luz como onda electromagnética

15 Seminário Exemplo de aplicações diagnósticas

16 Polarização O laser é uma onda electromagnética polarizada
Materiais dispersivos, fazem com que a componente de polarização se perca Tecidos biológicos a espessura necessária para perda total de polarização < 1 cm Materiais bi-refrigentes fazem com que a componente de polarização se altere (rodar) Níveis de Glicose no vítreo Espessura da camada de fibras nervosas (NFL) na retina

17 Birrefringência Material em que as propriedades ópticas não são as mesmas em todas as direcções numa mesma amostra

18 OVL – Polarização (RFLA)

19 Scanning Laser Polarimetry
Funcionamento do GDx Polarização Scanning Laser Polarimetry P P’ RPE NFL P’’ P’’’

20 Tomografia Óptica de Coerência
Feixe de luz coerente Díodo superluminiscente Reflectividade óptica interferómetro Tecidos opticamente acessíveis - Imagens em corte de alta resolução -

21 OCT Princípio de funcionamento fonte de luz beam splitter
espelho de referência detector olho

22 Propriedades Ópticas dos Tecidos
Reflexão Refracção Dispersão Absorção Transmissão Feixe incidente F. reflectido F. transmitido F. refractado absorção

23 > densidade < densidade > reflectividade < reflectividade
coef. dispersão exsudados fibrose sangue vítreo fluído seroso, edema

24 OCT 3 - resolução: <10μ axial 20μ transversal - c.d.o: 820 nm (IV)
- Imagem: 128 a 768 A scan (longitudinal) - A scan: 1024 pontos (2mm profundidade) a pontos - t. aquisição: 1 a 2 s - pupila > 3mm

25 Exemplo de aplicações diagnósticas
TTracção vítreoretiniana / Buraco macular (BM) MMembrana prémacular (MPM) / Pseudoburaco macular Corioretinopatia central serosa (CRCS) Edema macular Neovascularização subretiniana Descolamento da retina Miopia Glaucoma

26

27

28 Buraco macular

29 Menbrana - pré-macular

30 Membrana epi-retiniana tracional

31 Membrana epi-retiniana tracional Pré e pós cirurgia

32 Edema Macular - Diagnosticar - Classificar - Localizar - Quantificar
- mapeamento (área central – 1mm) - Tracção DPV incompleto cirurgia - Follow-up eficácia da terapêutica médica cirúrgica

33

34 Glaucoma

35 Efeito doppler (observação circulação retiniana com leucocitos marcados – rato), ainda não possivel com OCT em humanos

36 Interacção laser - tecido
Efeitos térmicos Foto-COAGULAÇÃO Efeitos fotodisruptivos Foto-DISRUPÇÃO Efeitos fotoablativos FOTO-ABLAÇÃO Efeitos fotoquímicos Foto-TERAPIA DINÂMICA

37 Interacção laser tecido

38 Principais cromofobos tecidulares espectro de absorção

39 Interacção laser - tecido
Efeitos térmicos FOTOCOAGULAÇÃO Efeitos fotodisruptivos FOTODISRUPÇÃO Efeitos fotoablativos FOTOABLAÇÃO Efeitos fotoquimicos PDT

40 Interacção laser tecido

41 Interacção laser – tecido
Vários efeitos resultantes da interacção da luz laser Propriedades ópticas dos tecidos Reflexão, Refracção, Absorção e Dispersão Caracteristicas da radiação luminosa Comprimento de onda, Tempo de exposição, Densidade de potência, densidade de energia

42 Interacção laser -tecidos
Fototérmico Fotoquimico Fotoablativo Fotoablativo induzido por plasma Fotodisruptivo

43 Gráfico Potência / tempo de exposição

44 Efeitos fototérmicos Representam 80 % das utilizações médico cirúrgicas Etapa Óptica Etapa Térmica Etapa de desnaturação térmica

45 Gera fonte de calor primária
1/3. Etapa óptica Gera fonte de calor primária Fotão Molécula Energia vibracional Energia cinética Fonte de calor primário

