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Fallstudie:
Laseroptiken in der Hautbehandlung

von Randall Hinton

Ermöglichung fortschrittlicher Hautbehandlungen durch Laseroptiken

Laser und
Hautbehandlung

Laser sind ein wichtiger Bestandteil bei Hautbehandlungen wie beispielsweise der Haarentfernung, Akne- und Narbenreduzierung, Tattooentfernung, Sonnenfleckentfernung und Hautrevitalisierung. Dermatologische Laserbehandlungen basieren üblicherweise auf einer selektiven Behandlung eines Chromophors in der Haut durch eine geeignete Auswahl von Wellenlänge, Pulsintensität und PulsdauerDie zeitliche Dauer eines optischen Pulses, der von einem Laser emittiert wird. des Laserlichts. Von der Lichtenergie erzeugte fotothermische und fotoakustische Effekte können Strukturen in der Haut verändern.

Laser werden für diese Anwendungen gerne eingesetzt, da ihr schmales Wellenlängenband die spektrale Auswahl des Zielchromophors verbessert. Laser mit Pulsdauern im Bereich von Nano- oder Pikosekunden können die zeitliche Selektivität der Zielstruktur maximieren, was die Entfernung von kleinen Blutgefäße oder Tattoopigmente ermöglicht.

Einige bekannte Firmen, die laserbasierte Geräte für die Hautbehandlung herstellen, sind Aerolase, Alma Lasers, Candela, Cutera Inc, Cynosure Inc und Lumenis.1  

Laseroptiken bei der Tattooentfernung

Ein Tattoo besteht aus permanenten Pigmenten, die in die Dermis der Haupt injiziert werden, einem Hautgewebe unterhalb der Epidermis. Die dichte Lage aus Farbpigmenten kann vom Immunsystem nicht beseitigt werden und verbleibt so fest an der Grenze zwischen Dermis und Epidermis (Abbildung 1). Um ein Tattoo zu entfernen, müssen die großen Farbpartikel in kleinere Teile aufgespalten werden, die dann von bestimmten Typen der weißen Blutkörperchen, den Phagozyten und Makrophagen, eingeschlossen und entsorgt werden können. Über gepulstes Laserlicht können die Farbpartikel aufgebrochen werden (Abbildung 2).

Partikel der Tattoofarbe können durch einen Laser in der Dermis der Haut in kleine Stücke aufgespalten werden, die der Körper dann entsorgen kann
Abbildung 1: Partikel der Tattoofarbe können durch einen Laser in der Dermis der Haut in kleine Stücke aufgespalten werden, die der Körper dann entsorgen kann
Diese Zeichnung zeigt den Aufbau eines Festkörperlasers, der durch einen zweiten Festkörperlaser mit einem Q-Switch und frequenzkonvertierenden Elementen gepumpt wird und häufig für Tattooentfernungen eingesetzt wird
Abbildung 2: Diese Zeichnung zeigt den Aufbau eines Festkörperlasers, der durch einen zweiten Festkörperlaser mit einem Q-Switch und frequenzkonvertierenden Elementen gepumpt wird und häufig für Tattooentfernungen eingesetzt wird

Die Lasersysteme variieren je nach Anwendung und benötigter Präzision in Verstärkermaterial, Wellenlänge, Pulsintensität und Pulsdauer. Lasermedium, Pumpquelle und Materialien zur Modenveränderung werden so ausgewählt, dass für eine bestimmte Anwendung der gewünschte Strahl erzeugt wird.

