Zastosowanie obrazowania hiperspektralnego w optymalizacji zabiegu laserowego usuwania makijażu permanentnego

3 / 2016 / vol. 5

Kosmetologia Estetyczna

299

N

artykuł naukowy mikropigmentacja

Zastosowanie obrazowania

hiperspektralnego w optymalizacji zabiegu laserowego usuwania

makijażu permanentnego

Optimization of laser treatment

to remove permanent makeup using hyperspectral imager

Małgorzata Ruprich,  Małgorzata Janiczek, Adam Wilczyński

Wydział Medyczny, Górnośląska Wyższa Szkoła Handlowa im. Wojciecha Korfantego, ul. Harcerzy Września 1939 r. nr 3, 40-659 Katowice

M: +48 501 694 496 E: malgorzata.ruprich@gwsh.pl

|WSTĘP

Barwnik implantowany podczas zabiegu wykonywa- nia makijażu permanentnego lokalizuje się zwykle na granicy skórno-naskórkowej, w fibroblastach skóry i makrofagach. Dość częstym zjawiskiem jest włók- nienie okolicznych tkanek. Śladowe ilości barwników mogą być również zlokalizowane w tkance łącznej w postaci małych agregatów pozakomórkowych.

Wielkość cząstek barwnika badana in vitro zna- cząco różni się od wielkości cząstek barwników po implantacji do skóry. Wynika to z procesu agregacji cząstek. Średnica cząstek barwnika in vitro wynosi z reguły od 30 do 600 nm [1].

Wielkość cząstek barwnika po implantacji może być bardzo różna: polimorficzne granulki czarnego barwnika mają zwykle 0,5-4 μm, podczas gdy barw- niki czerwone i turkusowe są najczęściej dwukrotnie

większe. Wielkość cząstek barwnika, obok jego właści- wości spektralnych, może być istotnym parametrem w kontekście optymalnych parametrów laserowego zabiegu usuwania makijażu permanentnego.

Jako potencjalne działania niepożądane wynika- jące zarówno z samego implantowania barwnika, jak i prowadzonych procedur laserowych usuwania makijażu permanentnego zidentyfikowano m.in.:

• blizny, zmiany barwnikowe hipe- i hipopigmen- tacyjne [2, 3],

• infekcje bakteryjne [3],

• infekcje wirusowe [4],

• infekcje grzybicze [5],

• reakcje alergiczne [6],

• nowotwory [7],

• zaostrzenie współistniejących dermatoz [8].

otrzymano / received

19.03.2016

poprawiono / corrected

21.04.2016

zaakceptowano / accepted

13.05.2016

»

Klasyczna metoda usuwania barwnika makijażu permanentnego i tatuażu opiera się na zastosowa- niu lasera Q-switched. Promieniowanie laserowe jest wybiórczo pochłaniane przez barwnik, co po- woduje jego degradację. Zastosowanie obrazowania hiperspektralnego w zakresie 400-1000 nm umoż- liwia optymalizację długości fali lasera w zabiegach laserowego usuwania makijażu permanentnego.

Metoda optymalizacji laserowego usuwania ma- kijażu permanentnego ma na celu przede wszyst- kim zwiększenie skuteczności zabiegu oraz zmniej- szenie ryzyka działań niepożądanych.

Słowa kluczowe: makijaż permanentny, usuwanie makijażu permanentnego i tatuażu, laser

Q-switched, kamera hiperspektralna

|AbSTrAcT

The classic method for removing permanent makeup and tattooing is based on the use of Q-switched laser.

Laser radiation is selectively absorbed by the pigment which causes its degradation. The use of hiperspektral imager in the range of 400-1000 nm allows the optimi- zation of the laser wavelength in laser surgery to remo- ve permanent makeup.

Optimization method of laser removal of permanent makeup is primarily aimed at increasing the effective- ness of the treatment and reducing the risk of adverse reactions.

Key words: permanent makeup, permanent makeup and tattoo removal, laser Q-switched, hiersprektral imager

3 / 2016 / vol. 5 Kosmetologia Estetyczna

300

N

artykuł naukowy mikropigmentacja

|USUWAniE bArWniKA

Klasyczna metoda usuwania barwnika makijażu permanent- nego opiera się na zastosowaniu lasera Q-switched. Laser ten emituje promieniowanie o bardzo krótkim impulsie (rzędu na- nosekund), co wiąże się z faktem, że cząstki tatuażu mają bar- dzo krótki czas termicznej relaksacji.

