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Interação Laser-Tecido Biológico e Princípios de Dosimetria Daniela de Fátima Teixeira da Silva Luciana Almeida-Lopes Martha Simões Ribeiro
INTRODUÇÃO A reflexão, a refração, a absorção, o espalhamento e a transmissão são os fenômenos que podem ocorrer quando a radiação eletromagnética interage com os tecidos biológicos: a reflexão e a refração são inter-relacionadas pela lei de Fresnel, por isso, são estudadas em conjunto. Somente os fótons não refletidos, não absorvidos ou espalhados na mesma direção do feixe incidente são transmitidos pelo tecido. O tipo de tecido e o comprimento de onda incidente determinam qual fenômeno é o predominante (Figura 2.1). Por exemplo, a córnea é transparente para o visível e absorvedora para a radiação ultravioleta.
REFLEXÃO E REFRAÇÃO A reflexão é definida como a radiação eletromagnética que incide numa superfície e retorna para o meio onde foi originada. Em geral, a superfície refletora é uma interface física entre dois materiais de índices de refração diferentes, como o ar e o tecido biológico (Figura 2.1). Quando a superfície é lisa, assume-se que suas irregularidades são pequenas quando em comparação com o comprimento de onda da radiação incidente, ocorrendo a reflexão especular. Por outro lado, quando a rugosidade da superfície é igual ou maior que o comprimento de onda da radiação incidente, ocorre a reflexão difusa. Esse último caso é o fenômeno mais comum para os tecidos biológicos. Vale ressaltar que, no caso de reflexão especular, o ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão (Figuras 2.2A e B). A refração ocorre quando uma superfície separa dois meios com índices de refração diferentes. Esse fenômeno ocorre em consequência da mudança de velocidade da luz incidente (Figura 2.2C).
Reflexão Ar Tecido Absorção
Espalhamento
Transmissão
Figura 2.1 Esquema ilustrativo da interação da luz com o tecido biológico. (Fonte: arquivo pessoal.)
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Capítulo 2 – Interação Laser-Tecido Biológico e Princípios de Dosimetria
B
A
1
15
θ θ’
1
2
2
N
N C
N
1 2 θ”
Figura 2.2 Esquema ilustrativo mostrando reflexão especular (A), reflexão difusa (B) e refração (C). θ = ângulo de incidência, θ’ = ângulo de reflexão, θ’’ = ângulo de refração. Note que os ângulos são definidos em relação à normal N. (Fonte: arquivo pessoal.)
A refletividade de uma superfície é a medida da quantidade de radiação refletida. É definida como a razão da amplitude do campo elétrico refletido e a amplitude do campo elétrico incidente. A refletância é a razão das intensidades correspondentes e igual ao quadrado da refletividade. Tanto refletividade quanto refletância dependem do ângulo de incidência, da polarização da radiação e dos índices de refração dos meios envolvidos. As relações entre refletividade e refração são comumente conhecidas como lei de Fresnel. Podia-se esperar que a intensidade do feixe refratado fosse complementar à intensidade do feixe refletido, tal que a soma de ambos fosse igual à intensidade incidente. Contudo isso não é correto, porque a intensidade, nesse caso, é definida como potência por unidade de área e a seção transversal do feixe refratado é diferente da seção transversal dos feixes incidente e refletido, exceto quando a incidência é normal. Somente a energia total nesses feixes é conservada. Por isso, para que se evitem perdas de radiação devido à reflexão, o ideal é que durante a aplicação clínica o ângulo de incidência do feixe sobre o tecido seja o mais próximo possível de 90º. Segundo Castronuovo et al.1, em incidência normal, essa refletância regular está sempre no intervalo de 4% a 7% para comprimentos de onda de 250 nm a 3.000 nm. A fração da radiação que é transmitida para as camadas mais profundas, portanto, está no intervalo de 93% a 96% da radiação incidente. Essa fração da radiação que é transmitida pode ser absorvida ou espalhada. Esses dois processos determinam a profundidade de penetração na pele, bem como a reemitância da radiação espalhada da pele.
