Diversi tipi di laser, fonti di luce disponibili

Diversi tipi di laser, fonti di lucedisponibili

S. Mordon

Differenti fonti laser, luci pulsate ad alta intensità e diodi a elettroluminescenza sono oggiutilizzati in dermatologia. La scelta della lunghezza d’onda di queste è dettata dalcromoforo bersaglio (acqua, sangue, melanina). Le irradianze e le dosi applicatedipendono dagli effetti clinici ricercati.© 2007 Elsevier Masson SAS. Tutti i diritti riservati.

Parole chiave: Laser; Fibra; Raffreddamento; Lampade intense pulsate; Lunghezza d’onda;LED

Struttura dell’articolo

¶ Laser 1Principio di funzionamento 1Potenza e durata di emissione 2Dimensioni del fascio laser 2Trasmissione del fascio laser 2Accessori 3Dispositivi di raffreddamento 3Principali laser utilizzati in dermatologia e cosmetica 4Funzionamento in modalità Q-Switched 7

¶ Luci pulsate ad alta intensità 8Principi di funzionamento 8

¶ Diodi a elettroluminescenza (light emitting device: LED) 9Principio 9Sistemi medicali 10

■ Laser

Principio di funzionamentoLa parola laser è costituita dalle iniziali di Light

Amplification by Stimulated Emission of Radiation, cioè«luce amplificata dall’emissione stimolata di radiazione».

Un laser deve comportare almeno tre elementi fonda-mentali: un mezzo attivo (solido, gas, colorante, semi-conduttore), un dispositivo di eccitazione (detto anchedi pompaggio) degli atomi o molecole del mezzo attivo,e infine una cavità di risonanza, il cui obiettivo èaumentare la densità di luce, grazie al principio diemissione stimolata (o indotta). Le caratteristichegeometriche di questo insieme determinano la geome-tria del fascio emesso, sempre molto diretto (pocodivergente) e coerente spazialmente e temporalmente.

Mezzo attivoNel campo medico, i laser a cristalli solidi più comu-

nemente usati sono il rubino (693 nm), l’alessandrite(755 nm) e molti laser la cui matrice è costituita da unalente o una rete di alluminio-ittrio (YAG) esso stesso

«pompato» con un terra rara (serie chimica degli lanta-nidi). Il vantaggio del pompaggio con ioni di terre rareconsiste nel fatto che i laser derivati da queste si situanogeneralmente nel visibile o vicino all’’infrarosso, con-sentendo così anche il pompaggio con lampade flash, ocon laser diodo. Il neodimio: YAG (1,06 µm), l’erbium:lente (1,54 µm), l’olmio: YAG (2,1 µm), l’erbio: YAG(2,9 µm) ne sono alcuni esempi. Questo mezzo attivopuò anche essere un gas come i laser a eccimeri ArF(193 nm) o XeCl (308 nm). Può trattarsi di azoto(337 nm), argo (488-514 nm), di krypton (568 nm), elio(632 nm) o CO2 (10 600 nm). Si può trattare di unvapore come nei laser a vapore di rame (510-578 nm) ovapore di oro (630-650 nm). Il mezzo attivo può essereanche un liquido come il laser a colorante. Numerosicoloranti sono disponibili. Tra questi, il più comune-mente utilizzato è la rodamina 6G che fornisce unadisponibilità di lunghezze d’onda del laser da 560 a630 nm con un’emissione massima a 595 nm. Infine,bisogna citare i laser a semiconduttori che copronoattualmente un’ampia gamma di spettri: diversi semi-conduttori come leghe di arseniuro d’indio, arseniuro digallio e di fosfuro d’indio consentono di ottenerenumerosissime lunghezze d’onda, offrendo dei rendi-menti estremamente importanti, dell’ordine del 60%.Queste leghe sono, ad esempio: InGaAsP: 650-990 nm eInGaAs/InP: 1,8-2 µm. Infine, molto recentemente ècomparso in campo medico il primo laser il cui mezzoattivo è una fibra ottica pompata con erbio.

Dispositivo di pompaggioIl dispositivo di pompaggio può essere una lampada

flash (pompaggio ottico di un mezzo solido), una scaricaelettrica (laser a gas), a volte un altro laser (per esempio.laser a semiconduttori per i laser cristallini).

Cavità di risonanzaQuesta cavità è generalmente costituita da due spec-

chi posti a ogni estremità del mezzo attivo, uno deiquali è semitrasparente e permette così la fuoriuscita delfascio laser (Fig. 1). Il suo scopo è aumentare la densitàdi luce, grazie al principio di emissione stimolata (oindotta).

¶ I – 50-370-C-10

1Cosmetologia Medica e Medicina degli Inestetismi Cutanei

Bisogna soprattutto ricordare che la luce laser èestremamente direzionale. Inoltre, il raggio emesso è digrande purezza poiché contiene solo una lunghezzad’onda precisa, imposta dall’mezzo amplificatore. Aseconda del mezzo attivo e della modalità di funziona-mento esistono diversi tipi di laser con radiazioni la cuilunghezza d’onda e intensità condizionano l’effettotissutale ottenuto e, conseguentemente, le indicazionimediche. Dal primo laser a rubini del 1960, sono staticoncepiti in laboratorio numerosissimi laser. Solo alcunisono oggetto di uno sviluppo medico, poiché i criteri dicosto, efficacia, affidabilità sono essenziali in questosettore.

A livello medico, è possibile distinguere quattrocaratteristiche principali: lunghezza d’onda di emissionedel laser, potenza (o intensità), durata di emissione,dimensioni del fascio laser.

