Laser CO2 był jednym z najwcześniejszych systemów laserowych, jakie pojawiły się w medycynie. Został on po raz pierwszy opracowany w 1964 roku przez Patela i współpracowników pracujących w Bell Labs w USA. Szybko uznano go za idealny laser chirurgiczny ze względu na wysoką absorpcję wody, a pionierem wielu wskazań był nieżyjący już profesor Isaac Kaplan.

Jeśli na rękojeści zamontowana jest soczewka skupiająca, skieruje ona skolimowaną wiązkę do precyzyjnego punktu, koncentrując całą energię fotonów wiązki w tym obszarze. Laser CO2 działa w niewidzialnym paśmie podczerwieni i wymagana jest wiązka celownicza, aby zobaczyć, gdzie wiązka zabiegowa w ostatnim czasie uderzy w tkankę.

Skupienie wiązki lasera CO2 powoduje niezwykle wysokie natężenie promieniowania lub gęstość mocy, na przykład 3. W energii lasera CO2 skupionej w plamce o średnicy 100 µm będzie miało natężenie napromienienia przekraczające 38 kW/cm2. Wystarcza to do natychmiastowego odparowania i ablacji, a jeśli głowica zostanie przesunięta liniowo, docelowa tkanka zostanie dokładnie nacięta, co zapewnia laserowi CO2 reputację skalpela laserowego.

Natężenie promieniowania wiązki laserowej maleje w odwrotnym stosunku kwadratowym do średnicy wiązki, gdy powierzchnię wiązki laserowej oblicza się za pomocą wzoru π·r2, gdzie π (grecka litera pi) jest stałą wynoszącą 3,142, a r jest promieniem lub połowę średnicy plamki. W związku z tym, po prostu odsuwając rękojeść od tkanki i rozogniskowując wiązkę, lekarz może dokonać radykalnych zmian w natężeniu promieniowania i natychmiastowo przejść z trybu nacięcia/wycięcia przez odparowanie do koagulacji pozostawiając moc wyjściową lasera bez zmian.

Jeśli weźmiemy pod uwagę teoretyczną stronę reakcji energia CO2/tkanka, współczynnik absorpcji lasera CO2 10 600 nm w wodzie wynosi około 5 × 102 cm-1 (odwrotność: 0,2 × 10-2 cm), a teoretyczna głębokość penetracji wynosi zatem od 2 × 10-5 m (20 µm). Innymi słowy, oznacza to, że gdy laser dwutlenku węgla jest stosowany na tkankę biologiczną in vivo, cała padająca energia jest absorbowana w wodzie tkankowej do określonej głębokości, dzięki czemu laser CO2 jest stosunkowo „bezpiecznym” systemem, ponieważ woda w tkance gasi wiązkę i zapobiega głębszym uszkodzeniom tkanki. Rzeczywista osiągnięta głębokość i wielkość uszkodzeń (napromieniowany obszar × głębokość) będą zależeć przede wszystkim od natężenia napromieniowania, a w drugiej kolejności od gęstości energii, przy czym tę ostatnią oblicza się w J/cm2 jako natężenie napromienienia (W/cm2) × czas ekspozycji (s).

Temperatura wrzenia wody, która stanowi około 70% tkanki miękkiej, wynosi 100°C. Gdy wodnisty składnik tkanki podgrzeje się do 100°C pod wpływem padającej energii lasera CO2, natychmiast zamienia się on w parę wodną i ulega zgazowaniu, objętość zwiększa się, w wyniku czego skóra (lub inny cel) wraz z tkanką łączną, komórkami, błony komórkowe i organelle wewnątrzkomórkowe, usuwa się poprzez fragmentację, odparowanie i ablację. Na granicach strefy poddanej ablacji laserem CO2 zawsze występuje pewien stopień resztkowego uszkodzenia termicznego, spowodowanego zmniejszającym się poziomem reakcji fototermicznej w tkance. W tej strefie, przynajmniej w pewnym stopniu, zachodzi termokoagulacja, a małe naczynia krwionośne ulegają kauteryzacji wraz z otaczającą tkanką, uzyskując hemostazę, a tym samym suche pole. Jak zauważył Ohshiro w swojej koncepcji laserowego jabłka, 4) cała padająca energia nie jest wygaszana podczas ablacji tkanki, a z każdym strzałem lasera zachodzi w tkance szereg zależnych od temperatury bioreakcji, które stają się mniej niszczące w miarę zmniejszania się poziomu fotonów wnikających do tkanki od miejsca uderzenia. Na samym obwodzie wiązki natężenie fotonów jest niewystarczające do podniesienia temperatury tkanki i jest to strefa fotoaktywacji atermicznej, zwana także strefą jednoczesnego LLLT (Low Level Laser Therapy), występująca jednocześnie z efektami fotodestrukcyjnymi. To właśnie ta strefa zapewnia korzystne rezultaty chirurgii laserowej w porównaniu z zimnym skalpelem, takie jak: mniejszy ból, mniej stanów zapalnych i dobre gojenie się ran.

Laser CO2 posiada szereg trybów wiązki czasowej, z których każdy wywołuje inną reakcję w tkance. Najprostszym trybem jest fala ciągła (CW). Moc wyjściową mierzy się w watach, a czas naświetlania w sekundach. Nowsze lasery CO2 mają ciągi bardzo krótkich impulsów o dużej mocy szczytowej z bardzo długim odstępem między impulsami: nazywa się to quasi-CW, ponieważ tkanka „widzi” średnią moc mierzoną w W, chociaż moc szczytowa każdego impulsu może być wyrażona w megawatach (MW). Zaletą Quasi-CW jest umożliwienie czystszego nacięcia lub odparowania objętościowego przy mniejszym zwęgleniu, ponieważ każdy impuls jest krótszy niż czas relaksacji termicznej tkanki docelowej (1 ms w przypadku skóry), dzięki czemu osiąga się optymalną ablację przy minimalnym wytwarzaniu ciepła. Quasi-CW można również określić jako „superpulsujący” lub „ultrapulsujący”, w zależności od mocy szczytowej, szerokości impulsu i odstępu między impulsami.

Powyższy opis przedstawia bardzo skrótowo mechanizm działania i właściwości lasera CO2.

Jeśli któryś z faktów na jego temat był Ci dotąd niewiadomy lub po pierwszym przeczytaniu wydał się nie do końca zrozumiały, zapraszam na spotkanie ze mną – chętnie pomogę Ci zgłębić wiedzę na temat tej technologii.