Lasers. Lasers em Medicina Diagnóstico e Terapia. Interacção da luz laser com tecidos. OpE - MIB 2007/ Reflexão, absorção e scattering

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1 Lasers OpE - MIB 2007/ Reflexão, absorção e scattering Lasers II 2 1

2 - Absorção A luz que se propaga no interior de um material sofre, muitas vezes, absorção pelo material. A atenuação da irradiância é dada pela lei de Beer-Lambert: I(x) = I(0) exp(-αx) I(0) é a irradiância em x=0 (superfície do material). O parâmetro α designa-se por coeficiente de absorção; as unidades são cm -1. O comprimento L = 1/α para o qual I(l)=I(0)/e chama-se profundidade de penetração. Define-se também comprimento de extinção l como a espessura do material necessária a que 99% da radiação incidente seja absorvida no material: l=4,6/α=4,6l Lasers II 3 - Scattering Nem toda a luz incidente no material é absorvida. Parte da luz é espalhada ( scattering ) no interior do material ou na sua superfície. Tal significa que uma fracção do feixe não continua a propagar-se na mesma direcção ma é deflectido em várias outras direcções. Após sofrer espalhamento, esta luz sofre novas reflexões e novos espalhamentos, até ser absorvida (e convertida em calor) ou escapar da amostra. A atenuação de um feixe colimado devido a scattering pode ser aproximada pela fórmula I(x) = I(0) exp(-βx) onde β é o designado coeficiente de espalhamento ( scattering coeficient ). Lasers II 4 2

3 - Atenuação total Considerando-se que a absorção e scattering são responsáveis pela atenuação, pode-se definir o coeficiente de atenuação total γ=α+β donde a fórmula para a atenuação total ser I(x) = I(0) exp(-γx) Considerações de conservação de energia requerem que I = I + I + I + I I i t I i r a = 1 s t I = I I I I ( Ir + Ia + I s ) I i = 1 Ir Ii Ia Ii I s Ii onde I i é a irradiância do feixe incidente, I r a irradiância reflectida, I a a irradiância absorvida, I s a irradiância espalhada e I t a irradiância transmitida. t i r a s I t /I i designa-se por transmitância; I r /I i designa-se por reflectância; I a /I i designa-se por absorvância e I s /I i designa-se por razão de espalhamento. Por vezes, a razão (I r +I a +I s )/I i designa-se por razão da atenuação. Lasers II 5 Nota: dependente do comprimento de onda! Lasers II 6 3

4 - Luminiscência e Fluorescência A absorção de luz pela matéria nem sempre resulta em geração de calor. Casos há em que luz absorvida de dado comprimento de onda excita o material causando emissão de luz de diferente comprimento de onda ( ou, em linguagem normal, luz de cor diferente ). Esta emissão é conhecida como luminiscência. Se esta luminiscência dura apenas durante o período da excitação, designa-se por fluorescência; se continua após a excitação, é chamada de fluorescência atrasada ou fosforescência. Lasers II 7 - Diagnóstico de cancro através de métodos luminiscentes Autofluorescência (fluorescência intrínsica ou endógena) Fluorescência exógena (ou extrínseca) do HPD ( hematoporphyrin derivative ) Lasers II 8 4

5 - Detecção de plaquetas Autofluorescência Lasers II 9 - Mecanismos fototérmicos: 1. Bio-estimulação 2. Hipertérmia 3. Termo-terapia 4. Coagulação 5. Soldadura laser 6. Vaporização Lasers II 10 5

6 1. Bio-estimulação Existem indícios que quantidades infímas de calor geradas por lasers de baixa potência estimulam os nervos, aceleram o processo de cura de feridas e reduzem a dor. 2. Hipertérmia Muitos estudos mostraram que a certas temperaturas elevadas, tecido cancerígeno é danificado, pouco afectando o tecido normal (ou saudável). Tais temperaturas situam-se entre ºC. O aquecimento pode ser efectuado por um feixe laser que penetre profundamente nos tecidos (p. ex. Nd:YAG). 3. Termo-terapia O aquecimento dos tecidos acima dos 45 ºC provoca a necrosis (morte) e a destruição dos tecidos, como no tratamento laser do cranco ou de glândulas gigantes da próstata. Lasers II Coagulação Se o feixe laser é absorvido no sangue, pode provocar a sua coagulação, a uma temperatura de cerca de 60 ºC. Coagulação é vital para selar vasos sanguíneos e parar hemorragias durente cirugias. 5. Soldadura laser Dois tecidos colocados lado a lado podem ser unidos quando um feixe laser é aplicado e a sua interface é aquecida. Tal designa-se por soldadura laser dos tecidos, conseguindo-se a união dos tecidos sem suturas. Algumas potenciais aplicações desta técnica: união de vasos sanguíneos ( anastomosis); fecho de feridas, ligação de nervos. 6. Vaporização Quando a densidade de potência é suficiente, a temperatura do tecido sobe acima da temperatura de ablação, provocando a evaporação dos tecidos. A vaporização é a base da cirurgia laser. È vantajoso usar laser cujo λ seja altamente absorvido pelo tecido (p.ex., lasers de CO 2 ou de excímeros Lasers II 12 6

7 - Mecanismos não-térmicos: 1. Interação foto-química 2. Foto-ablação Lasers II Interacção foto-química O caso mais estudado deste mecanismo é o tratamento do cancro por terapia fotodinâmica ou terapia de foto-radiação (do inglês photodynamic therapy PDT ). O composto HPD ( hematoporphyrin derivative ) é um dos muitos agentes fotosensíveis que podem ser incorporados em células malignas. Quando exposto a comprimentos de onda específico, este composto estimula a produção de singletos de oxigénio, os quais matam as células cancerígenas. Irradiação intensa é necessária de modo a conseguir-se uma terapia eficiente - feixe laser a 630 nm revelou-se o λ óptimo para foto-activação do HPD nos tumores. 2. Foto-ablação Quando os tecidos são expostos a feixes focados de lasers de excímeros (parte UV do espectro), observa-se um corte limpo, sem danos térmicos apreciáveis nas paredes laterais do corte. Ainda não se percebe bem este efeito, que sugere que a remoção do tecido parece acontecer por um processo directo que não envolve calor. Lasers II 14 7

8 - Danos térmicos nos tecidos: A exposição dos tecidos a temperaturas elevadas por períodos de tempo relativamente longos pode provocar danos irreversíveis. Tais danos podem ser definidos como desnaturação das proteínas ou perda de função. Lasers II 15 - Condições óptimas para cirurgia laser Parâmetros do laser óptimos para cirurgia laser sem danos térmicos: - Comprimento de onda que é bem absorvido pelos tecidos; - Impulsos de duração da ordem de τ r constante de relaxação; - densidade de energia do impulso acima do limiar de ablação; - Distribuição de irradiação tipo chapéu alto ( top hat ), que provoca menores danos térmicos que distribuição gaussiana; -Taxa de repetição suficientemente baixa para permitir o arrefecimento dos tecidos entre impulsos consecutivos Lasers II 16 8

9 Lasers em medicina e suas aplicações Lasers II 17 Aplicações médicas dos lasers Lasers II 18 9

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