Promieniowanie laserowe jest wybiórczo pochłaniane przez barwnik, co powoduje jego degradację. Nie jest znany dokładny mechanizm molekularny tego procesu. Sugeruje się, że za degra- dację cząstek barwnika odpowiada działanie termiczne, fotoche- miczne i fotoakustyczne [9]. Po degradacji barwnik jest fagocyto- wany przez makrofagi i usuwany przez system limfatyczny [9].

Przedstawiona przez autorów metoda optymalizacji usu- wania makijażu permanentnego opiera się na doborze długo- ści promieniowania do właściwości spektralnych barwników.

Długość promieniowania lasera użyta do zabiegu laserowego usuwania makijażu permanentnego powinna być tak dobrana, aby maksimum absorbcji barwnika pokrywało się z długością fali zastosowanego lasera. Im laser jest skuteczniej (bardziej wybiórczo) pochłaniany przez barwnik, tym zabieg jest sku- teczniejszy, a liczba i nasilenie działań niepożądanych mniejsza.

Należy również zwrócić uwagę, że przy wielokolorowych ta- tuażach oraz makijażu permanentnym stosuje się kilka różnych barwników. W takim wypadku zabieg ich usuwania podzielony jest na kilka etapów, z których każdy ma na celu usunięcie poje- dynczego koloru. Obecnie dobór długości promieniowania lasera w przypadku makijażu permanentnego realizowany jest tylko i wyłącznie z uwzględnieniem koloru zastosowanego barwni- ka. I tak, barwniki zielone usuwane są z reguły za pomocą lasera aleksandrytowego (755 nm), barwniki czerwone za pomocą lasera Nd:YAG KTP 532 nm, a barwniki ciemne (czarny, brązowy, ciemno- niebieski) za pomocą lasera Nd:YAG 1064 nm. W tym miejscu nale- ży podkreślić, że taki dobór ma charakter tylko i wyłącznie orienta- cyjny i może wiązać się z brakiem skuteczności tak prowadzonych procedur. Wynika to z faktu, iż barwniki stosowane w makijażu permanentnym, pomimo że mogą mieć ten sam kolor (to samo wra- żenie barwne), zarówno in vitro, jak i in vivo mogą znacząco różnić się charakterystyką spektralną [9]. Tym samym nie jest możliwe ustalenie właściwości spektralnych barwników tylko na bazie ich koloru, a optymalny dobór parametrów zabiegu może być oparty na określeniu maksimum absorbcji dla poszczególnych barwników.

Zaproponowana metoda optymalizacji laserowego usuwania makijażu permanentnego ma na celu przede wszystkim zwięk- szenie skuteczności zabiegu oraz zmniejszenie ryzyka działań niepożądanych poprzez określenie in vivo maksima absorbcji dla barwników implantowanych w skórę.

|MATEriAŁ i METODA

Identyfikację parametrów spektralnych przeprowadzono me- todą obrazowania hiperspektralnego. Zastosowano kamerę hi- perspektralną SOC710 firmy Surface Optics Corporation, San Diego, CA, USA. W tabeli 1 przedstawiono kluczowe parametry zastosowanej kamery.

Pozyskano 3 obrazy hiperspektralne ludzkiej zdrowej skó- ry w obrębie czerwieni wargowej, w którą implantowany był barwnik czerwony (Rys. 1). Skóra była oświetlona lampą o pła- skiej charakterystyce widmowej w wymaganym zakresie dłu- gości fali: 400-1000 nm.

Płaska charakterystyka widmowa ma na celu uniezależnić parametry światła odbitego od promieniowania padającego.

Wszyscy ochotnicy posiadali fototyp 2 według skali Fitzpatric- ka i charakteryzowała ich jasna skóra oraz jasne włosy.

