lasers de alta intensidade e suas interaÇÕes com...

LASERS DE ALTA INTENSIDADE E SUAS INTERAÇÕES COM OS TECIDOS

1

P. A. Ana

2

absorção penetração

absorçãoPenetração

Temperatura

Efeito

térmico coagulação, corte, vaporização, ablação ou carbonização

não térmico

fotoquímicos –bioestimulação, analgésico e antiinflamatório

RELEMBRANDO …

RELEMBRANDO …

JANELAS DE ABSORÇÃO

• 200-350 nm (UV) -> proteínas e DNA dominam absorção

• 600-1300 nm -> geralmente, menores coeficientes deabsorção óptica alta penetração - efeitos térmicos profundos(ou) terapias mediadas por processos fotoquímicos

• > 2000 nm (IR) -> água é o principal absorvedor

3

4

0.2 0.4 0.6 0.8 1 2 3 4 6 8 1010

-4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

103

104

105

Co

efi

cie

nte

de a

bso

rção

(cm

-1)

Comprimento de onda (m)

Água

Nd Tm Ho Er CO2

Hidroxiapatita

Excimer

Lasers

de c

ora

nte

Laser

de T

i:safira

Lasers

de s

em

iconduto

r (d

iodo

)

Laser

de e

létr

ons liv

res

Laser

de C

r:LiS

AF

PRINCIPAIS LASERS MÉDICOS

LASERS DE ALTA INTENSIDADE

Regra geral:

• intensidades acima de 10 W / cm2

• radiação contínua (CW) ou com duração de pulsos acima deaproximadamente 1 ms

5

MECANISMOS DE INTERAÇÃO LASER DE ALTA INTENSIDADE-TECIDO

• Térmicas– Carbonização

– Coagulação

– Vaporização

– Decomposição térmica

– ablação

• Fotoablação

• Ablação mediada por plasma

• Fotorruptura

6

MECANISMOS DE INTERAÇÃO LASER-TECIDO

7

10-15

10-12

10-9

10-6

10-3

100

103

10-3

100

103

106

109

1012

1015

1 fs 1 ps 1 ns 1 µs 1 ms 1 s

1 mW/cm2

1 W/cm2

1 kW/cm2

1 MW/cm2

1 GW/cm2

1 TW/cm2

1 PW/cm2

UV

Fotoablação

IR

Interações térmicas

vis - IR

Interações fotoquímicas

15 minutosIn

ten

sid

ad

e (

W/c

m2)

Tempo de exposição (s)

Ablação induzida por plasma

Ablação porondas de choque

INTERAÇÕES TÉRMICAS• interações onde o parâmetro significativo é o aumento na temperatura local

• Não há uma reação química específica associada

8

Córnea humana vaporizada e coagulada com

120 pulsos de um laser de Er:YAG (90 s, 5 mJ, 1 Hz)

Dente humano vaporizado com 20 pulsos de

um laser de Er:YAG (90 s, 100 mJ, 1 Hz)

Dente humano carbonizado com um laser

contínuo de CO2 (1 W)

Dente humano fundido com 100 pulsos de

um laser de Ho:YAG (3,8 s, 18 mJ, 1 Hz)

100m

1mm

coagulaçãoablação explosiva

carbonização fusão

INTERAÇÕES TÉRMICAS

9

Origem microscópica: absorção em bandas rotacionais-vibracionais moleculares,

seguida por decaimento não-radioativo

absorção (fóton) colisões inelásticas aumento da energia cinética

= 3 µm


10

Processo altamente eficiente :

• absorção facilitada pelo grande número de estados vibracionais acessíveis na

maioria das biomoléculas

CO2 laser 10,6 m hn = 0,12 eV

Er:YAG laser 2,94 m hn = 0,35 eV

Nd:YAG laser 1,06 m hn = 1,2 eV

energia cinética média de uma molécula a 25oC kT = 0,025 eV


Efeitos dependem de:

