Введение. Чтобы улучшить лазерную эпиляцию
(LHR) для темной кожи, важна скорость потока энергии, достигающая волосяного
фолликула в LHR. В данной статье представлены результаты сравнительного
исследования влияния длины волны на темные типы кожи с использованием александритового
лазера с длиной волны 755 нм и диодного лазера с длиной волны 810 нм.
Методы: Структура кожи была создана с
использованием реалистичной модели кожи в программе Advanced Systems Analysis
Program.
Результат: В этом исследовании было
смоделировано взаимодействие луча александритового лазера (755 нм) и диодного
лазера (810 нм) с тканью кожи. Результаты моделирования для обоих лазеров
различались. Коэффициент передачи диодного лазера на темную дерму кожи был
примерно на 4% больше, чем у александритового лазера для того же типа кожи. Для
диодного лазера при глубине скин-слоя z = 0,67 мм средние коэффициенты
пропускания обоих образцов составили 36 и 27,5 %, а для александритового лазера
при той же глубине скин-слоя — 32 и 25%.
Вывод: Оба лазера подходили для LHR для
темных типов кожи, но диодный лазер был лучше, чем александритовый лазер,
потому что первый мог проникать глубже в слой дермы.
Введение
Учитывая
потенциальное использование лазеров в различных медицинских целях, включая
лазерную эпиляцию (LHR) и ортопедическое лечение, механизм взаимодействия
лазера с тканями широко изучается. LHR в настоящее время является наиболее
часто запрашиваемой косметической процедурой в мире, особенно для клиентов
женского пола. Тридцать лет назад была отмечена способность лазеров повреждать
волосяные фолликулы. Врачи, участвующие в симуляционных исследованиях, должны
убедиться, что плотность потока энергии александритового и диодного лазеров для
удаления волос на глубоких участках кожи влияет на ситуации, приводящие к
потемнению кожи. Управление кожей человека в косметическом центре в
исследовательских целях по плотности потока лазерного излучения затруднено,
поэтому для имитации свойств тканей используются различные типы фантомов.
Фантомы, имитирующие кожу, были разработаны для анализа биооптических
инструментов и методов для нескольких целей. Данные, представленные в
предыдущих статьях, показали, что компьютерную модель можно использовать для
точного расчета плотности потока света даже в самых глубоких частях слоя кожи.
Каретен сообщил, что содержимое эпидермиса влияет на скорость потока энергии,
проникающего в глубину кожи.
Различные
симуляции и модальности световых технологий в настоящее время используются в
области лазерного взаимодействия с кожей. Эти модели включают программное
обеспечение MCL5, Monte Carlo и Advanced Systems Analysis Program (ASAP).
Система
LHR наиболее эффективна для людей со светлой кожей и темными волосами. Недавнее
исследование показало, что и цвет кожи, и цвет волос влияют на успех LHR. На
момент написания этой статьи несколько исследований оценивали удовлетворенность
пациентов и осложнения после LHR среди цветных людей. Проникновение лазерного
луча через кожу человека для удаления волос сильно зависит от оптических
свойств кожи. Коэффициент поглощения эпидермиса зависит от объемной доли
меланосом и концентрации эумеланина в эпидермисе. Поглощение и рассеяние света
в слоях кожи определяют плотность потока света, достигающего предполагаемого
места лечения. Для эффективного поражения цели необходимо учитывать потери,
вызванные отражением, рассеянием и поглощением. Однако идея плотности потока
лазерного излучения для удаления волос, включая соответствующие подходы для
темных типов кожи и лазерных источников, еще не была оптимизирована с помощью
метода моделирования.
Различные
типы лазеров в основном различаются по длине волны; Различные длины волн лазера
нацелены на разные проблемы кожи. Таким образом, различные лазеры необходимы
для лечения различных проблем с кожей. Необходимо провести исследование
различных длин волн лазера для удаления волос, чтобы решить все проблемы, которые
могут возникнуть при этих процедурах. Объяснение различий между этими
различными типами лазеров может быть очень длинным, техническим и довольно
запутанным, поэтому мы сосредоточились на диодных и александритовых лазерах как
на оптимальных вариантах для LHR кандидатов с темным типом кожи. Интенсивность
потока александритового и диодного лазеров на темной коже сравнивали с
использованием компьютерной моделируемой кожи из реалистичной модели кожи (RSM)
программного обеспечения ASAP от Breault Research.
Методология
1. Реализация имитационной модели
с помощью Advanced Systems Analysis Program (ASAP)
Исследователи-биомедики
и инженеры-оптики уже давно используют программное обеспечение для
моделирования для эффективной разработки новых продуктов и приложений.
