So sánh hiệu ứng LIOB của MLA và DOE từ Pico laser phần 1

Mô tả

So sánh hiệu ứng LIOB của MLA và DOE từ Pico laser bước sóng 1064nm trên da.

Nghiên cứu hiện tại nhằm mục đích điều tra tác động của các mảng thấu kính vi mô (MLA) và các yếu tố quang học nhiễu xạ (DOE) trên mô da thông qua sự phân hủy quang học gây ra bằng laser trong da (LIOB) sau khi chiếu xạ ánh sáng laser pico giây 1064 nm ở năng lượng cao.

Chiếu xạ với MLA và DOE đã được thử nghiệm trên giấy mờ, bóng ma (Phantom tests) và da lợn có sắc tố sẫm màu để so sánh định lượng sự phân bố của chùm tia vi mô, vi bong bóng và không bào do tia laser gây ra trên da.

DOE mang lại sự phân bố đồng đều hơn của các chùm tia vi mô trên giấy và các bong bóng vi mô do laser gây ra trong Phantom tests so với MLA. Các kiểm tra mô da xác nhận rằng chiếu xạ hỗ trợ DOE đi kèm với việc tạo ra các chùm tia vi mô trên bề mặt mô đồng nhất hơn (độ lệch ≤ 3%) và mật độ cao của không bào cảm ứng laser nhỏ (∼78 µm) trong lớp hạ bì so với MLA – chiếu xạ hỗ trợ (độ lệch ∼26% và ∼163 µm). Chiếu xạ laser pico giây có sự hỗ trợ của DOE có thể giúp đạt được quá trình chân không sâu và được tạo đồng đều dưới màng đáy sau LIOB trong da để điều trị da từng phần hiệu quả.

Giới thiệu

Nám da

Nám da là một bệnh rối loạn sắc tố xuất hiện chủ yếu trên mặt với các mảng màu nâu hoặc xám. Bệnh da sắc tố thường do nhiều yếu tố khác nhau bao gồm khuynh hướng di truyền, mang thai, rối loạn chức năng nội tiết tố và tiếp xúc với tia cực tím (UV). 

Tuy nhiên, cơ chế bệnh sinh của nám da vẫn chưa được hiểu rõ. Nám da xảy ra thường xuyên hơn với các loại da Fitzpatrick IV đến VI vì các loại da Fitzpatrick chứa nhiều kiểu hình sắc tố hơn các loại da khác. Một số phương pháp điều trị đã được thực hiện để điều trị nám da, thuốc y tế, tần số vô tuyến và điều trị bằng laser.

Điều trị

Trong số các phương pháp điều trị khác nhau, ứng dụng laser công suất cao đã được sử dụng như một phương pháp phổ biến để điều trị nám da bằng cách phân mảnh vật lý các sắc tố da vì không xâm lấn, thời gian điều trị nhanh và vết thương hồi phục ngắn. Do đó, một số hệ thống laser nano giây Q-switched với các bước sóng khác nhau (532, 755 và 1064 nm) và thời lượng xung (10∼100 ns) đã được phát triển và kiểm tra lâm sàng để tối đa hóa kết quả điều trị cho việc điều trị nám. Tuy nhiên, thời lượng xung nano giây thường dài hơn thời gian giãn nhiệt TRT (10∼30 ns) của các sắc tố gây nám, dẫn đến sự phân hủy nhiệt một phần của các sắc tố và tổn thương nhiệt không thuận lợi cho vùng da xung quanh.

Gần đây, những tiến bộ công nghệ đã giới thiệu hệ thống laser picosecond vào lĩnh vực da liễu để nâng cao kết quả lâm sàng của điều trị sắc tố da. Không giống như các hệ thống laser nano giây thông thường, laser pico giây với thời lượng xung ngắn hơn (10 ^-12 giây) mang lại bức xạ cao và do đó tạo ra nhiệt độ cao (15.000 K) và áp suất cao (2 GPa) thông qua sự ion hóa đa photon trong da, được gọi là laser phá hủy quang học (LIOB).

