Fundamentos físicos del laser, interacción laser-tejidos y efectos biológicos

Bienvenida al nuevo modulo sobre Laser y fuentes de luz que estara dirigido por el  Dr. Ruben del Rio de Barcelona. Ruben es un especialista reconocido a nivel internacional en esta subespecialidad de la medicina que poco a poco esta teniendo adeptos
Los editores

Presentacion del módulo por el Dr. Ruben del Rio

Inauguramos este nuevo módulo dedicado a la aplicación del láser y demás fuentes lumínicas en Dermatología. En él trataremos todos los temas que un dermatólogo tanto el puramente clínico como el subespecialista dedicado a esta interesante y apasionante disciplina de la terapéutica física debe conocer. De inicio, creo imprescindible una formación en las bases físicas, el conocimiento de cómo los fotones interactuan con el tejido y adquirir unos cimientos sobre los parámetros dosimétricos de los diferentes equipos. Posteriormente se tratarán en profundidad las diferentes patologías susceptibles de terapéutica láser, los equipos existentes en el mercado en este siglo XXI, la versatilidad de los mismos, sus posibilidades reales, sus mejoras respecto a épocas anteriores y la curva de formación que requieren en cada caso. Tampoco nos olvidaremos de detallar las complicaciones del láser, un apartado que muchas veces no se comenta y cuyo conocimiento es imprescindible.

Esta excelencia nos servirá tanto para el tratamiento de patologías cutáneas importantes en el campo de la dermato-oncología y de las lesiones vasculares y pigmentadas y otras patologías como el vitíligo o la psoriasis, como para dominar las múltiples técnicas de rejuvenecimiento y de la fotodepilación, más propias de la práctica privada o de la Dermocosmética.

Esta base fundamental nos permitirá “movernos” con facilidad en el entendimiento de “qué” estamos hablando cuando los facultativos nos reunamos en los diversos cursos, congresos y meetings. También, más particularmente, por motivos de negocio y gestión en la práctica privada, podremos discernir entre las características técnicas de los diferentes equipos de las compañías fabricantes y las posibilidades “reales” que ofrece cada máquina.

Asimismo, para los colegas que no se dedican específicamente al tratamiento con láser pero nos remiten los pacientes, este módulo les puede servir como conocimiento y guía orientativa sobre las posibilidades de la terapéutica láser.

Quiero agradecer a los editores de Piel latinoamericana la confianza que han depositado  en mi experiencia en este apartado de la Dermatología, espero ofreceros un aprendizaje práctico y ameno y una puesta al día que nos haga mejores dermatológos en la ayuda a los enfermos.

---

El primer dispositivo fabricado para aplicar la teoría de la amplificación de la emisión estimulada data de 1952, construido por Towner. Se denominó MASER (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation). En 1958 se publicaron los primeros trabajos con luz monocromática y coherente acuñándose definitivamente el acrónimo LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) y en 1960 se construyó el primer láser de rubí de longitud de onda (?) 694.3 nm. Tanto en los EEUU como en paralelo en la antigua URSS se investigaba en la tecnología láser y por ello Basov y Prokhorov junto con Townes recibieron el premio Nobel en 1964. A partir de entonces se desarrollaron los láseres de baja potencia para tratamiento de úlceras crónicas y los de alta potencia para cirugía por sus ventajas en corte, coagulación y vaporización.

La luz es una radiación electromagnética cuya energía se transmite a través de partículas denominadas fotones que ocupan el espectro de emisión del ultravioleta (UV, 200-400 nm), visible (400-700 nm) e infrarrojo (IF, 700-10⁶ nm).

Los átomos o moléculas (rodeados de electrones en diferentes niveles de energía en estado de reposo) son susceptibles de absorber o perder energía a través de fotones por cambio de nivel de energía de un electrón.

Se deben conocer unos onceptos básicos para entender la luz láser:

Absorción: Un electrón absorbe un fotón y pasa a un estado excitado.

Emisión espontánea: El electrón en estado excitado o inestable pasa a estado de reposo y libera un fotón.

Emisión estimulada: Un electrón en estado excitado es estimulado por otro electrón de energía similar recuperando el estado de reposo liberando dos fotones de igual energía, dirección y acoplamiento de fase. Estos fotones pueden estimular otros átomos excitados del mismo tipo. Para conseguir esta emisión estimulada se precisan más electrones excitados que en reposo (inversión de la población). Para ello se precisa de una fuente externa de energía que es la que nos creará la emisión láser.

Existen sistemas de emisión de luz no coherente a diferencia del láser que también se pueden usar en Medicina como son la propia radiación solar, la luz convencional, los LEDs (Light Emitting Diode) o la IPL (Intense Pulsed Light)

El láser es una fuente de luz con unas propiedades especiales, monocromaticidad (solo emite en una ?, coherencia (tanto temporal como espacial, todas las ondas están en fase) y direccionalidad (las ondas son paralelas entre sí con muy baja divergencia). Gracias a estas características, el láser da una alta brillantez con gran poder de focalización en un punto o “spot” a una alta concentración de energía. Este fenómeno crea temperaturas muy altas en ese punto (alta densidad de potencia o intensidad). En la emisión láser normalmente los pulsos son ultracortos. Todo ello hacen a la emisión láser característica y diferente de otras formas de energia lumínica. Por ejemplo la IPL es una forma de  emisión de luz muy utilizada en Dermatología que a diferencia del láser es policromática, no coherente y desenfocada.