• Parâmetros laser– Comprimento de onda

– Densidade de energia

– Tempo de exposição

– Tamanho do spot

– Taxa de repetição

• Parâmetros do tecido– Coenficiente de absorção

– Coeficiente de espalhamento

11


12

13

400o

100o

60o

42o

37o

Aquecimento Tecidual

Redução na atividade de enzimas, imobilidade

celular

Vaporização incisional, ablação

Rápida Incisão e Fusão

• destruição de ligações

• alterações nas membranas

• fração do tecido sofre

necrose

Normal

50o

• redução na fração

de células

sobreviventes

• necrose

• empalidecimento do

tecido

Denaturação tecidual, coagulação

80o Permeabilização de membranas• destruição do equilíbrio

de concentrações

químicas

>150o

• escurecimento do

tecido

• pode ser evitado pelo

resfriamento do tecido

com gás ou água

Carbonização

• derretimento do tecido

•grande aumento de volume,

• bolhas de gás,

• rupturas mecânicas

•decomposição térmica

•vapor gerado carrega o

excesso de calor e evita o

aumento de temperatura

do tecido adjacente

oC

EFEITOS TÉRMICOS

14

Feixe laser

Disposição dos efeitos térmicos dentro do tecido :

Tecido

Hipertermia

Coagulação

Carbonização

Vaporização



15

Tempos de relaxação térmica da água e da hidroxiapatita

0.2 0.4 0.6 1 2 3 4 6 8 10

1µs

1ms

1s

Hidroxiapatita

Água

Tem

po d

e r

ela

xação térm

ica

Comprimento de onda (m)

15 min

Região

de

interesse

para

ablação

térmica

Puig, MPLO

RELEMBRANDO …

16

Interações térmicas

1. Apenas a luz que é absorvida é útil.

2. Uma parte da luz transmitida é espalhada dentro do tecido,

o que em alguns casos leva a danos longe da região desejada.

3. É interessante utilizar lasers de comprimento de onda ressonantes, cujo feixe é

fortemente absorvido pelo tecido. Nesse caso, o espalhamento não tem efeito

significativo e a deposição de calor (distribuição de temperatura) acompanha a

distribuição de intensidades do feixe laser (conhecida e controlada).

4. Se a duração do pulso laser é curta comparada com o tempo de relaxação térmica,

o transporte de calor é insignificante durante o pulso laser. Nesse caso, o efeito térmico

é predominantemente produzido na região de penetração óptica.

5. Para altas taxas de repetição dos pulsos, um aumento cumulativo

na temperatura pode produzir danos extensos no tecido.

LASERS DE ALTA INTENSIDADE -INTERAÇÕES TÉRMICAS

• Objetivo: aumentar a temperatura local do tecido para seobter um efeito desejado

• Efeitos: coagulação, vaporização, carbonização, derretimento,corte

• Lasers típicos: CO2, Nd:YAG, Er:YAG, Er,Cr:YSGG, Ho:YAG,Ho:YLF, Argônio, Diodo

• Duração típica dos pulsos: 1 µs até 1 min

• Densidades de potência típicas: 10 – 106 W/cm2

17




– Coagulação

– Vaporização


– ablação

• Fotoablação


• Fotorruptura

18

ABLAÇÃO TÉRMICA = ABLAÇÃO EXPLOSIVA

• Ablação laser por vaporização de tecido ou por mecanismotermomecânico

• = remoção explosiva de tecido mediada pela água– dependente da absorção

• água é o principal cromóforo– concentração nos tecidos

– absorção intensa no infravermelho

– localização sob camadas do tecido

19

100 m

ABLAÇÃO EXPLOSIVA

• Altas pressões são geradas pelo rápido aquecimento decamadas de água confinadas abaixo da superfície do tecido,levando a microexplosões

• Pode ocorrer a temperaturas bem abaixo (~250oC) do pontode fusão dos tecidos duros (900C a 1200C)

20

O

H

H

ABLAÇÃO EXPLOSIVA

• A absorção do laser pode se dar pelo material duro, pela águaou por ambos.

• principais lasers com grande absorção pela água ou pela H-A(a ≥ 100 cm-1) :

– Laser de CO2 -> penetração pequena (µm) na H-A -> o calorque irá produzir a ablação é entregue por conduçãotérmica no esmalte

– Lasers de érbio: penetração na H-A é maior que 0,1 mm

– Lasers de Ho, Tm: penetração na H-A é maior que 50 cm(desconsiderando espalhamento)

– Laser de elétrons-livres : entre 4 < < 6 µm, penetração naH-A é ~ 1 cm

21

(1) MODELO DO ESTOURO

Assume que a ablação ocorre instantaneamente e se estende a uma profundidade

na qual a fluência do laser cai para um certo valor de limiar.

