Laserterapia: concetti preliminari, Università degli Studi di Foggia

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI FOGGIA

DIPARTIMENTI AREA MEDICA

CORSO DI LAUREA IN FISIOTERAPIA MEDICINA FISICA E RIABILITATIVA LASERTERAPIA: concetti preliminari PROF. SANTAMATO ANDREA Direttore S.C. Medicina Fisica e Riabilitazione Ospedali Riuniti di Foggia

PROF. A. SANTAMATO MEDICINA FISICA E RIABILITATIVALASER TERAPIA L.A.S.E.R. è l'acronimo di Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (amplificazione di luce per mezzo di un'emissione stimolata di radiazioni).

Cenni storici della laserterapia

• la prima sorgente di luce laser è stata messa a punto nel 1960 da T. H. Maiman; tuttavia i presupposti teorici del laser si devono cercare nel modello atomico di Bohr (1911-1913) e nella teoria di Einstein (1917).
• a partire dagli anni '70, i laser cominciarono ad essere utilizzati con successo in ambito prima chirurgico e poi medico.
• attualmente costituisce una delle forme di terapia fisica più diffusa.

Principi fisici della laserterapia

Teoria emissione stimolata di fotoni (1917)

• Il laser nasce dall'ipotesi di creare una emissione stimolata di fotoni in un sistema atomico omogeneo.
• Se un fotone interagisce con un atomo già eccitato, lo induce a produrre un altro fotone, ottenendo due fotoni identici.
• Se il fenomeno viene moltiplicato da un'adeguata stimolazione energetica, si realizza una emissione di fotoni tutti identici al primo, coerenti per energia e frequenza.

Emissione stimolata di fotoni

Prima Durante Dopo l'emissione Atomo nello stato eccitato E2 W Fotone uscente Fotone incidente Fotone uscente 1 N Fotone uscente E, 1 Atomo nello stato fondamentale

Inversione di popolazione

• il processo d'emissione stimolata non produce una radiazione quantitativamente apprezzabile se non si ottiene l'inversione della popolazione elettronica;
• è necessario riuscire a portare contemporaneamente la maggior parte degli atomi di una sostanza idonea ad uno stato eccitato instabile;
• quando il numero di elettroni eccitati supera quello dei non eccitati, si ha l'inversione di popolazione; la diseccitazione avviene contemporaneamente in un numero elevato di elettroni ed è sufficiente a provocare la radiazione coerente, tipica del laser;

Processo d'inversione e pompaggio

• il processo d'inversione ,per essere mantenuto, ha bisogno di un rifornimento energetico costante, il pompaggio.

Proprietà delle radiazioni laser

1. monocromaticità;
2. coerenza;
3. direzionalità;
4. brillanza.

Monocromaticità della radiazione laser

1. monocromaticità: l'emissione laser è costituita da un'onda elettromagnetica di una sola frequenza, ciò dipende dalla sorgente che ha generato l'emissione. facilita la selettività degli effetti sul bersaglio. 0.001 nm 0.01 nm - 0.1 nm - 1 nm - 10 nm- 100 nm - 1 um 1000 nm - lunghezze d'onda 10 um 100 um 1 mm 1000 um 10 mm 100 mm 1000 mm

Coerenza delle onde elettromagnetiche

2. coerenza: le onde elettromagnetiche sono tutte in fase tra loro presentano cioè gli stessi punti nodali e quindi non interagiscono tra loro nel tempo e nello spazio. LUCE ORDINARIA RAGGIO LASER Coerenza: relazione di fase della luce ordinaria e di un raggio laser.

Direzionalità del raggio laser

3. direzionalità O una sorgente laser è in grado di irradiare fotoni che hanno una divergenza trascurabile nello spazio;

Brillanza della sorgente luminosa

4. brillanza l'estrema collimazione della sorgente luminosa permette di concentrare elevate intensità su superfici di piccole dimensioni (densità di potenza).

Generatori di luce laser

• Mezzo attivo;
• Sistema di pompaggio;
• Sistema di risonanza;
• Sistema di collimazione.

Mezzo attivo (sorgente)

• è costituito da sostanze che, opportunamente eccitate, realizzano l'inversione della popolazione elettronica;
• il laser prende il nome del mezzo attivo da cui è generato;
• si trova all'interno del risonatore;
• la composizione del mezzo attivo determina la lunghezza d'onda della radiazione.

Stati della materia del mezzo attivo

può presentarsi in tutti gli stati della materia: V gassoso: di solito una miscela (es. elio-neon, radiazione a bassa potenza nel visibile). A CO2 (radiazione di elevata potenza nel lontano infrarosso). A eccimeri (gas nobile + gas reattivo). v liquido: dye-laser (a coloranti) consentono di variare la lunghezza d'onda della radiazione. Es. Rodamina radiazione nel rosso visibile. Problema: estrema tossicità. solido: cristalli che fungono da acceleratori di elettroni (neodimio Y+AG-ittrio, alluminio, granato). A semiconduttori (a diodi): elementi donatori di elettroni (arsenico) ed elementi accettatori di elettroni (alluminio)

Sistema di pompaggio

rifornisce il mezzo attivo dell'energia necessaria per creare lo stato di eccitazione atomica per l'inversione della popolazione; può essere ottico, elettrico o chimico.