Potenza e durata di emissioneUn laser permette di produrre una grande quantità di

fotoni. Questi fotoni possono essere emessi in modalitàcontinua (secondo [s]), in modalità ad impulsi (millise-condi [ms] o microsecondo [µs]). oppure in modalitàattivata (nanosecondo [s]) (Fig. 2). La potenza (intensità)è inversamente proporzionale al tempo di emissione dellaser. In modalità continua, i laser hanno una potenzabassa (1-10 W) portando, dopo l’assorbimento dei fotonida parte del cromoforo, a un effetto termico, oppure.per assorbimento da parte di un fotosensibilizzante, aun effetto fotochimico. In modalità a impulsi, lapotenza è dell’ordine dei kW e porta a un effettotermomeccanico . Infine, in modalità attivata la potenzaè dell’ordine del MW, e conduce a un’azione elet-tromeccanica (detta anche «azione distruttiva», poiché siha esplosione del bersaglio).

Dimensioni del fascio laserI fasci di luce laser sono dei veri fasci paralleli, la cui

divergenza è estremamente bassa. La luce vi rimanemolto concentrata. Questa proprietà permette di erogaredelle potenze luminose considerevoli su superfici moltopiccole.

Ecco perché, oltre alla lunghezza d’onda, la potenzae la durata di emissione, bisogna prendere in considera-zione la superficie illuminata (spot) dal laser. Sono cosìdefiniti:• il diametro dello spot laser (D):• la superficie dello spot: (p × D2)/4;• l’irradianza I (W/cm2) = potenza (W)/superficie (cm2);• la fluenza F (J/cm2) = potenza × durata di emissione/

superficie (cm2);• potenza × tempo di scarica = energia.

Trasmissione del fascio laserUn laser eroga un fascio perfettamente diretto

(collimato) . Durante un trattamento, occorre dunqueorientare il fascio sul tessuto biologico. Esiste sia lapossibilità di orientare la cavità laser in direzione deltessuto, sia quella di ricorrere a un sistema di trasmis-sione ottica.

Fascio direttoGrazie al loro eccellente rendimento, solo i diodi laser

sono sufficientemente compatti da essere integrati nellostrumento manuale manipolato dall’operatore del laser.I laser diodi utilizzati per l’epilazione ne sono un buonesempio.

SpecchioSpecchiosemitrasparente

Particellaeccitabile

Fonte di eccitazione

Figura 1. Schema del principio di un laser (qui mezzo solidocon pompaggio ottico).

Tempo

Pot

enza

A BTempo

Pot

enza

C

Pot

enza

Tempo

Figura 2. Differenti modalità di emissione dei laser.A. Modalità continua: è un otturatore al di fuori della cavità che determina il tempo di scarica. Potenza: 1-10 W.B. Modalità ad impulsi: è il sistema di pompaggio del laser che determina il tempo dell’impulso. Potenza: 100 W-1 kW.C. Modalità attivata: è un Q-Switched posto nella cavità del laser che controlla l’emissione del laser. Potenza: 1-10 MW.

5 mm, 5 J/cm2, T = + 15°C

2,5 mm, 20 J/cm2, T = + 60°C

Figura 3. Fluenze ottenute per2,5 e 5 mm. La potenza del laser,10 W, e il tempo di scarica di 0,1 ssono identici.

“ Punto importante

È molto importante conoscere le dimensioni dellospot. Se, per esempio, con uno spot di 5 mm unlaser che emette 10 W per 0,1 s ottiene unafluenza di 5 J/cm2 e un aumento dellatemperatura del bersaglio di 15 °C, la riduzionedello spot di metà, o 2,5 mm, riduce la superficiedi un fattore 4, e la fluenza è così di 20 J/cm2,portando allora a un aumento della temperaturadi 60 °C. Il rischio di sovradosaggio, econseguentemente il rischio cicatriziale, divienequi evidente (Fig. 3).

.

I – 50-370-C-10 ¶ Diversi tipi di laser, fonti di luce disponibili

2 Cosmetologia Medica e Medicina degli Inestetismi Cutanei

Fibra otticaLe fibre ottiche sono un mezzo di trasmissione molto

pratico per la loro flessibilità e il loro piccolo diametro.Sono anche un mezzo di trasmissione molto efficace nelcampo del visibile e vicino all’infrarosso, poiché leperdite sono dell’ordine di 0,1 db / km. Vengono cosìutilizzate in moltissimi laser (Fig. 4). Tuttavia, per lelunghezze d’onda inferiori a 0,3 µm o superiori a2,5 µm e per impulsi molto intensi erogati dai laserQ-Switched, non risultano convenienti.

Braccio articolatoNel caso dei laser CO2 e erbio, e dei laser Q-Switched

utilizzati per la rimozione dei tatuaggi, il braccioarticolato a specchi resta ancora il mezzo di trasmissionepiù comunemente utilizzato. Il braccio articolato ègeneralmente formato da due tubi rigidi e leggeri, consei-sette articolazioni, su cui può essere connesso unmanipolo o uno scanner. Ogni articolazione è compostada due pezzi che sostengono ciascuno uno specchiopiano inclinato di 45° rispetto all’asse di rotazione delpezzo. Il fascio ottico che si propaga parallelamente aquesto asse subisce una rotazione di 90° nel piano diincidenza dello specchio. L’associazione di due articola-zioni, o anche tre nel caso dello strumento manuale,permette di orientare il fascio laser in tutte le direzioni.

Se il braccio articolato a specchio era, fino ad unrecente passato, considerato un dispositivo meccanico eottico fragile, il ricorso a materiali compositi permette diottenere attualmente delle braccia di ottima qualitàottica. Il mantenimento dell’allineamento dei fascivisibili e infrarossi non rappresenta più un problemaparticolare.

Accessori

Strumenti manualiGli strumenti manuali permettono di focalizzare il

fascio e sono concepiti per facilitare il gesto del medico.Essi devono essere adattati a ogni laser e a ogni tipo ditrasmissione. Questi strumenti manuali differisconoessenzialmente per la distanza focale F della loro lente,che permette di determinare l’angolo di focalizzazione eil diametro ∅ dell’impatto nel punto focale: ∅ = F × tgh = F × h, dove h è la divergenza del fascio laser inradianti (dell’ordine di 2 10-3 radianti per un laser aCO2 monomodo).

