Medizinische Biophysik Licht in der Medizin

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1 entweder oder VII. ASER Medizinische Biophysik icht in der Medizin 1. Entstehung des aserlichtes Induzierte Emission Besetzungsinversion Pumpen 2. Eigenschaften der aserstrahlung 3. asertypen Positive Rückkopplung Optischer Resonator 4. Medizinische Anwendung Absorption in Geweben Folgerungen der Absorption Anwendungsbeispiele 9. Vorlesung VII. ASER light amplification by stimulated emission of radiation 1. Entstehung des aserlichtes 6 Schlüsselwörter des asers: Induzierte Emission Pumpen Besetzungsinversion Rückkopplung Optischer Resonator 1 2 Induzierte Emission Besetzungsinversion Nach der Anregung Möglichkeit für eine ichtverstärkung!! Schwächung des ichtverstärkung 3 einfallendes ichtes 4 1

2 Zusammenfassend am Beispiel des Rubinlasers Drei-Niveau-System: Energiebänder der Cr 3+ - Ionen absorbiertes grünes icht Al 2 O 3 (Cr 3+ ) (Rubin) 2. strahlungsloser Übergang metastabiles (Cr 3+ ) Die zwei Zustände sind im Gleichgewicht Der metastabile Zustand und der Grundzustand sind nicht im Gleichgewicht bzw. blaues icht 1. Anregung ( Pumpen ) 3. ichtemission (spontan/induziert) 694,3 nm normale Besetzung Besetzungsinversion ist möglich 5 6 Pumpen Stehende Wellen Rubinstab Blitzlampe Reflexion einer Welle am freien Ende am festen Ende Positive Rückkopplung Interferenz der einfallenden und reflektierten Wellen Spiegel mit %-iger Reflexion Spiegel mit 100 %-iger Reflexion 7 8 2

3 Excimer-KrF (248 nm) Argon (488/514 nm) He-Ne (633 nm) Rubin (694 nm) GaAs (840 nm) Nd-YAG (1,06 mm) Er-YAG (1,6 mm) CO 2 (10,6 mm) l Grundschwingung 1. Oberschwingung 2. Oberschwingung 2 l 0 l l c f0 2l c f1 2 f 0 l 3c f2 3 f0 2l Grundfrequenz c f Fourier- Analyse Optischer Resonator Stehende Wellen in einem Resonator: 2 m m Außenohr aser Eigenschaften der aserstrahlung aserlinien monochromatisch Df /f kohärent geringe Divergenz 0,1 1 mrad Kohärenzlänge km hohe Intensität + polarisiert UV IR J W/m 2 3. asertypen Betriebsart Dauerstrichlaser asermaterial gasförmig flüssig Impulslaser kristallin

4 4. Medizinische Anwendung Absorption in Geweben Folgerungen der Absorption Anregung z. B. Argon (488/514 nm) Vaporisation Auge Erwärmung 40 C: aserthermie C: Koagulation C: Vaporisation 300 C- : Karbonisation Photodissoziation Fluoreszenz photochemische Reaktionen Ionisation Karbonisation Atomisation 13 Atomisation photomechanische Wirkung 14 Beispiele aserbehandlung der Hornhaut aserbohrungen durch ein menschliches Haar Enthaarung ASIK: aser In-situ Keratomileusis vor der Behandlung nach der Behandlung Entfernung von Tättowierungen

5 Herzwandchirurgie Zahohren Kehlkopfchirurgie Trommelfelldurchbohrung Entfernen von Zahverfärbungen Zahnfleisch-Entfernung Vorteile der aserchirurgie: aserstrahl Koagulationszone feine, präzise Schnitte Blutung ist reduziert aseptisch möglich auch im Innere des Körpers (ichtleiter) selektive Behandlung von bestimmten Geweben Medizinische Biophysik icht in der Medizin VIII. Das Auge und das Sehen 1. Entwickung des Sehorgans 2. Aufbau des menschlichen Auges 3. Optik des menschlichen Auges a) Brechkraft des Auges b) Akkomodation (Brechkraftänderung) c) Augenfehler (Myopie, Hyperopie, Presbyopie, sphärische und chromatische Aberration) d) Bildentstehung im Auge (reduziertes Auge) e) (räumliche) Auflösung des Auges 4. Wechselwirkungen des ichts bis zum Augenfundus Adaptation Reflexion Streuung (Graustar) Absorption 5. Absorption in den Rezeptorzellen der Netzhaut - Empfindlichkeit 6. Spektrale Empfindlichkeit des Auges - Farbensehen 10. Vorlesung Raumsehen 20 5

6 1. Entwickung des Sehorgans Grubenauge Blasenauge Einfache Kugel als Auge? Gegenstand ng ng D uft: n g = 1 n R g b b n g R F K Bild Gegenstandsweite, g Bildweite, b = 2R n b = Nachteile: Verletzungsanfällig Minimale räumliche Auflösung Nachteile: Immer noch verletzungsanfällig Schlechte räumliche Auflösung Keine Akkomodationsfähigkeit 21 n b müsste größer sein als 2! Diamant vielleicht? 2 Kugel! 22 n g = 1 (uft) r n b = 1,333 (Wasser) R =11 mm ng ng D R g b 2. Aufbau des menschlichen Auges r = Vorteile: Geschlossen weniger verletzungsanfällig Gute räumliche Auflösung Bild entsteht innerhalb der Kugel Nachteile: Keine Akkomodationsfähigkeit

7 3. Optik des menschlichen Auges a) Brechkraft des Auges diffuse Brechung n2 n R D 1 Gesamtbrechkraft: 62 dpt ohne Akkomodation Tränenfilm! ASIK: b) Akkomodation (Brechkraftänderung) Nahpunkt (g p ) D max D min Fernpunkt (g r ) Zur Erinnerung: n D g g b Brechzahlwerte: uft (1,00) Hornhaut (1,37) Kammerwasser (1,33) inse (1,41) Glaskörper (1,34) Krümmungsradien Akkomodationsbreite (DD): DD = D max - D min D D max min n = 1 g g b p n = 1 g g b r D = 1 gp 1 gr Hausaufgaben: Aufgabensammlung