So wirkt Laserstrahlung auf Gewebe
Dr. Karl Stock, ILM Universität Ulm. Will man die biologische und physikalische Wirkung von Licht auf Gewebe beschreiben, muss man sich zunächst mit der Lichtausbreitung im Gewebe beschäftigen, um dann die verschiedenen Wechselwirkungen des Lichts mit dem Gewebe verstehen zu können.
LICHTAUSBREITUNG IM GEWEBE
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Trifft Licht auf Gewebe, dann wird es im Wesentlichen reflektiert, transmittiert, gestreut oder absorbiert. Wird Licht absorbiert, wird die aufgenommene Lichtenergie entweder in Form von Wärme abgegeben oder als Fluoreszenz oder Phosphoreszenz. Je nach Wellenlänge des eingestrahlten Lichts und je nach Gewebeart treten die genannten Effekte zu unterschiedlichen Anteilen auf.
Der Anteil der Reflexion hängt im Wesentlichen vom Brechungsindexunterschied zwischen Luft und Gewebe sowie vom Einstrahlwinkel ab. Licht, das in das Gewebe eindringt, wird entweder absorbiert oder an mikroskopischen Strukturen, wie beispielsweise Zellbestandteilen, gestreut.
Die Streuung ist z.B. dafür verantwortlich, dass ein Laserstrahl nicht beliebig tief in das Gewebe fokussiert werden kann, sondern der Fleckdurchmesser durch die Streuung zunehmend größer wird.
Die Absorption ist der entscheidende Mechanismus, um die eingebrachte Laserenergie therapeutisch nutzen zu können. Die Wahrscheinlichkeit, mit der eingestrahltes Licht absorbiert wird, wird durch den Absorptionskoeffizienten µa beschrieben. Der Kehrwert von µa ist die mittlere freie Weglänge, die ein Photon im Gewebe zurücklegt, bis es absorbiert wird [1].
Wichtige Absorber im Gewebe sind:
- im UV-Bereich:
Peptidbindungen und Nukleinsäuren - im VIS-Bereich:
Bilirubin, Karotin, Melanin und Hämoglobin - im IR-Bereich:
Wasser und Hydroxylapatit.
Wie die blaue Kurve in Abb. 2 zeigt, ist die Absorption im Wasser im infraroten Spektralbereich besonders hoch (nur 1 µm Eindringtiefe bei 3 µm Wellenlänge). Deshalb sind der 2,94 µm Er:YAG-Laser und der 10,6 µm CO2-Laser besonders gut zum Schneiden und Abtragen von Weichgewebe geeignet, welches zu großen Teilen aus Wasser besteht.
WECHSELWIRKUNG DES LICHTS MIT DEM GEWEBE
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Abhängig von den Eigenschaften des Gewebes, aber auch von den Bestrahlungsparametern (Wellenlänge, Intensität, Pulsenergie, Bestrahlungsdauer) treten verschiedene Effekte auf:
Geringe Lichtleistungen
Bei geringen Lichtleistungen ist zum einen die Fluoreszenz zu nennen, die für die Diagnostik, z.B. zur Erkennung von Blasentumoren, genutzt werden kann. Zum anderen kommen Photochemische Prozesse in der Low Lewel Lasertherapie (LLT) und in der photodynamischen Therapie zum Einsatz, beispielsweise in Kombination mit Methylenblau zum Abtöten von Bakterien.
Höhere Lichtleistungen
Bei höheren Leistungen spielen die thermischen Effekte zunehmend eine Rolle. Während bei der Thermotherapie noch keine thermische Schädigung des Gewebes auftritt, wird ab ca. 60 °C das Gewebe koaguliert (z.B. zum Veröden von Blutgefäßen) und ab ca. 300 °C das Gewebe verdampft, die sogenannte Vaporisation des Gewebes. Letzteres ist der Effekt, der z.B. in der Chirurgie zum Schneiden von Weichgewebe mit dem CO2-Laser oder mit Diodenlasern genutzt wird.
LASER UND IHRE WIRKUNGSWEISEN
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Pulslaser hoher Leistung
Eine besonders effiziente Art des Gewebeabtrags stellt die thermomechanische Ablation dar, die beim Einsatz von gepulsten Lasern und hoher Absorption im Wasser auftritt. Durch die hohe Absorption und die hohe Leistung im Laserpuls wird das Gewebe schlagartig erhitzt. Bei etwa 100 °C will das Wasser verdampfen und es findet ein rapider Druckanstieg im Gewebe statt, der zu einem explosionsartigen Gewebeabtrag führt. Durch den schnellen und effizienten Abtrag ist die thermische Schädigung des Gewebes wesentlich geringer als bei der Vaporisation. Auch in Hartgewebe, Knochen, Zähne, Blasen- und Nierensteine, kann ein effizienter und präziser Abtrag insbesondere mit dem Er:YAG-Laser erzielt werden (s. Abb. 3).
Excimer-Laser
Werden Excimer-Laser im UV-Bereich mit kurzen Pulsen und hoher Intensität verwendet, ist nicht nur die Absorption im Gewebe, sondern auch die Energie des einzelnen Photons so hoch, dass ein Abtrag einzelner Atome stattfindet. Diese Photoablation kommt insbesondere in der Augenheilkunde bei der Korrektur der Hornhautkrümmung zum Einsatz.
Ultrakurzpuls-Laser
Bei der Photodisruption werden mit Lasern mit ultrakurzen Pulsdauern im Nano-, Piko-, oder gar Femtosekundenbereich die Atome im Fokus ionisiert und es entsteht ein Mikroplasma, das sich extrem schnell ausdehnt und eine akustische Stoßwelle erzeugt. Diese Stoßwelle führt beispielsweise beim LASIK-Verfahren zu einem hochpräzisen Abtrag der ebenfalls zur Korrektur der Fehlsichtigkeit genutzt wird. In tieferliegendem Gewebe lassen sich durch das Plasma beispielsweise auch die Pigmente von Tätowierungen zertrümmern.
QUELLEN
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[1] Lasertherapie der Haut, S. 26, R. Steiner, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2013
Karl Stock, a doctor of human biology who also studied engineering, is the associate director of the Institute of Laser Technology in Medicine and Measurement Technology (ILM) at the University of Ulm and head of the equipment development workgroup. This workgroup primarily develops units and applicators for medical and dental applications – most often for industrial partners, such as, for example, laser methods for surgical and diagnostic applications, including those in the specialist areas of otorhinolaryngology (ENT medicine), urology, general surgery, and ophthalmology.
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