应用分享 | 新型2910nm光纤激光器低通量治疗改善皮肤光损伤

从日用到医疗，从显示到加工，激光应用无处不在。近些年随着光纤激光技术的成熟，3um全光纤结构激光器成为科研及企业在医美方向的新热点。本文利用高重频全光纤3um激光器，对皮肤光损伤进行修复，获得了良好效果。

本文来自：Eric F. Bernstein,James F. Sanzo,Jennifer Y. Wang,Samuel M. Cotsarelis,Mario DiLeonardo.Low‐fluence treatment with a novel fractionated 2,910‐nm fiber laser improves photodamage. Lasers Surg Med. 2023;55:35–45.

简介

在本研究中，我们首次研究了2910nm铒玻璃光纤激光器，在表面处理形式下，用于改善轻度光损伤。因其具有波长、光束轮廓、光纤激光系统和治疗光束直径小等特点，表现的临床结果为最小的疼痛感和最短停机时间，快速的治疗时间，并且支持浅表模式、深层模式或组合模式下的多功能工作状态。几十年来，激光与水不同程度作用，在全域或局部改善皮肤光致老化。CO2激光器是第一类用于治疗光损伤的激光器，但对许多潜在的患者来说，常常导致不可接受的副作用。因此，少烧蚀和非烧蚀分级激光器应运而生，保证临床效果同时，缩短恢复时间。在1440、1550和1927nm波长下工作的激光，穿透更深层皮肤，表现出产生较少的表皮损伤和减少真皮的残余热损伤。这类激光通常为接续性治疗，而不是像CO2激光一次性烧蚀治疗。由于CO2激光通常会烧蚀表皮，同时留下一层相对较厚的热致真皮胶原质，而激光用于更浅层的治疗，并留下更少的残余热损伤。更少的热损伤导致更少的停机时间，变为渐进治疗，通常需要接续性处理。光纤激光只对皮肤表面的一部分进行治疗，限制了治疗区域，以减少副作用、停机时间和不适感，仍然会在整个治疗区域引起炎症。除了高安全性和快速愈合外，使用分式非烧蚀和半烧蚀激光治疗细纹和皱纹以及不必要的色素沉着，取得了良好效果，并且还可用于增强局部药物的渗透。皮肤中的水分吸收率在2900nm和3100nm之间最高，使得组织消融，残余热损伤很小，因此比非分步式或烧蚀分步式激光器产生更少的副作用和停机时间。

在这里，我们研究了一种新的分步的2910nm铒玻璃光纤激光器，具有独特的光束轮廓和小光束直径，使用浅层治疗模式对轻度光损伤皮肤的影响。我们评估了治疗后1天、7天和14天的皮肤光老化、副作用和组织学的改善情况。

材料与方法

受试者

这项由机构审查委员会批准研究的潜在受试者最初由治疗医生依据光老化的五个关键迹象：细纹和皱纹、毛孔粗大、皮肤松弛、毛细血管扩张和色素沉着过度进行筛选。经治疗医师评定为轻度光损伤的20名受试者被选择进行激光治疗并登记参加研究。另外三名接受非光损伤皮肤治疗的受试者在激光治疗后1天、1周和2周分别进行皮肤活检，由于活检是在防晒皮肤上进行的，因此在没有光损伤评估的情况下入组。接受面部激光治疗的临床研究参与者男性4人，女性16人，年龄24 ~ 60岁，平均年龄46.1±11.7岁(mean±SD)，面部有临床可识别的慢性光老化。该研究对所有Fitzpatrick皮肤类型开放，其中2名皮肤类型为I型，7名皮肤类型为II型，9名皮肤类型为III型，3名皮肤类型为IV型。接受激光治疗和皮肤活检的3名受试者未进行光损伤评估，年龄分别为57岁、68岁和47岁，皮肤类型为II、III和IV。接受面部激光治疗、注射填充剂或神经毒素治疗、在研究开始后6个月内服用异维甲酸、治疗区域有皮炎或皮肤病或有瘢痕疙瘩形成史的受试者被排除在外。