LasermediumWellenlänge (nm)
Farbstoff 540 / 570 - 640
Kupfer 510 / 578
Golddampf 627
Krypton 416 / 531 / 568 / 752 / 800
KTP/Diode 532
Diode 800 / 940 / 980 / 1450
Nd:YAG 1064 / 1320 / 1440 / 1550
Nd:YVO4 1064
Nd:YLF 1047 / 1053
Er:YAG 1550 / 2940
Er:Glas 1540
Thulium 1927
Er:YSGG 2780
Holmium 2100
CO2 10,600
Rubin 694
Alexandrit 755
Tabelle 1: Liste der üblichen Lasermedien5

Abbildung 2 zeigt beispielhaft ein Lasersystem, das zur Tattooentfernung eingesetzt wird. In dem Aufbau wird ein FestkörperlaserLaser, die ein festes Verstärkungsmedium wie Glas oder kristalline Materialien dotiert mit Seltenerdelementen nutzen, um die Energiezustände zu erreichen, die für die Laserstrahlerzeugung nötig sind. Der Pumpmechanismus ist die Strahlung einer starken Lichtquelle, zum Beispiel von einem Blitzlicht. eingesetzt, um einen anderen Festkörperlaser zu pumpen. Der erste Laser verwendet Alexandrit als Verstärkungsmedium und wird von einer oder mehreren Blitzlampen gepumpt. Der erste Laserresonator besitzt einen hochreflektierenden Spiegel und einen Auskopplungsspiegel.2

Der Auskoppler ist ein nur teilweise reflektierender Spiegel, der flach oder gebogen sein kann und Teile der Leistung aus dem Resonator austreten lässt. Der zweite Festkörperlaser verwendet das Seltenerdmaterial Neodym-YAG (Nd:YAG) und wird von einem Teil des Ausgangsstrahls mit 755 nm gepumpt. Der Resonator des Nd:YAG-Lasers hat einen hochreflektierenden Pumpspiegel und einen Auskopplungsspiegel für 1064 nm.

In manchen Systemen wird das Resonatormaterial des Festkörperlasers direkt auf beiden Materialseiten mit einer Beschichtung mit gewünschter Transmission und Reflexion beschichtet und dient so direkt auch als Pump- oder Auskopplungsspiegel.

In diesem Beispiel hier enthält der Resonator des Nd:YAG-Lasers einen Q-SwitchTechnik, um energetisch kurze (aber nicht ultrakurze) Pulse bei einem Laser zu erzeugen, indem die Resonatorverluste moduliert werden. aus Cr:YAG. In anderen Aufbauten wird eine Pockels-ZelleElektrooptisches Bauteil für die Modulation von Laserstrahlen, das aus einem Kristall mit Elektroden besteht. Eine Phasenverzögerung des Laserstrahls, der durch den Kristall fällt, wird moduliert, indem eine variable elektrische Spannung angelegt wird, die Doppelbrechung verursacht. Die Änderung ist linear proportional zum elektrischen Feld, was auch als Pockels-Effekt bezeichnet wird. oder Kerr-ZelleElektrooptisches Bauteil für die Modulation von Laserstrahlen, das aus einem Kristall mit Elektroden besteht. Eine Phasenverzögerung des Laserstrahls, der durch den Kristall fällt, wird moduliert, indem eine variable elektrische Spannung angelegt wird, die Doppelbrechung verursacht. Die Änderung ist proportional zum Quadrat des elektrischen Feldes, was auch als Kerr-Effekt bezeichnet wird. zur Steuerung der Pulsdauer eingesetzt.3 Der frequenzverdoppelndeAuch bekannt als Erzeugung der zweiten Harmonischen. Eine Eingangslichtwelle (Pumplichtwelle) kann in bestimmten nichtlinearen Materialien andere Wellen mit der doppelten optischen Frequenz erzeugen. Kristall KTP ist im Strahlengang positioniert. Er absorbiert den zweiten Ausgangsstrahl und erzeugt einen dritten Ausgangsstrahl bei 532 nm.2