Così, per una focale di 100 mm il diametro minimoa questa distanza focale è di ∅ = 0,2 mm. Di conse-guenza, la scelta di uno strumento manuale di focalepiù breve permetterà di ottenere un impatto di diametropiù piccolo. Al fine di lavorare alla distanza focale, i

manipoli sono generalmente equipaggiati con undistanziatore posto al suo apice libero che determinamolto precisamente la distanza ideale tra strumento etessuto (Fig. 5).

ScannerScanner è un anglicismo che indica un apparato che

assicura lo spostamento automatico e programmabile diun fascio laser. Sviluppati in origine per il trattamentodi angiodisplasie cutanee, gli strumenti manuali auto-matizzati sono proposti oggi sulla maggior parte deilaser utilizzati per lo spianamento delle rughe e da pocosu quelli utilizzati per l’epilazione (Fig. 6A, B).

Uno scanner deve assicurare parecchie funzioni: inprimo luogo, lo spostamento deve essere riproducibileperché la copertura della zona da trattare sia omogenea(Fig. 7A, B); in secondo luogo, quando lo spot laser èfisso (fascio laser collimato o distanza mantenutacostante) e di conseguenza l’irradianza (W/cm2) è nota,è possibile applicare una dose di luce (fluenza in J/cm2)costante e riproducibile controllando il tempo diesposizione.

Queste due funzioni consentono allora un tratta-mento più rapido e più attendibile di superfici elemen-tari varie a seconda del tipo della forma geometricariproducibile da parte dello scanner: quadrato, esagono,rettangolo, linea, triangolo ecc. (Fig. 8A). Gli spotpossono essere sequenziali o sovrapposti, e la distanzadei singoli spot tra loro all’interno di un motivo geome-trico determina la densità di copertura (Fig. 8B).

Dispositivi di raffreddamentoSu molti laser a uso dermatologico sono proposti dei

dispositivi di raffreddamento. Il raffreddamento del-l’epidermide e del derma superficiale, prima o duranteil trattamento laser, è utilizzato per rinforzare l’azionedel laser. In primo luogo, il raffreddamento riduce latemperatura ottenuta a livello della melanina contenutanel derma, riducendo i rischi di discromia. In secondoluogo, questo raffreddamento permette di ricorrere aun’energia più elevata, potendo di conseguenza esserepiù efficace a livello di un vaso o di un pelo. Infine, ilraffreddamento contribuisce a ridurre il dolore e forniscedunque un comfort al paziente e all’operatore. Alcuni diquesti sistemi possono anche migliorare l’accoppia-mento ottico e quindi contribuire a una miglioreefficacia del laser.

Figura 4. Fibra ottica. Si vede bene la divergenza del fascio inuscita.

Dimensione dello spot 1,4 mm

3 mm - Zona testdi intensità




3/4 mm

1 1/2 mm

Figura 5. In funzione del sistema ottico utilizzato, è possibilemodificare le dimensioni del fascio laser.

.

.

Diversi tipi di laser, fonti di luce disponibili ¶ I – 50-370-C-10


Il principio più semplice consiste nel porre per alcunisecondi un cubetto di ghiaccio sulla cute prima deltrattamento. Può anche essere utilizzato un gel raffred-dato. I sistemi più sofisticati fanno spesso ricorso a undispositivo ottico nel quale circola un liquido di raffred-damento. Questi sistemi sono mantenuti a contatto conil tessuto durante il trattamento laser. In questo caso, ilfascio attraversa la finestra ottica. La temperatura delliquido è generalmente dell’ordine di 3-4 °C.

Un’altra tecnologia consiste nell’inviare uno spray digas criogenico. Questo gas è il più delle volte clorodi-fluorometano o tetrafluoroetano. La durata dello spray(dell’ordine di 30-50 ms) e il tempo tra l’emissione dispray e l’inizio dell’erogazione laser sono parametriimportanti, perché la temperatura di questi spray èmolto bassa (da − 40 °C a − 26 °C). Con una sceltaoculata è possibile ottenere in maniera molto riproduci-bile una temperatura alla superficie cutanea dell’ordinedi 2 °C.

Alcune società fanno ricorso a un dispositivo termoe-lettrico che genera del freddo attraverso l’applicazione diuna corrente elettrica.

Infine, è anche possibile soffiare dell’aria raffreddatadirettamente sulla cute, per mezzo di un «climatizza-tore» modificato.

Principali laser utilizzatiin dermatologia e cosmetica

La Tabella 1 sintetizza le principali indicazioni deilaser in dermatologia e cosmetica. Ogni laser è descrittopiù in dettaglio qui sotto. È possibile proporre unaclassificazione di questi laser in cinque categorie:• laser ad emissione nell’infrarosso remoto (2-15 µm)

che sono assorbiti assai fortemente dall’acqua;• laser a emissione nell’infrarosso medio (1,3-2 µm) che

sono mediamente assorbiti dall’acqua e così utilizzatiprincipalmente per il rimodellamento (riscaldamentodel derma superficiale);

• laser a emissione vicino all’infrarosso e al rosso (0,6-1,3 µm) che sono scarsamente assorbiti dai tessutibiologici e sono quindi principalmente utilizzati perl’epilazione e il trattamento dei bersagli vascolariprofondi;

• laser a emissione nel visibile eccetto il rosso (0,4-0,6 µm), utilizzati preferibilmente per i bersaglivascolari superficiali e la depigmentazione;

• laser a emissione nel violetto o l’ultravioletto.

Figura 6.A. Scanner SmartScan utilizzato con un laser 532 nm per iltrattamento di angiodisplasie cutanee.B. Scanner CPG sviluppato da Coherent Medical per il laser CO2

Ultrapulse.

AB

Figura 7.A. Copertura manuale.B. Copertura con uno scanner.

Quadrato

Linea

Esagono

Losanga

Triangolo

RettangoloA

Spot contigui Spot con copertura

BFigura 8.A. Esempi di figura di copertura.B. Diversi tipi di copertura.

.