Pozyskane dane zostały zanonimizowane i zapisane w for- macie wyjściowym, źródłowy „cube” – jako tzw. sześcian hiper- spektralny. Przedział częstotliwości λ pozyskiwanych danych wyniósł od 400 do 1000 nm. Zaproponowany zakres spektral- ny pokrywa się z większością laserów stosowanych w zabiegu laserowego usuwania makijażu permanentnego. Każdy obraz był rejestrowany co 4,6875 nm, a to sumarycznie dało 128 ob- razów 2D dla każdego pacjenta. Rozdzielczość (liczba wierszy i kolumn) każdego z obrazów dla wybranej częstotliwości wy- niosła 696 x 1312 pikseli. Dla tej ustalonej odległości kamery od obiektu i ustawionych parametrów ogniskowania – na jeden piksel przypadał kwadratowy obszar obejmujący zakres około 190 μm x 190 μm. Sumarycznie dla 3 sześcianów hiperspektral- nych otrzymano 384 obrazów 2D. Obrazy te zostały poddane dalszej analizie.

Akwizycja danych hiperspektralnych (hyperspectral cubes) zo- stała przeprowadzona w pozycji siedzącej. Poproszono pacjent- kę o zajęcie miejsca w fotelu kosmetycznym i pozostanie w bez- ruchu podczas całej procedury akwizycji danych.

W związku z faktem, że czas akwizycji wynosił 180 s, pa- cjentka nie była w stanie pozostać całkowicie w bezruchu. Uwi- doczniło się to na pozyskanych obrazach w postaci przesunięć w liniach rzędów i wierszy (Rys. 1). Niemniej jednak powstałe zaburzenia nie wpłynęły negatywnie na dalszą analizę danych.

Intensywność integralna akwizycji danych wynosiła 200 ms.

Przed przeprowadzeniem analiz dane zostały kalibrowane wzglę- dem danych wzorcowych (pliki kalibracyjne dostarczone przez producenta kamery hiperspektralnej). Ponadto wykalibrowano dane względem reflektancji wzorca. Jako wzorzec posłużył panel o reflektancji 18% widoczny pod brodą pacjentki (Rys. 1).

|WYniKi i DYSKUSJA

Na rysunku 1 przedstawiono przykładowe obrazy z zazna- czonym obszarem zainteresowania ROI (region of interest) dla czterech dyskretnych długości fali: 424,9 nm (a), 525,8 nm (b), 620,0 nm (c), 721,6 nm (d).

Tabela 1 Specyfikacja techniczna zastosowanej kamery hiperspektralnej

Zakres spektralny 400-1000 nm

Rozdzielczość spektralna 4,6875 nm

Ilość pikseli na linię 696

Maksymalna szybkość skanowania 30

Ilość pasm spektralnych 128

Źródo: Opracowanie własne

3 / 2016 / vol. 5

Kosmetologia Estetyczna

301

N

artykuł naukowy mikropigmentacja

Rys. 1 Zarejestrowany obraz pacjentki nr 1 z zaznaczonym obszarem ROI na obrazie (b) i (d);

długości fali odpowiadające poszczególnym obrazom: 424,9 nm (a), 525,8 nm (b), 620,0 nm (c), 721,6 nm (d) Źródło: Archiwum własne autorów

Pozyskane dane posłużyły do wykonania zależności re- flektancji promieniowania (R) od długości fali (λ) (Rys. 2).

Rys. 2 Zależność reflektancji od długości fali w obszarze ROI dla przykładowej pacjentki nr 1 Źródło: Archiwum własne autorów

Na rysunkach 1b i 1d zaznaczono obszar ROI (czerwony pro- stokąt w obrębie czerwieni wargowej). Zależność R od λ dla ob- szaru ROI na rycinie nr 5 zaznaczono jako krzywą koloru czer- wonego (b). Na czarno zaznaczono krzywą dla stochastycznie wyznaczonego punktu w obszarze ROI (a).

Analiza przebiegu krzywych (a) i (b) zwraca uwagę na ich podobną charakterystykę. Świadczy to o równomiernym roz- proszeniu barwnika w całym zakresie ROI. Tym samym wy- znaczone optymalne parametry promieniowania laserowego będą identyczne dla całego obszaru czerwieni wargowej.

Kluczowym parametrem optymalizacji danych hiperspek- tralnych jest wyznaczenie minimum (minimów) reflektan- cji promieniowania w badanym zakresie 400-1000 nm. Jak

przedstawiono na rycinie 5, minimum reflektancji jest osiąga- ne dla długości fali równej 487 nm. Z kolei w zakresie od 700 do 800 nm reflektancja w zakresie ROI jest maksymalna.

