Обоснование актуальности исследования. Многие народы мира практиковали нанесение татуировок на тело [1]. Подтверждением данного факта может быть тело охотника бронзового века, замороженного в леднике Австрии. Многие века татуировки определяли профессиональные и родовые качества человека и нередко подчеркивали высокий социальный статус их владельца. Техника нанесения татуировок на тело практически не изменялась в течение тысячелетий. Это почти всегда острый предмет, прокалывающий кожу и имплантирующий в толщу эпидермиса пигментные частицы.
Сформированная мода на татуировки тела породила и спрос на их удаление [2]. Для пациентов желающих избавиться от татуировок косметология может предложить химические, механические, хирургические и тепловые методы. Самые простые способы удаления татуажного пигмента вместе с эпидермисом - это абразивные методы [10]. Находясь в заключении или при прохождении срочной службы, пациенты чаще всего натирают кожу шлифовальным камнем с грубым абразивом вплоть да удаления окрашенного эпидермиса. Процедура болезненна, занимает много времени и нередко осложняется инфицированием послеоперационной раны с последующим образованием грубых рубцов [4]. В косметологической практике с целью удаления татуировок в достаточно небольшом объеме применяются аппараты для дермабразии кожи.
Это или аппараты, с движущимися рабочими насадками, имеющие на своей поверхности вкрапления абразивных материалов, или насадки, распыляющие на поверхности кожи частицы абразива, а за счет вакуума удаляются фрагменты эпидермиса и частицы абразива. Некротические массы отторгаются вместе с кристаллами пигментных частиц с последующей регенерацией эпидермиса. Не смотря на то, что данная методика относительна, проста и имеет низкую себестоимость, она применима только для поверхностных татуировок, болезненна, регенерация занимает много времени, высокий риск образования рубцов и изменения пигментации эпидермиса [3].
Химический способ удаления татуировок представляет собой глубокий химический пилинг [22, 27]. На содержащий татуажный пигмент эпидермис наносится пилинговая масса. В качестве пилинговой массы в большинстве случаев используется фенол или трихлоруксусная кислота. Агрессивные соединения вызывают химический ожог эпидермиса вплоть до базальной мембраны с последующим некрозом [22, 27]. Выбор хирургической методики удаления татуировок определяется глубиной нахождения пигмента, площадью и области тела. При поверхностном расположении пигментных частиц возможно снятие окрашенного пигментом эпидермиса при помощи дерматома. При более глубоком расположении пигмента применение данной методики необходимо дополнить пересадкой кожи.
В случае если эластические свойства кожи позволяют иссечь рисунок без значительного натяжения можно использовать данный метод с наложением косметического шва. Для улучшения эластических свойств кожи возможно растяжение ее резиновой грушей помещенной под слой кожи и нанесением послабляющих разрезов. Недостатки этой методики - часто крайне трудно удалить кожу без значительного натяжения, высок риск не приживления кожного лоскута, формирования рубцов. Данная методика не применима на отдельных участках тела, таких как лицо, стопы, кисти. И самый значительный недостаток всех видов удаления татуировок хирургическим методом это то, что методика крайне требовательна к высокой квалификации пластического хирурга [21]. К тепловым методам лечения мы относим криодеструкцию, термокоагуляцию и электрокоагуляцию [11].
Все эти методы вызывают некроз эпидермиса с последующим образованием и отторжением струпа. Криодеструкция дает самые лучшие косметические результаты, но крайне трудно контролируется глубина воздействия. Результаты лечения с использованием электрокоагуляции и термокоагуляции мало отличаются от химического пилинга. Методики эффективны только при поверхностном расположении пигмента, болезненны, требуют анестезии, оставляют гипопигментацию или гиперпигментацию, а также рубцы. Несколько лучше результаты при использовании хлодно-плазменного коагулятора, так как используется более низкая рабочая температура. Тем не менее, технология хлодно-плазменного коагулятора эффективна только при расположении пигмента в самых поверхностных слоях эпидермиса, в случае если пигментные частицы имплантированы глубже базальной мембраны, результат ненамного отличается от электрокоагуляции или глубокого химического пилинга.
