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Laser e fonti di energia in urologia

 L’ncidenza praticamente su tutta la popolazione di sesso maschile dei disturbi da IPB determina  un’ enorme diffusione di terapie di ogni tipo: mediche, chirurgiche,mini invasive. Per questo motivo l’industria medicale è in continuo movimento, sfornando tecnologie e tecniche in grado di assicurare trattamenti sempre meno invasivi, ma non sempre efficaci: questo fa si che molte tecniche abbiano poca vita e che non sopravvivano alla verifica clinica sulla loro reale efficacia. Al clinico tuttavia compete l’obbligo di conoscere queste tecniche e di  orientarsi verso quelle che reputa più convenienti ed efficaci.

   Schematizzando le fonti di energia che sono a nostra disposizione per le tecniche chirurgiche urologiche sono le seguenti: fondamentale è sempre la corrente elettrica che  è direttamente collegata all’energia elettromagnetica. Quest’ultima può essere sfruttata a seconda della lunghezza d’onda e nella particolare forma di emissione luminosa: il LASER. Anche l’energia dell’onda acustica è utile nella nostra chirurgia: la più grande rivoluzione tecnologica nel nostro ambito è avvenuta proprio grazie alle onde d’urto nel trattamento della calcolosi urinaria. Sempre di attualità lo sfruttamento da fonti dirette del caldo e del freddo, come possibile con la crioterapia.

   Qualche concetto relativo alla fonte principale di energia nella nostra pratica quotidiana, l’ energia elettrica,  nota dalla notte dei tempi  e che risponde sempre a leggi fisse: due delle quali, fondamentali sono le seguenti:

  • Cerca sempre di ritornare ad una riserva di elettroni (scarica a terra).
  • Segue sempre la via di minore resistenza

   La moderna teoria atomica dà una spiegazione alla forza di attrazione osservata da Talete: quando gli elettroni abbandonano le loro orbite e si spostano verso altri atomi, determinano  l’acquisizione di una carica positiva  negli atomi con numero minore di elettroni, di carica negativa in quelli con elettroni in eccesso. Le linee di forza che circondano queste particelle generano repulsione ed attrazione: l’elettricità.

   Per uscire dalle loro orbite gli elettroni hanno bisogno di energia. Le forme di energia che, mettendo in moto gli elettroni, producono l’elettricità sono: frizione, azione chimica, pressione, calore, luce e magnetismo. L’elettricità, a sua volta, è in grado di produrre le stesse forme di energia, ad eccezione dell’attrito. Soprattutto l’elettricità è in grado di produrre le tre forme di energia usate nei sistemi elettrochirurgici: calore, luce, magnetismo.

   I generatori elettrochirurgici sfruttano il magnetismo. I due tipi di corrente che vengono utilizzate in sala operatoria sono la corrente continua  e la corrente alternata. La corrente continua utilizza un circuito semplice e gli elettroni scorrono in una sola direzione. La corrente alternata cambia la direzione del flusso degli elettroni producendo delle onde la cui frequenza è misurata in Hertz. La corrente continua non abbandona mai lo strumento: è il dispositivo per l’elettrocauterizzazione.

   I moderni generatori elettrici sfruttano  radiofrequenze comprese fra i 200 kHz e i 3 MHz, in  modo da non provocare danni ai pazienti. I generatori elettrochirurgici possono produrre corrente in tre diverse modalità: taglio, folgorazione ed essicazione.

   La corrente di taglio è una forma di onda continua che vaporizza le cellule. Con il circuito monopolare la corrente si propaga attraverso il corpo del paziente verso un elettrodo di ritorno dove viene raccolta per essere di seguito riportata al generatore. Negli antichi sistemi elettrochirurgici c’era però il rischio che la corrente elettrica trovasse una via più semplice per scaricarsi ed eludesse la strada normale di ritorno al generatore. Tutto ciò è evitato con i sistemi isolati in cui l’elettrodo di ritorno deve essere attaccato al paziente ed assicurare un’unica via di scarico. I moderni sistemi di controllo prevedono un elettrodo di scarico costituito da una piastra a struttura divisa, cioè formata da due metà per mezzo del quale la corrente di controllo monitorizza costantemente la qualità del contatto tra il paziente e l’elettrodo di ritorno.

