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【文献分享】皮秒的脉宽对祛除纹身临床疗效影响的相关研究

摘要

大多数纹身去除是通过激光来进行治疗,但纹身油墨粒子的尺寸是越来越小,这降低了传统激光治疗的效果。目前正在研制一种可调的激光光源,它可以在两种或更多波长下振动以去除纹身,临床前的数据应该是临床适应所必需的。以豚鼠为研究对象比较了两种掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)皮秒激光和纳秒激光在532和1064nm波长下去除多种色素的疗效。纹身的颜色包括红、黄、绿、蓝和黑。实验用每种类型的激光对豚鼠进行一次治疗。通过摄影、比色和组织病理学评估激光治疗前后色素沉着清除和局部反应。所有病例至少进行了一次治疗和随访。532nm波长对祛除黑色纹身以外的其它颜色纹身都有很好的效果。与纳秒相比,脉宽为450的皮秒具有更高的色素去除效果与更小的皮肤损伤。纳秒的能量为1J,皮秒激光为0.13J,脉宽为6nm、450ps。综上所述,脉宽控制了热迟豫时间(TRT),是清除色素沉着和皮肤损伤的有效因素之一。

介绍

随着大家对纹身的审美不断变化,越来越多的人选择纹身,纹身的样式也越来越多样化。纹身是用颜料在皮肤的真皮层设计想要的图案或文字。大多数纹身是通过激光进行祛除,但是纹身墨水颗粒的尺寸越来越小,这降低了传统激光的疗效。因此,治疗强度应该增加,必须进行多次治疗,但这样会导致在治疗中有严重的疼痛感并留下疤痕。对于彩色纹身来说,去除颜料也很困难。目前,正在研制一种可调谐的激光光源,能够用两个或两个以上的波长振动以去除色素沉着;该光源由一个超高速纳秒激光和一个皮秒激光组成。这两种激光器的脉宽理论上相差1000倍,即使它们的治疗参数相同,也有不同的疗效。皮秒和纳秒激光在短时间内发射出大量的能量,但皮秒激光产生的副作用最小,因为它到达皮肤的速度比纳秒激光快千分之一秒。然而,大多数皮秒激光的脉宽约为755ps,比纳秒激光的脉宽大约少25%。在本研究中,我们使用脉宽为450ps的皮秒激光评估去除多色纹身的疗效。此外,我们比较了532nm和1064nm波长可调谐的超快开关皮秒和纳秒激光,并通过哈特利豚鼠证明了450ps的532nm去除小粒子的效果优于纳秒。

材料和方法

主题和彩色纹身

哈特利豚鼠每只重700±35克,它们的背部面积和厚度与人类皮肤相似。将豚鼠放置在恒温(22±1?C)和湿度(60%)的聚碳酸酯笼中。本研究严格按照机构动物护理和使用委员会指南中的建议进行,方案经丹库大学伦理委员会批准。纹身墨水是从英国伦敦的Intenze公司购买的,使用了五种颜色(红、黄、绿、蓝、黑)。所有颜色的成分见表1。对豚鼠进行静脉注射约25 uM的盐酸美托咪定,用生理盐水稀释,比例为1:3,用电剃刀刮豚鼠背部。在每个实验组中,这5个纹身方块被放置在每只动物的背上,每个纹身方块大约是1.2×1.2cm。共使用了10只豚鼠(n=2/组),使用纹身笔进行五种颜色的纹身,纹身笔带有振动驱动的往复针头,纹身深度约为1毫米,在相同的正方形区域内多次纹身。在纹身和激光治疗前,在治疗部位使用10%的塞洛卡因泵喷剂来减轻疼痛。重复纹身直到颜色完全着色。第一次纹身4周后,对豚鼠进行麻醉,如上所述再次剃毛,并进行每次激光治疗。

表一 彩色油墨的组成部分
颜色
成份
黑色MW: 12.0107

C.I.77266: 炭黑
蒸馏水
丙三醇
异丙醇
金缕梅
蓝色MW: 576.07

C.I.74160:铜酞菁
甘油
蒸馏水
异丙醇
金缕梅
绿色MW:386.364

C.I.11740:C18H18N4O6(有机物),颜料黄65
C.I.77891: 二氧化钛?(TiO2), 白色颜料6,钛白
C.I.74160: 铜酞菁
黄色MW: 79.866

C.I.77891: 二氧化钛(TiO2),色素白色6,钛白粉
C.I.11740:C18H18N4O6(有机物),颜料黄65
C.I.74160:铜酞菁
红色MW: 623.498

C.I.12477: C25H20N4O4, 颜料红210
C.I.11740: C18H18N4O6(有机物), 颜料黄65
C.I.21110:C32H24Cl2N8O2, 橙色颜料13
甘油
蒸馏水
异丙醇
金缕梅