ABSORÇÃO Quando a onda eletromagnética não retorna à superfície incidente nem se propaga no meio, ocorre a absorção. A absorbância do meio é definida como a razão das intensidades absorvida e incidente. O inverso do coeficiente de absorção μa é referido como comprimento de absorção La, isto é:
1 La = _____ μa O comprimento de absorção mede a distância z que terá a intensidade I(z) reduzida a 1/e de seu valor inicial incidente I0. Nos tecidos biológicos, a absorção é causada principalmente por moléculas de água e macromoléculas, como proteínas e pigmentos. Uma janela terapêutica é delimitada entre 600 nm e 1.000 nm, em razão de não haver fortes absorções das macromoléculas e da água. Nessa faixa do espectro eletromagnético, a radiação penetra mais profundamente nos sistemas biológicos (Figura 3.2, Capítulo 3). Um meio transparente permite a passagem da luz sem qualquer absorção, ou seja, a energia que entra e sai desse meio é a mesma. Já um meio opaco reduz a energia da radiação incidente praticamente a zero. Relembrando, os termos transparente e opaco são relativos, pois são dependentes do comprimento de onda e do tipo de tecido, conforme já mencionado. A habilidade de um meio absorver radiação eletromagnética depende de alguns fatores, principalmente da constituição eletrônica de seus átomos e moléculas, do comprimento de onda da radiação, como já dito anteriormente, da espessura da camada absorvedora e de parâmetros internos, como temperatura e concentração de agentes absorvedores.
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Laser de Baixa Potência – Princípios Básicos e Aplicações Clínicas na Odontologia
ESPALHAMENTO A luz é espalhada quando ela se reflete de partículas de dentro do tecido (Figura 2.1). Dependendo da maneira como a energia do fóton incidente é convertida, há o espalhamento elástico ou inelástico. No caso elástico, os fótons incidente e espalhado têm a mesma energia. Um caso especial do espalhamento elástico é o espalhamento Rayleigh, no qual o espalhamento é inversamente proporcional à quarta potência do comprimento de onda (Capítulo 1). Sua restrição é que as partículas espalhadoras sejam menores do que o comprimento de onda da radiação incidente. Quando as partículas espalhadoras têm extensão comparável ao comprimento de onda incidente, o espalhamento Rayleigh não é aplicável e outro tipo de fenômeno é definido, o espalhamento Mie. A teoria do espalhamento Mie é mais complexa e, portanto, serão apenas enfatizados dois aspectos importantes que a diferem do fenômeno Rayleigh. Primeiro, o espalhamento Mie mostra fraca dependência sobre o comprimento de onda (~λ–x com 0,4 ≤ ´ ≤ 0,5) em comparação com o Rayleigh (~λ–4). Segundo, o espalhamento Mie apresenta preferência pela direção da onda incidente. Nos tecidos biológicos, os fótons são preferivelmente espalhados na mesma direção do feixe incidente2. Este fenômeno não pode ser explicado pelo espalhamento Rayleigh. Além disso, a dependência do comprimento de onda é mais forte do que prediz o espalhamento Mie. Dessa forma, nem Rayleigh nem Mie descrevem completamente o espalhamento nos tecidos. Portanto é conveniente definir uma função probabilidade, p(θ), de um fóton a ser espalhado por um ângulo θ. Se a probabilidade não depender de θ, o espalhamento é dito isotrópico. Caso contrário, o espalhamento é chamado anisotrópico. A medida da anisotropia do espalhamento é dada pelo coeficiente de anisotropia g, onde g = 1 significa espalhamento na mesma direção da onda incidente, g = -1 significa retroespalhamento e g = 0, espalhamento isotrópico. Por definição, o coeficiente de anisotropia g representa o valor médio do cosseno do ângulo de espalhamento θ. Para a maioria dos tecidos biológicos, g pode assumir valores de 0,7 a 0,99. Portanto os ângulos de espalhamento estão entre 8º e 45º. Em meios túrbidos (em que há espalhamento e absorção), os coeficientes de anisotropia e espalhamento se relacionam por um mesmo parâmetro, chamado coeficiente de espalhamento reduzido: μs’ = μs(1-g), onde μs é o coeficiente de espalhamento. Conforme mencionado, o intervalo do espectro eletromagnético correspondente aos comprimentos de onda mais utilizados na terapia laser de baixa potência (TLBP) situa-se entre λ = 600 nm e λ = 1.000 nm, devido à maior profundidade de penetração desse intervalo de comprimentos de onda, pois a absorção por moléculas de água e macromoléculas (por exemplo, sangue), proteínas e pigmentos (melanina) é baixa. Além disso, a capacidade da luz emitida no vermelho ou infravermelho próximo em penetrar no tecido é devida a mais dois fatores: a maioria das interações é evento de espalhamento, em vez de absorção, e essas interações que resultam em espalhamento são anisotrópicas, tanto que o fóton continua a penetrar no tecido apesar dos múltiplos espalhamentos3.