Laser CO2 (10,6 µm)Il laser al biossido di carbonio CO2 è un laser a gas,

vale a dire che il mezzo amplificatore è allo statogassoso. I laser a gas atomico, dove è utilizzata unatransizione elettronica tra due livelli di un atomo neutro(come l’HeNe), si distinguono dai laser a gas ionico,dove sono utilizzate delle transizioni tra due livelli di unatomo ionizzato (come l’argon) e dai laser a gas mole-colare (nel caso del CO2). Nei laser a gas molecolare,sono utilizzate delle transizioni tra livelli vibrazionali erotazionali delle molecole attive. È il caso del laser CO2,che in realtà è costituito da una miscela di molecole diCO2, di azoto N2 e di elio He: ognuna di queste trecostituenti riveste un ruolo cruciale. L’emissione deilaser CO2 avviene con un rendimento eccezionale(dell’ordine del 10%, o anche fino al 30%).

Laser erbium: YAG (2,94 µm) ed Er: Glass(1,54 µm)

Il laser Er: YAG è un laser solido, che funziona con glistessi principi del laser Nd: YAG. Il mezzo attivo diquesto laser è costituito dagli ioni trivalenti di terre rare(Nd3+, Ho3+, Tm3+, Er3+), che entrano in sostituzionenella rete di una matrice cristallina. Nel caso del Er:YAG, il laser utilizza gli ioni trivalenti Er3+ di una terrarara (erbio) presenti allo stato di eccitanti in una rete dialluminio a ittrio (yttrium aluminium garnet). Questa reteè un cristallo isotropo, resistente e dalle eccellentiqualità ottiche. L’interesse del drogaggio con gli ioni diterre rare consiste nel fatto che le loro transizioni lasersi situano generalmente nel visibile o vicino all’infra-rosso vicino, autorizzando così il pompaggio con lam-pade flash. Il laser Er: YAG pompato con flash puòfunzionare a una cadenza da 10 a 50 Hz ( barre elampade con raffreddamento a circolazione d’acqua),poiché lo YAG presenta una buona conduttività termica.Può erogare degli impulsi di 200 µs con un’energia di1 J. Benché il rendimento di questo laser sia solodell’1%, l’interesse principale di questo è un assorbi-mento da parte dell’acqua che è 10 volte superiore aquello del laser CO2. Il laser Er: YSCG (yttrium scandiumgallium garnet) funziona anch’esso secondo un principiosimile. Solo la matrice cristallina è diversa, e conseguen-temente la lunghezza d’onda nominale è di 2,79 µm.

Il laser Er: Glass fa ricorso ad una matrice cristallinain vetro e non più YAG. Il risultato è una modificazionedei livelli di energia e conseguentemente della lun-ghezza d’onda di emissione, che si situa a 1,54 µm. Aeccezione di questo aspetto, il suo funzionamento èsimile a quello dell’Er: YAG. La sua lunghezza d’onda lodestina alle applicazioni di riscaldamento del derma.

Laser a fibra ottica -1,54 µmIl principio del laser a fibra è simile al principio dei

laser descritti in precedenza, ma, anziché ricorrere a unabarra, viene utilizzata una fibra drogata all’erbio comemezzo attivo. Il pompaggio è eseguito a un’estremitàdella fibra per mezzo di un diodo laser. In questo tipodi laser, gli specchi sono sostituiti da reti di Bragg. Ildiametro estremamente ridotto del nucleo della fibrapermette di ottenere un laser con notevoli qualitàottiche. La potenza è proporzionale alla lunghezza dellafibra. Con questo tipo di laser è possibile usare parec-chie decine, perfino un centinaio di watt (Fig. 9).

Laser diodo (1,45-0,98 µm, 0,8 µm)In un laser diodo il mezzo attivo è un cristallo

semiconduttore costituito da atomi neutri disposti inuna rete cristallina. Il materiale più utilizzato nel campodei laser a semiconduttori è l’arseniuro di gallio (GaAS).L’associazione di questo materiale ad altre leghe, comel’arseniuro di indio o il fosfuro di indio, permette diottenere delle bande di emissione che si estendono da750 a 2 100 nm (Fig. 10). Il rendimento dei laser asemiconduttori è molto elevato, poiché alcuni possonoraggiungere il 60%. Possono così essere ottenute dellepotenze considerevoli con questo tipo di laser, e i laserdiodi sono attualmente proposti per molte applicazionimediche. Il laser diodo può essere integrato diretta-mente nello strumento manuale, oppure è integrato inmodo più convenzionale nella scatola di alimentazione.In questo caso la trasmissione avviene attraverso fibraottica.

Laser Nd: YAG (1,32 µm, 1,06 µm, 532 nm)Il laser Nd: YAG è utilizzato da molto tempo in

medicina. È un laser solido il cui mezzo attivo è costi-tuito dagli ioni trivalenti di un terra rara, il neodimio(Nd3+), che entra in sostituzione nella rete di un granatodi alluminio a ittrio (yttrium aluminium garnet). Perquesto laser è possibile realizzare il pompaggio per

Tabella 1.Principali indicazioni dei laser in dermatologia e cosmetica.

Laser Lunghezza d’onda Uso

CO2 10,6 µm Spianamento

Erbium:YAG 2,94 µm Spianamento

Er:Glass 1,54 µm Spianamento frazionato (resurfacing frazionale) - Rimodellamento