   L’elettrochirurgia bipolare consente l’uso di corrente elettrica nell’ambito di un circuito che viene completato mediante due poli paralleli. Il flusso di corrente è limitato al percorso tra questi due poli. Poiché i poli sono molto vicini l’uno all’altro si utilizzano bassi voltaggi per ottenere l’effetto desiderato sul tessuto. La corrente non scorre attraverso il paziente e, nel caso della chirurgia urologica endoscopica  si possono usare  soluzioni attive elettroforeticamente poiché l’impulso elettrico non è  trasmesso al fluido di irrigazione.

   L’energia elettromagnetica è usata in vari apparecchi che sfruttano , tutto sommato, il riscaldamento tissutale e possono essere distinti per la velocità e la profondità dell’assorbimento di energia. La luce visibile, i raggi X, le microonde , le onde radio e i raggi laser  sono tutti parte dello spettro elettromagnetico ed appartengono alla stessa famiglia. Tutti viaggiano nello spazio alla velocità della luce. Esiste un rapporto diretto tra la velocità, la lunghezza d’onda e la frequenza: il rapporto tra lunghezza d’onda e frequenza è inversamente proporzionale.

SPETTRO ELETTROMAGNETICO

Lo spettro elettromagnetico è diviso in bande secondo la lunghezza d’onda: a sinistra le radiazioni con onda corta ed altissima frequenza, a destra le radiazioni con onda lunga e bassa frequenza.

L’energia di ogni particella emessa è uguale a f x h, dove f è la frequenza e h è una costante universale: l’energia cioè di una radiazione elettromagnetica dipende dalla frequenza.

La risposta elettrica dei tessuti molli alle radiazioni elettromagnetiche dipende dalla frequenza dell’energia. A bassa frequenza la radiazione agisce sugli elettroliti dello spazio extracellulare: i tessuti disperdono la radiazione attraverso effetti di membrana detta alfa-dispersione.

A frequenze medie, nell’ambito delle radiofrequenze, i tessuti disperdono attraverso la differenza di potenziale fra  spazio intra ed extracellulare. Ad alta frequenza si ha un effetto sull’acqua intracellulare con rotazione delle molecole d’acqua.

In pratica l’azione delle micro e radio onde avviene attraverso il riscaldamento tissutale. L’effetto sui tessuti del calore varia a secondo della temperatura raggiunta. Secondo la definizione WHO si definisce ipertermia un trattamento con temperature comprese fra 37 e 45°; Termoterapia un trattamento con temperatura oltre i 45°.

Le radiazioni di Radio-Frequenza sono definite come radiazioni che si estendono da 3 kHz fino a 300 GHz : comprendono cioè un enorme spettro di radiazioni. Infatti si divide questa banda in due sottobande: bassa frequenza , da 3kHz a 300 MHz, alta frequenza, da 300MHz a 300GHz.
La radiofrequenza sfrutta onde fra i 465 – 490 kHz e prevede il contatto tissutale diretto  in quanto esplica un’azione concentrata sui tessuti. E’ il caso della TUNA/PROSTIVA.

Le microonde occupano invece la banda elettromagnetica fra i 300 MHz ed i 300 GHz: si tratta cioè di radiazioni di maggiore frequenza e quindi di più alta energia. Esse posseggono una maggiore penetrazione tissutale con azione prevalentemente sulle molecole d’acqua. Si tratta di una metodica che può esplicarsi come semplice ipertermia o termoterapia secondo appunto la temperatura raggiunta. L’applicazione delle microonde per via transrettale determina una ipertermia. La termoterapia è ottenuta generalmente con sonde transuretrali.

Le onde acustiche hanno bisogno di un mezzo attraverso il quale propagarsi e non sono in grado di propagarsi nel vuoto. Il suono udibile è quello compreso fra i 20 ed i 20.000 Hz di frequenza sonora. Le onde con frequenza inferiore si definiscono infrasuoni, quelle con frequenza superiore ultrasuoni.

Un esempio di onda acustica è l’onda d’urto, caratterizzata da un andamento non lineare con un immediato rialzo seguito da una depressione in modo da generare una pressione positiva e negativa.

Questo tipo di onda è alla base del funzionamento delle ESWL : durante la fase positiva si determina un’erosione della superficie del calcolo; durante la successiva fase negativa si ha una cavitazione e la formazione di micro bolle che rompono il calcolo dall’interno.

ONDE D’URTO ACUSTICHE

L’HIFU prevede la focalizzazione di un’onda sonora su una precisa area corporea, l’energia sonora deriva da un trasduttore piezoceramico. L’onda sonora è proporzionale all’energia applicata sul trasduttore e determina un’ onda di potenza compresa fra 0.5 e 10 MHz. Nella zona di focalizzazione si raggiunge una temperatura di 80 – 100° con evidente effetto termico sui tessuti. In aggiunta si realizza anche un effetto di cavitazione dovuto alla pressione dell’onda sonora.