• mudanças transientes nas propriedades ópticas do tecido

• efeitos da pluma de ablação

• condução de calor no tecido

• prevê corretamente a forma e profundidade da cratera como

função da fluência para valores próximos do limiar.

• não leva à descrição da uniformidade do dano gerado nas

paredes e no fundo da cratera.

Ignora:

Características:

Descrição Matemática:

1

),(

1),(

LF

rFrd

onde : d (r,) é a profundidade da cratera, F (r,) é a distribuição de

fluência do pulso, FL é a fluência de limiar e é o coeficiente de absorção

COMO ESTIMAR A CRATERA GERADA?


23

EXEMPLO DE CÁLCULO DA CRATERA

laser de Er:YAG (2,94 m) com fluência de pulso de 25 J/cm2

A fluência de limiar para este laser é de 10 J/cm2 para o esmalte e 1 J/cm2 para a dentina.

Assumiu-se = 800 cm-1 para o esmalte e = 4500 cm-1 para a dentina

-0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.660

40

20

0

Pro

fundid

ade d

a c

rate

ra (

m)

Raio (mm)

esmalte

dentina


(2) MODELO DA CAMADA LÍQUIDA

Considera que o aquecimento pelo laser gera, além da vaporização de tecido,

uma camada líquida que pode ser expelida da cratera pela variação de pressão

radial, originada devido ao perfil Gaussiano do feixe laser.

Limitações:

• modelo tipicamente aplicável a durações de pulso

da ordem de várias centenas de microsegundos;

• é melhor aplicado para tecidos moles.


(3) MODELO DA MICROEXPLOSÃO DA

GOTA D’ÁGUA

Considera que a água presente no tecido

está concentrada em uma gota no centro

da cratera que será gerada pela explosão.

Pôde-se demonstrar que a razão ótima

entre o diâmetro da cratera e a sua

profundidade é 2,8 para ablação de esmalte

com laser de Ho:YLF. Além disso, pôde-se

calcular a massa de tecido removida por

pulso.

Bonk et al., 1998

ABLAÇÃO EXPLOSIVA

Cuidados a serem observados:

• Fluências abaixo do limiar de ablação:– calor acumula-se no tecido

– carbonização ou fusão devido ao superaquecimento pode ocorrer

26

ABLAÇÃO EXPLOSIVA

27

LASER

carbonização

necrose

rachaduras

A B

LASER LASER

necrosecarbonização

esmalte

dentina

A B

Efeitos térmicos Efeitos termomecânicos




– Coagulação

– Vaporização


– ablação

• Fotoablação


• Fotorruptura

28

FOTOABLAÇÃO

• rompimento direto das ligações moleculares por fótons de altaenergia (UV)

• ablação limpa, associada com pequeno ruído e fluorescência

• durações de pulso: 10 a 100 ns

• intensidades: 107 a 1010 W/cm2

• Vantagens:

– precisão de corte

– Previsibilidade

– Completa ausência de danos térmicos

• aplicação mais importante: cirurgias de correção refrativa dacórnea -> lesões de miopia, hipermetropia e astigmatismo

29

FOTOABLAÇÃO

30

100 µm

FOTOABLAÇÃO - MECANISMO

• Simulação em tecidoshomogêneos (polímeros dePMMA – polimetacrilato demetila - acrílico) -> fáciltransposição para tecidosnão homogêneos(biológicos)

31Força de repulsão ~ 1/r12Energia de ligação de C-C = 3,6 eV

Interação da luz laser com tecidos biológicos: AplicaçõesPuig - Setembro /1999 32

e -A B

vibração

ligação covalente

Molécula orgânica

promoção a estados excitados de energia, repulsivos

A B

vibração

ligação covalente

Estado excitado instável

e -

dissociação

A B

dissociação

ligação quebrada

Átomos livres

fóton

AB + hn (AB)*AB + hv -> (AB)*

(AB)* A + B + Ecinética

Absorção de fótons de alta energia (UV)

