Untersuchungen zur Wirkung chirurgischer Laser auf kollagenreiche Gewebe

Zusammenfassung

Ziel dieser Ex-vivo-Studie war es, einen kontrollierten, makroskopischen und histologischen Vergleich der unmittelbaren chirurgischen Laserwirkung auf dichtes kollagenreiches Gewebe zu ermöglichen. Die Beobachtungen über die genaue denaturierende Wirkung verschiedener Laser zum Zeitpunkt der Schnittführung erscheint von großer Bedeutung für das Verständnis der daraus resultierenden, in der Literatur beschriebenen Heilungsverläufe. Mittels Holmium:YAG-, Erbium:YAG-, Neodym:YAG- und CO₂-Laser wurden ex-vivo partielle Tenotomien an extrahierten Sehnen (n = 60) des M. flexor digitorum profundus von neuseeländischen Kaninchen durchgeführt. Makroskopische, histologische sowie spezielle Beobachtungen der chirurgischen Handhabung der Geräte wurden festgehalten und ausgewertet. Die gewählten Laser decken bewusst eine weite Bandbreite an Wellenlängen des benutzten Spektrums (λ = 1,0 bis 10,6 µm) ab. Zusätzlich erlauben sie den Vergleich unterschiedlicher Strahlführungsarten (Glasfaser beziehungsweise Linsensysteme). Die Pulsmodalität (Pulsfrequenz und Pulsstärke) wurde in einem möglichst breiten Spektrum an den jeweiligen Geräten variiert. Der Fokusdurchmesser sowie die biologischen variablen Parameter Absorption, Dispersion und thermische Leitfähigkeit wurden durch die Versuchsanordnung weitgehend konstant gehalten, um die hervorgerufenen Denaturierungszonen miteinander vergleichen zu können.

Die Ergebnisse zeigten sowohl makroskopisch als auch histologisch erhebliche Unterschiede in Abhängigkeit von den benutzten Geräten und Einstellungen. Holmium:YAG- und CO₂-Laser haben eine ähnliche Ausdehnung der Kollagendenaturierung aufzuweisen, unterscheiden sich aber im Anteil an karbonisierten Partikeln an der Schnittstelle. Erbium:YAG-Laser bewirkt eine inhomogene Denaturierungszone im Kollagen, während Neodym:YAG-Laser bei kontinuierlicher Bestrahlung eine erhebliche Schwärzung und Retraktion des Gewebes an der Schnittstelle hervorruft. Diese Beobachtungen ermöglichen ein Urteil über die Einstellungen, bei denen Holmium-YAG-, Erbium :YAG- und CO₂-Laser zur Durchtrennung von kollagenreichem Gewebe geeignet sein könnten. Des Weiteren lassen sich durch die Kombination dieser Beobachtungen mit den beschriebenen Heilungsverläufen in der Literatur Hypothesen über den genaueren Wirkungsmechanismus von Laser im Heilungsprozess aufstellen.

Summary

The goal of this ex-vivo study was a controlled macroscopical and microscopical comparison of the immediate effects of surgical lasers on dense collagenous tissues. The investigation of the exact denaturizing effects following tissue interaction between lasers and collagenous fibers are of importance for a better understanding of the observed and described healing process. Partial tenotomies were performed ex vivo on sixty tendons of the flexor digitorum profundus muscle of New Zealand White Rabbits using four surgical lasers (Holmium:YAG-, Erbium:YAG-, Neodym:YAG-, and CO₂-Laser). The tendons were evaluated macroscopically, histologically and observations were made on the surgical handling of the lasers during the procedure. The choice of lasers allowed the comparison of a wide spectrum of wavelengths (λ = 1.0 to 10.6 µm). In addition, beam delivery modalities were compared to each other (focus vs. contact). The pulse (frequency and power) was varied within each laser. Other parameters including focus size, absorption, dispersion, and thermal tissue conductivity were maintained constant in this test arrangement in order to allow a later comparison between the observed areas of denaturated collagen.

The macroscopical and histological results showed great differences in the effects of the four lasers. Even within each single laser group, the results varied greatly with the choice of variable parameters. Holmium:YAG- and CO₂-Laser can produce similar areas of collagen denaturation. When comparing specimens with similar areas of collagen denaturation induced by different laser types, different amounts of charring were observed. Erbium:YAG-Laser tenotomies showed generally inhomogenous denaturation areas, while tenotomies with Neodym:YAG-Laser used in continuous mode resulted in significant charring and tissue retraction in the area of interaction. These observations help in defining the combination of parameters with which Holmium:YAG-, Erbium:YAG-, and CO₂-Lasers can be used for transsection of dense collagenous tissues. In addition, these histological results as well as already published observations on healing patterns following laser surgery allow for the formulation of a hypothesis on the effects of laser in the wound healing process.