TRANSMISSÃO E ATENUAÇÃO Grande parte dos tecidos biológicos sofre, simultaneamente, absorção e espalhamento4. Por esse motivo, são chamados meios túrbidos. O coeficiente de atenuação da luz total desses tecidos μt, ou seja, a parte da radiação que fica dentro do tecido, é expresso pela soma dos coeficientes de absorção μa e espalhamento μs: μt= μa + μs Em meios túrbidos, o livre caminho médio óptico dos fótons incidentes é determinado por: 1 La = _____ μt Apenas em alguns casos pode-se desprezar a relação entre esses dois coeficientes, mas é importante considerar ambos os processos. Assim, torna-se conveniente definir um parâmetro adicional, o albedo óptico a: αs αs a = _____ = ____________ αt αa + αs Se a = 0, a atenuação é exclusivamente consequência da absorção. Se a = 1, somente o espalhamento ocorre. Para a = ½, μa = μs. Geralmente, absorção e espalhamento ocorrem em proporções variadas. Quando meios túrbidos são analisados, outro parâmetro é utilizado, a profundidade óptica d, que, no caso de atenuação homogênea, isto é, coeficiente de atenuação constante, torna-se: d = μt s Sendo s o comprimento total do caminho óptico. A vantagem em se utilizar o albedo a e a profundidade óptica d, em vez dos coeficientes de espalhamento e de absorção, é que tanto a quanto d são parâmetros adimensionais, e as informações contidas no par a e d são as mesmas contidas no par μa e μs. Já o coeficiente de espalhamento reduzido é definido por μs’ = μs(1-g) e relaciona-se com o coeficiente de atenuação, segundo a literatura4, por: μt’ = μa + μs’.
Capítulo 2 – Interação Laser-Tecido Biológico e Princípios de Dosimetria
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Cromóforos Um cromóforo é uma molécula (ou parte de uma molécula) que transmite cor ao composto do qual ele faz parte. No corpo humano, os cromóforos absorvedores de luz são diferentes para os diferentes tecidos, portanto suas concentrações e a distribuição espacial são raramente conhecidas. De qualquer maneira, segue uma breve descrição dos principais cromóforos presentes nos mamíferos. De λ = 200 nm a λ = 400 nm (UV) as proteínas e DNA são os principais cromóforos, portanto esta é uma região fortemente absorvedora para os tecidos biológicos, em que a influência do espalhamento é relativamente pequena e, consequentemente, a radiação não penetra profundamente no tecido. De λ = 400 nm a λ = 600 nm (visível) a oxiemoglobina, a hemoglobina e a melanina são os principais cromóforos, mas, além da absorção, há também espalhamento nessa região, com profundidade de penetração aproximada da radiação entre 0,5 e 2,5 mm. De λ = 600 nm a λ = 1.500 nm (final do espectro visível e infravermelho próximo) os principais cromóforos são os mesmos da região visível, porém o espalhamento predomina em relação à absorção2, apresentando maior profundidade de penetração, entre 8 e 10 mm. Acima de λ= 1.500 nm (infravermelho), a água e a hidroxiapatita são os principais cromóforos e a profundidade de penetração da radiação é pequena. Resumindo, de λ = 200 nm a λ = 400 nm, tanto os tecidos moles como os tecidos mineralizados são fortemente absorvedores. De λ = 400 nm a λ = 600 nm, os tecidos moles são tanto absorvedores quanto espalhadores, e os tecidos duros são pouco absorvedores. De λ = 600 nm a λ = 1.500 nm, os tecidos moles são altamente espalhadores e os duros continuam fracamente absorvedores. Acima de λ = 2.000 nm, os tecidos moles são menos absorvedores e os tecidos duros são fortemente absorvedores. A Figura 2.3 ilustra a penetração da radiação eletromagnética em pele normal.
PARÂMETROS IMPORTANTES Como qualquer tratamento medicamentoso, a TLBP tem “seu princípio ativo”: os parâmetros de irradiação. A Tabela 2.1 lista os principais fatores físicos e clínicos que podem interferir na obtenção de bons resultados.
