Einsatz von ultrakurzen Laserimpulsen in der Medizin und Biologie

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1 Einsatz von ultrakurzen Laserimpulsen in der Medizin und Biologie

2 Eigenschaften von ps/fs Lasern Extrem kurze Impulslänge: 4 fs < Δτ < 10 ps Große spektrale Bandbreite: 100 GHz < Δλ < 10 THz Geringe Kohärenzlänge: 5 µm < l c < 3 mm Hohe Spitzenleistung pro Impuls: 1 kw < P < 100 MW Geringe Energie pro Impuls: 100 pj < E < 100 nj

3 Anwendungen Unter Ausnutzung von: Impulslänge Kohärenzlänge Spitzenleistung Wellenlänge

4 Anwendungen Biomedizinische Anwendungen: Diagnose: Mikroskopie Tomografie zeitaufgelöste Fluoreszenzmessungen Therapie: Schneiden kontrollierte Ablation refraktive Hornhautchirurgie (LASIK)

5 Anwendungen Intensität

6 Mikroskopie Optische Mikroskopie: 2-dimensionales Bild Was geschieht mit Licht oberhalb oder unterhalb der Objektebene?? Bildebene Objektebene

7 Mikroskopie Optische Mikroskopie: 2-dimensionales Bild Was geschieht mit Licht oberhalb oder unterhalb der Objektebene?? Bildebene Fokus unterhalb der ursprünglichen Bildebene Objektebene

8 Mikroskopie Optische Mikroskopie: 2-dimensionales Bild Was geschieht mit Licht oberhalb oder unterhalb der Objektebene?? Lochblende Lochblende unterdrückt Licht außerhalb der Objektebene Selektion einer Ebene!! Konfokale Mikroskopie Objektebene

9 Mikroskopie Optische Mikroskopie: Wie groß ist die räumliche Auflösung? Lateral: Fokusdurchmesser Longitudinal: Fokuslänge Fluoreszenzmikroskopie Anregung eines kleinen Volumens b = 2πw 2 0 λ >1..10 µm > λ

10 Zweiphotonen Mikroskopie Ein-Photonen-Absorption Zwei-Photonen-Absorption: Proportional zur Intensität Proportional zur Intensität zum Quadrat

11 Zweiphotonen Mikroskopie Ein-Photonen-Absorption Zwei-Photonen-Absorption

12 Zweiphotonen Mikroskopie

13 Zweiphotonen Mikroskopie

14 Zweiphotonen Mikroskopie

15 Biologische Proben Drosophila Gehirn Courtesy of Olympus America

16 Biologische Proben Drosophila Larve, courtesy of Bio-Rad laboratories.

17 Biologische Proben Konfokales 2-Photonen- Mikroskopie-Bild einer sich teilenden Zelle

18 Biologische Proben 2-Photonen Mikroskopaufnahme der Nervenzelle einer Ratte (mit freundlicher Genehmigung von T.I.L.L. Photonics GmbH)

19 Anwendungen Kohärenzlänge/Impulslänge

20 Optische Kohärenztomografie Optical Coherence Tomography OCT: Interferometrie mit niederkohärenten Lichtquellen: Interferenzmuster nur innerhalb der Kohärenzlänge. c fs-impulse: c = c Δτ + = + =

21 Optische Kohärenztomografie Optical Coherence Tomography OCT: Interferometrie mit niederkohärenten Lichtquellen: Interferenzmuster nur innerhalb der Kohärenzlänge. c fs-impulse: c = c Δτ + =

22 Optische Kohärenztomografie Interferenzerscheinungen zwischen den beiden Impulsen E ges = E 1 + E 2 I ges = (E 1 + E 2 ) 2 Detektor

23 Optische Kohärenztomografie Keine Interferenzerscheinungen zwischen den beiden Impulsen E ges = E 1 + E 2 I ges = E E 2 2 Detektor

24 Optische Kohärenztomografie Keine Interferenzerscheinungen zwischen den beiden Impulsen E ges = E 1 + E 2 I ges = E E 2 2 Detektor