Schlüsselwörter

Laserchirurgie - kollagenes Gewebe - Sehnen

Key words

Laser surgery - collagenous tissue - tendons

Literatur

• 1 Badawy S ZA, ElBakry M M, Baggish M S. Comparative study of continuous and pulsed CO₂-Laser on tissue-healing and fertility outcome in tubal anastomosis.  Fertility and Sterility. 1987;  47 843-847
• 2 Bhatta N, Isaacson K, Flotte T, Schiff I, Anderson R R. Injury and adhesion formation following ovarian wedge resection with different thermal surgical modalities.  Lasers Surg Med. 1993;  13 344-352
• 3 Cespanyi E, White R A, Lyons R, Kopchok G, Abergel R P, Dwyer R M, Klein S R. Preliminary report: A new technique of enterotomy closure using Nd:YAG-Laser welding compared to suture repair.  J Surg Res. 1987;  42 147-152
• 4 Constantinescu M A, Greenwald D P, Amarante M TJ, Nishioka N S, May J W. Effects of laser versus scalpel tenolysis in the rabbit flexor tendon.  Plast Reconstr Surg. 1996;  97 595-601
• 5 Constantinescu M A, Vögelin E, Gault D T. Laser treatment for an unusual reactive vascular proliferation.  Br J Plast Surg. 1996;  49 420-422
• 6 Fry T L, Gerbe R W, Botros S B, Fischer N D. Effects of laser, scalpel and electrosurgical excision on wound contracture and graft “take”.  Plast Reconstr Surg. 1980;  65 729-731
• 7 Green H A, Burd E, Nishioka N S, Brüggemann U, Compton C C. Middermal wound healing.  Arch Dermatol. 1992;  128 639-645
• 8 Halls R R. The healing of tissues incised by a carbon-dioxide laser.  Br J Surg. 1971;  58 222-225
• 9 Jarmuske M B, Stranc M F, Stranc L C. The effect of carbon dioxide laser on wound contraction and epithelial regeneration in rabbits.  Br J Plast Surg. 1990;  43 40-46
• 10 Keckstein G, Rossmanith W, Spatzier K, Schneider V, Börchers K, Steiner R. The effect of laparoscopic treatment of polycystic ovarian disease by CO₂-Laser or Nd:YAG-Laser.  Surg Endosc. 1990;  4 103-107
• 11 Kuramoto S, Ryan P J. First sutureless closure of a colotomy: Short-term results of experimental laser anastomosis of the colon.  Dis Colon Rect. 1991;  34 1079-1084
• 12 McKenzie A L. How far does thermal damage extend beneath the surface of CO₂-Laser incisions?.  Phys Med Biol. 1983;  28 905-912
• 13 McKenzie A L. An extension of the three-zone model to predict depth of tissue damage beneath Er:YAG- and Ho:YAG-Laser excisions.  Phys Med Biol. 1989;  34 107-114
• 14 Montgomery T C, Sharp J B, Bellina J H, Ross L F. Comparative gross and histological study of the effects of scalpel, electric knife and carbon dioxide laser on skin and uterine incisions in dogs.  Laser Surg Med. 1983;  3 9-22
• 15 Partovi F, Izatt J A, Cothren R M, Kittrell C, Thomas J E, Strikwerda S, Kramer J R, Feld M S. A model for thermal ablation of biological tissue using laser radiation.  Laser Surg Med. 1987;  7 141-154
• 16 Peacock E E. Biological principles in the healing of long tendons.  Surg Clin North Am. 1965;  43 461-476
• 17 Pulvertaft R G. Suture materials and tendon junctures.  Am J Surg. 1965;  109 346-352
• 18 Rainoldi R, Candiani G, De Virgiliis G, Bini M, Sideri M, Mauri L, Garsia S, Remotti G. Connective tissue regeneration after laser-CO₂ therapy.  Int Surg. 1983;  68 167-170
• 19 Skoog T D, Persson B H. An experimental study of the early healing of tendons.  Plast Reconstr Surg. 1954;  13 384-399
• 20 Slutzki S, Shafir R, Bornstein L A. Use of the carbon dioxide laser for large excisions with minimal blood loss.  Plast Reconstr Surg. 1977;  60 250-255

1 * Coherent, Inc. Palo Alto, CA, USA, Typ XANAR XA-50

2 ** Schwartz Electro-Optics, Inc., Orlando, FL, USA, Typ SEO ER 3000

3 *** Schwartz Electro-Optics, Concord, MA, USA

4 **** Robert & Carrier Biomedical, Typ ERCELAS YM 101

5 ***** YAG steht für Yttrium-Aluminium-Garnet (Garnet = Granat)