После того, как в 1960-х годах с целью удаления татуажного пигмента было впервые применено лазерное излучение, результаты лечения значительно изменились. Учитывая, что пигментные частицы до 0,20 мкм в диаметре находятся, как правило, в цитоплазме фибробластов, а более крупные (до 2,0 мкм в диаметре) хранятся в теле клеток макрофагов, эффективность удаления пигмента определяется степенью поглощения пигментом энергии лазерного излучения [13]. Только в том случае если энергия лазера мгновенно преобразуется в тепло и поднимет температуру более 1000 градусов, капсула эффективно будет разрушена и кристаллы пигмента фрагментированы [12, 23]. Подобными свойствами обладает в большей мере лазеры с селективной фотокавитацией [8]. Несмотря на то, что нам доступны Nd: YAG 532 нм, рубиновой 694 нм, александритовой 755 нм и Nd: YAG 1064 нм, из коммерчески используемых аппаратов для удаления татуировок золотым стандартом является использование Q-Switched лазера [19, 24, 28].
В литературе мы можем встретить, Nd: YAG 532 нм рекомендован для удаления пигментов оттенков красного [19], рубиновый (694 нм) и александритовый (755 нм) эффективны в удалении пигментов зеленых оттенков [16, 20], а для деструкции пигментов голубых оттенков рекомендуют использовать Q-Switched Nd: YAG (1064 нм) [20]. Q-Switched лазеры показали высокую эффективность при удалении травматических татуировок - частицы гравия и пороха [14, 18, 25, 26]. Основное преимущество лазерных методов удаления татуировок - они позволяют удалять пигментные частицы в толще кожи без повреждения глубоких слоев эпидермиса [2, 6]. При этом в большинстве случаев добиться полного удаления татуировочного пигмента не представляется возможным [1, 17]. В начале лечения количество пигмента резко снижается, затем эффективность лечения падает, воздействие лазерного излучения на татуировочный пигмент уменьшается, а в определенный момент полностью исчезает [3, 9].
Для нахождения пути решения данной задачи необходимо изучить механизм деструкции пигмента лазером. Для эффективного разрушения татуировочного пигмента необходимо поглощение им энергии лазерного излучения [4]. При этом кроме повышения эффективности поглощения энергии пигментными частицами необходимо помнить и об избирательности воздействия на частицы пигмента, для предотвращения повреждения окружающих тканей [3]. Глубину проникновения лазерного излучения в ткани в наибольшей степени ограничивают меланин, вода, оксигемоглобин, а также рассеивание, отражение и т.д. [5]. В случае если лазерное излучение поглощается тканевыми структурами в большей мере, чем пигментными частицами, эффективность терапии падает, происходит большое освобождение энергии и термическое повреждение окружающих тканей [29]. Для удаления татуировочного пигмента лазерное излучение должно эффективно проникать в ткани [15]. Глубина проникновения излучения в ткани является главным фактором, определяющим границы применения лазерного излучения [1].
Глубина проникновения определяется отражением света от поверхности между двумя средами, преломлением при прохождении границы, разделяющей две оптически разнородные среды и рассеянием света частицами ткани [1]. С увеличением длины волны коэффициент рассеивания уменьшается, следовательно, значительно отличается, для различных областей спектра [3]. Роговой слой эпидермиса имеет толщину от 8-20 мкм до 500-600 мкм и в значительной степени определяет глубину проникновения лазерного излучения в ткани. Роговой слой эпидермиса не только поглощает оптическое излучение, но и активно рассеивает лучистую энергию благодаря тому, что его показатель преломления nm = 1.53, что практически равно показателю преломления стекла [30]. Согласно методам математического моделирования в оптике биологических тканей, мы знаем, что эффективность проникновения в ткани излучения определяется как косинус угла падения, в случае, если излучение падает на роговой слой эпидермиса под углом менее 45 градусов, то практически полностью отражается от тканей. Учитывая вышесказанное, можно предположить, что деструкция рогового слоя эпидермиса значительно повысит глубину проникновения лазерного излучения в ткани.
Цель работы - оптимизация оптико-физических характеристик лазерного излучения Q-Switched лазера.
Материалы и методы исследования. В данном исследовании нами изучалось воздействие лазерного излучения на кристаллы татуажного пигмента в слое эпидермиса. Эксперимент был поставлен на 127 белых крысах 5 недельного возраста. Животные были разделены на две группы - экспериментальная (n=67) и контрольная (n=60). Далее были использованы образцы, приготовленные из эпидермиса белых крыс. В качестве источника лазерного излучения использована Nd:YAG система со сменными светофильтрами. Путем смены светофильтров данная лазерная система может стать источником излучения с длиной волн 532 и 1064 нм. Деструкция поверхностного слоя эпидермиса проведена спрей-коагулятором ЭХВЧ МЕДСИ-50. Данный аппарат имеет режим бесконтактной поверхностной спрей-коагуляции. Только режим коагуляции-спрей позволяет проведение поверхностной коагуляции на большой площади. В данном режиме электрод не касается тканей, а рабочим инструментом является электрическая дуга между тканью и электродом. В исследовании использован фотоэлектронный умножитель ФЭУ-1, представляющий собой электровакуумный прибор, в котором минимальное количество оптического излучения при попадании на фотокатод приводит к потоку электронов, усиливаемому в умножительной системе в результате вторичной электронной эмиссии; при этом ток в коллекторе вторичных электронов превышает первоначальный не менее чем 105 раз. Основные параметры фотоэлектронного умножителя - отношение анодного фотопотока к световому при номинальных потенциалах электродов не менее 1-104 А/лм, спектральная чувствительность должна лежат в диапазоне 101-1200 нм.