Para obtener una emisión láser se precisa una fuente de alimentación externa o bomba de energía que excite los átomos de un gas, sólido o líquido que será el sistema emisor. La emisión puede ser pulsada si se suprime muy brevemente uno de los espejos para que escape la luz o contínua si se utiliza un espejo semitransparente para que una porción de luz escape de la cavidad resonante. Por tanto tenemos una fuente de energía, un medio láser y una cavidad de resonancia o tubo. Como sistema de bombeo o fuente de energía tenemos la eléctrica y la fotolumínica. Como medio activo gas se utilizan el argon, el CO₂, el He-Ne, Como sólido el ER:YAG, Nd:YAG y como líquido los colorantes y semiconductores los diodos Para el sistema de amplificación de la señal estimulada se usan espejos o sistemas reflectantes como las superficies de los diodos.

Los láseres emiten en diferentes frecuencias en el UV, visible e IF y existen equipos capaces de seleccionar distintas ? (diodo, colorantes).

Los láseres se pueden clasificar según el tipo de medio generante, el espectro de emisión, la potencia de emisión y densidad de potencia (irradiancia) o la forma de emitir (continuos o pulsados)

La interacción de la luz láser con el tejido esta condicionada a las propiedades ópticas del mismo en función de los fenómenos de reflexión, dispersión (scattering), transmisión y absorción. Este último es el realmente responsable de los efectos moleculares y finalmente clínico-terapéuticos a los que conducirá una determinada fuente de luz. Tan importantes son las características físico-químicas del material como las propiedades de la radiación, es decir la longitud de onda, el tiempo de exposición, la energía, grado de focalización, etc.

Características técnicas de los equipos láser

Tipo de láser o fuente de luz: nombre del medio generador de la emision laser

? : banda del espectro electromagnético donde emite el láser

Las ? de la zona visible del espectro electromagnético entre 400 y 700 nm interaccionan con la melanina, carotenos, hemoglobina y mioglobina segun  las diversas curvas de absorción de estas dianas o cromóforos.  Las ? del infrarrojo (IF) corto entre 700 y 1600 nm presentan una absorción por proteínas con escasa afinidad por el pigmento. De esta manera muestran una gran dispersión en el tejido y un patrón de absorción amplio. Las ? del IF largo se absorben por el agua , en especial por las células que presentan gran cantidad de la misma con lo que su penetración es baja o limitada a las capas superficiales cutáneas. Esta alta absorción da lugar a elevadas temperaturas (del orden de 100 º C) con vaporización  del tejido.

En general se considera que en la piel existe una ventana óptica entre 600 y 1300 nm, es decir la emisión incidente presenta menor absorción a nivel alto epidérmico y mayor transmisión hacia la profundidad del tejido. La capa córnea y la epidermis en general actúan de barrera óptica. La melanina absorbe entre 350 a 1200 nm. La hemoglobina presenta un espectro de absorción con distintos picos. Aun así para alcanzar los vasos profundos en dermis se precisan ? mayores para penetrar más.

Factores a considerar en la emisión láser:

• Tipo de emisión: como aporta la energía, duración del pulso
• Duración del pulso: tiempo de emisión del haz de luz
• Frecuencia del pulso: nº de pulsos por segundo. Afecta a la potencia de emisión y  al ritmo de aplicación
• Intervalo entre pulsos o delay time: tiempo de duración entre los pulsos
• Tamaño del haz: muy importante ya que afecta directamente a la penetración de la luz

Siempre debemos considerar un correcto diseño de la ?, el tiempo de exposición y la fluencia o densidad de energía como veremos en la Teoría de la Fototermólisis Selectiva para conseguir un perfecto resultado para eliminar la diana objeto del tratamiento láser

Los laseres de alta potencia y pulsados (emiten la luz en espacios de tiempo ultracortos y con densidad de potencia alta) son conocidos como Q-Switched y producen el efecto de fotodisrupción o fotoacústico, es decir, una concentración brusca de energía con efecto plasma, expansión termoelástica y ondas de presión o acústicas o de choque con ruptura y fragmentacion del pigmento.