Der Einsatz von Alexandrit und Nd:YAG als Festkörperlaser mit Q-Switch in dem Aufbau in Abbildung 2 ermöglicht die Verwendung der beiden Laser zusammen in einem einzigen System. Im Beispiel der Tattooentfernung gibt es verschiedene optische Absorptionen bei den verschiedenen Farben der Tattoopigmente. Ein Alexandritlaser kann blau, lila und grün entfernen, während ein Nd:YAG-Laser schwarze Tattoos entfernen kann. Die zweite Harmonische des Nd:YAG-Lasers bei 532 nm kann rote, orange und gelbe Tattoos entfernen.4 Da die Wellenlängen von Alexandrit und Nd:YAG unterschiedliche Absorptionen im Melanin haben, kann ein Alexandritlaser bei 755 nm besser für die Behandlung hellhäutiger Patienten, ein Nd:YAG-Laser bei 1064 nm besser für die Behandlung dunkelhäutiger Patienten geeignet sein.   

Strahlführung

Abbildung 3 zeigt ein typisches Dermatologiegerät mit einem Hauptlaser (oder Pumplaser) im Hauptgerät. Das Laserlicht kommt direkt aus einem Gelenkarm mit Spiegel oder aus einer optischen Faser.5 Am Ende befindet sich ein Handstück, über den der Ausgangsstrahl geformt und auf die Haut des Patienten gelenkt wird. Einige Handstücke beinhalten noch ein weiteres Lasermaterial, das vom Hauptgerät gepumpt wird.

Gerät zur Hautbehandlung mit einem faseroptischen Handstück
Abbildung 3: Gerät zur Hautbehandlung mit einem faseroptischen Handstück

Die Kopplung des Ausgangslaserstrahls des Hauptlasers in ein Verstärkungsmedium eines zweiten Lasers kann in mehreren Weisen erfolgen. Abbildung 2 zeigt eine direkte Kopplung, wobei je nach Pulsintensität, Pulsdauer und Wellenlänge eine optische Faser genutzt werden muss, um den Strahl in das Handstück zu lenken.

Abbildung 4 zeigt die schematische Zeichnung eines Handstücks mit Festkörperlaser, der über eine optische Faser von einem anderen Festkörperlaser gepumpt wird. Der Ausgangsstrahl der optischen Faser wird vor Eintritt in das Verstärkungsmaterial von mehreren Linsen kollimiert. Der Ausgangsstrahl des Handstücks kann noch weiter durch einen Strahlformer optisch modifiziert werden, bevor er zur Hautbehandlung des Patienten genutzt wird.2  

Eine schematische Zeichnung eines Handstücks mit Festkörperlaser, der über eine optische Faser von einem anderen Festkörperlaser gepumpt wird
Abbildung 4: Eine schematische Zeichnung eines Handstücks mit Festkörperlaser, der über eine optische Faser von einem anderen Festkörperlaser gepumpt wird

Hautbehandlung mit Lasern

Bei einigen Hautbehandlungen wird ein ablativer Lasereinsatz benötigt. Ablative Laser verdampfen Gewebe und sind daher aggressiver als die sanfteren nicht-ablativen Laser, die die Haut nicht beschädigen.6 Das Handstück kann hier ein Kühlsystem enthalten, um thermische Verletzungen des Gewebes im Bereich der behandelten Region zu minimieren. Eine Kühlung kann z. B. eine Leitungskühlung, eine Verdunstungskühlung, eine Konvektionsluftkühlung oder eine Kombination aus diesen Varianten sein. Abbildung 5 zeigt den Querschnitt eines Handstücks mit einer Luftkühlung und einem Glasfenster, das auf der Haut aufliegt.7

Luftkühlung bei einem ablativen Lasersystem
Abbildung 5: Luftkühlung bei einem ablativen Lasersystem

Plastische Chirurgen, Dermatologen und ihre Patienten sind kontinuierlich auf der Suche nach neuen und verbesserten Methoden zur Behandlung von Hautalterungseffekten. Eine dieser Methoden ist die Verwendung einer nicht gleichförmigen (oder fraktionierten) Strahlform. Nicht fraktionierte Laser wirken auf der gesamten behandelten Oberfläche der Haut, während fraktionierte Laser auf mehrere, gleichmäßig verteilte Bereiche wirken.