Im wyższa reflektancja, tym więcej promieniowania padają- cego odbija/rozprasza się na powierzchni skóry. Należy więc optymalizować parametry lasera w taki sposób, aby jak naj- większa energia została pochłonięta, a więc dążyć do jak naj- niższej reflektancji.

Wobec powyższego optymalną długością fali pozwalającą na skuteczne i bezpieczne usunięcie barwnika będzie 487 nm.

Niemniej jednak, biorąc pod uwagę, że komercyjnie nie wystę- pują źródła laserujące dla tej długości promieniowania, należy znaleźć najbliższą możliwą długość fali. Laserem, którego pro- mieniowanie będzie maksymalnie pochłanianie przez zastoso- wany barwnik, jest laser Nd:YAG KTP (532 nm).

Biorąc pod uwagę zakres maksymalnej reflektancji w zakre- sie ROI, najniższą skutecznością w opisywanym przypadku będą charakteryzowały się lasery: rubinowy (694 nm), alek- sandrytowy (755 nm) i diodowy (800/810 nm).

Podobne wyniki uzyskano dla dwóch pozostałych przypadków.

|WniOSKi

Zastosowanie obrazowania hiperspektralnego w zakresie 400- -1000 nm umożliwia optymalizację długości fali lasera w zabie-

gach laserowego usuwania makijażu permanentnego.

Należy stwierdzić, że metoda obrazowania hiperspektral- nego jest prostą i skuteczną metodą optymalizacji laserowych zabiegów usuwania makijażu permanentnego i tatuażu. Jest to technika nieinwazyjna, szybka (pomiar około 3 min), niewyma- gająca zaawansowanej analizy danych. Zarejestrowane fluktu- acje obrazu wynikające z ruchu obiektu względem kamery nie wpływają na rejestrowane parametry spektralne. Jedyne ogra- niczenie w komercyjnym zastosowaniu opisanej metody może stanowić wysoka cena kamer hiperspektralnych. Należy jednak wierzyć, że wraz z jej popularyzacją cena jednostkowa sprzętu będzie coraz niższa, co z pewnością przełoży się na skuteczność i bezpieczeństwo prowadzonych zabiegów laserowych.

|LiTErATUrA

1. C.A. Grant, P.C. Twigg, R. Baker, D.J. Tobin: Tattoo ink nanoparticles in skin tissue and fibroblasts, Beilstein J Nanotechnol, 6, 2015, 1183-1191.

2. T. Høgsberg, B.M. Thomsen, J. Serup: Histopathology and immune histochemistry of red tattoo reactions, Skin Res Technol, 21(4), 2015, 449-458.

3. N. Kluger, C. Muller, N. Gral: Atypical mycobacteria infection following tattooing: Review of an outbreak in 8 patients in a French tattoo parlor, Arch Dermatol, 144, 2008, 941-942.

4. R.A. Tohme, S.D. Holmberg: Transmission of hepatitis C virus infection through tatto- oing and piercing: a critical review, Clin Infect Dis, 54, 2012, 1167-1178.

5. C. Parker, G. Kaminski, D. Hill: Zygomycosis in a tattoo, caused by Saksenaea vasiformis, Australas J Dermatol, 27, 1986, 107-111.

6. M. Kaatz, P. Elsner, A. Bauer: Body-modifying concepts and dermatologic problems: Tat- tooing and piercing, Clin Dermatol, 26, 2008, 35-44.

7. S.M. Wenzel, I. Rittmann, M. Landthaler, W. Bäumler: Adverse reactions after tatto- oing: Review of the literature and comparison to results of a survey, Dermatology, 226, 2013, 138-147.

8. K.L. Horner, A.J. Chien, M. Edenholm, R.L. Hornung: Winnie the Pooh and psoriasis too:

An isomorphic response of guttate psoriasis in a tattoo, Pediatr Dermatol, 24, 2007, E70-72.

9. C. Gómez, V. Martin, R. Sastre, A. Costela, I. García-Moreno: In vitro and in vivo laser treatments of tattoos: high efficiency and low fluences, Arch Dermatol, 146(1), 2010, 39-45.