46 Fonte de calor primário
Comprimento onda Irradiância Tempo de exposição Parâmetros da radiação laser Reflexão Absorção Dispersão Características ópticas

47 Características ópticas
(Filtros) 30% O aquecimento dos tecidos provoca alteração das características ópticas do mesmo – Clara Ovo –

48 2/3. Etapa Térmica Transferência de calor para áreas não irradiadas directamente Propriedades térmicas dos tecidos a) Condução térmica b) Difusão térmica

49 3/3. Etapas de desnaturação térmica
T. (ºC) Alterações histológicas 45 Vasodilatação, lesão endotelial, hipertermia 50 Redução actividade enzimática, imobilidade celular 60 Desnaturação proteica e colagéneo, coagulação 70 Permeabilização membranas 80 Contração das fibras de colagéneo, necrose de coagulação 100 Vaporização >150 Carbonização >300 Fusão

50 Principais efeitos térmicos dos lasers
Hipertermia – 45 – 60 ºC Oncologia – termosensibilidade celulas tumorais – 1064 nm Nd:YAG Coagulação Angiomas planos – coagulação vasos sanguineos, absorção hemoglobina (amarelo, verde) Hemostase - Necrose de coagulação pura, sem volatilização. Volatilização Ablação instantânea de tecidos

51 Rasgadura da retina periférica

52 Filme colo do útero

53 Filme térmico - pele

54 Filme veias

55 EFEITO FOTOQUIMICO

56 Efeito fotoquímico Principio:
Administração substância fotosensibilizante, captado selectivamente órgão ou tecido alvo activado secundariamente por uma determinada radiação - criação de substâncias tóxicas morte do tecido alvo h

57 História Tappeiner e Jesionek 1903 – Tratamento de cancros cutâneos com exposição solar e aplicação de eosina. Policard Fluorescência – porfirias – Lipson – Diagnóstico com Hematoporfirina – Activação por luz LASER Inicio utilização clinica

58 PDT – Terapêutica Fotodinâmica
Necessário: Fotosensibilizante Luz determinado comprimento de onda Presença de Oxigénio

59 PDT – Terapêutica Fotodinâmica
1. Fotossensibilizante Porfirias Clorinas Ftalocianinas ALA Administração Via endovenosa, tópica, endocavitária Captação aumentada em determinados tecidos por efeito Tecidular efeito Celular

60 Fotossensibilizante Succinil CoA + Glicina 5- ALA
PP IX (Fotossensivel) Fe HEME Diagnóstico Tratamento

61 2. Activação pela luz Os efeitos fotoquimicos ocorrem Baixa densidade de potência Tempos de acção prolongados O  é escolhido em função: Espectro de absorção do cromoforo Do coeficiente de atenuação

62 Coeficiente de atenuação
Coeficiente de absorção ( probabilidade do fotão ser absorvido) Coeficiente de dispersão – scatter (probabilidade do fotão ser desviado)

63 Lei de Beer - Lambert A quantidade de luz absorvida por um FS
É directamente proporcional Quantidade de luz transmitida ao ponto considerado Concentração local do FS O coeficiente de extinção molar para o  considerado

64 3. Presença de oxigénio O agente FS excitado no estado tripleto reage
Substratos – Reacção tipo I Transferência e- ou H Radicais Oxidação Oxigénio - Reacção tipo II Forma-se oxigénio singuleto 21O por transferência directa Potente oxidante

65 Mecanismos citotóxicos da PDT
Alvos celulares – Membranas - Mecanismos de transporte transmembranar Alvos não celulares - Lesão vascular – vasoconstrição, lesão endotelial, trombos venosos, oclusão vascular irreversível Hipertermia

66 Retinografia DMI – Degenerescência macular da idade

67 Filme foto-quimico

68 INTERAÇÃO LASER TECIDOS
Fotoablação Induzida por Plasma e Fotodisrupção

69 SPILM 9 Nov. 2001 - José Henriques
Introdução OBJECTIVOS: Disrupção óptica - formação de plasma Fotoablação Induzida por Plasma - efeitos á superfície Fotodisrupção - efeitos macroscópicos EFEITOS MECÂNICOS responsáveis acção disruptiva Onda de choque Cavitação Formação do jacto SPILM 9 Nov José Henriques