Tabela 2.1 Principais características e dosimetria associada à TLBP Fatores clínicos
Sinônimos
Unidades geralmente utilizadas
Valores geralmente usados na TLBP
Densidade de energia
Dose Exposição radiante Fluência
J/cm2
10–2 – 102
s mW/cm2
10 – 3.000 1 – 1.000
Tempo de irradiação (t) Densidade de potência
Intensidade Irradiância Taxa de fluência
Pontos irradiados Método de irradiação Ritmo de irradiação Número de tratamentos Fatores físicos Comprimento de onda (λ) Emissão Potência Taxa de repetição Largura do pulso Diâmetro do feixe Área irradiada Divergência do feixe e expansão Distância fonte-tecido Propriedades ópticas do tecido
Contato ou não contato Pontual, uniforme ou varredura 1 – 14 nm Saída do feixe Frequência do pulso
W Hz ms mm cm2
Coeficientes de absorção, espalhamento e atenuação
cm-1
600 – 1.000 Contínua (cw) ou pulsada (pw) 10–3 – 10–1 0 (cw) – 5.000 1 – 500
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Laser de Baixa Potência – Princípios Básicos e Aplicações Clínicas na Odontologia
COMPRIMENTO DE ONDA É importante utilizar o comprimento de onda/tipo de laser adequado em cada tratamento. Embora ainda não tenha sido possível determinar o melhor comprimento de onda para cada disfunção, a literatura sugere que o laser de emissão vermelha (λ = 630 nm a 690 nm) é a melhor opção para úlceras, herpes e cicatrização de feridas abertas. No caso de patologias mais profundas, o laser de arseneto de gálio (GaAs, λ = 904 nm) é a melhor escolha para o tratamento de injúrias do esporte e tem mais influência em tratamento de dor pós-operatória e inchaço. O laser de arseneto de gálio e alumínio (GaAlAs, λ = 790 nm ou 830 nm) pode ser uma boa alternativa de terapia em analgesia, tendinites, regeneração nervosa e edema, e há bons resultados do uso desse laser no tratamento de úlcera crônica5 (Figura 2.4).
1.350 1.000
Epiderme
0
Derme
0,5
Tecido Subcutâneo
1,0 3,0 4,0
Figura 2.3 Profundidade de penetração na pele humana sadia para vários comprimentos de onda. (Fonte: arquivo pessoal.)
Superfície do tecido
Ponteira laser com comprimento de onda vermelho
Superfície do tecido
Ponteira laser com comprimento de onda infravermelho
Figura 2.4 Esquema ilustrativo para exemplificar a penetração da luz no tecido dependendo do comprimento de onda . (Fonte: arquivo pessoal.)
Capítulo 2 – Interação Laser-Tecido Biológico e Princípios de Dosimetria
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POTÊNCIA DO LASER É importante conhecer a potência de saída média do laser para o cálculo da densidade de energia a ser administrada. Quando o regime do laser é pulsado, a potência varia entre um valor máximo (potência pico) e zero, de forma que é a potência média do laser que é significante para o cálculo da densidade de energia. Se o regime de operação do laser for contínuo, a potência do laser permanece constante por todo o tempo e é igual à potência média (Capítulo 1). De acordo com a American Association of Physicists in Medicine (AAPM), a potência radiante é definida como a potência emitida, transferida ou recebida como radiação eletromagnética. A unidade utilizada segundo o sistema internacional (SI) é o watt (W)6. A potência é a quantidade de fótons que atingem o tecido por unidade de tempo.
DENSIDADE DE POTÊNCIA (INTENSIDADE, IRRADIÂNCIA OU TAXA DE FLUÊNCIA) É a potência de saída da luz, por unidade de área, geralmente medida em mW/cm2 (no SI, W/m2). É a grandeza física que avalia a possibilidade de dano microtérmico. Ressalta-se que essa grandeza dá a quantidade de potência óptica por unidade de área na superfície do tecido, sem considerar a direção de propagação da radiação, que poderá ser absorvida ou espalhada. Deve-se ter em mente que, para o cálculo da densidade de potência de uma fonte de radiação, deve-se considerar a seção transversal do feixe, também conhecida por spot (Figura 2.5). Nos artigos da literatura, de uma maneira geral, várias são as grandezas utilizadas para expressar a densidade de potência, porém essas grandezas, segundo a AAPM6, têm outras definições. Irradiância: quociente entre a potência radiante incidente sobre um elemento da superfície contendo o ponto de interesse e a área daquele elemento. Também é medida em W/m2. Taxa de fluência: razão entre a potência incidente em uma esfera infinitesimal (contendo o ponto alvo de interesse) e a área da seção transversal da esfera. A unidade no SI também é W/m2, porém a unidade mW/cm2 é mais comumente utilizada quando se usam lasers de baixa potência. Vale ressaltar que o termo taxa de fluência é o mais adequado em fotobiologia, porque essa grandeza considera a interação da luz com o tecido biológico7. Intensidade: comumente utilizada pela classe clínica, é definida como a potência radiante por unidade de ângulo sólido. Sua unidade no SI é W/sr. Ela considera a direção de propagação da luz dentro do tecido, o que, ainda hoje, não se consegue prever. Neste livro, adotamos o termo densidade de potência, porque, na interação da luz com o tecido biológico, as únicas informações que temos é a potência do laser e a área do spot (ou a área da lesão). O cálculo da densidade de potência pode ser realizado de forma simplificada. Por exemplo, para um dado laser de potência 10 mW e spot de 3 mm de diâmetro, deve-se calcular a área do feixe como a área de um círculo dado pela fórmula: Áreacírculo = π ´ raio2. Logo, um feixe de 3 mm de diâmetro tem um raio de 1,5 mm. Transformando em centímetros teremos 0,15 cm, sendo assim, como a área é dada por π.(0,15)2 , a área do feixe é de aproximadamente 0,07 cm2. Finalmente, o cálculo deve ser feito com a potência transformada em W e a área em cm2: 0,01 W @ 0,143 ____ W = ________ 143 mW I = _________ 2 2 0,07 cm cm cm2
Spots decrescentes
Laser
Lentes
Figura 2.5 Esquema ilustrativo para exemplificar a densidade de potência em relação à área do feixe. Note que a densidade de potência é inversamente proporcional à área do feixe laser. (Fonte: arquivo pessoal.)
