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
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.
[1] Lasertherapie der Haut, R. Steiner, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2013
Wechselwirkung des Lichts
mit dem Gewebe
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
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
Der Doktor der Humanbiologie und studierte Ingenieur Karl Stock ist stellvertretender Direktor des Instituts für Lasertechnologien in der Medizin und Messtechnik ILM an der Universität Ulm und Leiter der Arbeitsgruppe Geräteentwicklung. Hier werden vornehmlich Geräte und Applikatoren für medizinische und zahnmedizinische Anwendungen entwickelt - häufig für Industriepartner: so z.B. Laserverfahren für chirurgische und diagnostische Anwendungen, u.a. für die Fachbereiche HNO-Heilkunde, Urologie, die allgemeine Chirurgie und die Augenheilkunde.
Produktübersicht
Komponenten für medizinische Laser
Gesamtphasenverschiebung über einen großen Wellenlängenbereich bleibt annähernd konstant.
Asphärische Linsen korrigieren Abbildungsfehler – Bei monochromatischem Licht sind dies Bildschärfefehler und Verzeichnung.
Auskoppelspiegel mit High-Power Coatings und cw-/fs-Beschichtung. Beliebige Einfallswinkel realisierbar.
Brewster-Platten werden verwendet, um s- und p-polarisiertes Licht zu trennen.
LWL-Datenkabel für den OP müssen unter Reinraumbedingungen gefertigt werden.
Dichroitische Spiegel zur Kombination oder Separation von zwei oder mehr Strahlen unterschiedlicher Wellenlänge.
Korrekturen von Abbildungsfehlern mit einem einzelnen Element.
Zur Strahlprofil-Änderung werden diffraktive optische Elemente wie Strahlformer, Diffusor, Homogenisierer oder Vortex-Linsen verwendet.
Sollen mit einem Element mehrere Strahlen erzeugt werden, so ist der Einsatz von DOEs ideal.
Kunststoff DOEs zur Strahlformung oder Strahlteilung für mittlere und niedrige Leistungen.
Diffraktive ZnSe-Optiken für den typischen Wellenlängenbereich im nahen und fernen IR
Ausgelegt für die Er:YAG-Laser mit der Wellenlänge 2,94 µm wurden DOEs aus Saphir für den Einsatz in der Medizintechnik entwickelt.
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