70 SPILM 9 Nov. 2001 - José Henriques
Introdução Laser pulsado “Q-switch” ou “Mode locking” Duas acções com mesma origem Diferentes densidades de potência em jogo levam a diferente acção do laser Ablação Induzida por Plasma Elevada energia Fotodisrupção Ainda mais alta energia SPILM 9 Nov José Henriques

71 Disrupção Óptica e formação de PLASMA
Laser pulsado “Q-switch” ou “Mode locking” Ablação Induzida por Plasma Fotodisrupção Ambas têm a sua origem na Disrupção Óptica e formação de PLASMA Tecido alvo Laser ps Faísca brilhante de plasma SPILM 9 Nov José Henriques

72 Ablação Induzida ( ou mediada ) por Plasma
O campo eléctrico da onda radiação Quebra as forças dos campos eléctricos médios de Coulomb intra-moleculares e atómicos, permitindo desta forma, a ionização com formação de plasma e a ablação tecidular. SPILM 9 Nov José Henriques

73 Iniciação da geração do plasma
Q-switch Mode locking Emissão termiónica Ionização multifotónica Electrão livre Libertação de electrões por efeito térmico Impulso muito curto Densidade Potência muito elevada Intenso campo eléctrico E INICIAÇÃO IMPULSO LASER Ião SPILM 9 Nov José Henriques

74 COMO O ELECTRÃO LIVRE INICIA O EFEITO AVALANCHE
Crescimento da avalanche electrónica Ião Electrão livre LASER = acelerador de electrões SPILM 9 Nov José Henriques

75 SPILM 9 Nov. 2001 - José Henriques
Formação do plasma FEIXE LASER SPILM 9 Nov José Henriques

76 Ablação Induzida por Plasma
Ablação em superfície Faz pequena cratera limitada ao local do volume focal 1 mm Córnea humana, spot 50, Nd:YLF, ps Dente humano, Nd:YLF, ps, scanner SPILM 9 Nov José Henriques

77 SPILM 9 Nov. 2001 - José Henriques
Fotodisrupção Mecanismo básico de acção é o mesmo da Ablação Induzida por Plasma + Efeitos mecânicos secundários com ruptura tecidular SPILM 9 Nov José Henriques

78 SPILM 9 Nov. 2001 - José Henriques
Fotodisrupção Fibrose capsular Anel de Soemmerring Pré fotodisrupção Pérolas de Elschnig Pós fotodisrupção SPILM 9 Nov José Henriques

79 SPILM 9 Nov. 2001 - José Henriques
Fotodisrupção Fibrose apsular - Anel de Soemmerring PRÉ OPERATÓRIO PÓS OPERATÓRIO SPILM 9 Nov José Henriques

80 Fotodisrupção Disrupção óptica FOTODISRUPÇÃO Formação de plasma
Efeitos secundários associados ao plasma 1 Geração onda de choque 2 ABLAÇÃO INDUZIDA ou MEDIADA POR PLASMA Cavitação 3 Formação de jacto 4 EFEITOS MECÂNICOS determinantes da acção nos tecidos Só ocorrem no seio de tecidos moles ou fluidos Elevadas energias de impulso Elevadas energias de plasma Baixas energias de impulso Baixas energias de plasma FOTODISRUPÇÃO ABLAÇÃO DO TECIDO SPILM 9 Nov José Henriques

81 Fotodisrupção Da formação do plasma aos efeitos tecidulares
Geração de plasmas múltiplos FEIXE LASER Cascata de plasmas múltiplos induzida por laser que caminha na direcção da fonte. SPILM 9 Nov José Henriques