Diodo InGaAs/InP 1,45 µm Rimodellamento

Nd: YAG millisecondo 1,32 µm Rimodellamento

Nd: YAG Q-Switched 1,06 µm Depigmentazione - Rimozione di tatuaggi

Nd: YAG millisecondo 1,06 µm Epilazione - Vascolare

Diodo InGaAsP 800 - 810 nm Epilazione

Alessandrite Q-Switched 755 nm Depigmentazione - Rimozione di tatuaggi

Alessandrite millisecondo 755 nm Epilazione

Rubino Q-Switched 694 nm Depigmentazione - Rimozione di tatuaggi

Rubino millisecondo 694 nm Epilazione

Colorante pompato con flash 585 - 595 nm Vascolare - Rimodellamento

Krypton 568 nm - 521 nm Vascolare- Depigmentazione

Vapore di rame 578 nm - 510 nm Vascolare- Depigmentazione

Nd: YAG doublé Q-Switched 532 nm Depigmentazione - Rimozione di tatuaggi

Nd: YAG raddoppiato millisecondo 532 nm Vascolare - Depigmentazione

Argon 514 nm - 488 nm Vascolare - Depigmentazione

Eccimeri 308 nm Psoriasi



mezzo di lampade flash o con uno o più diodi laser.Questo laser a quattro livelli possiede molte transizionidi lunghezza d’onda in emissione. La principale ha unalunghezza d’onda corrispondente a 1 064 nm (R2−Y3).Alcune società hanno sviluppato dei laser Nd: YAG cheemettono a 1,32 µm (transizione R2−X1). Ne esistonouna ventina d’altri, il cui principale inconveniente èquello di avere un rendimento più modesto(Tabella 2). [1]

Il laser Nd: YAG può avere una frequenza doppia(duplicato in frequenza). Nel suo principio, il raddoppioin frequenza (divisione per due della lunghezza d’onda)è basato sull’ottica non lineare. Per fare ciò, si utilizzaun cristallo «raddoppiatore». Si tratta molto spesso daun cristallo KTP (potassio titanil fosfato). Grazie aquesto cristallo KTP, è possibile ottenere una lunghezzad’onda 532 nm a partire dalla sua lunghezza d’ondafondamentale di 1 064 nm. Fino a 30% dell’intensità a1 064 nm sono trasformati in intensità a 532 nm(Fig. 11). L’associazione di diodi laser per il pompaggioalla tecnica del raddoppio con cristalli permette ora diottenere dei laser molto compatti che erogano parecchiwatt in continuo. Questo laser sostituisce vantaggiosa-mente il laser argon (laser a gas) utilizzato, ancora finoa pochi anni fa, per il trattamento delle angiodisplasiecutanee.

Con il principio del raddoppio descritto precedente-mente è possibile ottenere a partire da un laser Nd: YAGa 1 320 nm, un laser che emetta nel rosso a 660 nm.Allo stesso modo, il ricorso alla transizione a 1 123 nm(R1-Y6) permette per raddoppio di ottenere 562 nm.Stanno attualmente comparendo dei laser a tre lun-ghezze d’onda. Le potenze attualmente disponibili sono

tuttavia ancora leggermente troppo deboli per la derma-tologia. In effetti, se questo tipo di laser eroga da 1,5 Wa 532 nm, è limitato a 600 mW a 562 nm e a 660 nm.

Laser alessandrite (755 nm)Il laser ad alessandrite è un laser solido pompato con

lampada flash regolabile in continuo su una larga bandatra 720 e 860 nm. Il suo rendimento è massimo a755 nm. Il mezzo laser è un cristallo, il crisoberilliodrogato al cromo (Cr3+: BeAl2O4). Il nome «alessandrite»venne dato a questo cristallo quando nel 1830, all’epocadello Zar Alessandro II, fu scoperto allo stato naturalenegli Urali. Questo cristallo è ottenuto per sintesidall’inizio degli anni Settanta. La tecnologia di questolaser è simile a quella dei laser Nd: YAG. Il suo rendi-mento è simile, dell’ordine del 2%. A differenza dellamaggior parte dei laser a matrice solida, i laser adalessandrite, la cui accordabilità è d’altra parte ottenutafacendo variare la temperatura del cristallo, diventanopiù efficaci quanto più questa aumenta, il che riduce ivincoli di raffreddamento.

Diodo laserdi pompaggio

Ottica difocalizzazione

8 µm 170 µm

Cuore eccitatoall'erbium

330 µm

interna

esternaCladding

Cladding

Figura 9. Principio del laser a fibra (illustrazione dell’autore).

700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100

Lunghezza d'onda (nm)

(Al, Ga) InP/GalnP

GalnNAs

InGaAs/GaAIAs InGaAsP

Ga(Al,In)SbA,sInGaAs QD

Figura 10. Bande di emissione di diodi laser.

Tabella 2.Transizioni laser in un cristallo di Nd: YAG [1].

Lunghezze d’onda(µm, aria)

Transizione Prestazionerelativa

1,05205 R2→Y1 46

1,06152 R1→Y1 92

1,06414 R2→Y3 100

1,0646 R1→Y2 ~ 50

1,0738 R1→Y3 65

1,0780 R1→Y4 34

1,1054 R2→Y5 9

1,1121 R2→Y6 49

1,1159 R1→Y5 46

1,12267 R1→Y6 40

1,3188 R2→X1 34

1,3200 R2→X2 9

1,3338 R1→X1 13

1,3350 R1→X2 15

1,3382 R2→X3 24

1,3410 R2→X4 9

1,3564 R1→X4 14

1,4140 R2→X6 1

1,4440 R1→X7 0,2

Pompaggio con diodi

Ottica di accoppiamento

Specchio

riflettenteNd : YAG

Cristallo KTP

Specchio HR 1064 nm

HT 532 nm

Figura 11. Schema del principio di un laser Nd:YAG pompatocon diodo e raddoppiato in frequenza con un cristallo di potassiotitanilfosfato (KTP). Illustrazione dell’autore.



Laser rubino (694 nm)Noto dagli anni Sessanta per il suo impiego in oftal-

mologia e in dermatologia, il laser rubino è un laser acristalli. Il mezzo ospite è un cristallo di ossido dialluminio (Al2O3) e il mezzo attivo è costituito da undrogaggio con ioni di cromo (Cr3+) del peso di circa0,04% . Il laser rubino emette a 694 nm.