Promoção a estados excitados de energia, repulsivos

Dissociação

Ejeção de fragmentos (sem necrose) ablação

FOTOABLAÇÃO – MECANISMO

Puig, MPLO

33

Diagrama de níveis de energia :

hn

estado fundamental AB

estado excitado (AB)*

Distância radial

Energ

ia

energia de

ligação

FOTOABLAÇÃO

34

Energia de

dissociação de

algumas ligações

químicas típicas:

Laser Comprimento Energia do

de onda (nm) fóton (eV)

ArF 193 6,4

KrF 248 5,0

Nd (4w) 263 4,7

XeCl 308 4,0

XeF 351 3,5

Argônio 514 2,4

Nd (2w) 526 2,4

He-Ne 633 2,0

Diodo 800 1,6

Nd 1050 1,2

Ho 2080 0,6

Er 2940 0,4

CO2 10600 0,1

Comprimentos de onda e

energias de fóton para

alguns sistemas laser

selecionados :

FOTOABLAÇÃO

energia (eV) 2,7 3,0 3,6 4,1 4,8 6,4 7,1

C-S C-N

S-HC-CC-O

N-H O-H C = C C = O

UV

35

Modelo utilizado para fotoablação: Modelo do estouro

Mas: a profundidade de ablação é determinada pela energia do pulso até um limite de saturação

Exemplo: ablação de córnea de coelho com laser de ArF

102

103

104

0,0

0,5

1,0

Fluência (mJ/cm2)

Pro

fundid

ade d

e a

bla

ção

(m

/puls

o)

FOTOABLAÇÃO – CÁLCULO DA CRATERA FORMADA

Plasma

absorve

radiação

FOTOABLAÇÃO

36

Nd:YLF, 532 nm, 150 µJ/pulso, 30 psNd:YLF, 263 nm, 20 µJ/pulso, 30 ps

FOTOABLAÇÃO

37


FOTOABLAÇÃO

38


FOTOABLAÇÃO

39

Vantagens : • Precisão

• Previsibilidade

• Completa ausência de dano térmico aos tecidos adjacentes

(para laser de ArF - 193 nm)

Desvantagens : • Componente térmica significativa para comprimentos de onda

maiores que 193 nm

• Baixa velocidade de ablação

(menos que 1 m por pulso e taxas de repetição moderadas)

• Citotoxidade - DNA absorve intensamente entre 240-260 nm

• Danos ao DNA decrescem na ordem:

248 nm (KrF) > 193 nm (ArF) > 308 nm (XeCl)

FOTOABLAÇÃO

• Principais fontes UV

40

FOTOABLAÇÃO

excimer

Lâmpada de mercúrio

excimer

Radiação dos lasers de excimer é menos mutagênica que luz UV ou lâmpada de Hg

LASERS DE ALTA INTENSIDADE -FOTOABLAÇÃO

42

• Objetivo: quebra de ligações moleculares por fótons de altaenergia (UV)

• Efeitos: ablação muito limpa, associada com fluorescência

• Lasers típicos: excimers (ArF, KrF, XeCl, XeF)

• Duração típica dos pulsos: 10 a 100 ns

• Densidades de potência típicas: 107 – 1010 W/cm2

• Principais aplicações: cirurgia refrativa da córnea




– Coagulação

– Vaporização


– ablação

• Fotoablação


• Fotorruptura

43

ABLAÇÃO MEDIADA POR PLASMAPLASMA

• gás consistindo de íons, elétrons, e partículas neutras (todoslivres)

• As partículas têm energias elevadíssimas (milhares ou milhõesde graus)

• Para se manter este estado é necessário fornecer energiacontinuamente para impedir a recombinação. Geralmenteisso é feito através de um campo elétrico.

• O comportamento desse gás é dominado pela interaçãoeletromagnética entre as partículas carregadas.

44

ABLAÇÃO MEDIADA POR PLASMA

• Campo elétrico -> ruptura dielétrica

• = geração de um plasma devido a um intenso campo elétrico

45

RUPTURA DIELÉTRICA

• O parâmetro mais importante deste fenômeno é a força do campo elétrico

local E , a qual determina o colapso óptico do tecido

• A força do campo elétrico está relacionada com a densidade de potência(equações da eletrodinâmica):

Onde:

• 0 = constante dielétrica

• c = velocidade da luz

• Se E excede um valor de limiar, isto é, se o campo elétrico aplicado forçar aionização de moléculas e átomos, ocorre a ruptura.