Risonatore (cavità ottica)

cilindro cavo avente agli estremi due specchi, uno riflettente al 100 %, l'altro al 95-98% (ha una piccola apertura); le radiazioni generate nel mezzo attivo si riflettono ripetutamente da uno specchio all'altro; la lunghezza del cilindro deve essere un multiplo/sottomultiplo della lunghezza d'onda che si vuole risonare; ➢ solo i raggi in fase colpiscono la piccola apertura dello specchio parzialmente riflettente; i raggi non in fase sono riassorbiti dalle pareti laterali.

Sistemi di collimazione

determina la forma finale del raggio laser (spot) che può essere più o meno ampio a seconda dello scopo il cui raggio è destinato.

Modalità di erogazione

• CONTINUA (continuos wave o CW);
• CONTINUA INTERROTTA (continuos wave interrupted o CWI);
• PULSATA (pulsed wave o PW);
• Q- SWITCH.

Modalità continua

v potenza costante per il tutto il periodo di erogazione; V per il laser di bassa potenza, questo tipo di erogazione è una condizione necessaria per poter trasferire una sufficiente dose di energia ai tessuti; CONTINUA INTERROTTA V variante della modalità continua.

Modalità pulsata

V gli impulsi sono emessi secondo una frequenza assai varia. Tale frequenza non deve essere confusa con quella propria della sorgente che è costante; V nei laser pulsati vi è un tempo attivo (t-on) e un tempo non attivo o pausa (t-off)(. DUTY CICLE = ( T-on / t-on +t-off) spesso < 1%.

Modalità Q-SWITCH

V emissione di impulsi ad altissima potenza di picco (milioni di Watt) della durata di pochi nanosecondi; V attualmente non usata in fisioterapia.

Unità di misura

Spot-size

V area di distribuzione della radiazione laser sul bersaglio (cm2) determinata dal collimatore; V all'incremento dell'area dello spot, corrisponde un aumento dell'omogeneità del fascio luminoso che attraversa i tessuti ed una minore dispersione della luce.

Potenza

➢ POTENZA Venergia espressa nell'unità di tempo e si misura in Watt (P=E/t); V nei laser pulsati: o potenza di picco Pp ( più alto livello di potenza raggiunto); O potenza media Pm (valore medio della potenza) = Pp x t-on x f

Densità di potenza

v rapporto tra la potenza e la dimensione dello spot; v la potenza del laser può provocare effetti diversi in funzione della densità con cui viene erogata I = P/ cm2

Energia

➢ ENERGIA v è la potenza erogata nel tempo (E=P x T); V distinguiamo: · energia totale: luce somministrata nel tempo totale di somministrazione (Joule); · densità d'energia (fluenza): energia per unità di superficie (l/cm2). Se trattiamo una superficie di 1 cm2 con 10 W di potenza per 10 sec, avremo 100 l/cm2 di fluenza; con 10 cm2 e 10 W avremo una fluenza di 10 I/cm2.

Interazione laser e tessuti

Fattori di interazione

Le interazioni della luce laser con i tessuti biologici dipendono da una serie di fattori legati a: > tessuti irradiati · spessore della cute · colore della cute (il bianco induce maggior riflessione) · presenza di peli · proprietà ottiche del tessuto, in particolare il tipo e la concentrazione dei cromofori presenti. caratteristiche delle radiazioni luminose · modalità di emissione · dimensioni dello spot.

Fenomeni ottici

Le interazioni della luce laser con i tessuti biologici dipendono da una serie di fattori legati a: RIFLESSIONE: un'aliquota della radiazione incidente non penetra nei tessuti ma viene riflessa con un angolo uguale all'angolo incidente. Per minimizzarla l'angolo del raggio incidente con la superficie del tessuto deve essere il più possibile a 90°; ➢ ASSORBIMENTO: è determinato dalla caratteristiche chimico-fisiche del tessuto irradiato. La luce laser interagisce con i CROMOFORI (assorbono le radiazioni in maniera selettiva) i più comuni cromofori endogeni sono: acqua, emoglobina, melanina, proteine ed amminoacidi). I laser con lunghezza d'onda compresa tra 600 e 1200 nm vengono scarsamente assorbiti e penetrano in profondità nei tessuti (finestra terapeutica) SCATTERING: particolare rifrazione a cui un raggio luminoso va incontro in un tessuto biologico. Più il tessuto è disomogeneo, più lo scattering è evidente.