Instituto de Ciencias Básicas y Preclínicas “Victoria de Girón”

El láser ¿motivación o realidad para el estudio de Física por los estudiantes de las Ciencias para la Salud?

Lic. José E. García González y Lic. Fernando de la C. Martínez Rodríguez

Resumen

Se realizó este estudio para que sirviera de instrumento de trabajo y de fuente de consulta a los estudiosos e interesados en el tema. La palabra láser es una sigla de las palabras inglesas light amplification by stimulated emission of radiation ¿qué cantidad de estudiantes conocen el significado de estas palabras, aun conociendo su traducción al español? Para lograr este producto informativo que lleva hacia el estudio y la comprensión de la Física, fue necesario realizar una labor de búsqueda y síntesis de la información publicada sobre el asunto en libros, revistas y obras de referencia. En cuanto a su estructura, se presentó en forma cronológica y descriptiva la iniciación, desarrollo, generalidades del láser y su utilización en las Ciencias para la Salud.

Palabras clave: Láser, características, Física, Ciencias de la Salud.

 

En los años que van de 1808 a 1905, la biología, la química y la física introdujeron algunos conceptos notablemente semejantes. Se vio en cada unos de estos campos, la utilidad de considerar la existencia de ciertas magnitudes o entidades fundamentales de carácter discreto. Así Dalton (1808) propuso que la materia consistía de átomos discretos que mantenían su integridad en todas las reacciones químicas. En biología, Schleiden, para las plantas (1838) y Schwann, para los animales (1839), proponían la teoría de las células, por distintas combinaciones de las cuales se consideraba estaba formado el tejido vivo. El trabajo de Gregor Mendel (1865), condujo a la idea tan fructífera de que la sustancia que gobierna la herencia, contiene una estructura de entidades definidas, o genes, que se transmiten de una generación a otra, sin cambio.

Entre tanto, el calor, la electricidad y la luz, campos de la física que en el siglo xviii se habían estudiado en términos de fluidos imponderables, se estaban reconstruyendo de una manera similar. La teoría cinética de Joule (1847) identificaba el calor sensible con el movimiento de los átomos y moléculas. En electricidad se descubría el electrón (1897), partícula cargada con la menor unidad de carga negativa. Finalmente se vio que también la energía de los focos de radiación y la misma radiación estaban cuantizadas (1900 y 1905).

En resumen, era como si estas nuevas imágenes en las ciencias surgiesen de un cambio semejante en el modelo mental utilizado para explicar los fenómenos, cambio en el cual la idea directora no es ya la de un continuo, sino la de una partícula o cuanto.¹ Este cambio puede ser debido, en parte, al desarrollo de nuevos y mejores instrumentos y técnicas que abrieron nuevos campos a la observación. Por otra parte, estas técnicas fueron estimuladas a menudo por hipótesis que, con el tiempo, ayudaron a reafirmarlas.

Así ocurrió, en el transcurso de casi 100 años lo que muchos llamaron la cuantización de las ciencias (Holton G, Roller DHD. Fundamentos de la Física Moderna. Ed. Reverté, S.A.; 1963).¹

Las radiaciones no obedecen a las leyes clásicas, sino a leyes cuánticas. Según estas leyes, la radiación es emitida, transportada y absorbida en unidades discretas llamados cuantos o fotones. La teoría cuántica permite explicar el efecto fotoeléctrico y la estructura del átomo. Las ideas cuánticas se aplican tanto a la radiación como a las partículas atómicas. Una vez conocida la estructura del átomo se puede explicar la tabla periódica y comprender cómo se forman las moléculas. La absorción y la emisión de energía por átomos y moléculas son de gran importancia en las investigaciones científicas. La emisión estimulada de radiación se utiliza en el láser, instrumento de gran importancia en medicina, en la investigación biológica, así, como en otras ramas de las ciencias (Holton G, Roller DHD. Fundamentos de la Física Moderna. Ed. Reverté, S.A.; 1963) (Mac Donald SGG, Burns DM. Física par las Ciencias de la Vida y de la Salud. Fondo Educativo Interamericano, S.A., 1978).

Una breve reseña de los antecedentes más importantes para la creación del láser y su aplicación

La palabra láser es una siglonimia de las palabras inglesas: light amplification by stimulated emission of radiation. Es decir: amplificación de luz mediante emisión estimulada de radiación. Realmente representa el nombre de un dispositivo cuántico, que sirve para generar ondas electromagnéticas de la gama óptica.²

Tiene un antecedente inmediato en el máser óptico, siendo la siglonimia máser, correspondiente a microwave amplification by stimulated emission of radiation, es decir: amplificación de microondas por emisión estimulada de radiación.

