Histórico e Física do Laser

Histórico e Física do Laser

Em 1917 Albert Einstein previu que sob condições determinadas uma onda de luz incidindo em um sistema mecânico quântico pode ser amplificada por meio de um processo de emissão estimulada.

Ondas de luz comuns se difundem ràpidamente e se tornam menos intensas a medida que se propagam. A amplitude de uma onda de luz comum atravessando um espaço é atenuada pelo quadrado da distância percorrida, enquanto  uma onda atravessando um meio não transparente é atenuada por absorção e dispersão.esses fatos levaram os primeiros pesquisadores a concluírem que a amplificação de ondas luminosas não era um objetivo fácil de ser alcançado.

Em 1960 Theodore Maiman utilizou um cristal de rubi para conseguir a amplificação da luz que foi teoricamente prevista há mais de 40 anos.

O feixe emitido do aparelho era monocromático, não divergente e coerente. A amplificação de microondas já era bastante utilizada naquela época, então  o amplificador de ondas de luz de Maimam foi chamado de “laser”- que significa: amplificação da luz pela emissão estimulada de radiação.

A partir disso , milhares de materiais foram testados como meios de propagação de laser. Muitos sistemas diferentes de laser foram desenvolvidos e testados. Consideramos aqui apenas alguns desses sistemas com aplicações na área médica.

Introdução

O conceito de radiação a laser foi primeiramente concebido no “The Quantum Theory of Radiation” de Einstein publicado em 1917.

Entretanto em 7 de julho de 1960, Maiman observou pela primeira vez emissão de radiação estimulada com luz visível, utilizando cristal de rubi e denominou LASER. Iniciou-se então a era do laser.

O termo LASER é composto com as letras iniciais das palavras Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, sendo a radiação a mais importante.

O laser é uma fonte única de energia com potencial inimaginável.

Diferente da eletricidade, o laser não faz parte da natureza, sendo portanto uma invenção da mente humana, sendo utilizada nos últimos anos em diversas áreas da medicina e industria. A descoberta do raio X  teve ràpidamente o reconhecimento de sua utilidade na medicina, porém com o laser foi diferente, pois suas aplicações na medicina tiverem que ser exaustivamente pesquisadas antes de serem utilizadas. Apesar disso, muitos problemas e desilusões ocorreram, como pudemos observar na Urologia, que nas últimas  décadas do século passado,  foi inundada de aparelhos a laser que foram utilizados em situações não adequadas para o equipamento em questão, com resultados desastrosos, proporcionando uma época de recessão, receio de novos equipamentos e atraso na evolução.

A conclusão principal que podemos tirar dessas situações é que cada procedimento  necessita de um equipamento adequado com uma ação específica e o nosso objetivo é abordar de maneira prática os diversos aparelhos e suas indicações nas diversas áreas da medicina.

Física do Laser

O Espectro eletromagnético

O espectro eletromagnético abrange ondas de alta energia ( como radiação gama), ondas de baixa energia ( como as ondas de rádio), e ondas de energias intermediárias (como o RX, microondas, luz visível, ultravioleta e radiação infravermelha).

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Uma onda eletromagnética é descrita por suas propriedades características:

  1. Comprimento de Onda.
  2. Frequência.
  3. Amplitude .
  4. Velocidade.

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Fundamentos da Física do Laser

Todos os profissionais da área de saúde tem alguma noção sobre física, e para entendermos melhor o fucionamento de cada equipamento e podermos selecionar o laser adequado para cada procedimento, é importante que relembremos algumas destas noções básicas da física.

Princípios básicos

Absorção e Emissão espontânea

Os átomos e as moléculas são encontrados em seu estado energético fundamental, dessa maneira são estáveis. Podem absorver energia luminosa e podem ficar em estado de maior energia, denominado estado excitado , que é uma situação instável. Quando retornam para o estado inicial podem emitir energia luminosa.

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Emissão estimulada de Radiação

Os átomos ou moléculas dentro de uma cavidade são excitados através de uma energia. Quando a maioria destes átomos ou moléculas está em estado excitado podem começar a emitir fótons que irão viajar no interior da cavidade, uns estimulando os outros. A emissão estimulada irá produzir mais fótons de mesma freqüência que irão se propagar em todas as direções.