46

2

02

1),,( cEtzrI

COLAPSO ÓPTICO

• = Ruptura dielétrica causada por um pulso laser de altaintensidade focalizado em um gás, líquido ou na superfície deum sólido

• Ocorre para intensidades acima de 1011 W/cm2 em sólidos elíquidos, ou 1014 W/cm2 no ar.

• Campo elétrico correspondente: 107 V/cm

• O plasma gerado absorve fortemente a radiação UV, visível eIR “plasma quente”

• Para sólidos, o pulso laser também causa ablação do material

47


48

Nd:YLF, 30 ps, 1 mJ, 5.1012 W/cm2

MECANISMOS ENVOLVIDOS

Avalanche de elétrons:

• Lasers Q-switched: emissão termoiônica devido a uma ionizaçãotérmica do material

• Lasers Mode-locked: ionização multi-fotônica ocorre devido ao altocampo elétrico induzido pelo intenso pulso laser

49

MECANISMOS ENVOLVIDOS

• Densidade de elétrons livres criada no foco do feixe laser:tipicamente entre 1018 / cm3 e 1021 / cm3.

• Temperatura do plasma: tipicamente de algumas dezenas demilhares de oC.

• A energia do pulso ultracurto é depositada em uma camadabastante fina de material: esse processo tem coeficientes deabsorção típicos acima de 104 cm-1.

• A energia dos elétrons é transferida para os íons, e acontece aejeção do material.

50

CÁLCULO DA ESPESSURA DO MATERIAL REMOVIDO

fórmula aproximada para a ablação por pulsos defemtosegundos

Onde:

FP é a fluência do pulso laser

EE é a energia de evaporação do material por unidade devolume.

51

.5

E

P

E

Fd

CÁLCULO DA ESPESSURA DO MATERIAL REMOVIDO

Portanto: A ablação é seletiva!

52

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.00

10

20

30

40

Pro

fun

did

ad

e d

e a

bla

ção

(m

/ p

uls

o)

Energia do pulso (mJ)

Esmalte cariado

Dentina sadia

Esmalte sadio

Laser de Nd:YLF : duração 30 ps, foco 30 m

Puig, MPLO

OUTRAS CONSIDERAÇÕES

Energia do pulso:

• refletida pelo plasma

• ejetada com os vapores

• quebra das ligações do material

• aquecimento do material

53

USLP = ULTRA SHORT LASER PULSES

Empresa: Clark-MXR, Inc. (Michigan, USA)

Modelo: CPA-2001

• Ti:Safira

• energia por pulso > 0,8 mJ

• largura de pulso < 150 fs

• comprimento de onda: 775 nm

• taxa de repetição: 1kHz

• Alimentação: 110V (Sem necessidade de sistema externo de refrigeração)

• PREÇO: US$ 300 000.00 (sem sistema de entrega de feixe)

54

USLP = ULTRA SHORT LASER PULSES

Empresa: Spectra-Physics (California, USA)

Modelo: Hurricane

• Ti:Safira

• energia por pulso > 0,8 mJ

• largura de pulso < 130 fs

• comprimento de onda: ~ 825 nm

• taxa de repetição: 1kHz (5kHz disponível)

• Tamanho: 93.6 x 64.8 x 22.8 cm

• Alimentação: 110V (Sem necessidade de sistema externo de refrigeração)

• PREÇO: US$ 300 000.00 (sem sistema de entrega de feixe)55


56

Dente humano exposto a

16 000 pulsos de um laser

Nd:YLF de picosegundos

(1,05 m).

Duração dos pulsos: 30 ps.

Energia dos pulsos: 1 mJ

A ablação mostrada na

foto é resultado da

varredura dos feixes

focalizados sobre o tecido.

As rachaduras superficiais

ocorreram durante a

preparação para a

microscopia eletrônica.