Laser a colorante (585-595 nm)Il laser a colorante (dye lasers) utilizza come mezzo

attivo delle molecole di un colorante organico fluore-scente in soluzione in un liquido ospite. Grazie alnumero elevato di livelli di vibrazione e di rotazionedelle molecole di colorante, l’emissione di un laser acoloranti non è monocromatica, ma estremamenteampia (da 10 nm a 100 nm). Ne deriva la possibilità divariare la lunghezza d’onda dell’emissione in campiimportanti di colore. Esistono numerosissimi colorantiche ricoprono tutto lo spettro visibile e anche vicinoall’infrarosso. Il più utilizzato è la rodamina 6G, con laquale si ottiene una luce che va dal giallo all’arancio(570 nm-610 nm) con il miglior rendimento ottenuto a590 nm. Le transizioni del livello fondamentale a unostato vibrazionale e rotazionale sono ottenute perpompaggio ottico. Con processi molto rapidi vienedissipata l’energia di vibrazione e di rotazione. L’emis-sione di luce per fluorescenza è uno dei risultati dellatransizione dal livello superiore al livello fondamentale,dato che esiste anche una forma di transizione nonradiante dal livello superiore a un livello detto «triplet».Questo stato «triplet» presenta diversi inconvenienti:assorbe la luce di pompaggio e possiede una durata divita molto lunga, che rappresenta una trappola per lemolecole eccitate che si ritengono partecipare allatransizione laser. Questo è il motivo per cui si usa unpompaggio con lampada flash a impulsi che permettecosì di abbreviare la durata di vita dallo stato «triplet».Queste lampade flash consentono infine di otteneredegli impulsi relativamente intensi e la cui durata puòvariare da alcuni microsecondi a 1 ms. L’eccitazione èrealizzata per mezzo di una lampada flash allo xenoncoassiale il cui plasma circonda il colorante entro untubo cilindrico. È possibile ottenere con questo generedi laser delle potenze di picco dell’ordine di kW.

Il prolungamento della durata dell’emissione del lasera colorante pulsato da 0,45 ms a 1,5 ms, o addirittura a4 ms, l’uso di lunghezze d’onda spostate nel rosso,595 nm, 600 nm, hanno permesso di proporre il suoutilizzo per il trattamento delle varicosità degli artiinferiori. Sono stati recentemente introdotti sul mercatodei laser a colorante che emettono dei treni di impulsidi 40 ms: gli studi clinici sono attualmente in corso.

Laser krypton (521-568 nm)La tecnologia di questo laser è in tutto simile a quella

dell’argon. Si giunge anche a mescolare questi due gasin modo di generare dei raggi alle lunghezze d’ondadelle due componenti. Questo laser copre pressappocol’insieme dello spettro da 337 nm a 793 nm. Presentadelle lunghezze d’onda particolarmente interessanti peril trattamento di angiodisplasie cutanee che si situanorispettivamente a 568 nm (giallo) e 521 nm (verde).

L’inconveniente di questo laser è, come per l’argon,un rendimento molto basso che richiede di disporre diun’alimentazione elettrica importante (trifasica 380 V,da 20 a 60 A per fase) e di un’alimentazione ad acquaper il raffreddamento. I dispositivi più recenti impie-gano tuttavia dei circuiti interni per il raffreddamento.

Laser a vapore di rame (510-578 nm)Anche il laser a vapore di rame è un laser a gas. Più

precisamente, il mezzo attivo è costituito da un vaporemetallico entro un gas raro a riposo (elio oppure neon).

Un metallo (qui il rame a 1 500 °C) è riscaldato ad altatemperatura. Esistono diversi laser a vapori metallici. Illaser a vapore di rame presenta il vantaggio fondamen-tale di emettere due lunghezze d’onda particolarmenteinteressanti per la dermatologia: 510 nm (70%) e578 nm (30%) e di avere anche un migliore rendimentorispetto al laser krypton (dell’ordine dell’1%). Inoltre,con questo laser non è necessario rinnovare o raffred-dare il gas attivo. Al contrario, il riscaldamento del gasraro durante la scarica è utilizzato per elevare la tempe-ratura del tubo di ceramica fino a circa 1 500 °C. Questatemperatura elevata è però anche un inconvenienteimportante di questo laser, in particolare se utilizzato ascopo medico, poiché il tubo è in realtà un forno e pergiungere a temperatura richiede molto tempo.

Recentemente, il rame è stato sostituito dal bromurodi rame. Il vantaggio del laser al bromuro di rame èquello di funzionare ad una temperatura inferiore(dell’ordine di 900 °C), il che accresce il suo rendimentoe gli conferisce quindi molti vantaggi. Questo laserfunziona solamente nella modalità a impulsi, con dellecadenze dell’ordine di 5 kHz e degli impulsi dell’ordinedi 10-40 ns. Questo tipo di funzionamento permette diassimilarlo a un laser a emissione quasi continua.

Laser a eccimeri 308 nm Xe-ClLa luce del laser a eccimeri è prodotta da una miscela

di un gas raro e di un alogeno. In caso del laser aeccimeri che emette a 308 nm, si tratta di xenon ecloro. La parola «eccimero» significa «dimero eccitato»:si tratta cioè di coppie eccitate di due atomi (dimeri) digas. Con rendimenti del 2%, questo laser emette impulsidi alcuni nanosecondi ad alcune decine di nanosecondicon una frequenza di ripetizione che va da qualchehertz ad alcune centinaia di hertz. L’energia di ogniimpulso può essere molto variabile, da alcuni millijoulesin medicina a qualche joule nell’industria, dove sonoutilizzati dei laser a eccimeri di diversi metri di lun-ghezze e del peso di diverse tonnellate.

Funzionamento in modalitàQ-Switched

La maggior parte dei laser ricordati precedentementeè utilizzata in modalità continua o in modalità a rila-scio. In questa modalità a rilascio, l’emissione del lasersegue quella della lampada flash o della scarica elettricache produce l’eccitazione del laser.

Per alcune applicazioni (per esempio la rimozione deitatuaggi), è possibile far funzionare alcuni laser (rubino,alessandrite, Nd: YAG) in modalità Q-Switched. Quandoun laser funziona in questa modalità, può produrredegli impulsi molto brevi (dell’ordine del nanosecondo,10-9 s) e con una potenza istantanea molto alta (10-1 000 MW).