激光

激光能量是通过激光光纤输送的，而不是关节臂。激光束聚焦在170µm大小的微光束光斑上，这些微光束排列成环形，形成由33束微光束组成的“光斑”。光斑具有高斯截面，与其他单模、高光束质量激光器一致。微光束以环形阵列传输，固定光斑重叠35%，在整个环空或光斑上形成均匀的能量分布。微光束重叠，使得高斯光束的波谷叠加地为激光光斑提供非常均匀的能量(图1)。

▲图1. 由33根微光束组成的环形脉冲，微光束重叠在一起，形成一个圆形的脉冲。

本临床研究将微光束排列成环形，每个环使用33个微光束脉冲，产生0.17mm宽，1.20mm直径的环。在本研究中，从多种图案选项中选择了15mm × 15mm的方形图案，并使用计算机图案生成器生成，将81个环放置在9 × 9的图案中(图2)。

▲图2. 激光脉冲33个微光束脉冲组成，脉冲间隔长于治疗皮肤中每个微光束的热弛豫时间。环形脉冲在一个15mm× 15mm的正方形中传递，由81个环形脉冲组成，在0.7秒内传递。

通过选择25%的密度设置来选择单位面积的环数，确定要在15mm × 15mm的处理区域达到25%的覆盖率，需要均匀地放置81个环，间隔1.50mm，覆盖正方形图案。每个图案的总能量为1.8±0.1 J，使用2,673个微光束，每个微光束的能量为0.6 mJ。33束微光束形成环形光斑，导致环形光斑能量为每个光斑或环21.5 mJ。提供一个15mm × 15mm正方形图案的总时间为0.7秒，每个15mm × 15mm处理图案的影响为2.5 J/cm2。这些设置导致预烧蚀深度为10±1.5µm。对于组织学治疗区域，20µm和60µm的治疗设置分别对应于微束能量1.3和3.9 mJ，以及42.9和128.7 mJ/斑或环。在10mm × 10mm的模式中，有36个环形斑点，在20和60µm的设置中分别沉积了1.6和4.6 J的能量。

激光治疗

所有临床受试者均接受单次激光治疗，共两次治疗，间隔2个月，使用2910nm铒玻璃光纤激光。本研究中使用的治疗能量由治疗医师根据先前的治疗确定，其治疗后的改善和副作用在治疗能量范围内可被观察到。组织学研究也有助于本研究临床参数的选择。两种处理都使用了10µm的能量设置，对应整个处理区域2.5 J/cm2。每个模式的总能量为1.8±0.1 J，使用2,673个单独的微束，每个微束的能量为0.6 mJ。33束微光束形成环形光斑，导致环形光斑能量为21.5 mJ/光斑或环。采用最大可用15mm × 15mm处理面积选择正方形图案，处理面积密度设置为25%。为了处理25%的15mm × 15mm正方形，在处理区域均匀沉积81个环形斑点，间隔1.5mm。治疗采用自动重复模式，重复率为1.0Hz，不使用局部麻木膏，治疗时间平均约为5分钟。

三名接受激光治疗以进行组织学评估的受试者在六个治疗部位对下背部皮肤进行治疗，第七个部位作为未治疗的对照组。如上所述，每个受试者的三个部位在20µm的设置下进行处理，提供5.0 J/cm2, 1.3 mJ/微束和43 mJ/斑点或环状环，以及由36个均匀间隔的环形斑点组成的每10mm平方的处理区域1.6 J。另外三个位置在60µm的较高设置下进行处理，对应于15.0 J/cm2，提供3.9 mJ/微束，128.7 mJ/斑点或环形，4.7 J/ 10mm2的处理区域。