Dies wird erreicht, indem der Ausgangsstrahl der Laserquelle mit einem optischen System gekoppelt wird, das den Strahl zu einem Strahl mit großem Durchmesser und nicht gleichförmigem Energieprofil verändert. Der Strahl besteht aus mehreren Zonen mit hoher Intensität umgeben von Zonen mit niedriger Intensität. Zur Erzeugung dieser Ausgangsstrahlen mit ungleichmäßiger Energieverteilung können verschiedene Konfigurationen aus Faserbündel, diffraktiven oder refraktiven Linsenarrays und Axikon-Linsen eingesetzt werden. Eine dieser Konfigurationen wird bei dem Handstück in Abbildung 5 gezeigt, während Abbildung 6 veranschaulicht wie ein diffraktives Element und eine Linse kombiniert werden können, um ein Array von Fokuspunkten zu erzeugen.

Erzeugung von Punkten durch einen diffraktiven Strahlteiler und eine Linse
Abbildung 6: Erzeugung von Punkten durch einen diffraktiven Strahlteiler und eine Linse

Ein Anwendungsbeispiel eines nicht-ablativen, fraktionierten Lasers ist Hautverjüngung. Die Zonen mit hoher Intensität erhitzen ausgewählte Bereiche des Gewebes auf Temperaturen, die für die erste Behandlung geeignet sind (z. B. Kollagen-Minderung), während die Zonen mit geringerer Intensität ausreichend Energie für eine zweite Behandlung im umgebenden Gewebe bieten. Dies regt das Kollagen zur Regeneration und Ausfüllung von „Tälern“ an, was wiederum die Haut jünger und klarer erscheinen lässt (Abbildung 7). Ein großer Gewebebereich (typischerweise mit einem Durchmesser von 7-10 mm) kann zur selben Zeit behandelt werden und das Risiko von Verbrennungen oder anderen Hautschäden wird minimiert.7  

Fraktionierter Strahl wird zur Stimulierung des Kollagens bei der Hautverjüngung eingesetzt
Abbildung 7: Fraktionierter Strahl wird zur Stimulierung des Kollagens bei der Hautverjüngung eingesetzt

Edmund Optics® ist stolz darauf, Laseroptiken herzustellen, die für die Hautbehandlung eingesetzt werden.
Anfragen zu vollständigen Systemen sollten an die Hersteller der Hautbehandlungsgeräte gerichtet werden.

Referenzen

  1. Laura Wood. (2017, August 18). Global Aesthetic Laser Market 2017-2023 - Leading Companies Cynosure, Lumenis, Cutera, Alma Lasers & Sciton - Research and Markets. Retrieved from Business Wire: https://www.businesswire.com/news/home/20170818005239/en/Global-Aesthetic-Laser-Market-2017-2023---Leading
  2. Jones, C., & Bhawalkar, J. (2007). Europe Patent No. EP 2066253 B1.
  3. Hohm, D., & Mirkov, M. (2011). United States Patent No. US 7,929,579 B2.
  4. Bernstein, E., Bhawalkar, J., & Schomacker, K. (2018). A Novel Titanium Sapphire Picosecond-Domain Laser Safely and Effectively Removes Purple, Blue, and Green Tattoo Inks. Lasers in Surgery and Medicine, 704-710.
  5. Garden, J., Bakus, A., & Yaghmal, D. (2012). United States Patent No. 0253333 A1.
  6. Preissig, J., Hamilton, K., & Markus, R. (2012). Current Laser Resurfacing Technologies: A Review that Delves Beneath the Surface. Seminars in Plastic Surgery, 109-116.
  7. Mirkov, M., Sierra, R., & Cho, G. (2012). USA Patent No. 8317779 B2.
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