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Laser de Baixa Potência – Princípios Básicos e Aplicações Clínicas na Odontologia
Para a realização do cálculo foi preciso, primeiramente, transformar miliwatt (mW) em watt e a área em centímetro (cm). A notação correta para essa grandeza pelo sistema internacional de é W/m2, porém, em artigos científicos, é mais comum encontrar as unidades W/cm2 ou mW/cm2. Para transformar W/m2 em W/cm2 basta dividir por 10.000 (104). Note que, como descrito anteriormente, a densidade de potência é a grandeza que delimita a possibilidade de dano térmico. Logo é importante que seus valores permaneçam em limites seguros. A Figura 2.6 exemplifica as diferentes densidades de potência dependendo do spot do laser.
DENSIDADE DE ENERGIA (DOSE, EXPOSIÇÃO RADIANTE OU FLUÊNCIA) Essa grandeza é frequentemente utilizada como um importante descritor da dose para a TLBP. De fato, clinicamente, quando utilizada a TLBP, considera-se dose a densidade de energia, já que, segundo a literatura, é a grandeza física que avalia a possibilidade de estimulação, inibição ou não manifestação dos efeitos terapêuticos. Entretanto a dosimetria para a TLBP não se restringe à densidade de energia, pois, mantendo-se a mesma densidade de energia, porém variando-se a densidade de potência e o tempo de exposição, os resultados obtidos podem ser diferentes. Trabalhos recentes indicam que, se considerarmos somente a energia, desprezamos o fato de que a energia tem dois componentes: a potência e o tempo8, e há relatos na literatura que mostram que o tempo de exposição pode ser um fator relevante para obtenção dos bons resultados9-10. A densidade de energia é a quantidade de energia por unidade de área transferida à matéria (tecido ou células em cultura). Geralmente é medida em J/cm2. Entretanto, exatamente como na seção anterior, a AAPM define outras grandezas utilizadas em fotobiologia6. Fluência: é a energia total radiante incidente sobre uma esfera infinitesimal que contém o ponto alvo de interesse dividida pela área da seção transversal da esfera. A unidade no SI é J/m2. Mais uma vez vale ressaltar que esta grandeza considera a interação da luz com o alvo biológico7. Exposição radiante: é a energia radiante incidente sobre um elemento da superfície contendo o ponto de interesse, em uma dada duração, pela área do elemento. A unidade no SI também é J/m2. Neste livro adotamos densidade de energia para uniformização dos termos físicos. A Figura 2.7 exemplifica os conceitos físicos usados em fotobiologia. Conforme já relatado anteriormente, também com relação à energia, quando se utiliza um laser de emissão pulsada, é importante conhecer a potência média do laser para o cálculo dessa grandeza, pois a potência varia entre um valor máximo (potência pico) e zero. A potência média pode ser calculada como segue: potência pico (W) ´ largura do pulso (s) ´ taxa de repetição (Hz) Potência média (W) = ______________________________________________2______________________________________ área (cm )
Densidade de potência: ± 57 mW/cm2 (f = 1,5 cm)
Feixe laser de 100 mV com f = 2 cm. A densidade de potência é de aproximadamente 32 cmW/cm2
Densidade de potência: ± 57 mW/cm2 (f = 1,5 cm)
Densidade de potência: ± 127 mW/cm2 (f = 1,0 cm)
Laser
Densidade de potência: ± 3,2 mW/cm2 (f = 2 cm)
Lente focalizadora
Densidade de potência: ± 510 mW/cm2 (f = 5 cm)
Densidade de potência: ± 14 mW/cm2 (f = 3 cm)
Figura 2.6 Típico exemplo das várias densidades de potência em diferentes posições para um feixe que foi focalizado por meio de uma lente, como, por exemplo, um laser de GaAlAs. (Fonte: arquivo pessoal.)