标准化图像的盲法评估

在治疗前和最终治疗后3个月，使用专业的数字成像系统和标准化的头部固定器拍摄每位受试者的全脸数字图像，以保持正确的头部定位。为了确保在预处理和处理后成像过程中头部定位的可重复性，成像系统将先前图像的数字重影与头部位置的实时电影显示结合在一起，以实现预处理和处理后数字图像之间定位的最大一致性。将视频图像与静态虚影图像进行匹配，实现预处理定位与后处理定位的匹配。在治疗前和治疗后3个月，每名受试者取3个面部位置，包括正面、左侧面部45°和右侧面部45°。治疗效果由三位盲审医师评估者比较治疗前和治疗后3个月的随机图像对进行评估，评估者将尝试识别出治疗前的图像，然后评估治疗后3个月图像的改善水平，如果有的话。盲审医师评估者使用从0到10的11分量表对光损伤的总体改善进行评分，其中0分对应于没有改善，1分代表光损伤改善10%，5分代表改善50%，10分对应于100%，或皮肤光损伤完全改善。错误地识别处理后的图像作为预处理图像，将导致负得分，例如分数为4将被记录为- 4分，或光损伤外观恶化40%。

▲非常显著的治疗效果！

受试者的副作用等级

受试者在每次治疗后立即用4分Likert量表对红斑、水肿和针尖性出血进行评分，从无(0)到轻度(1)、中度(2)和严重(3)。每次治疗期间的疼痛由受试者使用11分(0 – 10)量表进行评分，其中0分代表没有感觉或有感觉但没有任何疼痛，5分代表中度疼痛，10分代表最大疼痛。

组织学评价

治疗后1天分别对三名受试者进行两个治疗能量和未治疗对照部位的皮肤活检。两种给药能量治疗后1周进行第二次活检，激光治疗后2周再次进行活检。治疗和对照活检部位用0.5%利多卡因和1:20万肾上腺素浸润。进行4毫米穿孔活检，用4毫米尼龙缝合线缝合，并立即放入缓冲福尔马林中。活检标本切成5µm切片，然后用苏木精和伊红染色，放置在玻片上，每个标本30片，每张玻片4-5个组织切片。如上所述，在每次激光能量下采集三个活检标本，每个受试者一个，作为单个对照活检。如上所述，在每次激光能量下采集三个活检标本，每个受试者一个，作为单个对照活检。所有的切片都被检查，最大激光治疗的切片，代表分块环形斑点的存在，被选中进行审查。然后对每个活检标本分析四个组织切片，每个切片在组织块中彼此间隔至少20µm。使用Olympus BX43显微镜，使用Olympus ×2，×4，×10，×20和×40物镜对切片进行评估，并对载玻片进行可视化。用4k分辨率的DP 28数码相机获取染色切片的图像。

 讨论

在这项研究中，我们研究了一种新型2910nm铒玻璃光纤激光器的临床和组织学效果，该激光器提供分布的微光束阵列，利用表面设置在角质层和表皮内创建微观热处理区。激光能量通过光纤而不是关节臂传递到可重复使用的铝制手持器。通过盲审医师评估人员对标准化数字图像进行评分，2910nm分级激光对皮肤光损伤的临床改善有统计学意义，且不适和副作用最小。尽管轻微到没有不适，但治疗后立即出现的临床红斑和水肿通常是轻度到中度的，这表明临床明显的炎症反应可能有助于临床改善。尽管在当前研究中两倍的治疗能量下表皮损伤的组织学证据非常少，但治疗后的红斑和水肿是轻度至中度的。组织学研究作为临床治疗的前导，治疗能量低于组织学研究中使用的最低能量，因为使用10μm设置进行初步治疗，可引起均匀的红斑反应，最小至无不适，患者满意度显著。据推测，低于当前研究中使用的能量的组织学检查将显示比当前研究中注意到的更少的表皮损伤。

