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Cristais Nd:YAG, Er:YAG e Ho:YAG para sistemas de laser médicos
Um cristal de laser pode se encaixar no ressonador e, mesmo assim, não ser adequado para o instrumento. Em 1064 nm, 2940 nm e aproximadamente 2100 nm, a luz encontra níveis de absorção muito diferentes na água. Essa diferença acompanha o feixe ao longo do sistema de condução até o local do tratamento, afetando onde a energia é depositada e o que ocorre durante um pulso.
O Nd:YAG, o Er:YAG e o Ho:YAG compartilham um hospedeiro de granada de ítrio-alumínio. No entanto, o neodímio, o érbio e o hólmio proporcionam transições de laser diferentes; portanto, seu hospedeiro comum não os torna intercambiáveis. Mudar de um para outro geralmente implica rever a fonte de bombeamento, a óptica do ressonador, o trajeto de transmissão e a interação pretendida com o tecido.
Onde a luz é absorvida
A água absorve relativamente pouco na saída usual de 1064 nm dos cristais de laser Nd:YAG. No tecido, outros absorvedores e a dispersão ajudam a determinar para onde a luz se dirige. A energia pode atingir camadas abaixo da superfície antes de ser absorvida, embora um único valor de profundidade de penetração ocultasse as diferenças entre tecidos e condições de tratamento.
A 2.940 nm, a situação muda drasticamente. A saída dos cristais de laser Er:YAG situa-se próxima a uma forte banda de absorção pela água. A energia é depositada em uma região muito mais superficial de material rico em água. O aquecimento rápido e a formação de vapor podem, então, remover o material, o que explica o interesse nesse comprimento de onda para a ablação de tecidos duros dentários e tratamentos de superfície.
Os cristais de laser Ho:YAG emitem próximo a 2,1 µm. A absorção pela água é mais forte aqui do que em 1064 nm, mas mais fraca do que próximo a 2940 nm. Os sistemas Ho:YAG são amplamente associados a procedimentos urológicos, incluindo a litotripsia. A remoção de cálculos envolve absorção, aquecimento e comportamento das bolhas; suas contribuições relativas variam de acordo com as configurações do pulso, a posição da fibra e o líquido circundante.
| Ponto de projeto | Nd:YAG | Er:YAG | Ho:YAG |
|---|---|---|---|
| Potência médica comum | 1064 nm | 2940 nm | Aproximadamente 2100 nm |
| Absorção pela água nesses comprimentos de onda | Relativamente fraca | Muito forte | Entre Nd:YAG e Er:YAG |
| Exemplos de uso | Tratamentos térmicos e fotodisrupção focada | Ablção de tecidos duros e superfícies dentárias | Litotripsia e procedimentos em tecidos moles |
| Considerações sobre a transmissão | Fibra de sílica ou óptica em espaço livre, dependendo do pulso | Braços articulados, guias de onda ocos ou fibras infravermelhas adequadas | Fibras de sílica projetadas para o comprimento de onda e as condições do pulso |
O pulso altera a interação
O comprimento de onda não explica tudo no caso do Nd:YAG. Um pulso curto e altamente focado pode produzir ruptura óptica, mesmo que a água tenha baixa absorção na região de 1064 nm. A formação de plasma e os efeitos mecânicos resultantes são diferentes do aquecimento do tecido durante uma exposição mais prolongada. A fotodisrupção oftálmica pode utilizar o comprimento de onda fundamental; a conversão de frequência não é um pré-requisito.
Um exemplo útil vem de experimentos que compararam a ruptura óptica do Nd:YAG com o aquecimento do Er:YAG na água. Ambos produziram bolhas, mas as bolhas se formaram por meio de mecanismos diferentes. A simples observação de sua aparência não era suficiente para determinar que os dois sistemas produziam efeitos equivalentes. O estudo também utilizou diferentes energias e durações de pulso, portanto, não isolou o comprimento de onda como única variável.
O tempo de pulso também é importante após a absorção. O calor pode se afastar da região iluminada durante e entre os pulsos. Repetir pulsos antes que essa região esfrie altera o histórico térmico, mesmo que cada pulso transporte a mesma energia. Para um sistema de ablação, o registro de desenvolvimento precisa, portanto, da forma de onda do pulso e da taxa de repetição, além da energia e do tamanho do ponto.
A saída de Nd:YAG com conversão de frequência requer uma avaliação específica. A duplicação da frequência produz luz de 532 nm, com requisitos de absorção e de componentes ópticos diferentes daqueles de 1064 nm. Uma especificação que mencione apenas “laser Nd:YAG” deixa essa distinção sem resolução.