LIOB – Laser induced optical breakdown

LIOB là một quá trình hấp thụ không tuyến tính dẫn đến việc tạo ra Plasma ở ngưỡng bức xạ 10 ² ∼10 ⁴  GW / cm ² hoặc cao hơn (tức là chế độ nano giây) trong da. Do đó, nhiệt độ cao và áp suất cao trong quá trình LIOB có thể kéo theo sự giãn nở plasma với các dấu hiệu âm thanh và sự lan truyền sóng xung kích, dẫn đến hiện tượng chân không bên trong da. Đổi lại, các hệ thống laser pico giây liên kết với LIOB có thể có lợi hơn trong việc đạt được sự phân mảnh và phân hủy nhiệt hoàn toàn của các sắc tố nhỏ thông qua các cơ chế chung (quang cơ và quang nhiệt), so với các hệ thống laser nano giây hiện có. Do đó, mục tiêu lâm sàng của phương pháp điều trị da sắc tố bằng laser picosecond là tạo ra các không bào đồng nhất trong các lớp biểu bì và hạ bì thông qua plasma do laser tạo ra và do đó làm tiêu biến các sắc tố đích nhỏ một cách nhất quán với tổn thương nhiệt tối thiểu cho các mô lân cận.

Đối với điều trị da vi điểm (Fractional) laser pico giây thường được sử dụng với thấu kính mảng vi điểm (MLA) để tạo ra nhiều chùm tia vi điểm và bảo vệ mô da xung quanh với tổn thương nhiệt tối thiểu, so với chùm tia focus. Tuy nhiên, do các đặc tính quang học vốn có của sự phân bố chùm tia không đồng đều, MLA thường tập trung cường độ ánh sáng tối đa ở trung tâm của chùm tia macro với cường độ giảm ở cả hai rìa].

Một nghiên cứu trước đây đã chứng minh rằng laser pico giây 1064 nm MLA hỗ trợ ở cài đặt năng lượng thấp (≤ 2,1 mJ / chùm tia vi điểm hoặc phơi sáng bức xạ = 2,8 J / cm ²) cảm ứng không bào không đồng nhất phân tán không đều trong biểu bì (100∼150 µm) thông qua LIOB trong biểu bì, khó có thể xử lý các sắc tố melanin nằm sâu gần màng đáy (300∼500 µm)

Các nghiên cứu lâm sàng báo cáo một loạt các không bào cảm ứng laser vi điểm trong biểu bì của con người (50∼100 µm) ở H ₀  = 1,2 J / cm ². Không bào vẫn phân bố nông trong biểu bì. 

Là một bộ tách chùm tia ba chiều, các phần tử quang học nhiễu xạ (DOE) cũng được sử dụng để tạo ra nhiều chùm tia vi điểm ở các mẫu khác nhau cho hình ảnh quang học. DOE đồng nhất dẫn đến sự phân bố đồng đều của các chùm tia vi mô. Bất chấp sự mất mát năng lượng, sự đồng nhất ánh sáng có thể giúp DOE đạt được sự phân phối liên tục hơn các chùm tia vi mô đến mục tiêu trong một phân bố đồng đều. Tính đồng nhất của sự phân bố chùm tia phụ thuộc mạnh mẽ vào tiêu cự của DOE và bước sóng. Tuy nhiên, các nghiên cứu mô học đã hình dung và báo cáo rằng điều trị bằng laser pico giây có sự hỗ trợ của DOE gây ra các không bào nhỏ liên tục (∼50 µm) chỉ giới hạn trong lớp biểu bì của con người. Do đó, năng lượng xung không đủ từ laser pico giây thường làm cản trở việc áp dụng DOE cho điều trị da bằng laser phân đoạn với LIOB trong da.

Mục đích

Mục đích của nghiên cứu hiện tại là nghiên cứu so sánh tác động của LIOB trong da với MLA và DOE trên mô da lợn sắc tố sau khi chiếu tia laser picosecond 1064 nm ở cài đặt năng lượng cao trong các điều kiện điều trị khác nhau. Chúng tôi đưa ra giả thuyết rằng DOE với các mẫu quang học vốn có có thể mang lại sự phân bố không gian đồng đều hơn của chùm tia vi điểm và quá trình chân không do laser gây ra trong da so với MLA, với cùng điều kiện.