In clinica si conoscono due tipi di HIFU, uno di uso extracorporeo per la terapia del glaucoma, l’altro , di pertinenza urologica, di applicazione transrettale per la terapia del cancro prostatico.

La metodica è principalmente valida nei pazienti con K prostatico e prevede l’applicazione della sonda per via transrettale.

L’apparecchiatura per la crioterapia è costituita da due bombole, rispettivamente di Argo ed Elio che vengono immessi ad alta pressione in un circuito: I gas vengono poi improvvisamente depressurizzati e l’apparecchio sfrutta allora l’effetto Joule Thomson cioè la proprietà posseduta da quasi tutti i gas di raffreddarsi quando vengono lasciati espandere bruscamente. All’effetto Joule Thomson fanno eccezione alcuni gas come l’idrogeno e l’elio, che a temperature ordinarie aumentano invece di temperatura. Il criostato sfrutta l’esperienza dell’apparecchio di Linde : il gas viene immesso ad alta pressione e quindi rilasciato . Questa dilatazione del gas ne provoca il brusco raffreddamento, cosicché la sua risalita nel condotto determina l’ulteriore raffreddamento dell’altro gas in arrivo. L’elio , che non risponde normalmente all’effetto Joule Thomson, riacquista la capacità di raffreddare il sistema perché agisce alle basse temperature determinate dall’espansione dell’Argo.  Le moderne criosonde sono in realtà dei sottili aghi.

Già nei primi anni 50 ricercatori americani e sovietici separatamente erano riusciti ad ottenere un’emissione stimolata di microonde usando degli speciali oscillatori : l’apparecchio prese il nome di M.A.S.E.R.. Sulla guida, però, dell’originale intuizione di Einstein  che già nel 1917 aveva descritto teoricamente il fenomeno dell’emissione stimolata Towness e Schawlow proposero, in un famoso articolo teorico, l’estensione del concetto di MASER al campo ottico: era nato il LASER. Il principio di funzionamento del LASER si basa sul fenomeno dell’emissione stimolata.
Prima di spiegare questo fenomeno conviene introdurre il concetto di emissione spontanea su cui si basa qualsiasi sorgente luminosa : le normali lampade al sodio sono costituite da un tubo cilindrico contenente vapori di sodio in cui viene fatta passare corrente elettrica. Gli elettroni nel loro moto collidono con gli atomi di sodio e possono eccitarli. Gli  atomi eccitati ritornano allo stato non eccitato emettendo luce di frequenza ben precisa, in una direzione qualsiasi dello spazio.

La luce emessa da un atomo ha però buona probabilità di interagire con un altro atomo eccitato all’interno del tubo. Si può quindi produrre il fenomeno dell’emissione stimolata: questo fenomeno è differente dall’emissione spontanea poiché la luce del secondo atomo viene emessa nella stessa direzione. Se le due estremità del tubo vengono chiuse da due specchi il fascio di luce potrà rimbalzare ed amplificare l’emissione luminosa.

Il raggio Laser possiede determinate caratteristiche che lo rendono particolarmente interessante per le applicazioni chirurgiche:

PROPRIETA’ DEL RAGGIO LASER

COERENTE
MONOCROMATICO
 COLLIMATO

A causa della sua natura monocromatica è possibile agire su tessuti che assorbono particolarmente un tipo di onda: per esempio la luce verde è assorbita selettivamente dai vasi sanguigni.

Il raggio laser possiede  la coerenza : qualità ovviamente legata alla monocromaticità, cioè all’uniformità dell’onda luminosa emessa. Questo rende ragione anche dell’estrema brillanza e  della elevata direzionalità del raggio.

La luce bianca è emessa disordinatamente in tutte le direzioni, mentre il raggio laser corre parallelo rispetto alla fonte di emissione : diciamo che è collimato. La luce collimata può essere indirizzata in un piccolo punto e può essere efficacemente trasportata da una fibra ottica.

In generale lo schema del LASER è costituito da un Materiale attivo, che è l’elemento posto all’interno del sistema in cui si produce l’amplificazione ottica. Un sistema di pompaggio che è l’energia usata per attivare il processo. Il risonatore ottico, appunto, dentro il quale avviene il processo dell’emissione stimolata.

 BASIC LASER DESIGN

 

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Written by gestione_sito