Программа ASAP является золотым стандартом для моделирования в настоящем
исследовании. Версия ASAP V1R1 2009 создает реалистичные фантомы тканей для
исследования оптических свойств кожи. Эта версия ASAP представляет собой новый
метод в программе оптического моделирования, которая позволяет моделировать
распространение фотонов и запись плотности мощности лазера в слоях кожи. Этот
метод также полезен для прогнозирования переноса излучения и доставки плотности
потока энергии в мишень. Эта модель условно разделена на четыре основные части.
Часть I описывает принципы ASAP-моделирования строительной системы, блоков и
модели выборки, а также то, как моделирование может быть реализовано в
программном обеспечении. Часть II содержит подробные инструкции по созданию,
использованию и модификации источника. Часть III создает трассировку лучей и
некоторые результаты вычислений и проверки, а также демонстрирует анализ
результатов. Часть IV, заключительная часть модели, знакомит с некоторыми
основными аналитическими инструментами и концепциями. Эта часть, как правило,
является наиболее интересным этапом процедуры моделирования, поскольку на этом
этапе можно получить ответы на вопросы об оптических характеристиках модели.
2. Создание скина
Выбран
произвольный участок кожи человека, площадь кожи 100 мм2. Эта область
моделируется как трехмерная среда, разделенная на четыре слоя. Первый слой
представляет собой роговой слой, верхний слой толщиной 0,01 мм, содержащий в
основном кератин и мертвые клетки. Второй слой — эпидермис, толщиной 0,0875 мм,
содержащий в основном живые клетки. Помимо содержания в основном живых клеток,
этот слой содержит фракцию хромофора и меланина. Третий слой — дерма, слой
толщиной 1,8 мм, в основном содержащий оксигемоглобин и дезоксигемоглобин.
Четвертый слой — гиподерма, слой толщиной 3 мм, содержащий жировые клетки.
В
этом исследовании единственным различием между образцами кожи была объемная
доля меланосом и концентрация меланина в эпидермальном слое. Различия в толщине
эпидермиса явно не учитывались. Путем изменения объемной доли меланосом в
эпидермисе были созданы два типа кожи. Параметры RSM для концентраций
эумеланина и феомеланина в эпидермисе составили 80 и 12 г/л соответственно.
Концентрации эумеланина и феомеланина поддерживали на указанных выше значениях
для обоих типов кожи.
В
этом исследовании были применены методы ввода параметров с использованием
параметров по умолчанию и визуальных характеристик в программной библиотеке
ASAP.
3. Моделирование волос
Моделирование
волос, которое является частью RSM в программном обеспечении ASAP,
использовалось для создания и моделирования волос на поверхности кожи. В этом
исследовании были созданы два типа кожи: средняя и темная кожа с одинаковой
плотностью волос (50 волос на см-2), одинаковым диаметром волос (0,1 мм), одним
и тем же цветом волос (светло-каштановые), с одинаковым углом наклона волос и
длина (60 и 5 мм).
4. Лазерные источники
В
работе использовались диодный и александритовый лазеры с длинами волн 810 и 755
нм соответственно. В модели использовалась мощность облучения 1000 мВт при
диаметре пучка 5 мм. Расстояние между лазерным лучом и мишенью было установлено
равным 5 мм. Пучок облучения со следами лучей в 1 000 000 лучей передал
мощность от источника к коже. Плотность потока лазера была получена с помощью
команды VOXEL (объемное изображение или элементы пикселей). VOXEL в ASAP использовался
для захвата энергии, прошедшей через объем кожи.
Имитационная
модель была применена к обоим типам кожи. Мы применяли как александритовый, так
и диодный лазеры с одинаковой мощностью и диаметром пятна, а плотность потока
энергии рассчитывали на разной глубине. Для первого моделирования использовался
александритовый
лазер с длиной волны 755 нм для темной и средней кожи.
Для
второго моделирования использовался диодный лазер с длиной волны 810 нм для средней и темной кожи.
Результаты и обсуждение
В
одном случае показан диодный лазер, а в другом — александритовый лазер. Было
проведено моделирование проходящего диодного лазера и александритового лазера
из слоев кожи с двумя разными типами кожи. Фотоны проникали в кожный слой и
продвигались хаотично. В каждом слое кожи фотон поглощался концентрацией
хромофора. Результаты показывают, что на скорость потока энергии влияли как
длина волны, так и состав ткани. Учитывая, что коэффициент поглощения меланина
и воды зависит от длины волны, распределение этих компонентов (меланина и воды)
влияет на оптические свойства кожи.