A forma de transmissão pode determinar a arquitetura
Vale a pena definir a via de transmissão antes das dimensões do cristal. Fibras de sílica estão disponíveis para 1064 nm e para comprimentos de onda de Ho:YAG, mas a fibra ainda precisa suportar o pulso pretendido. Erros de acoplamento, uma face terminal contaminada ou curvatura excessiva podem danificar um sistema de transmissão que transmita o comprimento de onda adequadamente em um teste de baixa potência.
O Er:YAG apresenta uma restrição diferente. A fibra de sílica convencional apresenta alta perda próxima a 2.940 nm, de modo que um conjunto de transmissão Nd:YAG existente não pode simplesmente ser adaptado. Braços articulados, guias de onda ocos e fibras infravermelhas especiais oferecem diferentes combinações de acesso, flexibilidade, perda e durabilidade.
Trabalhos que combinam Er:YAG e Ho:YAG para ablação de tecidos duros ilustram o quanto a transmissão e o tempo de pulso podem estar intimamente ligados. Os pesquisadores utilizaram uma fibra óptica oca e controlaram o atraso entre as duas saídas. Esse arranjo fazia parte do experimento, e não era um acessório que pudesse ser omitido na interpretação do resultado.
As perdas ao longo do trajeto de transmissão também separam a saída do ressonador da saída utilizável. Medições de aceitação na peça de mão ou na ponta da fibra capturam alterações que uma leitura de potência dentro do cabeçote do laser não detectaria.
Bombeamento e aquecimento dentro do cristal
O dopante deve ser adequado tanto para o bombeamento quanto para a saída desejada. O Nd:YAG é utilizado tanto em arquiteturas bombeadas por lâmpada quanto por diodo. Para sistemas de holmium, um cristal Ho:YAG dopado individualmente e um material codopado, como Cr,Tm,Ho:YAG, pertencem a diferentes configurações de bombeamento. Um resultado publicado para uma composição não constitui uma especificação para a outra.
A concentração do dopante afeta o local onde a luz de bombeamento é absorvida. Aumentá-la pode concentrar a absorção em um comprimento menor, alterando a distribuição de calor em vez de simplesmente proporcionar mais potência de saída. A transferência de energia, a reabsorção e as perdas relacionadas à concentração também dependem do material específico. A concentração útil deve ser considerada em conjunto com o comprimento de onda de bombeamento, o comprimento do cristal e o resfriamento.
À medida que o cristal se aquece, alterações no índice de refração e na tensão mecânica podem alterar o comportamento do feixe e do ressonador. O diâmetro da haste, a montagem, o contato de resfriamento e quaisquer seções finais coladas fazem parte desse cálculo. Um cristal que atenda à inspeção dimensional ainda pode precisar de testes no ciclo de operação pretendido para determinar seu comportamento na cabeça do laser.
O que deve constar no desenho do cristal
Para uma compra na Stanford Advanced Materials (SAM), o desenho deve conter os detalhes necessários para reproduzir a peça óptica: concentração do dopante e base de referência, dimensões, orientação quando relevante, geometria da face terminal, qualidade da superfície e requisitos de revestimento. A expressão “cristal de laser médico” é muito ampla para definir essas opções.
Os revestimentos merecem atenção especial quando um projeto utiliza pulsos curtos. Um resultado de limiar de dano obtido com um comprimento de onda, duração de pulso ou método de teste diferentes pode não responder à dúvida do projetista. Os comprimentos de onda da bomba e do laser, o ângulo de incidência e as condições de pulso pretendidas devem acompanhar a solicitação de revestimento.
A avaliação da amostra pode então seguir a rota de montagem real. Após a montagem e o alinhamento, as medições de energia do pulso, forma do pulso, qualidade do feixe e estabilidade da saída mostram como o cristal se comporta com o arranjo de bombeamento e resfriamento selecionado. As perdas de transmissão e os testes de uso repetido devem ser realizados na fase do instrumento. Manter esses resultados junto aos registros do lote do cristal fornece uma base concreta para comparação em testes de substituição posteriores.
Referências
- Constantes ópticas da água na região de comprimentos de onda de 200 nm a 200 µm.
- Dinâmica comparativa de bolhas na ruptura óptica induzida por laser Nd:YAG mediada por plasma e na irrigação ativada por laser Er:YAG acionada termicamente em água.
- Radiação síncrona com lasers Er:YAG e Ho:YAG para ablação eficiente de tecidos duros.
- Litotripsia a laser de holmium:YAG: um mecanismo ablativo fototérmico dominante com decomposição química de cálculos urinários.
- A cavitação desempenha um papel vital na pulverização de cálculos durante a litotripsia a laser de holmium:YAG de pulso curto.