57

Córnea com Nd:YLF,

30 ps, 200 µJ

50 µm


• Objetivo: ablação laser pela formação de um plasma ionizante

• praticamente sem dependência com comprimento de onda

• Efeitos: ablação limpa, associada com pequeno ruído e clarãoazulado

• durações de pulso: 100 fs a 500 ps


• aplicações mais importantes: cirurgias da córnea, odontologia

• principais lasers usados: Nd:YLF, Ti:Safira, Cr:LiSAF

58

ANÁLISE DO PLASMA FORMADO

Análise espectroscópica da centelha de plasma:

• a densidade de elétrons livres

• temperatura do plasma

• Composição química do plasma

Controle do tecido que sofre ablação

59

ANÁLISE DO PLASMA FORMADO

LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy – Espectroscopia de RupturaInduzida por Laser)

• técnica espectroanalítica que emprega a microamostragem por ablação alaser e subseqüente excitação dos espécies presentes no microplasmadurante a ablação ou imediatamente após esta

60

LIBS

• emprega um feixe de laser pulsado, de alta irradiância, daordem de GW/cm2, que é focalizado sobre a superfície daamostra

• promove a formação de um plasma de alta temperatura,geralmente entre 10.000 a 20.000 K

• Durante a relaxação, os átomos, íons e fragmentos demoléculas excitados no plasma emitem um espectro deemissão característico do material volatilizado da amostra

61

LIBS

62

LIBS

63




– Coagulação

– Vaporização


– ablação

• Fotoablação


• Fotorruptura

64

Principais efeitos do colapso óptico:– Formação de plasma

– Geração de ondas de choque

• Se o colapso óptico ocorrer no interior de tecidos moles oulíquidos, ocorre cavitação ou formação de jato

• Durante a fotodisrupção, o tecido é dividido por meio deforças mecânicas

• Enquanto que a ablação induzida por plasma é confinadaespacialmente na região de colapso, ondas de choque ecavitação propagam pelo tecido– Ex: para pulsos de ns, os efeitos mecânicos podem ser da ordem de

mm 65

FOTORRUPTURA = FOTODISRUPÇÃO = ABLAÇÃO POR ONDAS DE CHOQUE

FOTODISRUPÇÃO

• Face anterior de uma placa de vidro, exposta a dez pulsos de um laser de Nd:YLF,com pulsos de 30 ps de duração e energia de 1 mJ, focalizados em 30 m.

66

FOTODISRUPÇÃO

67

FENÔMENOS QUE OCORREM:

• Formação de plasma: começa durante o pulso laser e dura porpoucos ns -> difusão de elétrons livres para o tecido circundante

• Geração de ondas de choque: associada com a expansão doplasma -> começa durante a formação do plasma

• Cavitação: efeito macroscópico que começa de 50 a 150 ns apóso pulso laser• ocorre quando o laser está focalizado no interior do tecido, e não em sua

superfície

• Bolhas de cavitação = vapor de água ou óxido de carbono que podem sedifundir para o tecido adjacente -> gera colapsos no tecido

• Formação de jato: ocorre quando a bolha é gerada naproximidade de uma interface sólida

FOTODISRUPÇÃO

68

Optical Breakdown

Formação de plasma- ionização do volume focal- confinado espacialmente- 70% a 99% da energia

Geração de

onda de choque- alto gradiente de pressão- movendo a velocidade

supersônica- 1% a 5% da energia

Cavitação- vapor induz tensões

mecânicas- sucessiva expansão

e colapso- 10% a 15% da energia

Formação de jato- próximo a interfaces

sólidas- durante colapso de

cavitação

FotodisrrupçãoAblação induzida por plasma

Ablação do tecido

FOTODISRUPÇÃO

69

FOTODISRUPÇÃO

• Objetivos: fragmentação e corte de tecido por forçasmecânicas

• Efeitos: formação de plasma; geração de ondas de choque;cavitação; formação de jato

• durações de pulso: 100 fs a 100 ns


• aplicações mais importantes: fragmentação de cristalino(capsulotomia posterior do cristalino – após cirurgia decatarata) e destruição de cálculos urinários. Tem se tornadouma ferramenta bem estabelecida para cirurgiasminimamente invasivas.

70

DÚVIDAS ???

71

lasers de alta intensidade e suas interaÇÕes com...

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