La creación del primer máser, a partir de las teorías de emisión estimulada de Einstein, se consiguió gracias a los trabajos llevados a cabo simultáneamente por Townes, Gordón y Zeiger, en EE. UU., y Basov y Prokhorov en la antigua Unión Soviética. En 1954, ellos propusieron nuevos métodos para la generación y amplificación de las ondas de radio frecuencias (microondas), y se diseñó el primer máser que funcionaba utilizando la radiación inducida de un haz de moléculas de amoníaco emitiendo microondas en una sola frecuencia, con muy bajo factor de ruido y muy alta sensibilidad. En 1964, Basov y Prokhorov, junto con Townes, consiguieron el premio Nobel. Los máseres, gracias a sus características, se utilizan principalmente en radio, comunicaciones espaciales, astronomía por radar, etc. Sin embargo, pese al gran avance científico que supuso su desarrollo, no permitían obtener emisión estimulada en la región del espectro electromagnético situada entre las microondas y el infrarrojo. Townes planteó, entonces, la posibilidad de estudiar esa región de frecuencias desde la luz visible (380 nm < l < 780 nm). Él y sus colaboradores propusieron, en 1958, construir máseres capaces de trabajar en la región óptica, utilizando cavidades reflectoras como resonadores.^2,3

En julio de 1960, Maimann, de la Hughes Aircraft Co., observó, al iluminar con intensidad un rubí especialmente tallado, que emitía un haz casi paralelo de luz roja muy intensa y casi de manera perfecta monocromática. Se trataba del primer sistema de emisión láser.

El láser de rubí diseñado por Maimann, contiene un medio activo sólido (el cristal de rubí) y proporciona una emisión pulsátil de color rojo. En 1961, Javan, Bennett y Herdiot, trabajando en la Bell Telephone Laboratories, consiguieron una emisión láser de forma continua al excitar una mezcla de gases (helio y neón) mediante un campo de alta frecuencia. Posteriormente, se ha conseguido una gran variedad de sistemas de emisión láser, en cuanto a sus componentes (medio activo, sistema de bombeo, etc.) y a las características de la radiación emitida.^3,4

Por otra parte, este desarrollo para la creación y aplicación del láser fue debido a los descubrimientos de Conrad Roentgen, que en 1895 descubrió los rayos X y produjo por primera vez en el mundo una radiografía. En 1896 Henri Becquerel descubrió la radiactividad, años más tarde, Einstein compararía el descubrimiento de la radioactividad con el descubrimiento del fuego por el hombre primitivo, teniendo en cuenta el significado que tuvo para el desarrollo de la humanidad (Frank P. Einsten, his live and times. Knopf, 1947).

Max Planck introdujo el concepto de fotón, cuanto o paquete de energía luminosa, que explicó científicamente la naturaleza de la luz alcanzando el premio Nobel de física.

Albert Einstein, por su parte, identificó los fotones, explicó el efecto fotoeléctrico, además, señaló que había emisiones espontáneas de fotones, pero que también podían producirse emisiones inducidas por el hombre, adelantándose en varias décadas a la posterior creación del láser, también alcanzó un premio Nobel de física.

Los premios Nobel son la condecoración de más alto reconocimiento internacional que reciben aquellos individuos que han logrado un descubrimiento trascendental o la contribución más significativa en diferentes campos del conocimiento. Los galardones de física los otorga la Academia de Ciencias Sueca los días 10 de diciembre, fecha en que se cumple el aniversario del fallecimiento de Alfred Nobel, el químico e industrial sueco inventor de la dinamita y gelatina explosiva, quien, al morir en 1896 legó en su testamento su fortuna para la instauración de este reconocimiento a la fundación que hoy lleva su nombre. La mayoría de los investigadores mencionados en este tema alcanzaron el premio Nobel de física.⁵

¿Qué es el láser? y ¿cuáles son sus características físicas?

Cuando un átomo es bombardeado con energía eléctrica y se logra que uno de sus electrones cambie de órbita, absorbe una cantidad de energía y pasa a un estado denominado de excitación. Si en ese momento el átomo choca con un fotón, liberará 2 fotones que viajan en la misma dirección y que están en fase mutuamente. Esto puede generar una mayor liberación de fotones en cadena. La ampliación de esta energía luminosa compuesta de fotones, por un sistema de espejos, constituye la radiación láser.⁶ (fig. 1)

Fig. 1: Esquema simple de un láser.

