Thermal effects of a novel picosecond infrared laser during ablation of «ex vivo» soft tissue and bone

Background: Despite significant advances in surgery over the last century, most surgical approaches necessitate cold steel instruments under the control of the surgeon’s hand. Lasers provide a means of precise surgical ablation, but their clinical use has remained limited due to undesired thermal, free-radical producing, or mechanical effects causing significant cellular insult. A novel ultrafast, non-ionizing, picosecond infrared laser (PIRL) system has recently been developed, capable in theory of ablation with negligible thermal or mechanical collateral damage.Objective: The purpose of this work is to provide the reader with an overview of laser-tissue interactions and laser ablation mechanisms in addition to presenting novel experimental data comparing heat generation during ablation of ex vivo porcine skin and chicken bone by conventional microsecond pulsed erbium doped yttrium aluminum garnet (Er:YAG) laser versus PIRL.Methods: Ex vivo porcine skin and chicken bone was ablated with both Er:YAG laser and PIRL at fluence levels above ablation threshold. Temperature rises were determined using infrared thermography and compared using appropriate statistical methods. Ablation craters were assessed by means of digital microscopy.Results: Mean peak rise in skin surface temperature for the Er:YAG laser and PIRL was 15.0°C and 1.68°C, respectively (p < 0.001). Mean peak rise in bone temperature for the Er:YAG laser and PIRL was 12.99°C and 1.56°C, respectively (p < 0.008). Ablation craters appeared similar on digital microscopy.Conclusions: Types of laser ablation include photothermal, photochemical, plasma-mediated, and photomechanical. Material removal resulting from microsecond pulsed Er:YAG laser and PIRL ablation occurs via photothermal vaporization, enhanced by photomechanical effects. The PIRL produces efficient tissue ablation with negligible heat generation due to thermal and acoustic confinement conditions that enhance secondary photomechanical material removal.Introduction: Malgré les avancées significatives dans la chirurgie, les approches chirurgicales nécessitent souvent des instruments en acier froid sous le contrôle de la main du chirurgien. Les lasers offrent un moyen de l'ablation chirurgicale précise, mais leur utilisation en chirurgie reste limitée en raison des effets indésirables thermiques, ionisants, ou mécaniques causant d’insultes cellulaires. Un système laser pulsé ultra-rapide, non-ionisant, infrarouge picoseconde (PIRL) a récemment été développé qui est capable, en théorie, de l'ablation avec les effets négligeables thermiques et acoustiques.Objectif: Le but de ce travail est de fournir au lecteur une vue d'ensemble interactions laser-tissus et des mécanismes d'ablation par laser, en plus de présenter de nouvelles données expérimentales comparant la production de chaleur lors de l'ablation de la peau de porc et l’os de poulet ex vivo par laser pulsé microseconde à l'erbium dopé d'yttrium aluminium garnet (Er: YAG) par rapport au PIRL.Méthodes: La peau de porc et l’os de poulet ex vivo a été ablatée par laser Er :YAG et par PIRL aux niveaux de fluence dessus du seuil d'ablation. Les hausses de température ont été mesurées et comparées à l'aide de méthodes statistiques appropriées. Cratères d'ablation ont été évalués à l'aide de la microscopie numérique.Résultats : Les hausses moyennes des pics de température sur la surface de la peau de cochon pendant l’ablation de laser Er:YAG et PIRL étaient de 15,0°C et de 1,68°C, respectivement (p <0,001). Les hausses moyennes des pics de température osseuse pour l’ablation avec le laser Er: YAG et PIRL était 12,99°C et 1,56°C, respectivement (p