Do đó, tầm quan trọng của nghiên cứu hiện tại nằm ở việc khảo sát so sánh các điều kiện tối ưu để chiếu tia laser pico giây với MLA và DOE ở cài đặt năng lượng cao để tạo ra các không bào nhỏ trong mô da sâu và nhất quán để điều trị nám hiệu quả.

Mô da heo đã được thử nghiệm bằng laser picosecond với MLA và DOE ở cài đặt năng lượng cao để khám phá cả sự phân bố và mức độ của không bào gây ra bởi tia laser trong các lớp biểu bì và hạ bì. Phân tích mô học được thực hiện để so sánh các phản ứng da của LIOB trong da giữa MLA và DOE theo cách định lượng.

Vật liệu và phương pháp

Nguồn sáng

Một hệ thống laser Nd: YAG pico giây 1064 nm thời lượng xung = 450 ps đã được sử dụng để gây ra các sự kiện LIOB trong Phantom và mô da lợn. Hệ thống laser cung cấp năng lượng xung lên đến 1,1 J (ở tần số 1 Hz) để đánh giá cài đặt năng lượng cao cho khả năng cắt bỏ các sắc tố sâu. 

Mảng thấu kính siêu nhỏ (MLA; tiêu cự = 40 mm, 37 vi chùm tia, đường kính = 4 mm) và các phần tử quang học nhiễu xạ (DOE; tiêu cự = 40 mm, 49 micro, đường kính = 4 mm) được sử dụng để tạo ra nhiều chùm tia vi điểm trên bề mặt mục tiêu để so sánh định lượng.

Bốn mức năng lượng xung khác nhau đã được kiểm tra MLA (0,19, 0,38, 0,57 và 0,76 J) và DOE (0,24, 0,48, 0,72 và 0,96 J) để có mật độ năng lượng giống hệt nhau trên bề mặt mục tiêu.

Năng lượng vi chùm tương ứng (= năng lượng xung áp dụng / số chùm vi điểm) nằm trong khoảng từ 4,9 đến 20. 5 mJ / vi chùm (tức là 5,1∼20,5 mJ / chùm vi mô đối với MLA so với 4,9∼19,6 mJ / chùm vi mô đối với DOE).

Kích thước điểm chùm tia là 4 mm cho cả MLA (hình tròn) và DOE (hình chữ nhật). Để mô phỏng các điều kiện lâm sàng (ví dụ: mật độ năng lượng được áp dụng và kết cấu da), các điều kiện xử lý khác nhau đã được thử nghiệm: phơi sáng bức xạ (H ₀ ) và độ sâu tiêu cự (FD). Bốn H ₀ khác nhau (1,5, 3,0, 4,5 và 6,0 J / cm ²) và ba FD khác nhau (0, 5 và 10 mm) đã được thử nghiệm để khám phá vai trò vật lý của các điều kiện điều trị đối với sự phân bố không gian của các chùm tia vi điểm, các bong bóng siêu nhỏ, các không bào cảm ứng laser trong mô da.

Cần lưu ý rằng FD đề cập đến độ sâu tiêu điểm trong không khí vì không có điều kiện biên không khớp được xem xét. Do đó, FD = 0 mm có nghĩa là các vi chùm tia tới được tập trung vào bề mặt mục tiêu trong khi FD = 10 mm thể hiện rằng MLA và DOE tiếp cận bề mặt 10 mm (tức là khoảng cách gần hơn 10 mm) để tập trung các chùm vi chùm tới bên dưới bề mặt mục tiêu.

Đối với tất cả các điều kiện, LIOB đã được xác nhận trực quan trong quá trình chiếu xạ laser 4 × 4 cm ² giấy mờ đen ban đầu đã được sử dụng để hình dung và mô tả hai chiều (2D) phân bố không gian của các vi điểm từ MLA và DOE trên bề mặt giấy khác nhau dưới H- ₀ và FD điều kiện. 