Espelhos refletores são colocados nas extremidades desta cavidade permitindo a reflexão, aumentando ainda mais a emissão e, portanto promovendo uma amplificação da radiação.

m dos espelhos é parcialmente transmissor em determinada região. Dessa maneira a luz que caminha no interior da cavidade pode ser exteriorizada como RADIAÇÃO LASER.

Os átomos ou moléculas utilizados são denominados de meio ativo, e a cavidade onde ocorre a excitação é denominada de cavidade óptica, ou cavidade ressonante.

O meio ativo pode ser um gás (Argônio, Dióxido de Carbono, uma mistura de gases como o Hélio- Neônio), um líquido (corante) ou um sólido (cristais de neodímio, érbio, em matrizes de óxidos ou fluoretos, como o YAG ítrio-alumínio-grananda, ou ainda diodos semincondutores).

historico-laser4 Propriedades da radiação laser historico-laser5

A radiação laser se diferencia da luz comum por apresentar as seguintes propriedades:

  1. Ser monocromática.
  2. Ter coerência.
  3. Ter direcionalidade ( colimação).

Portanto a luz laser é monocromática (fótons de mesmo comprimento de onda), se propaga na mesma direção, é coerente. A grande vantagem da radiação laser ser coerente é a possibilidade de ser focalizada em regiões diminutas.

Transmissão da radiação laser ( sistemas de entrega de feixes) A transmissão do feixe laser pode ser direta ou indireta através de:

  1. Braço articulado.
  2. Fibra óptica.
  3. Endoscópio com micromanipulador.
  4. Lentes.
  5. Microscópio com micromanipulador.

Regime de Operação

Um sistema laser pode funcionar em regime contínuo(CW) ou pulsado. A vantagem do regime pulsado é permitir que o tecido resfrie entre um pulso e outro.

Laser e Interação Tecidual

Interação térmica (é o efeito terapêutico mais utilizado);
Interação fotoquímica.
Interação fotoacústica
Efeitos não lineares

Mecanismos Térmicos de Dano Tecidual

Quando a energia luminosa penetra no tecido ela pode ser refletida transmitida, absorvida ou espalhada pelo tecido.
historico-laser6 Absorção

O local de absorção depende do comprimento de onda, do cromóforo absorvedor e do diâmetro do foco do laser, enquanto que a taxa de calor depende da potência e do tempo de exposição. Substância cromófora corresponde à substância que irá absorver a radiação laser. Cada tipo de laser vai produzir fótons com determinada frequência, e cada frequência irá ter um cromóforo alvo. A frequência do feixe depende do meio ativo que irá ser estimulado ( ex: CO2, rubi, diodo, érbio, argônio, etc., e o cromóforo corresponde à substância que mais absorve esse tipo de laser ( por exemplo:  melanina, hemoglobina, pigmentos, água, etc.). Podemos observar na tabela abaixo os vários tipos de equipamentos, o meio a ser estimulado, o orgão alvo, as indicações clínicas, em que especialidades são utilizados, efeitos colaterais etc./

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Desnaturação e Coagulação

Em temperaturas abaixo de 50ºC o dano térmico pode ser reversível, e entre 50ºC e 100ºC, ocorre desnaturação e coagulação de proteínas citoplasmáticas de modo irreversível. A localização e extensão do dano vão depender da intensidade, duração da exposição e do comprimento de onda do feixe laser. A cicatrização e a pigmentação vão depender do local e da extensão da área acometida. Vaporização Ocorre em temperaturas acima de 100ºC. A água entra em ebulição e promove explosão tecidual. O tecido vaporizado é de fácil remoção.
historico-laser8 Lesão Tecidual

Vai depender do tipo de laser utilizado, da potência e do tempo de exposição. Sendo assim, diminuindo a potência e compensando com o aumento do tempo de exposição teremos a mesma quantidade de energia, porém o efeito tecidual é diferente.
Por exemplo, usando alta potência e curta duração vamos obter mais vaporização e menos necrose por coagulação, enquanto que, ao usarmos menor potência com exposição maior teremos menos vaporização e mais coagulação.
O efeito tecidual dependerá da quantidade de energia que é absorvida e conduzida.
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