Teoría de la Fototermólisis Selectiva:

Cada cromoforo o estructura o diana puede ser eliminado por la luz sin dañar las estructuras adyacentes al mismo. Este fenómeno se debe a que cada diana presenta un tiempo de relajación termica o TRT diferente. Este concepto (TRT) se define como el tiempo necesario para que el cromóforo o diana reduzca la temperatura a la mitad de la necesaria para destruirla. Por ello desde la formulación de esta teoría por Anderson y Parish en1983 se conoce que el tiempo de emisión del pulso del laser no debe superar el TRT de la diana. El TRT es directamente proporcional al tamaño de la diana. Parte de efectos del láser sobre los tejidos se explican mediante el mecanismo de acción de la Fototermólisis Selectiva: efectos fotoacústico, fotoablativo y fotocoagulativo.

Teoría extendida de la fototermólisis selectiva:

En 2001 Altshuler y cols. Ampliaron esta teoría definiendo el concepto de Tiempo de Daño Térmico o TDT como el tiempo necesario para producir el calentamiento del cromóforo y el calentamiento de la estructura adyacente a una distancia determinada. De este modo el TDT es superior al TRT, hay una difusión de calor y se aplica por ejemplo en la fotodepilación donde la diana del láser es la melanina pero para destruir toda la estructura folicular se precisa dañar la papila dérmica y las células de la protuberancia.

Interacción del láser con los tejidos:

Una vez conocidas las características de cada láser y sus variantes podemos clasificar los efectos del láser en :efectos inmunomoduladores o fotobioquimicos (citotóxicos como en la terapia fotodinámica y bioestimulador),  efectos fototérmicos (vaporización y coagulación), efectos fotoablativos y efectos electromecánicos o fotoacústicos o de ruptura. Algunos láseres pueden producir varios de estos efectos a la vez como por ejemplo, un CO₂ según los parámetros dosimétricos que diseñemos. También otras fuentes de luz no láser pueden dar lugar a parte de estos efectos como son la IPL, los LEDs y la radiación UV.

Efecto electromecánico:

También conocido como fotoacústico o fotodisrupción, es típico de los láseres en modo Q-Switched que emiten en el rango de los nanosegundos (ns). El láser presenta una densidad de potencia alta (>10⁸ W/cm²) en tiempo muy corto (ns o incluso ps). Estos parámetros producen ondas de presión o acústicas por una expansión termoelástica de los tejidos y ruptura final de la diana. Es el más utilizado en el tratamiento de lesiones pigmentarias y tatuajes.

Efecto fotoablativo:

Este efecto se produce cuando la energía del láser se absorbe por moléculas como proteínas, amidas y péptidos de la superficie del tejido. La densidad de potencia es superior a 10⁶ W/cm² y el pulso de ?s. Las ? se encuentran entre 200-300 nm y el el efecto de corte o ablación es superficial sin necrosis vecina. Los láser excímeros son los integrantes de este grupo.

Efecto fototérmico:

Se precisan densidades de potencia de 200 a 10⁴ W/cm² con láseres de 1 a 100 W que focalizan el haz en diámetros de ?m o mm como el láser de CO² de 10.600 nm. Según aumente la densidad de potencia aumentará la temperatura en el tejido y obtendremos los diferentes efectos de corte, vaporización y coagulación/desnaturalización proteica.

Dependiendo del tipo de láser, estos efectos serán más superficiales o profundos. También es muy importante el tiempo de emisión del pulso (contínuo, pulsado, ultrapulsado) según la diana a tratar como se dicta en la teoría de la FS. En el caso del “resurfacing” se deben usar tiempos de emisión menores al TRT de la piel (1 ms).

Efecto fotobioquímico:

Son los producidos por láseres de baja densidad de potencia (0.01 W/cm² a 1-2 W/cm²) y tiempos de emisión >1 s. y se dividen en fotocitotóxico y fotobiomodulador.

El efecto fotocitotóxico es propio de la Terapia Fotodinámica (TFD) donde se precisa de una molécula fotosensibilizante exógena que se acumula en las células diana que al ser irradiadas por la ? adecuada son destruidas. La energía lumínica se transforma en química (efecto fotoquímico). Las sustancias fotosensibilizantes más usadas en Dermatología son los precursores de las porfirinas, el 5-Aminolevulinato (ALA) y el Metilaminolevulinato (MAL). Las porfirinas absorben la luz en el pico de 415 y en 630 nm en menor medida pero al conseguirse mayor profundidad se utilizan fuentes de luz que emitan sobre esta última ? o lo más cerca posible como el láser de colorante pulsado o luces no coherentes como la luz roja por diodos LEDs o IPL con los filtros adecuados y con densidades de potencia de 100 a 300 mW/cm² y dosis de 30 a 150 J/cm².

Efecto fotobiomodulador: La energía lumínica se convierte en energía fotoquímica, inhibiendo o estimulando procesos de regeneración o tróficos, transmisión del dolor o analgésicos y flogóticos o antiinflamatorios. La absorción de los fotones por las moléculas intracelulares estimulan o inhiben reacciones fotobioquímicas. Por ejemplo en el efecto fotoeléctrico, el láser varía el intercambio iónico de la bomba Na/K, la concentración de Ca²⁺ intracelular y acelera el proceso de síntesis de ATP mitocondrial y la producción de especies reactivas de oxígeno (ROS).