激光治疗

为了评估皮秒激光对多色纹身的影响,我们比较了两种调Q的Nd:YAG激光和Picocare?(韩国元泰,大田市,韩国)。设备信息如表2所示。表3描述了激光处理设置,如脉宽、光斑大小和能量。治疗在一个疗程内进行。

表二 设备信息
纳秒设备
制造商
韩国元泰
生产年份
2018
发射极数
1
发射器类型
Nd:YAG 激光
发射极空间分布
多模式
光束传输系统
Articulated Arm
皮秒设备
制造商
韩国元泰
生产年份
2018
发射极数
1
发射器类型
Nd:YAG激光
发射极空间分布
多模式
光束传输系统
Articulated Arm

摄影评估

摄影评估由对研究不知情的皮肤科医生根据在相同条件(光源、房间和相机)下(在基线、治疗前、治疗后立即和治疗后3周)用数码相机拍摄的标准数码照片进行对比。为评估激光治疗的疗效,四名研究人员分别以五分制(0 – ++++)评分,分为:++++:> 70%去除,改善良好;> 50%及< 70%,明显改善;> 30%及< 50%,适度改善;+: > 10%及< 30%,轻度改善;0: < 10%,无影响。

表三 治疗参数

纳秒设备
参数(单位)
1064nm
532nm
目标处光束光斑大小
4~7mm
3mm
曝光时间
4~48ns
4~48ns
辐射照射?(J/cm2)
1.8~6.0
0.2~0.4
离子能量?(J)
7.2~42
0.6~1.2
辐照点的数量
1
1
区域辐射?(mm)
4~7
3
应用技术
上皮细胞接触
_
治疗的次数和频率
1次治疗
总辐射能量?(J)
7.2~42
0.6~1.2
皮秒设备
参数(单位)
1064nm
532nm
目标处光束光斑大小
4~7mm
3~4mm
曝光时间(皮秒)
450
450
辐射照射?(J/cm2)
1.5~3.0
0.2~0.4
离子能量?(J)
6~21
0.6~1.6
辐照点的数量
1
1
区域辐射?(mm)
4~7
3~4
应用技术
上皮细胞接触
_
治疗的次数和频率
1次治疗
总辐射能量(J)
6~21
0.6~1.6

使用色度计进行定量评估

使用色度计在基线和治疗后3周在纹身区域的两个点客观地测量每个纹身的颜色。给出了两个值的平均值。L_值表示纹身中白色(-)到黑色(+)的颜色变化,a_值表示红色(-)到绿色(+)的颜色变化,b_值表示黄色(-)到蓝色(+)的颜色变化。为了评估色素沉着的变化,我们单独使用L_值来评估纹身的黑色区域,a_值用于红色和绿色区域,b_值用于黄色和蓝色区域。

组织病理评价

对每个彩色纹身区域使用4毫米穿刺活检获得全层皮肤样本,并使用苏木精和伊红(H&E)染色。在光镜下,对所有对照和实验皮肤部位的纹身色素面积/ H&E单位面积的比例进行两次测量,并比较其平均值。为了量化单位面积上的染色面积比例,我们在每个皮肤样本的恒定面积上盲目地拍摄照片。然后由对研究不知情的评估人员使用Photoshop软件评估染色区域的比例。

纳秒激光和皮秒激光的脉宽测定

激光脉冲宽度测量采用ET-3500检测器和一个示波器。检测器和示波器的测量性能分别为15GHz和8GHz,可以直接实时测量小于200皮秒的脉宽,测量误差小。

统计分析

使用SPSS for Windows进行临床摄影评估。得到了95%置信区间的数据。p值小于0.05被认为有统计学意义。使用色度计进行定量评估时,数据以±SD表示。纳秒激光和皮秒激光之间的差异通过使用Prism的测试单向方差分析(图基测试)计算。

结果

临床摄影评估

无论激光脉宽长短如何,皮秒激光在去除彩色纹身方面都优于纳秒激光。如图2和表4所示,红、绿、蓝、黄四色纹身去除效果如下:皮秒532 nm > 纳秒532 nm >皮秒1064 nm >纳秒1064 nm。采用纳秒和皮秒激光的532nm也能有效去除色素沉着(图2D)。去除黑色纹身的方法如下:皮秒532 nm >皮秒1064 nm >纳秒532 nm >纳秒1064 nm(图2E)。即使使用6 J/cm2的1064 nm纳秒激光用于祛除黑色纹身,去色效果也没有明显改善。在表皮损伤方面,1064纳秒激光处理的病灶在治疗后立即出现表皮损伤且是最为严重的,包括出血和表皮组织丢失,而532皮秒激光处理的病灶表皮变化也比532nm 纳秒激光处理的病灶少。总的来说,所有的激光治疗后都没有立即造成严重的皮肤损伤,532nm皮秒激光去除彩色纹身效果显著。

