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Cristales Nd:YAG, Er:YAG y Ho:YAG para sistemas láser médicos
Un cristal láser puede encajar en el resonador y, aun así, no ser adecuado para el instrumento. A 1064 nm, 2940 nm y aproximadamente 2100 nm, la luz experimenta una absorción muy diferente en el agua. Esa diferencia acompaña al haz a través del sistema de emisión hasta el lugar de tratamiento, lo que afecta al lugar donde se deposita la energía y a lo que ocurre durante un pulso.
El Nd:YAG, el Er:YAG y el Ho:YAG comparten un huésped de granate de itrio y aluminio. Sin embargo, el neodimio, el erbio y el holmio proporcionan diferentes transiciones láser, por lo que su huésped común no los hace intercambiables. Pasar de uno a otro suele implicar revisar la fuente de bombeo, la óptica del resonador, la trayectoria de emisión y la interacción prevista con el tejido.
Dónde se absorbe la luz
El agua absorbe relativamente poco a la longitud de onda habitual de 1064 nm de los cristales láser Nd:YAG. En el tejido, otros absorbentes y la dispersión ayudan a determinar hacia dónde se dirige la luz. La energía puede llegar por debajo de la superficie antes de ser absorbida, aunque una única cifra de profundidad de penetración ocultaría las diferencias entre tejidos y condiciones de tratamiento.
A 2940 nm, la situación cambia drásticamente. La salida de los cristales láser de Er:YAG se sitúa cerca de una banda de fuerte absorción por parte del agua. La energía se deposita en una región mucho menos profunda del material rico en agua. El calentamiento rápido y la formación de vapor pueden entonces eliminar material, lo que explica el interés por esta longitud de onda para la ablación de tejidos duros dentales y los tratamientos superficiales.
Los cristales láser de Ho:YAG emiten cerca de los 2,1 µm. La absorción del agua es mayor en esta longitud de onda que a 1064 nm, pero menor que cerca de los 2940 nm. Los sistemas de Ho:YAG se asocian ampliamente con procedimientos urológicos, incluida la litotricia. La extracción de cálculos implica absorción, calentamiento y comportamiento de las burbujas; sus contribuciones relativas varían en función de los ajustes del pulso, la posición de la fibra y el líquido circundante.
| Punto de diseño | Nd:YAG | Er:YAG | Ho:YAG |
|---|---|---|---|
| Potencia médica habitual | 1064 nm | 2940 nm | Aproximadamente 2100 nm |
| Absorción del agua en estas longitudes de onda | Relativamente débil | Muy fuerte | Entre Nd:YAG y Er:YAG |
| Ejemplos de uso | Tratamientos térmicos y fotodisrupción focalizada | Ablación de tejidos duros dentales y de superficies | Litotricia y procedimientos en tejidos blandos |
| Consideraciones sobre la transmisión | Fibra de sílice u óptica en espacio libre, dependiendo del pulso | Brazos articulados, guías de onda huecas o fibras infrarrojas adecuadas | Fibras de sílice diseñadas para la longitud de onda y las condiciones del pulso |
El pulso modifica la interacción
La longitud de onda no lo dice todo en el caso del Nd:YAG. Un pulso corto y muy enfocado puede producir una ruptura óptica, aunque el agua absorba débilmente a 1064 nm. La formación de plasma y los efectos mecánicos resultantes son diferentes de los que se producen al calentar el tejido durante una exposición más prolongada. La fotodisrupción oftálmica puede utilizar la longitud de onda fundamental; la conversión de frecuencia no es un requisito previo.
Un ejemplo útil proviene de experimentos que comparan la ruptura óptica del Nd:YAG con el calentamiento del Er:YAG en agua. Ambos produjeron burbujas, pero estas se formaron mediante mecanismos diferentes. Su mera aparición no bastaba para determinar que los dos sistemas produjeran efectos equivalentes. El estudio también utilizó diferentes energías y duraciones de pulso, por lo que no aisló la longitud de onda como única variable.
La sincronización del pulso también es importante tras la absorción. El calor puede alejarse de la región iluminada durante los pulsos y entre ellos. Repetir los pulsos antes de que esa región se enfríe altera el historial térmico, incluso si cada pulso transporta la misma energía. Por lo tanto, para un sistema de ablación, el registro de desarrollo debe incluir la forma de onda del pulso y la frecuencia de repetición, además de la energía y el tamaño del punto.
La salida del Nd:YAG con conversión de frecuencia requiere una evaluación específica. La duplicación de la frecuencia produce luz de 532 nm, con requisitos de absorción y de componentes ópticos diferentes a los de 1064 nm. Una especificación que se limite a indicar «láser Nd:YAG» deja sin resolver esa distinción.
