Fallstudie:
Laseroptiken in der Hautbehandlung

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).

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

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.

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.   

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

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.

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  

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