Capítulo 2 – Interação Laser-Tecido Biológico e Princípios de Dosimetria
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Figura 2.7 Grandezas físicas aplicadas na interação da luz com o tecido biológico. As setas representam um feixe contínuo colimado (esquerda) e um feixe colimado de um grupo de pulsos (direita) sobre a superfície do tecido. Adaptado de Sliney7. (DA = área de seção transversal.) (Fonte: arquivo pessoal.)
Assim, no cálculo da densidade de energia, devemos conhecer a potência média do laser. Se o regime de operação do laser for contínuo, a potência do laser permanece constante por todo o tempo e é igual à potência média. A densidade de energia pode ser calculada pela seguinte fórmula: J tempo(s) ´ potência(W) Densidade de Energia (_____ ) = _________________________________ área (cm2) cm2 Utilizando o mesmo exemplo dado anteriormente, ou seja, um laser cuja potência seja 10 mW e spot de 3 mm de diâmetro, o cálculo da densidade de energia para um tempo de exposição à radiação de 30 s será: 30 ´ 0,01 4,3J Densidade de Energia = ________________ = _______ 0,07 cm2 Novamente, o mais comum na literatura científica é encontrar a densidade de energia em unidades J/cm2, e não em J/m2, que é a notação correta de acordo com o SI. A transformação segue a mesma regra anterior, ou seja, dividir a resposta cujas unidades são J/m2 por 10.000. Na prática clínica, a situação mais comum é aquela em que se quer administrar certa densidade de energia a uma área específica que deve ser tratada, sendo necessário calcular o tempo de exposição. Algumas considerações devem ser feitas sobre essa situação. Primeiramente, o mais indicado é calcular a densidade de energia ou a densidade de potência, levando-se em consideração a área da seção transversal do feixe laser (Figura 2.8), e não da área a ser tratada, pois, clinicamente, mensurar uma lesão é tarefa bem difícil. Nesse caso, o tempo de tratamento pode ser determinado por meio da mesma equação usada para o cálculo da densidade de energia, bastando isolar, matematicamente, o tempo em vez da densidade de energia: Densidade de Energia ´ Área Tempo = ________________________________________ Potência No entanto, quando a lesão a ser tratada tem área maior que área do spot do laser, calcula-se o tempo conforme a equação anterior e depois se multiplica este tempo pelo número de spots que cabem na área a ser tratada (Figura 2.9).
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Laser de Baixa Potência – Princípios Básicos e Aplicações Clínicas na Odontologia
Laser
Figura 2.8 Esquema ilustrativo representando a situação em que a lesão a ser tratada é menor ou igual ao spot do laser. (Fonte: arquivo pessoal.)
Laser
Figura 2.9 Esquema ilustrativo representando a situação em que a lesão a ser tratada é maior que o spot do laser. Nesse exemplo, três spots couberam na lesão, portanto o tempo calculado por meio da equação deve ser multiplicado por 3, resultando no tempo total de irradiação. (Fonte: arquivo pessoal.)
É importante salientar, para o caso em que a área da lesão é maior que a área do spot do laser, que o tempo é cumulativo, mas a densidade de energia não. Isto é, a densidade de energia não será multiplicada pelo número de spots que couberam na lesão, ela será considerada pontual. Para este caso também é comum encontrar a denominação irradiação por ponto (Figura 2.10A). A segunda opção deverá ser o método de irradiação por varredura, mas é preciso cuidados para a aplicação deste método. Continuando com o mesmo exemplo citado previamente, para que a densidade de energia seja de 4,3 J/cm2, o tempo de exposição é 30 s, com a ponteira do laser parada no local cuja área corresponde à área do spot. Numa área maior que a do spot do laser, não é correto pensar que o movimento de varredura por toda a área durante 30 s entregará 4,3 J/cm2, pois a densidade de energia não é cumulativa. A densidade de 4,3 J/cm2 é válida para a área específica de 0,07 cm2 quando a potência do laser é 10 mW. Nesse caso, para o cálculo do tempo de exposição ou da densidade de energia, é necessário conhecer a área da lesão (Figura 2.10B). Claro que a situação ideal é expandir o feixe de tal maneira que seja necessária apenas uma irradiação para cobrir a lesão. Isso pode ser conseguido por meio de uma óptica apropriada, com lentes, por exemplo (Figura 2.10C). Mas quando esta maneira ideal não for possível, a segunda opção para o método de irradiação deverá ser por ponto. A inconveniência deste método é a possibilidade de ficarem áreas na lesão sem receber radiação direta (Figura 2.9). Diz-se radiação direta porque há probabilidade de a radiação que penetrou no tecido ser espalhada lateralmente, irradiando indiretamente os espaços que não foram diretamente irradiados. Porém é sempre bom lembrar que esta probabilidade é pequena, já que os tecidos biológicos espalham a radiação, preferencialmente, na mesma direção de incidência do feixe. Alguns livros e apostilas que são distribuídos dentro de equipamentos laser comercializados costumam mostrar uma tabela de densidades de energia utilizadas para cada indicação clínica, podendo variar em até três vezes a sua densidade de energia. Isto acontece porque os equipamentos vendidos comercialmente calculam a densidade de energia de forma arbitrária em uma área de 1 cm2 ou
Capítulo 2 – Interação Laser-Tecido Biológico e Princípios de Dosimetria
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Figura 2.10 Esquema ilustrativo mostrando os métodos de irradiação. A: aplicação pontual; B: irradiação por varredura; C: iluminação uniforme do tecido. (Fonte: arquivo pessoal.)