Una tale funzionamento è ottenuto con una ridu-zione del coefficiente di qualità o di sovratensione dellacamera di risonanza ottica (cavità ottica), di modo cheil guadagno, cioè l’inversione di popolazione atomica,possa crescere fino a un valore molto elevato. Quandol’inversione è prossima a 1 (tutti gli atomi allo statoeccitato, con conseguente accumulo di un’energianotevole), il coefficiente di qualità è improvvisamenteriportato al suo valore nominale. Questo processoconverte la quasi totalità dell’energia immagazzinatanegli atomi in fotoni che ora circolano entro la cameradi risonanza. Tali modalità di funzione possono essereripetute solo periodicamente (1 a 10 Hz), poiché ognivolta deve essere dissipata una quantità di calore moltoelevata. È stata concepita una grande varietà di tecnicheper realizzare il Q-Switched: le principali sono lo spec-chio o il prisma ruotante, la cellula di Kerr, la cellula diPockels e i liquidi ad assorbimento saturabile.



Il laser rubino, che emette a 694 nm, è utilizzato inmodalità Q-Switched con durate di impulso dell’ordinedi 25-40 ns. Per quanto riguarda il laser Nd: YAGQ-Switched, oltre alla lunghezza d’onda fondamentale a1 064 nm e quella ottenuta con raddoppio a 532 nm, èpossibile ottenere lunghezze d’onda supplementaricollegando all’estremità del braccio ottico un lasersolido a colorante. Questo laser è in realtà una barra dipolimero impregnato di un colorante. È così possibileottenere delle emissioni a 585 nm e a 650 nm. L’energiaerogata è allora più debole. In linea generale, il laser Nd:YAG Q-Switched è molto interessante, poiché è relativa-mente compatto e di estrema affidabilità.

■ Luci pulsate ad alta intensitàDal 1995 sono proposti degli apparecchi a lampade

flash pulsate (intense pulsed light - IPL - nella letteraturaanglosassone) come alternativa alle sorgenti laser [2].Diversi costruttori commercializzano questi sistemipraticamente per tutte le applicazioni dermatologiche inorigine trattate con il laser: angiodisplasie cutanee,varicosità degli arti inferiori, epilazione e più recente-mente «fotoringiovanimento» (neologismo che significaringiovanimento della pelle).

Principi di funzionamentoQuesti apparecchi sono composti di due elementi:

• un involucro contenente l’alimentazione elettrica e ilcontrollo elettronico;

• un illuminatore che integra la lampada flash (Fig. 12).La lampada flash integrata nell’illuminatore è identica

a quelle utilizzate per il pompaggio ottico di un laserNd: YAG. Questa lampada emette su di un ampiospettro (300-1 200 nm), dal visibile fino vicino all’infra-rosso. Queste lampade hanno tuttavia uno spettromolto variabile e le macchine proposte dai differenticostruttori non sono assolutamente confrontabili. LeFigure 13 e 14 esemplificano gli spettri di emissione di

due sistemi attualmente commercializzati. Gli spettri diemissione di queste lampade sono estremamente diffe-renti. Inoltre, questi spettri varieranno in funzionedell’intensità applicata alla lampada e in funzionedell’invecchiamento di quest’ultima.

A differenza di un laser, che emette un raggio di lucedi diametro molto ridotto e di conseguenza estrema-mente energetico, la luce emessa da una lampada flashsi disperde in tutte le direzioni. Un riflettore integratonell’illuminatore permette tuttavia di recuperare unaparte dei fotoni, che vengono reindirizzati verso la zonadi trattamento. Questo illuminatore è associato a un’ot-tica posta a contatto con la cute.

La luce emessa non è dunque monocromatica comenel caso di un laser. Bisogna dunque ricorrere a un filtroper selezionare una parte dello spettro. Se il bersaglio èvascolare, il filtro scelto avrà una banda passante che siestende da 540 a 1 000 nm (perfino, per alcuni costrut-tori, 950 o 1 200 nm). In effetti, un tale filtro eliminale componenti blu-verde fortemente assorbite dallamelanina; Al contrario, la luce gialla ben assorbitadall’emoglobina è mantenuta (Fig. 15 e 16). Nel casodell’epilazione, si cerca di ridurre al minimo l’azionesull’emoglobina e la scelta si rivolgerà dunque ad unfiltro che escluda le componenti blu-verde, ma anchegiallo-arancio. Il filtro avrà quindi una banda passantemeno larga, che si estende da 650 a 1 000 nm (rosso-infrarosso). Alcune società propongono dei filtri la cuiemissione più complessa permette di mirare meglio a uncromoforo specifico.

Con tali illuminatori, la zona di trattamento puòessere solo relativamente ampia. La maggior parte dei


La scelta della lunghezza d’onda del laser dipendedal cromoforo bersaglio (acqua, sangue,melanina). La scelta della modalità di emissionedipende dall’effetto desiderato: termico,elettromeccanico.

Riflettore ellittico

Lampada flash

Filtro

Figura 12. Schema del principio dell’illuminatore.

550 600 700 800 900 1000 1100 1200


100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

Figura 13. Spettro di emissione della lampada (documenta-zione Spectrapulse).

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

200 300 400 500 600 700 800 900 1000


Figura 14. Spettro di emissione della lampada (documenta-zione Lumina).



produttori propone degli illuminatori con un’ottica cheha una superficie rettangolare di 8 × 35 mm o di 10 ×45 mm. Al fine di migliorare il contatto con la cute, edi conseguenza l’accoppiamento ottico, si utilizza un geltrasparente, tipo «ecografia». Inoltre, se questo gel vieneraffreddato preventivamente, può ridurre il riscalda-mento a livello della zona di contatto (Fig. 17). LaFigura 18 presenta alcuni illuminatori.

Alcuni costruttori offrono la possibilità di sostituire isistemi ottici connessi all’illuminatore. È allora possibilecambiare le dimensioni dell’ottica a contatto con la cutee selezionare la finestra di lunghezze d’onda emesse(Fig. 19 e 20). Queste lampade possono essere associatea dei sistemi di raffreddamento come quelli descritti inprecedenza per i laser.