Экспоненциальная
аппроксимация данных плотности потока лазерного излучения указывает на
взаимосвязь между скоростью потока энергии и глубиной кожи эпидермиса и дермы
для обоих источников лазерного излучения. Соотношение фотонов, прошедших через
лазерный диод, не было равно фотонам александритового лазера через слои кожи в
обоих образцах. Это открытие указывает на то, что количество фотонов, прошедших
от обоих источников лазера, различалось через темную и среднюю кожу. Согласно
рисунку, плотность потока энергии в коже быстро падала с глубиной. Хотя
снижение плотности потока энергии было более значительным после глубины 0,2 мм,
для обоих источников лазерного излучения наблюдалось быстрое снижение плотности
энергии в слое эпидермиса и дермы.
Количество
пропускаемого излучения было рассчитано для обоих источников лазера при темной
и средней коже с различной глубиной кожного слоя с использованием следующего
уравнения:
где
T — коэффициент пропускания (пропускания) ϕ в процентах, f — общий флюенс через
кожу толщиной z, а — падающий флюенс на объем поверхности кожи.
Низкое
пропускание диодного лазера в темной и средней коже при глубине кожи (z) 1,32
мм составило 14,5% и 17% соответственно. Напротив, низкие коэффициенты
пропускания александритового лазера на темной и средней коже при одинаковой
глубине кожи составили 11% и 13,5% соответственно. Основной причиной этого
сдвига была разница в абсорбции эпидермиса. Карестен сообщил, что каждый слой
кожи имеет разные оптические свойства, что влияет на то, как свет
распределяется по поверхности.
Обсуждение результатов
Многие
устройства медицинских лазеров, использующие родственные технологии, были
одобрены во всем мире для удаления волос за последние 20 лет. Эти технологии
включают различные типы лазеров, такие как диодный лазер (от 630 до 900 нм),
Nd:YAG-лазер (1064 нм), александритовый лазер (755 нм) и рубиновый лазер (680
нм). Лазеры с красными длинами волн на самом деле повреждают волосяные
фолликулы в глубоких слоях кожи, но разрушают эпидермис и проникают в дерму и
живые ткани. Интенсивность лазеров чрезвычайно болезненна и оставляет шрамы на
поверхности кожи. Напротив, лазеры ближнего инфракрасного диапазона действуют
глубже в коже, не повреждая роговой слой и слои эпидермиса; эти лазеры быстрые
и безболезненные. Таким образом, изменения в результатах и побочных эффектах,
связанных с косметическими процедурами, влияют на процедуру LHR. Все устройства
для удаления волос создают значительную возможность повреждения эпидермиса во
время процесса. Изучая типы лазера и кожи с помощью системы моделирования,
легко определить, какой тип кожи покажет наилучшие результаты с LHR.
Результаты
нашего моделирования показывают, что для заданной мощности диодного лазера,
используемого на светло-каштановых волосах с темной кожей, к цели должна быть
направлена низкая плотность потока энергии при заданной мощности. Для
александритового лазера с короткой длиной волны может потребоваться более
высокая плотность потока энергии для достижения того же эффекта дозы из-за
высокого риска термического повреждения окружающих тканей, особенно эпидермиса.
Тем не менее, высокая плотность потока энергии не рекомендуется.
Результаты
показывают эффекты различных лазеров, что позволяет предположить, что диодный
лазер с длиной волны 810 нм был наиболее эффективным лазером для удаления волос
на темной и средней коже. Эти результаты предполагают, что количество фотонов,
поглощенных мишенью, увеличивалось по мере увеличения количества фотонов,
проходящих в дерму. Это увеличение также соответствовало увеличению z. Таким
образом, большое количество поглощенных фотонов может привести к серьезному
повреждению волосяных фолликулов.
Результаты
нашего исследования моделирования в обсуждении подтверждают положительные
результаты, наблюдаемые в предыдущих исследованиях. Дальнейшие клинические
испытания были проведены для оценки безопасности и эффективности диодного
лазера для удаления нежелательных волос в 2012 году и показали, что длину волны
810 нм можно безопасно применять на темной коже для достижения полного удаления
волос без риска неблагоприятного термического повреждения. В 2011 г. сообщалось
о случае ожога верхней конечности, вызванного александритовым лазером. Таким
образом, длину волны лазера следует рассматривать для повышения эффективности
для обоих типов кожи, а именно для средней и темной кожи.
В заключение
Это
исследование подтвердило, что диодный и александритовый лазеры не дают
одинаковых результатов при моделировании со средним и темным типом кожи.
Результаты показывают, что диодный лазер с длиной волны 810 нм был лучшим
вариантом для удаления волос, чем александритовый лазер с длиной волны 755 нм.