¿Qué es el láser excimer? La desconocida clave común de la revolución informática y oftalmológica.

Difícilmente Einstein podría haber adivinado que el fenómeno de la emisión estimulada que predijo a comienzos del siglo XX y sus consecuencias,  entre las cuales está la existencia del láser y el máser se utilizaría algún día para corregir la miopía, evitar el desprendimiento de retina o resultar indispensable para llevar una computadora con un teléfono en nuestro bolsillo, pero es así y resulta el catalizador indispensable para esta historia que comenzó en los años 60.

Aunque para comenzar retrocederemos primero al pasado 25 de marzo de 2018, cuando se cumplieron 30 años de la primera operación de corrección de un defecto refractivo de la visión mediante láser excimer, a cargo de la oftalmóloga Marguerite McDonald en 1988.
 
La citada oftalmóloga,  tras estudiar los trabajos publicados por Stephen Trokel en 1983 se unió a su equipo, donde se empleaba un tipo de  láser conocido como “excimer”, desarrollado en 1970 en el Instituto de Física Lébedev de Moscú y posteriormente mejorado en la primera parte de dicha década en Estados Unidos y que rápidamente despertó su curiosidad al darse cuenta del tremendo potencial que ofrecía.
 
Los trabajos de Trokel describían experimentos donde aplicaba directamente este tipo de laser en la córnea de cadáveres de animales. Con el objeto de alcanzar una técnica suficientemente precisa como para poder tallarlos y desarrollar un procedimiento quirúrgico que permitiera la corrección de la visión.
 
El proceso no fue fácil ni mucho menos, el equipo de investigación tuvo que realizar miles de intervenciones en ojos de diferentes materiales que simulaban las características físicas de los orgánicos y permitían mejoras de enfoque, potencia para la penetración y calibración,  para así después continuar con ojos de animales muertos y posteriormente cadáveres humanos.
 
En 1984 se unió al equipo, interesada por su trabajo la mencionada oftalmóloga, comenzando las prácticas también en primates, hasta que en 1988 el destinó brindó una oportunidad inesperada: Alberta Cassady una mujer de 62 años con cáncer de la órbita ocular avanzado y un pronóstico muy negativo que requería una eliminación del globo ocular y el contenido de la cuenca del ojo (exenteración).
 
El ojo de la señora Cassady estaba literalmente “perdido” y acepto en dejarse intervenir para experimentar la nueva técnica en su malogrado ojo, por la Dra. McDonald en las instalaciones de la Delta Primate Center en Covington Louisiana.

Marguerite McDonald y Stephen Trokel – Columbia University
 
La operación fue un rotundo éxito y el ojo de la señora Cassady se recuperó perfectamente de la intervención de córnea en los siguientes días, aunque inevitablemente la exanteración  se realizó varios días después, pero las autoridades sanitarias norteamericanas y los profesionales de la visión quedaron tan impresionados con los informes postoperatorios y el espécimen histológico (al tener que extirpar el ojo se pudieron realizar completos estudios inmediatamente) así que permitieron al equipo comenzar ensayos en humanos en un tiempo mucho más corto del habitual.
 
La técnica evolucionó rápidamente y en los años 90 llegó el LASIK, (técnica Queratomileusis In Situ Asistida por Láser) desarrollada por los oftalmólogos, Lucio Buratto y Ioannis Pallikaris, que combina dos procedimientos la queratomileusis con la queratectomía fotorefractiva
 
El procedimiento ha seguido mejorando con los años con la llegada del láser femtosegundo que permite realizar la Cirugía Refractiva sin cortes, siendo hoy en día el tratamiento más avanzado para la corrección de la miopía, la hipermetropía y el astigmatismo