Методика. С целью решения поставленной задачи в эпидермис белых беспородных крыс в возрасте 8 недель коммерческой татуировочной машинкой (Tattoo Kits WM-AK09) введены красящие пигментные частицы в виде двух рядов по 5 мм в диаметре. В качестве пигмента был использован пигмент Millennium Mom's Colors Set -2 1 Oz Magic Magenta. Данный пигмент был выбран в связи с тем, что он одинаков эффективно поглощает лазерное излучение как с длиной волны 532 нм так и 1064 нм. Всем животным проведена одна процедура лазерного лечения. Лазерная операция у животных экспериментальной группы в отличие от животных опытной группы комбинировалась деструкцией поверхностного слоя эпидермиса. Спустя месяц после имплантации пигмента получены образцы эпидермиса с татуировочным пигментом. Далее мы поместили с одной стороны образца кожи источник излучения, а с другой стороны в одной оси с ним световод фотоэлектронного умножителя ФЭУ-1 и измерили плотность светового потока на глубине тканей 0.1, 0.2, 0.7, 1.0, 1.3, 1.5, 1.7, 2.5 мм без деструкции и с деструкцией рогового слоя эпидермиса.
Полученные результаты. Как видно из табл. 1, лазерное излучение с длиной волны 532 нм без деструкции рогового слоя эпидермиса на глубине 0,7 мм потеряла 73% энергии, на глубине 1,0 мм - 86%, на глубине 1,3 мм энергия лазерного луча практически не определяется. Следовательно, без деструкции рогового слоя эпидермиса, лазерное излучение с длиной волны 532 нм может быть эффективно только на глубине менее 0.7 мм. С деструкцией рогового слоя эпидермиса на глубине 1,0 мм потеряно 68% энергии, а на 1,3 мм 79%. Как видно из табл. 2, лазерное излучение с длиной волны 1064 нм без деструкции рогового слоя эпидермиса на глубине 1,0 мм потеряла 63% энергии, на глубине 1,5 мм - 80%, на глубине 1,7 мм энергия лазерного луча так же практически не определяется. Следовательно, без деструкции рогового слоя эпидермиса, лазерное излучение с длиной волны 1064 нм может быть эффективно только на глубине менее 1.5 мм. С деструкцией рогового слоя эпидермиса на глубине 1,5 мм потеряно 68% энергии, на 1,7 мм 71%, а на 2,5 мм 80%.
Таблица 1. Глубина проникновения лазерного излучения в ткани при прохождении излучения лазеров с длиной волны 532 nm
Таблица 2. Глубина проникновения лазерного излучения в ткани при прохождении излучения лазеров с длиной волны 1064 nm
Обсуждение полученных результатов. Глубина проникновения в ткани лазерного излучения с длиной волны 532 нм с деструкции рогового слоя эпидермиса увеличилась на глубине 0,7 мм на 7%, на глубине 1,0 мм на 9%. Глубина проникновения в ткани лазерного излучения с длиной волны 1064 нм с деструкции рогового слоя эпидермиса увеличилась на глубине 0,7 мм на 8%, на глубине 1,0 мм на 11,3%. Можно утверждать, что роговой слой эпидермиса задерживает до 45% энергии лазерного излучения и после деструкции рогового слоя эпидермиса глубина проникновения лазерного излучения в ткани значительно вырастает. Данная зависимость становится все более очевидной с увеличением длины волны.
Выводы. Излучение неодимового лазера эффективно разрушает пигментные частицы в поверхностных слоях эпидермиса. Удаление рогового слоя кожи существенно увеличивает глубину проникновения лазерного излучения в биологические ткани. После измерения плотности светового потока с помощью фотоэлектронного умножителя ФЭУ-1 на глубине тканей 0.1, 0.2, 0.7, 1.0, 1.3, 1.5, 1.7, 2.5 мм без деструкции и с деструкцией рогового слоя эпидермиса было доказано, что комбинация излучения неодимового лазера с деструкцией поверхностного слоя эпидермиса значительно увеличивает глубину проникновения лазерного излучения в биоткани.