Los rayos láser tienen 3 características físicas muy especiales que los diferencian de cualquier otro tipo de luz:

1. Monocromaticidad: es decir tiene una sola longitud de onda y por lo tanto un solo color a diferencia de la luz natural que es policromática y contiene todos los colores básicos, esto hace que cada láser con una longitud de onda diferente tenga también un color diferente. El color del láser visible tiene una pureza que normalmente no se encuentra en la naturaleza.
2. Coherencia: por la amplificación artificial de la radiación luminosa emitida, existe una relación fija de fase para todos los componentes del rayo láser. Ello no sucede con la luz ordinaria que tiene diferentes relaciones entre un rayo luminoso y otro.
3. Direccionalidad: los rayos láser amplificados por los espejos son decididamente paralelos. Por ello es posible focalizarlos en un punto muy pequeño (diámetro de 3-10 veces más grande que la longitud de onda). Mientras que en la luz ordinaria los rayos son divergentes.^6,7

Clasificaciones fundamentales

Los rayos láser se han clasificado elementalmente de acuerdo con su longitud de onda, o de acuerdo con su intensidad (potencia).

Según su longitud de onda se clasifican en ultravioleta, visibles o infrarrojos. (fig. 2)

• Ultravioleta: cuando su longitud de onda es menor de 380 nm, no son visibles por el ojo humano.
• Visibles: cuando su longitud de onda se encuentra entre 380 y 780 nm, que es el rango visible por el ojo humano.
• Infrarrojo: cuando su longitud de onda es superior a 780 nm, tampoco son visibles por el ojo humano.

Fig. 2. Región del espectro electromagnético donde trabajan los rayos láser.

Según su intensidad, los rayos láser pueden clasificarse en alta potencia, (decenas de W), mediana potencia (del orden de los mW, pudiendo alcanzar algunos W) y baja potencia (orden de los mW). Existe una clasificación mundial para la potencia de los rayos láser, la cual es considerada inofensiva de 1-3 mW. De 4-7 mW, son rayos láser de uso médico o terapéutico y un poco más pueden ser quirúrgicos, porque la luz tiene ya carácter invasivo y puede afectar tanto el tejido cutáneo en el que puede producir abrasiones (muchas veces provocadas por la medicina para buscar efectos rejuvenecedores de la piel), como en el subcutáneo en el que actúa por su acción fotobiológica. Y con algo más de unas decenas de W, los rayos láser son exclusivamente de uso militar o industrial. Hay de muy baja potencia que pueden ser utilizados por esteticistas (http://www.euroestetic.com).^2,3,6,7

 

Algunos tipos de láser y su utilización en medicina

Entre los láseres médicos más utilizados, cuya potencia se sitúa entre 4-7 mW y algunos watios están los de alejandrita, el de rubí, el de CO₂, el de helio-neón, el de argón, el infrarrojo, el de neodimio-yag, el de holmium-yag o el lasik (estos nombres son debido en general al medio activo que utilizan).

Los láser terapéuticos actúan a través de la fototerapia, es decir, utilizan la luz coherente del láser que actúa como antiinflamatorio, antiálgico o para la regeneración de tejidos. Tienen la categoría de terapéuticos: el de helio-neón, el de infrarrojo y el epi-ligh; siendo quirúrgicos: los de rubí, el de argón, el de CO₂, el neodimio-yag, el de holmuim-yag y el lasik.⁸

En diferentes países, se va generalizando el uso del láser en centros especializados en la investigación. Los láser de alta potencia fueron aplicados en cirugía a principios de la década de los 70, los láseres de baja potencia fueron desarrollados y aplicados en medicina desde principios de la década de los 80, siendo los principales países que lo utilizan EE. UU., Canadá, Europa, Sudáfrica, Israel, China, Japón, Brasil, México, Venezuela, Argentina, Chile y Perú. En Cuba se utiliza en diferentes centros hospitalarios, principalmente en el Centro Internacional de Retinosis Pigmentaria Camilo Cienfuegos, que con el láser Eximer en la cirugía refractiva se han obtenido muy buenos resultados.

Efecto del láser al actuar sobre los tejidos

Tiene efecto biológico en las células, porque la energía depositada en los tejidos, cuando se irradia con láser de baja potencia, es absorbida por los fotorreceptores (pigmentos) que se encuentran en las diferentes estructuras celulares y ocurren en ellas los efectos primarios, estos son: bioenergético, bioeléctrico, bioquímico, bioestimulante.

La absorción de partículas de determinada longitud de onda por los fotorreceptores provoca la transformación de la actividad funcional y metabólica de la célula.