pela área da seção transversal do feixe (spot). Assim, discrepâncias entre as densidades de energia calculadas automaticamente pelos equipamentos podem aparecer, conforme descrito a seguir. O equipamento A tem potência de 60 mW e área do feixe na saída de 0,4 cm2. O cálculo automático de dose neste equipamento é feito para uma área de 1 cm2. Portanto, quando o painel deste equipamento marcar 1 J/cm2, o tempo necessário para fazer esta aplicação será de aproximadamente 17 s. No equipamento B, de mesma potência (60 mW) e área do feixe igual (0,4 cm2), o cálculo automático é feito pela área do feixe. Logo, para entregar a mesma densidade de 1 J/cm2 neste equipamento, o tempo de aplicação será de aproximadamente 7 s. Note que na realidade as especificações dos equipamentos são as mesmas e as densidades de potência também, estando a diferença somente na forma de calcular a densidade de energia. Portanto cabe ao usuário conhecer o sistema de cálculo do equipamento utilizado e escolher a forma de cálculo apropriada para cada situação clínica. Outro fator importante na TLBP é a capacidade da luz em excitar o cromóforo no tecido e que tecido o clínico quer tratar (Figura 2.11). A energia da radiação geralmente é prescrita como energia incidente, que não leva em consideração a luz refletida e espalhada. A relação entre a energia incidente e a real depende da localização e da pigmentação endógena da área alvo. Dessa forma, para os tecidos biológicos, na faixa entre λ = 600 nm e λ = 1.000 nm do espectro eletromagnético, pelo menos 4% da radiação incidente são refletidos1 e o espalhamento predomina em relação à absorção2 e, seguramente, a densidade de energia real (aquela que é transferida à matéria) é menor que a densidade de energia incidente. Na TLBP, a “Lei de Arndt-Schulz” frequentemente é relatada como um modelo adequado para descrever os efeitos dependentes dos parâmetros da luz8. O princípio desta lei postula que estímulos fracos aceleram ligeiramente a atividade vital e estímulos mais fortes aumentam, até que um pico é alcançado. Estímulos muito mais fortes suprimem o efeito, aparecendo uma resposta negativa.
Figura 2.11 Esquema ilustrativo representando o modo de tratamento dependendo do tecido a ser tratado. A: não contato; B: superficial; C: leve compressão. (Fonte: arquivo pessoal.)
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Laser de Baixa Potência – Princípios Básicos e Aplicações Clínicas na Odontologia
No contexto da TLBP, o estímulo pode ser o tempo de irradiação ou a densidade de potência. Desta maneira, uma curva bifásica pode ser utilizada para ilustrar a resposta esperada quando uma célula ou um tecido é exposto à luz. A Figura 2.12 sugere que, se a irradiação é insuficiente, não haverá resposta (porque um limite mínimo para desencadear os efeitos não foi alcançado); se mais irradiação é realizada, então o limite é ultrapassado e temos bioestimulação. No entanto, quando a irradiação é muito maior que o necessário, a estimulação desaparece e é substituída por biossupressão. Isto explicaria por que os resultados reportados na literatura algumas vezes são discordantes. Fazendo um comparativo com a prática clínica, hipoteticamente, e conhecendo a dosimetria adequada para se conseguir o efeito, se você utilizar metade do valor, talvez você demore ou não veja o resultado. Se for duas vezes maior que a dosimetria adequada, talvez haja efeito biológico supressor. Se o protocolo for aquele adequado ao seu paciente, logo você observará o benefício da TLBP. Lembre-se: a dosimetria é o conjunto de parâmetros reportados na Tabela 2.1. Além disso, a Figura 2.13 exemplifica a distribuição da densidade de energia no tecido conforme aumenta o tempo de irradiação e a potência se mantém constante, quando o laser é mantido na mesma posição. Observe que, dependendo do tempo de irradiação, na superfície podemos encontrar inibição, visto que a densidade de energia se torna muito alta. Portanto é fundamental o entendimento de como saber trabalhar com os parâmetros de irradiação para obtenção de bons resultados da TLBP na prática clínica.