82 Fotodisrupção Disrupção óptica FOTODISRUPÇÃO Formação de plasma
1 Baixas energias de impulso Baixas energias de plasma Elevadas energias de impulso Elevadas energias de plasma Efeitos secundários associados ao plasma EFEITOS MECÂNICOS determinantes da acção nos tecidos 2 Geração onda de choque ABLAÇÃO INDUZIDA ou MEDIADA POR PLASMA Cavitação 3 Só ocorrem no seio de tecidos moles ou fluidos 4 Formação de jacto ABLAÇÃO DO TECIDO FOTODISRUPÇÃO SPILM 9 Nov José Henriques

83 Fotodisrupção Da formação do plasma aos efeitos tecidulares
Formação do jacto Contribui para efeitos disruptivos Faz lesão da barreira próxima (ex. LIO) Alta velocidade do jacto = força de 2 Kbar na água Contra-jacto SPILM 9 Nov José Henriques

84 SPILM 9 Nov. 2001 - José Henriques
INTERAÇÃO LASER TECIDOS Fotoablação Induzida por Plasma Fotodisrupção Filme SPILM 9 Nov José Henriques

85 FOTOABLAÇÃO

86 FÍSICA DO LASER DE EXCIMERO

87 FÍSICA DO LASER DE EXCIMERO
SUMÁRIO: LASER - DEFINIÇÃO LASER – FÍSICA DO LASER PERFIL DO FEIXE DE LASER ENERGIA DE LIGAÇÃO – ENERGIA LASER FLUÊNCIA INTERAÇÃO LASER – MATÉRIA MONITORIZADOR DA PUPILA PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DOS LASERS EXISTENTES NO MERCADO “COMPLICAÇÕES INDUZIDAS PELO LASER”

88 LASER DE EXCIMERO Excited dimer = Excimer
MEIO ACTIVO: GAZ – DÍMERO DÍMERO: MOLÉCULA ENERGETICA COMPOSTA POR DOIS COMPONENTES IDÊNTICOS (Ar – F) Excited dimer = Excimer Emissão ultra-violeta nm

89 Hoje é aceite Fotoablação é sinónimo de: fotodecomposição ablativa por UV e distinto de efeito Fotoquímico Térmico PROCESSO MULTIFOTONICO

90 Foto-Ablação A foto-ablação pode ser sumarizada como um processo em dois estadios    Absorção de fotões UV de alta energia (h) AB + h Excitação (AB)* Promoção a um estado repulsivo excitado A + B + E (Cin., Ter., Rad., ...) Dissociação Ejecção de fragmentos ( sem necrose) Fotografia de alta velocidade de uma fotoablação com laser de excimero de 193 nm, e 900 mJ/cm2, 50 s.

91 Energia de dissociação ( eV)
Energia de ligação Tipo de ligação Energia de dissociação ( eV) C=O 7.1 C=C 6.4 O-H 4.8 N-H 4.1 C-O 3.6 C-C S-H 3.5 C-N 3.0 C-S 2.7

92 LASER -  -Energia ArF 193 6.4 Tipo de laser Comprimento de onda (nm)
Energia fotão (eV) ArF 193 6.4 He-Ne 633 2.0 KrF 248 5.0 Diode 800 1.6 Nd:YLF ( 4) 263 4.7 1053 1.2 XeCl 308 4.0 Nd:YAG 1064 XeF 351 3.5 Ho:YAG 2120 0.6 Argon ião 514 2.4 Er:YAG 2940 0.4 Nd.YLF ( 2) 526.5 CO2 10600 0.1

93 Curva de ablação - sigmoide
Perfil de energia do laser - Gaussiano Curva de ablação - sigmoide Ablação conseguida de 1 por cada 1 J/cm2 O porquê da fluência – Calibração da energia laser Exemplo: Nº disparos 65 ± 2 (6 após inicio vermelho)

94

95 Qualidade do corte

96 Efeito foto-refractivo - esquema
10 ± 2  /dioptria Efeito local foto - ablação Efeito na curvatura

97 From the book “Children’s letters to GOD”

98 Bibliografia Co-autorias:
Pedro Vieira José Dias José Henriques Nani SPILM Sandra Barrão Carlos Marques Neves Curso básico de laser médico SPILM (Sociedade Portuguesa Interdisciplinar de Laser Médico)

99 OBRIGADO

100 Optical diagram of the SLO

101