Một xung pico giây duy nhất được chiếu xạ trên giấy mờ để phát triển LIOB trong quá trình chiếu xạ với MLA và DOE. Bề mặt giấy được chiếu xạ sau đó được chụp ảnh bằng máy ảnh kỹ thuật số. Cả kích thước và sự phân bố của chùm tia vi mô do laser gây ra trên bài báo đều được định lượng bằng cách sử dụng Image J.

Phantom test

Bóng ma bắt chước mô được chuẩn bị cho các thử nghiệm so sánh bằng cách sử dụng gelatin 10% (w / v) từ da lợn (độ bền gel 300, loại A; Sigma Aldrich, St, Louis, MO, Hoa Kỳ) trong nước cất 70 ° C. 

Ban đầu, bột gelatin được đổ vào nước cất và hỗn hợp được khuấy trong 25 phút. Sau đó, 0,03% w / v melanin (tổng hợp; Sigma Aldrich, St, Louis, MO, USA) được thêm vào hỗn hợp hòa tan dưới dạng chất mang màu.

Khi melanin đã tan chảy đủ, hỗn hợp được đổ vào khuôn có kích thước 5 cm ³và được bảo quản ở 4 ° C trong 12 giờ để hoàn thành quá trình đông đặc. Các bóng ma trong suốt đã được chuẩn bị sẵn được sử dụng để mô tả sự phân bố không gian 2D của các chùm tia vi mô trên bề mặt cũng như sự phân bố theo trục của các bong bóng vi mô do laser gây ra. 

Để đánh giá các phản ứng do LIOB gây ra, một xung pico giây duy nhất với MLA và DOE được chiếu xạ trên các bóng ma bắt chước mô trong các điều kiện khác nhau. Cả bề mặt trên và mặt cắt ngang của mỗi bóng ma được xử lý đều được chụp ảnh để xác định sự phân bố không gian của các điểm vi chùm và để khám phá sự phân bố theo trục của các bong bóng vi mô do laser gây ra trong bóng ma. Hình ảnh được sử dụng để đo cả kích thước và độ sâu của tất cả các bong bóng vi mô để so sánh định lượng giữa MLA và DOE và sự phân bố chùm tia.

Kiểm tra da

Đối với các thử nghiệm mô da heo có sắc tố sẫm màu được thu mua vì độ phân tán của mô lợn tương đương với da người (1,10 mm ⁻¹ đối với bì lợn so với 1,34 mm ⁻¹ cho lớp hạ bì của con người ở bước sóng 1064 nm. Ánh sáng laser pico giây 1064 nm được chiếu xạ với MLA và DOE trên mô da ở H ₀  = 3.0 và 6.0 J / cm ². 

Mô đã được di chuyển sang một bên 10 µm sau khi chiếu xạ mỗi xung đơn lẻ và tổng chiều dài được xử lý là 200 µm (tổng cộng 20 mũi được áp dụng). Việc chiếu xạ chồng lên nhau được áp dụng để hình dung rõ ràng sự phân bố không gian của quá trình chân không do laser gây ra trong da.

Hình ảnh từ trên xuống đã được chụp để đo sự phân bố không gian của các chùm tia vi mô trên bề mặt da để so sánh định lượng giữa MLA và DOE. Sau thí nghiệm, tất cả các mẫu mô đã xử lý được cố định trong 10% formalin đệm trung tính (Sigma Aldrich, St, Louis, MO, USA) trong hai ngày, cắt đoạn 5 µm, và nhuộm bằng hematoxylin và eosin (H&E). 

Hình ảnh  được sử dụng để mô tả cả kích thước và sự phân bố của quá trình chân không do laser gây ra bên trong mô. Tất cả các slide mô học được chụp ở 100 × và 400 × bằng kính hiển vi quang học (Leica DM500, Leica, Wetzlar, Đức). Đối với phân tích thống kê không tham số, thử nghiệm Mann-Whitney U được thực hiện để so sánh nhiều nhóm và hai nhóm, và p  <0,05 được coi là có ý nghĩa thống kê.

Kết quả : Xem tiếp phần 2