Efecto bioenergético: se basa en la necesidad de reservas energéticas en la célula para poder desarrollar su actividad. Cuando la célula se encuentra dañada, estas disminuyen y por tanto, su actividad se altera. La radiación láser de baja potencia actúa directamente sobre los fotorreceptores de la cadena respiratoria, activando y facilitando el paso de ADP a ATP, lo que incrementa la reserva de energía en el interior de las mitocondrias.

Efecto bioeléctrico: los fotorreceptores presentes en la membrana celular absorben la energía proveniente de la radiación láser. Esta actividad fotoeléctrica en la membrana contribuye al equilibrio iónico a ambos lados de la misma, ayudada por la energía que extrae de la hidrólisis de ATP. Se restablece así el potencial de membrana y con ello la vitalidad celular y sus funciones.

Efecto bioquímico: el aumento en las reservas energéticas (ATP) facilita las reacciones interestructurales, así como los ciclos metabólicos intracelulares de gran consumo de oxígeno, lo que provoca la activación general del metabolismo celular.

Efecto bioestimulante: la función celular parte de la activación de los genes contenidos en el núcleo. El DNA es activado por el ATP y comienza la síntesis proteica que tiene como resultados finales la formación de proteínas estructurales, de enzimas que intervienen en los procesos metabólicos y de enzimas y proteínas necesarias en los procesos extracelulares y tisulares. Al actuar la radiación láser como agente activador de la síntesis proteica y, por tanto, de la función celular, se acelera la división y multiplicación celular (Velez M. Comportamiento de la luz en la interacción con los tejidos en especial el láser de baja potencia. Ed. Reverté, S.A., 1988).

Principales ramas y patologías en que se utiliza el láser

Por su gran versatilidad se utiliza con buenos resultados en las ramas siguientes: Ortopedia y Traumatología, Reumatología, Cirugía (en general), Odontología, Otorrinolaringología, Cirugía reconstructiva y Quemados, Dermatología, Cosmetología, Ginecología, Proctología, Cardiología, Terapia Física, Medicina Deportiva y Geriatría.

Los principales tratamientos son en: alopecia, psoriasis, celulitis, acné, úlceras tróficas, vaginitis, espondilitis, asma bronquial, infarto de miocardio, quemaduras, procesos traumáticos nerviosos u óseos, artritis rematoideas, artrosis en general, tenosinovitis, epicondilitis, bursitis, lumbalgias, ciatalgias, migrañas, sinusitis, inmunodeficiencias, rinitis alérgicas, herpes zóster, estomatología en general, luxaciones, edemas, hematomas, contractura muscular, contusiones, síndrome de Barré, síndrome de Sudeck, síndrome canicular, etcétera.⁹

Algunas contraindicaciones, efectos secundarios y precauciones para la utilización del láser

A pesar de su gran utilización en diversos tratamientos posee sus contraindicaciones: absoluta y relativas.

En la absoluta está la retina, la proyección directa sobre los ojos puede ocasionar daño irreparable, que pudiera conducir incluso a la ceguera. Las radiaciones del láser de baja potencia traspasan la córnea, el cristalino y la parte media del ojo, absorbiéndose o depositándose en la retina.

Las relativas son: procesos neoplásicos o preneoplásicos, infecciones bacterianas, fotosensibilización, irradiaciones sobre la zona tiroidea, embarazo, epilepsia, marcapaso.

Como su nombre lo dice, en estos tipos de afección generalmente no existe un acuerdo unánime en relación con emplear el láser o no. A modo de ejemplos, en los procesos neoplásicos y preneoplásicos algunos autores como Mester señalan que el láser al ser estimulante de la mitosis celular, incrementa la multiplicación de células, que eleva la proporción del ATP y de la síntesis de proteínas, pudiendo acelerar los mecanismos de un proceso de cancerización.¹⁰

En los procesos bacterianos las acciones antiinflamatorias del láser y la vasodilatación de la microcirculación sanguínea pueden producir una diseminación de la infección, agravando el proceso. De acuerdo con estudios realizados no se ha podido demostrar que el láser tenga acción antibacteriana directa, pero actúa activando los naturales mecanismos de defensa del organismo y aumentando la actividad fagocitaria. Se supone que el láser produce un incremento de neutrófilos, fagocitos, con disminución del número de bacterias. Teniendo esto en cuenta, debe utilizarse combinando el tratamiento con antibiótico.¹¹

Los efectos secundarios producidos por tratamiento con láser pueden ser: astenia, mareos, fatigas, soñolencia, sudoración, diarreas, vómitos.