Efeito biológico
Efeitos estimulativos e/ou positivos
Janela terapêutica
Parâmetros de irradiação Efeitos inibitórios
Figura 2.12 Curva de resposta do tecido aos parâmetros de irradiação. (Fonte: arquivo pessoal.)
~ 0,1 J/cm3 ~ 0,1 J/cm3
~ 0,1 J/cm3
1.000 s
~ 1.000 J/cm3
~ 0,1 J/cm3 ~ 0,1 J/cm3
Figura 2.13 Esquema ilustrativo exemplificando a distribuição da densidade de energia (DE) quando o laser é aplicado sobre a superfície do tecido. Note que a DE é dada em J/cm3 porque estamos considerando a penetração no tecido. (Fonte: arquivo pessoal.)
Capítulo 2 – Interação Laser-Tecido Biológico e Princípios de Dosimetria
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PROPRIEDADES ÓPTICAS DO TECIDO-ALVO Este capítulo não pode deixar de considerar o tecido-alvo, pois suas características ópticas e seu estado funcional vão determinar o efeito obtido dependendo dos parâmetros empregados. O primeiro fator que deve ser considerado é a cor da pele. A TLBP é baseada na absorção da luz para desencadear o efeito biológico (Capítulo 3). Conforme mencionado, a melanina é um dos principais cromóforos do tecido biológico. Sendo assim, a pele escura absorve mais luz em comparação à pele clara e isso não deve ser negligenciado no cálculo da dosimetria. A Figura 2.14 mostra uma imagem do espalhamento da luz em pele de camundongos albino e black capturada a 90º da direção do feixe incidente. Observe como o espalhamento é mais intenso na pele clara (albina), indicando a falta de melanina. A literatura também mostra que as propriedades ópticas de um tecido sob condição patológica diferem daquelas do tecido sadio. No trabalho de Kolárov et al.12, os autores mostraram que a profundidade de penetração da luz laser no tecido de granulação de úlceras foi aproximadamente 2,5 vezes maior que a profundidade de penetração em pele normal de espessura similar. Também, Melo et al.13 investigaram as propriedades ópticas de diferentes tecidos de rato em relação à intensidade espacial e variação da distribuição da luz. Para todos os tecidos foram observados uma distribuição esférica e um decaimento exponencial da luz. Além disso, em fígado cirrótico o decaimento foi muito mais pronunciado que em fígado sadio. Na prática, por exemplo, isso significa que um tecido em processo inicial de inflamação, rico em mastócitos, neutrófilos, monócitos, macrófagos e fibroblastos, deve receber mais energia no início do processo inflamatório, uma vez que possui mais centros espalhadores (células), e tal energia deve diminuir conforme o processo de inflamação inicial regride e ocorre a tendência normal de entrada na fase reparadora, com menor presença celular. De fato, a literatura mostra que, no processo de cicatrização de queimaduras, o coeficiente de atenuação muda conforme a reparação ocorre14. Outro fator importante é a massa corpórea e muscular. O tecido subcutâneo é formado por uma camada de células adiposas, cujo diâmetro médio é de aproximadamente 50 μm. Entretanto, devido à sua composição, ele tem um coeficiente de espalhamento que geralmente é menor, em relação aos tecidos epitelial e conjuntivo, e que permanece constante para comprimentos de onda no intervalo de 500 nm a 1.100 nm. Sua contribuição à quantidade de radiação reemitida, devido às suas características físicas e estruturais, e devido à sua profundidade, não é muito significante1, entretanto, para um protocolo eficiente, principalmente em casos nos quais o tecido alvo é composto por estruturas mais profundas, cuja irradiação deve passar pela pele, a energia entregue na superfície deverá ser aumentada para que atinja a região de interesse. As Figuras 2.15 A e B mostram a diferença na espessura da camada subcutânea em pele de camundongos fêmeas.
Figura 2.14 Espalhamento da luz capturado a 90o da direção do feixe incidente. A: pele de camundongo albino; B: pele de camundongo black. (Fonte: arquivo pessoal.)
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Laser de Baixa Potência – Princípios Básicos e Aplicações Clínicas na Odontologia
Figura 2.15 Tomografia por coerência óptica de pele de camundongos fêmeas. A: camundongo fêmea sob dieta normal; B: camundongo fêmea sob dieta hipercalórica. Note a diferença na quantidade de tecido adiposo (TA); E: epiderme; D: derme; M: músculo. (Fonte: arquivo pessoal.)
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