Los diodos láser se basan en el fenómeno conocido como emisión estimulada, emisión predicha teóricamente por Albert Einstein, la deducción se deriva del “cuerpo negro” (CN), un hipotético material capaz de absorber radiación de cualquier longitud de onda. La emisión característica de ese CN constituyó un auténtico quebradero de cabeza durante muchos años, porque no se correspondía con las predicciones deducidas de simples argumentos termodinámicos. Planck propuso para la densidad de energía emitida por el CN la “cuantización” de la energía, origen de la Mecánica Cuántica y pilar de toda la Física Moderna y la Teoría de la Relatividad. Einstein fue uno de los primeros que abrazó con todas las consecuencias la nueva teoría (incluso antes que Planck), y la utilizó poco tiempo después para explicar otro de los misterios de la época, el efecto fotoeléctrico. Algunos años más tarde, en 1917, volvió a apoyarse en los mismos para plantear el comportamiento de absorción y emisión de los materiales que interaccionan con una radiación incidente. Para simplificar al máximo el problema, Einstein supuso un CN con tan sólo dos niveles como el mostrado en la imagen. García Argos

Para conseguir que el planteamiento encajara con el formulismo de Planck, Einstein postuló la existencia de un nuevo proceso de desactivación dependiente de la densidad de fotones, que recibió el nombre de emisión estimulada. Ese proceso consistiría en la emisión de dos fotones idénticos por incidencia de un fotón sobre un elemento de la población N2, Tendríamos ahora tres procesos: La absorción, la Emisión estimulada y la Emisión espontánea. García Argos
 
Sin duda alguna el láser excimer ultravioleta para cambiar la forma de la córnea (PRK) resulto uno de los acontecimientos más importantes en la aplicación del láser en la oftalmología, pero no solo en medicina fue algo revolucionario, entonces ¿Qué es exactamente este láser?
 
El láser excimer, es esencialmente un dispositivo que usa una mezcla de gases de Argón y Flúor. El término "excimer" es el resultado de mezclar  "excited" y "dimer" del idioma inglés “excitado” y “dímero”, aunque en realidad es un nombre poco apropiado ya que los átomos de Argón y flúor que se utilizan en el estado excitado son distintos y por lo tanto, propiamente no constituyen un dímero, que propiamente dicho seria una especie química donde dos subunidades estructuralmente similares denominadas monómeros estarían realmente unidas por enlaces que podrían ser tanto fuertes como débiles.
 
Básicamente es la acción del láser en una molécula de excímero, en este caso dos gases nobles, los cuales son muy inertes y no suelen formar compuestos químicos, pero al entrar en un estado excitado inducido pueden formar moléculas temporalmente enlazadas consigo mismas, los mencionados dímeros. El compuesto excitado puede liberar su exceso de energía, sometiéndose a la emisión espontánea o estimulada, lo que da como resultado una molécula en estado fundamental, esto resulta para ambos átomos del combinado de gases nobles en una situación fuertemente repulsiva que muy rápidamente, en tan solo unos picosegundos se disocia de nuevo en dos átomos no enlazados, iniciando de nuevo el proceso. (un picosegundo: 1e-12, es resultado de dividir 1 por 1.000.000.000.000 )
 
Un paso vital y poco conocido para la revolución informática
 
Curiosamente la aplicación más extendida del láser excimer no ha sido en medicina sino en la fotolitografía en el ultravioleta profundo, es decir empleando longitudes de onda muy cortas, con el objeto de fabricar  circuitos integrados.

Moderno sistema de láser excimer para intervenciones oculares de cirugía refractiva WaveLight EX500. WaveLight
 
La litografía del láser excimer empleando láseres con dímeros de Kriptón- Flúor y Argón-Flúor han resultado determinante en el avance continuo y sin interrupciones de la informática, con la mejora de los circuitos según la llamada ley de Moore ,que predecía la duplicación cada dos años del número de transistores integrados en los nuevos chips con una mayor densidad.
 
La evolución en la precisión de estos láseres ha permitido la producción de semiconductores con tamaños cada vez más pequeños en los dispositivos, que actualmente rondan los 10 nanómetros, es más, desde la invención del láser en 1960, el desarrollo de la litografía de láser excimer es uno de los principales hitos en la historia tecnológica de los últimos 50 años.
 