表四?临床摄影评估
_
皮秒1064
皮秒532
纳秒1064
纳秒532
红色
+++
++++
+
++
黄色
++
++++
++
++
绿色
+++
++++
+
++
蓝色
+
++++
0
++
黑色
+
++
++
0
图1.激光治疗的实验方案

图1.激光治疗的实验方案

(A)纹身是用五种墨水进行的,并重复几次直到完成着色使用纹身笔与振动驱动的往复针,深度约1毫米,多次通过在同一正方形区域。在第7天和第21天进行比色分析和照相评价。(B)每组动物(n=2)的背上放置5个彩色方块,共10只豚鼠。描述了激光处理的规格,以辐射曝光和孔径。

图2.临床照片去除红、黄、绿、蓝、黑色素随时间的变化

图2.临床照片去除红、黄、绿、蓝、黑色素随时间的变化

在第3周,532nm皮秒激光在去除红色纹身方面是最有效的。532皮秒激光比532纳秒激光治疗后表皮损伤小,愈合快。(A)红,(B)黄,(C)绿,(D)蓝,(E)黑。

使用色度计进行定量评估

使用比色测量法比较皮秒和纳秒激光治疗每种颜色的效果。532nm皮秒激光从第7天开始,红色去除效果显著(p<0.1),第21天观察到少量色素沉着(p<0.05,图3A)。在去除黄色的情况下,1064 nm皮秒激光仅显示显著性,这与临床摄影评估的结果不同(p < 0.1,图3B)。在去除黑色时,1064皮秒激光和纳秒激光在第21天的效果相似(p<0.1), 532皮秒激光的效果优于1064 nm(p < 0.05,图3E)。总的来说,皮秒激光在21天内对纹身的所有颜色都有很好的改善,而且比纳秒激光的效果更好。

图3.比色分析

图3.比色分析

治疗前和治疗后3周进行比色强度的测定和比较。给出了两个值的平均值。L_值表示纹身中白色(-)到黑色(+)的颜色变化,a_值表示红色(-)到绿色(+)的颜色变化,b_值表示黄色(-)到蓝色(+)的颜色变化。(A) 532nm皮秒激光的红色颜料强度变化达50%。(B) 532nm和1064 nm皮秒激光的颜料强度均为黄色。(C)532nm皮秒激光的绿色颜料强度变化为> 50%。(D)532nm皮秒激光显示蓝色颜料强度变化50%。(E)去除黑色色素的效果似乎在纳秒激光和皮秒激光之间有很大差别,但纳秒激光对皮肤的损伤更为严重。

组织病理分析

为了比较治疗后的组织学变化,每次激光治疗后立即获得蓝色和红色的标本。在532nm纳秒激光处理的样品中,可以观察到真皮间质大液泡和大量红细胞外渗,以及表皮基底液泡的改变。相比之下,532nm皮秒激光对表皮和真皮的损伤最小(图4)。

图4.苏木精和伊红(H&E)染色活检标本

图4.苏木精和伊红(H&E)染色活检标本

彩色标本在激光治疗后立即取样。532nm纳秒激光治疗黑色后可见致密的红细胞外渗和真皮空泡化。这些变化在1064nm纳秒激光处理后不太明显。

纳秒激光和皮秒激光脉宽的测定

测量脉宽的能量为1J纳秒激光,130mJ皮秒激光,测量脉宽的时间分别为6ns(图5A)和450ps(图5B)。此外,皮秒激光在1064nm时的峰值功率密度比传统纳秒激光提高了116倍,在532nm时提高了207倍(图,5C)。

图5.纳秒激光和皮秒激光脉宽的测定

图5.纳秒激光和皮秒激光脉宽的测定

1064nm纳秒激光的峰值功率密度为7077.14MW/cm2,532nm纳秒激光的峰值功率密度为6290.79MW/cm2,分别比常规纳秒激光高116倍和207倍。