La vía de transmisión puede determinar la arquitectura
Conviene decidir la vía de transmisión antes de las dimensiones del cristal. Existen fibras de sílice para 1064 nm y para longitudes de onda de Ho:YAG, pero la fibra debe soportar el pulso previsto. Los errores de acoplamiento, una cara final contaminada o una flexión excesiva pueden dañar un sistema de transmisión que transmita adecuadamente la longitud de onda en una prueba de baja potencia.
El Er:YAG presenta una limitación diferente. La fibra de sílice convencional tiene una alta pérdida cerca de los 2940 nm, por lo que no se puede utilizar directamente un conjunto de transmisión de Nd:YAG ya existente. Los brazos articulados, las guías de onda huecas y las fibras infrarrojas especiales ofrecen diferentes combinaciones de acceso, flexibilidad, pérdida y durabilidad.
Los trabajos que combinan Er:YAG y Ho:YAG para la ablación de tejidos duros ilustran hasta qué punto pueden estar estrechamente vinculados la transmisión y la sincronización de los pulsos. Los investigadores utilizaron una fibra óptica hueca y controlaron el retardo entre las dos salidas. Esa disposición formaba parte del experimento, en lugar de ser un accesorio que pudiera omitirse a la hora de interpretar el resultado.
Las pérdidas a lo largo de la trayectoria de transmisión también diferencian la potencia de salida del resonador de la potencia útil. Las mediciones de aceptación en la pieza de mano o en la punta de la fibra captan cambios que una lectura de potencia en el interior del cabezal del láser no detectaría.
Bombeo y calor en el interior del cristal
El dopante debe ser adecuado tanto para el bombeo como para la salida deseada. El Nd:YAG se utiliza tanto en arquitecturas bombeadas por lámpara como en las bombeadas por diodos. En el caso de los sistemas de holmio, un cristal Ho:YAG dopado de forma simple y un material codopado, como el Cr,Tm,Ho:YAG, pertenecen a diferentes configuraciones de bombeo. Un resultado publicado para una composición no constituye una especificación para la otra.
La concentración del dopante influye en el punto donde se absorbe la luz de bombeo. Aumentarla puede concentrar la absorción en una longitud menor, modificando la distribución del calor en lugar de limitarse a proporcionar más potencia de salida. La transferencia de energía, la reabsorción y las pérdidas relacionadas con la concentración también dependen del material concreto. La concentración adecuada debe tenerse en cuenta junto con la longitud de onda de bombeo, la longitud del cristal y la refrigeración.
A medida que el cristal se calienta, los cambios en el índice de refracción y la tensión mecánica pueden alterar el comportamiento del haz y del resonador. El diámetro de la varilla, el montaje, el contacto de refrigeración y cualquier sección de extremo unida se tienen en cuenta en ese cálculo. Un cristal que supere la inspección dimensional puede seguir necesitando pruebas en el ciclo de trabajo previsto para determinar su comportamiento en el cabezal del láser.
Qué debe figurar en el plano del cristal
Para una compra a Stanford Advanced Materials (SAM), el plano debe incluir los detalles necesarios para reproducir la pieza óptica: concentración de dopante y base de referencia, dimensiones, orientación cuando sea relevante, geometría de la cara final, calidad de la superficie y requisitos de recubrimiento. La expresión «cristal láser médico» es demasiado amplia para definir esas opciones.
Los recubrimientos merecen una atención especial cuando el diseño utiliza pulsos cortos. Un resultado del umbral de daño obtenido con una longitud de onda, una duración de pulso o un método de ensayo diferentes puede no responder a la pregunta del diseñador. Las longitudes de onda de bombeo y del láser, el ángulo de incidencia y las condiciones de pulso previstas deben acompañar a la solicitud de información sobre el recubrimiento.
La evaluación de la muestra puede seguir entonces el proceso de montaje real. Tras el montaje y la alineación, las mediciones de la energía del pulso, la forma del pulso, la calidad del haz y la estabilidad de la salida muestran cómo se comporta el cristal con la bomba seleccionada y el sistema de refrigeración. Las pérdidas en la transmisión y los ensayos de uso repetido deben realizarse en la fase del instrumento. Conservar esos resultados junto con los registros del lote de cristales proporciona un punto de referencia concreto para las pruebas de sustitución posteriores.
Referencias
- Constantes ópticas del agua en el rango de longitudes de onda de 200 nm a 200 µm.
- Dinámica comparativa de las burbujas en la ruptura óptica inducida por láser Nd:YAG mediada por plasma y en la irrigación activada por láser Er:YAG impulsada térmicamente en agua.
- Radiación sincrónica con láseres Er:YAG y Ho:YAG para la ablación eficaz de tejidos duros.
- Litotricia con láser de holmio:YAG: un mecanismo ablativo fototérmico dominante con descomposición química de los cálculos urinarios.
- La cavitación desempeña un papel fundamental en la pulverización de los cálculos durante la litotricia con láser de holmio:YAG de pulso corto.
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