 
Lo cierto es que el avance en informática y medicina resulto un camino conjunto, ya que tras los primeros descubrimientos, un número muy considerable de científicos e ingenieros comenzó muy pronto a realizar con el láser "excimer" aplicados en distintos campos.
 
 A finales de los años 70 y comienzos de los 80, la carrera comenzó cuando John Taboada descubrió que el epitelio de la córnea era extremadamente sensible a la luz de longitud de onda de 193 nanómetros del laser excimer, poco después, también, a principios de los 80, Samuel Blum  y R. Srinivasan, ingenieros de IBM al tener noticias sobre la precisión de este laser (podía grabar un nombre completo con precisión sobre un cabello) comenzaron a experimentar con un láser excimer para grabar circuitos microscópicos mejorando los procesos fotolitográficos, tras pasar la prueba de fuego 1982, cuando, en un desarrollo inicial Kanti Jain demostró la viabilidad de la litografía de láser excimer en el UV profundo.
 
A su vez descubrió que también se podía utilizar para cortar y extraer tejidos biológicos con una extrema precisión muy por encima de lo que cualquier instrumental quirúrgico convencional pudiese alcanzar y lo que era más importante, sin producir daños térmicos importantes, es más las garantías contra infecciones aumentaban.
 
En aquel momento fue cuando Stephen Trokel, de la Universidad de Columbia, junto con el R.Srinivasan  en 1983 publicó su trabajo sobre la aplicación de precisión de este laser para crear escisiones lineales en la córnea.
 
Durante los siguientes cinco años el éxito de estas investigaciones en el desarrollo del láser excimer se extendió por todo el mundo y como ya hemos contado ya a principios de los años 90 la Food and Drug Administration de los EE.UU (FDA) había aceptado las pruebas clínicas realizadas con el instrumento para la corrección de la miopía, que se aprobaría en un tiempo record en el año 1995.

Sala de fotolitografía para la creación de microchips, también conocida como “clean room” por el alto nivel de limpieza que exige para garantizar la precisión y la ausencia de fallos durante el proceso de grabado. Wired

Lo que ocurrió después en el desarrollo de la informática ya lo conocemos todos y sus efectos en la nanotecnología llegan hasta nuestros días, en el campo de la oftalmología la PRK y una forma un poco más antigua de la cirugía refractiva llamada queratectomía radial (RK) han sido durante años las dos alternativas quirúrgicas al uso de gafas o lentes de contacto para corregir el error refractivo.
 
En ambos procedimientos se modifica la forma de la córnea de una persona miope para mover el punto de enfoque de la parte delantera de retina a la propia retina. En la RK se utiliza una cuchilla metálica o de diamante para hacer incisiones en el tejido de la córnea, mientras que la PRK no requiere incisiones.
Empleando el láser excimer, este se programa para retirar una cantidad diminuta de tejido de la córnea que se calcula en función de cada paciente. La cirugía se realiza tan solo con gotas de anestesia para dormir la superficie del ojo, por lo que el paciente permanece despierto y consciente durante el proceso que no dura más de unos minutos.
 
Normalmente con esta intervención el paciente podrá volver a su casa en 20 o 30 minutos con una mejoría inmediata en la visión, aunque es cierto que existe un riesgo: un porcentaje pequeño de pacientes puede sufrir una neblina permanente en la córnea que reducirá la calidad de su visión..
 
Actualmente, 30 años después de la llegada del láser, los investigadores continúan explorando nuevas posibilidades de mejora con técnicas como el mencionado LASIK y la llegada del láser femtosegundo que permite realizar la cirugía refractiva sin cortes, gracias a los impulsos ultracortos de láser, que duran sólo unas billonésimas de segundo y presumiblemente se podrán utilizar también por ejemplo para el tratamiento del glaucoma, cataratas y otros problemas con cada vez más éxito… pero todo esto no hubiera sido posible sin la física quántica y las teorías formuladas a principios de siglo XX por aquel genio único.

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Autor: Iván Reyes C.

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