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Laser in Medizin: Cui bono?
Karl Stock
Institut für Lasertechnologien in der Medizin und Messtechnik an der Universität Ulm
50 Years Laser (SSOM) &3D Measuring (SLN)
NTB Interstaatliche Hochschule für Technik Buchs02. Dezember 2010
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Einführung / Historie
1960 Erster Laser
1961 science, Solon et al, physiological implications of laser beams
1962 nature, erster kommerzieller Rubin-Laser („PISTO LASER“) mit Hinweis auf mögliche chirurgische Anwendung
1963 nature, Laser photocoagulation of the Eye
1963 science, Saks, Ruby laser as a microsurgical instrument
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1960 1964 1968 1974
Ruby laser cw CO2 laser
Nd:YAG laser
first laser(Ruby)
1977 1989
qs (ns) Nd:YAG laser
1980
ArF, XeCl Excimer laser
Ar+ laser
1989 1991
µs CO2 laser
2ν - Alexandrit laser Er:YSGG laser
1993
ns TEA CO2 laser ps Nd:YAG laser
1996
free electron laser (FEL)
1998
fs Nd:YLFfs Ti:Sapphire laser
1988
Er:YAG laser
Historie: am Zahn
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Einflussgrößen
• LaserparameterWellenlänge, Leistung / Energie, Bestrahlungs- / Pulsdauer, Repetitionsrate, Fokussierung
• GewebeparameterAbsorption / Streuung bzw. Farbe, Wärmekapazität, Wärmeleitung
• IndikationLokalisation / Zugang, Größe, Tiefe, geforderte Präzision
• Handling / Applikatoren
• Kosten
Diodenlaser / Azanfärbung
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Lichtausbreitung: Primärprozesse
Absorptionskoeffizient einiger wichtigerGewebekonstituenten
Absorption µa: starke Variation
Streuung µS : monotoner Abfall
typisch: stark vorwärts gerichtet g = 0.7 – 0.95
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Intensitätsverlauf im Gewebe
Konturplot der Intensität (Raumbestrahlungs-stärke, fluence rate)im Gewebe
Strahldurchm. = 1mmμs´= 1 mm-1
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Schädigungszonen der Laserstrahlung in der Haut
Er:YAG1 µm
6.7µs
Er:YSGG2 µm
26.8µs
CO210 µm
670µs
Tm:YAG150 µm
151ms
Ho:YAG330 µm
729ms
Nd:YAGmm…cm
6.7s..11min
Thermische Relaxationszeit:
ατ
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2Dtherm =
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Wirkungsmechanismen: Übersicht
opto-mechanisch
photo-ablativ
thermomechanischablativ
thermisch-vaporisierend
photo-chemisch
10 -9 10 -6 10 -3 1 10 3
Einwirkzeit (s)
10 -3
1
10 3
10 6
10 9
10 12
Leis
tung
sdic
hte
(W/c
m2 )
1 J/cm²
10 3J/cm²
Sonneneinstrahlung135 mW/cm2
J.L. Boulnois 1986
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Fluoreszenzdiagnostik am AugeFluoreszein blau / Indocyaningrün 780 nm
Diabetes Typ Ibei jungem MannICG
Fluoreszein
Weißlicht
kein Laser !
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Fluoreszenzdiagnostik von Blasentumoren
Laser-Forschungslabor München
PP IX Fluoreszenz nach Gabe von 5-Aminolaevulinsäure (5-ALA) (Xenofluoreszenz)
kein Laser !
Behandlung der altersbedingten Makula-Degeneration (AMD) in Kombination mit Verteporfin und Laser (VISULAS 690s)
Photodynamische Therapie
Quelle: Zeiss
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Thermische Wirkungen
> 300°C PyrolyseVerbrennung
> 150°C Karbonisation
100°C Volumenverdampfung
Maillard-Reaktionen
> 65°C Denaturierungvon StützproteinenKoagulation
> 43°C Konformations-änderungen vonEnzymen
AbsorptionAufheizen
AbtragKarbonisation
VakuolenKoagulation
reversible Schädenreversible Schäden
Wärmeleitung
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Schneiden von Weichgewebe bei hoher Absorptionmit dem cw CO2-Laser
1 mm
Wellenlänge / µm
0.2 0.3 0.4 0.5 0.7 2.0 3.0 4.0 5.0 7.01.0 10.0
Abso
rptio
nsko
effiz
ient
/ cm
-1
10-4
10-3
10-2
10-1
100
101
102
103
104
105
Wasser CO2
Entfernung einer Mukozele (Schleimzyste)
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„Thermische“ Laseranwendungen
LaserNd:YAG-Laser / KTP-Laser, Argon-Laser,(gepulste) Farbstofflaser, Dioden-Laser (810nm - 1470nm), Faserlaser (1900nm), CO2-Laser
FachgebieteDermatologie / Kosmetik Gefäßpathologien, Chirurgie,
aktuell: LipolysisOphthalmologie Netzhaut anheftenZahn-, Mund- und Kieferheilkunde Oralchirurgie, KeimabtötungUrologieGynäkologieHNO Chirurgie (CO2-Laser)Gastroenterologie / TumortherapiePulmologie
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Neue Entwicklungen in der Weichgewebechirurgie I
Neue Wellenlängen
1470nm, 1900nm, 2,1 µm, 3 µm (CW Er:YAG-Laser)
Mikrochirurgie mit minimaler Schädigung
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cw CO2-Laser / gepulster Er:YAG-Laser auf Hartgewebe
Knochen
Dentin
cw, < 100 W gepulst, >1kWCO2-Laser Er:YAG-Laser
+ Absorption 10x höherthermomechanische Ablation
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Thermomechanische Ablation (Er:YAG Laser )
P > kW, I > 100 kW/cm2
x 2000 x 100
Schmelz
x 100x 2000
Dentin
5 µs
10 µs
optische Eindringtiefe:
± 10µm
DruckaufbauMikro-
FrakturierungWasserdampf
Krater-Bildung
x 1000
Krater-Wände
Photoablation
Er:YAG-Laser> 100 µm pro Puls
193 nm Excimer-Laser<1 µm pro Puls
Thermomechanische Ablation Photoablation
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LASIK (Laser-assisted-in-situ-Keratomileusis)
Mikrotom zur Durchführungdes Hornhautflaps
(alternativ: Femtosekunden-Laser)
Quelle: Wavelight
alternativ (z.B. bei dünner Hornhaut):LASEK (Laser assisted-sub-epithilial-Keratomileusis)nur das Epitel der Hornhaut wird (mit Alkohol) entfernt
Opto-mechanische Effekte
Sehr hohe Intensität(Q-switch Laser)
Plasmabildungstarke Absorption
Sehr schnelles AufheizenDruckanstieg
StoßwellenKollaps von
Kavitations- / DampfBlasen
100 ns1,8 µs
Photodisruption in der Ophthalmologie
Iridotomie
Entfernung der Nachstarmembran
qs Nd:YAG-Laser (694 nm, 30 ns)
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Wirkungsmechanismen: Übersicht
opto-mechanisch
photo-ablativ
thermomechanischablativ
thermisch-vaporisierend
photo-chemisch
10 -9 10 -6 10 -3 1 10 3
Einwirkzeit (s)
10 -3
1
10 3
10 6
10 9
10 12
Leis
tung
sdic
hte
(W/c
m2 )
1 J/cm²
10 3J/cm²
J.L. Boulnois 1986
TemperaturMechanik