Y las precauciones para su utilización son:

• No proyectar el rayo sobre el ojo ni su cercanía, tanto para el paciente como para el operador.
• Evitar las superficies reflectantes como espejos o superficies con brillo metálico.
• Usar lentes especiales para estos tipos de radiaciones.
• Que la pared no tenga azulejos y que estén pintadas de colores mates.
• Evitar el uso de pomadas o grasas en la piel antes del tratamiento, para evitar reflexiones y lograr una mejor absorción.
• Conocer los rangos y las medidas de protección de los equipos.
• En los embarazos no ha existido peligro de que el láser hubiera afectado al feto, pero si hubiera cualquier problema posterior, podría achacarse al láser.^3,6

Formas, frecuencia y dosimetría en la aplicación del láser

Los láser quirúrgicos son aplicados directamente en la región que se va a intervenir. En los láser terapéuticos en la práctica médica existen 3 formas de aplicación:

1. Local: directamente en la zona afectada, que de acuerdo con su extensión requerirá uno o más punto de aplicación. La aplicación local se realiza en contacto directo y perpendicular entre el dispositivo aplicador y el tejido afectado. En los únicos casos en que no debe aplicarse el contacto directo es cuando la lesión es húmeda (herpes simple, úlceras varicosas, fístulas, etc.) o cuando el tejido afectado es una mucosa (faringitis, gingivitis, rinitis, etc.). En estos casos basta separar el aplicador pocos milímetros del tejido a tratar.
2. Laserpuntura: es decir, aplicación del láser en los puntos de acupuntura considerados por la medicina tradicional.
3. Zonas Trigger: son zonas del cuerpo humano dotadas de una inervación particularmente rica y que reflejan el dolor a distancia (Echevarria JP. Láser de baja potencia en el dolor osteomioarticular. CIMEQ. Cuba, 1986).

Por lo general, en la práctica cotidiana, se combinan las 3 formas de aplicación según los cuadros clínicos que se necesitan tratar.

Las frecuencias con que se realizan las aplicaciones del láser variarán de acuerdo con la patología a tratar; se ha demostrado, que al inicio, el tratamiento con láser, es más eficaz en sesiones seguidas (3 por semana, en dosis moderadas). Luego pueden distanciarse en el tiempo, llegando a alcanzar de 15 a 20 sesiones en días intercalados, según se vean los resultados.

Hoy día se aplican cada vez más en distintas afecciones médicas, los láser terapéuticos, ya sea como único tratamiento o en combinación con otros métodos físicos o medicamentosos. Estos láser emiten la energía en 2 formas: continua y otra de forma intermitente (pulsátil). La potencia terapéutica de estos dos tipos de láseres se encuentra dentro del rango de los mW, realizándose cálculos de dosificación de formas diferentes. Cuando vamos a aplicar el láser es necesario conocer qué energía emite el equipo, el área donde se va a irradiar y qué cantidad de energía se ha depositado o se quiere suministrar para obtener una buena respuesta terapéutica. Para ello la densidad de energía (D.E.), es la relación que existe entre la energía que aporta el equipo y la superficie del spot (en dependencia del diámetro de la fibra). Este concepto se expresa J/cm² (Joules por centímetro cuadrado). Pudiendo calcular de acuerdo con la expresión:

El dato que el terapeuta desea aplicar al paciente de acuerdo con su experiencia personal o la de otros terapeutas para obtener el efecto deseado según la patología a tratar. Aquí los datos principales los aporta el fabricante del equipo y es función del terapeuta fundamentalmente calcular el tiempo de su aplicación (http://www.centrodelaser.com).

Consideraciones finales

Seguramente no es el láser el elixir de la vida tantas veces anhelado. Sin embargo, presenta características que lo convierte en una poderosa herramienta en un centro hospitalario moderno.

La rapidez en la aplicación, el reducido número de contraindicaciones y los buenos resultados obtenidos, hacen que el láser deba ser considerado como una opción junto a otros tratamientos en un gran número de patologías.

Teniendo en cuenta estos aspectos sería más eficaz su utilización conociendo aspectos de la física relacionados con este.

 

Laser, motivation or reality for the study of Physics by Health Sciences students?

Summary

This study was conducted to be used as a working tool and as source of consultation for those who are studying it or who are interesed in this topic. The word laser means in English light amplification by stimulated emission of radiation. How many students know the meaning of these words, even when they know their translation into Spanish? To attain this informative product that leads to the study and understanding of Physics, it was necessary to search and synthesize the information published in books, journals and other reference works. As regards its structure, the initiation, development, and generalities of laser, as well as its use in Health Sciences were presented in a chronological and descriptive way.

Key words: Laser, characteristics, Physics, Health Sciences.

Referencias bibliográficas

1. Oldenberg O. Introduction to atomic physics. México:Ed. McGraw-Hill; 1954.