讨论

使用激光去除纹身是众所周知最优秀的选择,也是最常用的临床实践。临床操作的实际需求是用户方便且无副作用。皮秒激光自2012年开始用于去除纹身患者。皮秒激光去除纹身的主要原理是通过光热与光声效应对发色团进行碎裂。热弛豫时间(TRT)是选择性光热分解的概念,激光的脉宽根据靶组织的TRT来确定,TRT根据色素的分子大小而不同。大的纹身颗粒TRT需要10nm或更长的脉宽才能碎裂,而小的纹身颗粒和良性表皮色素沉着需要更短的脉宽,因为靶分子周围的超能量转移有很高的副作用风险。皮秒激光发射的光脉冲长度更接近纹身色素分子的TRT。因此,它们可以更有效地传递热辐射,并且可以聚焦于目标区域。皮秒脉冲可以被热限制在目标上,因为它被照射的脉冲持续时间小于1ns。皮秒激光的短脉冲具有应力约束现象等优点。在组织体积扩大之前,所有脉冲能量都创造了限制热弹性能量在组织内扩散的条件,因此只需将脉冲宽度调整到声热弛豫时间。我们开发了Nd:YAG Q开关纳秒和皮秒激光,可以通过抖动周期来调节纳秒的时间(图5 A和B)。抖动周期是信号特性的最大值(或最小值)的两倍间隔,该特性随时间有规律地变化。该应用实现了450皮秒的脉宽可以应用于接近TRT的黑色素和黑素小体靶(400和500脉冲)与应力弛缓时间(10ps和300ps)以及小分子色素。另外,我们的450皮秒的脉宽产生了类似SRT反应,有利于最大限度地减少由于机械效应而不是热效应对靶外组织的损伤。为了说明皮秒激光的优势,我们使用多色纹身动物模型比较了不同波长和脉宽激光效果的差异。无论脉宽如何,532nm的激光在清除红色、黄色、绿色和蓝色纹身时效果最好(图2和图3)。对于黑色纹身,使用皮秒激光和纳秒激光时,1064nm和532nm的效果没有显著差异。如表1所示,我们使用了5种含有小分子的颜料:黑色的分子量为12,蓝色为576.07,绿色为386.364,黄色为79.866,红色为623.498。黑色颜料的分子量太小,这可以推断,单次治疗不足以去除黑色颜料。

与532nm纳秒激光相比,532nm皮秒激光在皮肤损伤方面表现出更好的效果,其安全性似乎是由于脉宽较短。在评估对周围组织的损伤程度时,532nm皮秒激光产生的组织损伤比纳秒激光少(图4)。我们的532nm皮秒激光有优势。图5C说明了脉宽为450皮秒的532nm和1064nm与6纳秒脉冲长度的纳秒激光器之间的比较。纳秒调Q激光脉冲的特性随输出能量的变化而变化。这是基于当激光泵浦能量增加时脉冲压缩效应缩短的原理。另一方面,皮秒激光有一种机制,在这种机制中,无论能量多少,脉冲持续时间都是确定的,并通过一个放大器,通过使用各种技术压缩主谐振腔中的脉冲,如空腔放电和布里渊散射压缩。1064 nm皮秒激光的峰值功率密度为7077.14 MW/cm2,比传统纳秒激光的峰值功率密度高出116倍左右,532nm皮秒激光的峰值功率密度为6290.79 MW/cm2,约为传统纳秒激光器峰值功率密度的207倍。此外,我们的研究结果与其他报告保持一致,皮秒激光脉宽取决于TRT,由于积分通量水平低。它被发现是更有效的清除彩色纹身和周围的皮肤和疤痕产生更少的损害。众所周知,光声激光-组织相互作用比光热激光-组织相互作用更适用于减少附带损害,后者在大多数纳秒激光治疗中使用。“气泡状”空化表现为圆形排列的深色细颗粒,似乎包围溶酶体裂片。在物理学上,这种现象被报道是由光声或照相力学效应引起的。使用脉冲宽度在10到几百皮秒之间,比颜料颗粒的热应力和声应力松弛时间都短(Bernstein等人,2015)。据报道,去除特定颜色的能力主要取决于特定的波长,然而色素的分子量也是激光应用的关键因素。因此,皮秒激光短脉宽可以促进选择性降解成更小尺寸的油墨颗粒,增强治疗效果。由于目前的研究是基于动物模型的单一疗程治疗,如果这些激光用于人体的多个疗程可能会有更好的结果。虽然皮秒激光通过光声效应显示出了更强的降解小纹身色素的能力,但它们也有一些限制,比如价格昂贵,而且不比纳秒激光好。然而这些限制可以通过优化皮秒激光的脉宽或光束峰值功率密度应用来克服。

结论

皮秒激光去除纹身的效果比纳秒激光更好,其中皮秒532nm去除效果最好。然而,应该避免脉冲超过TRT,以尽量减少副作用,如组织损伤。在这方面,450脉宽的532nm激光可以更有效地清除彩色纹身,并对周围皮肤造成更少的伤害和疤痕,这不仅是由于TRT,而且由于低强度的类似SRT反应。

★ 阅读原文 ★

皮秒的脉宽对祛除纹身临床疗效影响的相关研究