■ Diodi a elettroluminescenza(light emitting device: LED)(Tabella 3)

PrincipioIl diodo a elettroluminescenza è un’invenzione

piuttosto recente. In effetti, è nel 1962 che il primodiodo a elettroluminescenza a spettro visibile è statocreato da Nick Holonyak. I LED (DEL: diodo a elet-troluminescenza) a emissione nell’infrarosso sono ipiù antichi (vengono spesso utilizzati neitelecomandi).

Una diodo a elettroluminescenza è una compo-nente optoelettronica che trasforma un segnale dinatura elettrica in un segnale di natura luminosa oviceversa. La tensione elettrica applicata a un mate-riale semiconduttore induce un’emissione di luce(Fig. 21 e 22).

La lunghezza d’onda dell’irraggiamento emessodipende dal materiale semiconduttore utilizzato. Tutti ivalori dello spettro luminoso possono essere raggiunticon i materiali attuali (Fig. 23). Per ottenere dell’infra-rosso, il materiale adatto è l’arseniuro di gallio (GaAs)con Si o Zn come drogante. I fabbricanti propongononumerosi tipi di diodi con specificità diverse. Si puòcitare il tipo più diffuso, i diodi a GaAs, che sono i piùeconomici e hanno un uso generale. Benché richiedanouna tensione diretta più elevata, i diodi a GaAlAs

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

200 300 400 500 600 700 800 900 1000


Figura 16. Epilazione. Il filtro lascia passare solo le lunghezzed’onda comprese tra 650 e 1 000 nm. Documento dell’autore.


Le luci pulsate ad alta intensità non sono dei laser:l’emissione di queste fonti non è unidirezionale. Ifasci non sono collimati e di conseguenza èpossibile trattare solo superfici importanti.

Figura 18. Diversi illuminatori proposti dalla società Palomar(documentazione Palomar).

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

200 300 400 500 600 700 800 900 1000


Figura 15. Trattamento di una lesione vascolare. Il filtro lasciapassare solo le lunghezze d’onda comprese tra 540 e 1 000 nm.Documento dell’autore.

Figura 17. L’applicazione di gel è necessaria prima di porrel’illuminatore sulla cute (fotografia dell’autore).



presentano una potenza d’uscita più alta, hanno unalunghezza d’onda più breve.

Sistemi medicaliOggi, diversi costruttori propongono dei sistemi

medici a base di LED. Questi sono costituiti da pan-nelli di diverse decine di diodi. Le applicazioni diquesti sistemi dipendono dalle lunghezze di ondeutilizzate.

Così, la società Phototherapeutics propone un sistema(LED 415 +/− 5 nm) per trattare l’acne, un sistema (LED633 +/− 3 nm) per la PDT e un sistema (LED 830+/− 5 nm) per la cicatrizzazione (Fig. 24). La societàGentlewaves propone un sistema (LED: 580 +/− 5 nm)per il fotoringiovanimento. Le irradianze emesse daquesti apparecchi sono dell’ordine di 40-100 mW/cm2

(Fig. 25).

Figura 20. Filtri utilizzabili sull’illuminatore della figura 19(fotografia dell’autore).

Tabella 3.Tipi differenti di light emitting device (LED).

Colore Lunghezzad’onda

Materiale semiconduttore

IR k > 760 arseniuro di gallio-alluminio(AlGaAs)

Rosso 610 < k < 760 arseniuro di gallio-alluminio(AlGaAs)

arseniuro/fosfuro di gallio (GaAsP)

Arancio 590 < k < 610 arseniuro/fosfuro di gallio (GaAsP)

Giallo 570 < k < 590 arseniuro / fosfuro di gallio (GaAsP)

Verde 500 < k < 570 nitruro di gallio (GaN)

fosfuro di gallio (GaP)

Blu 450 < k < 500 seleniuro di zinco (ZnSe)

nitruro di gallio / indio (InGaN)

carburo di silicio (SiC)

100

80

60

40

20

400 450 550500 650600 700Lunghezza d'onda (nm)

Distribuzione relativadi potenza (%)

0

Figura 23. Spettri di emissione dei light emitting device (LED) infunzione del materiale semiconduttore utilizzato.

Figura 19. Illuminatore della società Lumenis (fotografiadell’autore).

Anode Cathode

• Lente (scatola colorata) Permette di proteggere il LED.

• Coppetta riflettente Permette di correggere i raggi luminosi in una direzione precisa.

• Chip semiconduttore Emette la luce e misura circa 1 mm2.

Figura 21. Schema del principio di una light emitting device(LED).

12

34

CM

Figura 22. Light emitting device (LED) di colori diversi.



■ Riferimenti bibliografici[1] Koechner W. Solid-state laser engineering. New York:

Springer-Verlag; 1996.

[2] Ross EV. Laser versus intense pulsed light: competingtechnologies in dermatology. Lasers Surg Med2006;38:261-72.

S. Mordon, Directeur de recherche Inserm ([email protected]).Pavillon Vancostenobel, Centre hospitalier universitaire de Lille, 59037 Lille cedex, France.

Ogni riferimento a questo articolo deve portare la menzione: Mordon S. Diversi tipi di laser, fonti di luce disponibili. EMC (Elsevier MassonSAS, Paris), Cosmetologia Medica e Medicina degli Inestetismi Cutanei, 50-370-C-10, 2007.

Figura 24. Sistema light emitting device (LED) per la PDT (do-cumentazione Phototherapeutics).

Figure 25. Sistema light emitting device (LED) per il fotoringio-vanimento (documentazione Gentlewaves).

Disponibile su www.emc-consulte.com/it

Algoritmidecisionali

Iconografiasupplementare

Video /Animazioni

Documentilegali

Informazioni peril paziente

Informazionisupplementari

Autovalutazione

.



Diversi tipi di laser, fonti di luce disponibili

Documents

Transcript of Diversi tipi di laser, fonti di luce disponibili