目前研究中使用的2910nm光纤激光器相对于其他烧蚀、半烧蚀和非烧蚀激光器的潜在优势是独特的。首先，2910nm波长被水强烈吸收，导致烧蚀，在皮肤中沉积很少的热能。这使得角质层、表皮或真皮层中非常精确的组织层的去除或改变成为可能。其他工作在2940nm的激光器在水中也有类似的吸收，然而，这些激光器是闪光灯驱动的铒:YAG (Er:YAG)激光器，其发射激光能量的重复频率要慢得多，并且无法提供非常浅层烧蚀所需的非常低的能量。一项针对250名受试者的早期大型研究表明，与上一代CO2激光器相比，Er:YAG激光器在2940nm的波长下工作，能够在所有受试者中使用表面麻醉剂进行皮肤修复，并且停机时间明显缩短，为在该吸收峰使用波长提供了一些最初的、强有力的、积极的数据。目前研究中使用的Er:玻璃光纤激光器可以控制3000-5000 Hz范围内的脉冲，从而能够提供由33个重叠的微光束组成的非常均匀的环形斑点。这种重叠使得每个光束的较低能量肩部的能量加起来与光束中心的能量相同，从而获得具有一致组织效应的均匀点。此外，激光速度极快，均匀性和2910nm的高吸水性波长导致非常低的不适感和快速的愈合时间。虽然目前的Er:玻璃光纤激光器可以在浅层模式、钻孔模式或两者的组合下工作，但本研究仅使用浅层模式，并研究其对轻度光老化皮肤的影响。通过盲审医师评估数字图像，患者表现出较好的临床改善，在没有任何表面麻醉剂的情况下，疼痛评分非常低，并且使用这种独特的激光治疗时，治疗时间非常短，平均5分钟。

其他针对水的激光器，如烧蚀CO2激光器，或高功率非烧蚀1550nm Er:玻璃激光器，以及1927nm铥光纤激光器，被水吸收的强度不如现有设备，因此在实现等量烧蚀时，会导致更多的残余热损伤，不适和停机时间。这些激光被广泛用于治疗光损伤和痤疮疤痕，已经有很多年了。最近，低能量1440和1927nm非烧蚀和半烧蚀二极管激光器已被广泛应用于浅表治疗，与相应的高功率设备相比，停机时间更短，用于轻度面部嫩肤，维持其他激光治疗效果，增强局部产品的效果，并改善许多光老化迹象，包括色素沉着。即使在低影响下，1440nm和1927nm的低能量分束激光也会在每个分束微光束底部的半圆形区域产生皮肤损伤区，胶原染色的改变证明了这一点，目前研究中使用的2910nm激光能够进行非常浅层的治疗，组织学证明几乎没有表皮损伤，并且可以在高通量下消融角质层并改变表皮的细胞结构。该光源的新颖之处在于能够改善临床状况，并可能导致这种改善的皮肤炎症，而在组织学检查中仅产生非常浅的表皮或角质层变化。组织学检查中这种表面变化引起炎症的机制仍有待阐明，但可能是多因素的，包括皮肤屏障功能的改变，表皮神经纤维与下层真皮的交流，以及角质形成细胞释放影响下层真皮的细胞因子。正如当前研究所预期的那样，增加输送的通量对表皮产生更大的影响，进一步增加通量应该会导致这里使用的浅层模式产生更大的影响，而切换到深层模式可以通过改变光束轮廓和施加的通量来创建任何深度的皮肤微通道。这些模式可以组合成具有不同影响的单一治疗模式，从而实现可调整到各种临床环境的大范围治疗设置。在目前的研究中，我们调查了非常浅表治疗的临床效果，显示临床改善，非常少的不适或停机时间。

这项研究表明，在没有任何表面麻醉剂的情况下，使用这种新型Er:玻璃纤维激光器治疗可以改善光损伤皮肤的外观，几乎没有不适，治疗后出现中度红斑和水肿，表明皮肤对治疗有反应，并且没有其他副作用。在两种能量水平下处理的标本进行的组织学分析表明，在较低能量的治疗环境下，角质层底部在治疗后1天出现了非常浅的表皮残余损伤，而在较高的能量治疗环境下，表皮的浅层至中层残余热损伤。在低能和高能环境下，皮肤炎症持续一周，高能环境下炎症更严重。

未来的研究将进一步研究在表面模式下更高能量设置下的临床和组织学变化，在钻孔模式下的各种能量，以及组合模式的影响，这将进一步表征和探索这种多功能光纤激光器的能力。

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