25 Optische Kohärenztomografie E 2 (E 1 + E 2 ) 2 E 1 Detektor

26 Optische Kohärenztomografie E 2 (E 1 + E 2 ) 2 E 1 Detektor

27 Optische Kohärenztomografie E 2 (E 1 + E 2 ) 2 E 1 Detektor

28 Optische Kohärenztomografie E 2 (E 1 + E 2 ) 2 E 1 Detektor

29 Optische Kohärenztomografie E 2 (E 1 + E 2 ) 2 E 1 Detektor

30 Optische Kohärenztomografie E 2 (E 1 + E 2 ) 2 E 1 Detektor

31 Optische Kohärenztomografie E 2 (E 1 + E 2 ) 2 E 1 Detektor

32 Optische Kohärenztomografie E 2 (E 1 + E 2 ) 2 E 1 Detektor

33 Optische Kohärenztomografie E 2 (E 1 + E 2 ) 2 E 1 Detektor

34 Optische Kohärenztomografie (E 1 + E 2 ) 2 Detektor

35 Optische Kohärenztomografie (E 1 + E 2 ) 2 Detektor

36 Optische Kohärenztomografie (E 1 + E 2 ) 2 Detektor

37 Optische Kohärenztomografie (E 1 + E 2 ) 2 Detektor

38 Optische Kohärenztomografie (E 1 + E 2 ) 2 Detektor

39 Optische Kohärenztomografie (E 1 + E 2 ) 2 Detektor

40 Optische Kohärenztomografie (E 1 + E 2 ) 2 Detektor

41 Optische Kohärenztomografie (E 1 + E 2 ) 2 Detektor

42 Fasergekoppeltes OCT-System LATERAL SCANNING LUMINESCENT Fs Laser DIODE 50/50 PROBE MODULE sample LONGITUDINAL SCANNING BANDPASS FILTER ENVELOPE DETECTOR A/D COMPUTER

43 OCT-Endoskop Sample Arm Light Proximal Rotary Coupling Flexible Shaft Optical Fiber Focussing Optics Distal Scanning Probe Light End Cap End Reflector Polarization Control Endoskopisches Endstück für optische Kohärenztomografie

44 Endoskopische OCT Esophagus Stomach Small Intestine Colon Rectum

45 OCT-Beispiele Vitreous Fovea RNFL Optic Disk 250 µm Choroid Sclera Log Reflection 250 µm Optische Kohärenztomografie der Retina

46 OCT-Beispiele Bestimmung der Dicke der menschlichen Retina mit OCT

47 OCT-Bilder der Retina OCT-Beispiele

48 Vermessung der Retina mit OCT OCT-Beispiele

49 OCT-Beispiele Vergleich der Aufnahme eines Fingernagels mit einem histolog. Man kann das Herauswachsen des Nagels von unten nach oben erkennen. Auch die Schichten unter dem Nagel sind noch deutlich.

50 Doppler-OCT Air Dermis Depth (mm) Adipose Connective Tissue Velocity Profile Vein Artery Air Reflectivity (db) Velocity (mm/sec) Distance (mm) Color Doppler Optical Coherence Tomography

51 Anwendungen Intensität/Impulslänge

52 Ablation mit fs Impulsen Konventionelle Laser: Femtosekunden Laser: Thermische Effekte (Koagulation, Vaporisation) und akustische Defekte Absorption innerhalb der bestrahlten Region Unkontrollierte Ablation Schädigung im umliegenden Gewebe Dominiert von nicht-thermischen Effekten (Photodisruption) durch Mehrphotonenabsorption Starke nichtlineare Effekte im Fokus ( unter der Oberfläche ) vorhersagbare Ablation Geringe Schädigung im umliegenden Gewebe

53 Fs Laser-Materialbearbeitung Lochbohren in metallische Materialien: Ps-Laser Fs-Laser

54 Fs Laser-Materialbearbeitung Bearbeitung Keramischer Stents mit Femtosekunden- Lasern

55 Photorefraktive Hornhautchirurgie Normalsichtiges Auge: Fokus auf der Netzhaut Brechung durch Hornhaut (70 %) Augenlinse (30 %) umgekehrtes, verkleinertes, reelles Bild Fokussierung durch Augenlinse

56 Photorefraktive Hornhautchirurgie Kurzsichtiges Auge: Fokus vor der Netzhaut unscharfes Bild auf der Retina Korrektur durch Konkavlinse

57 Photorefraktive Hornhautchirurgie Kurzsichtiges Auge: Fokus vor der Netzhaut unscharfes Bild auf der Retina Korrektur durch Kontaktlinse

58 Photorefraktive Hornhautchirurgie Korrektur von Fehlsichtigkeit durch Veränderung der Hornhautgeometrie: Korrekturlinse Kontaktlinse Hornhautkorrektur

59 Photorefraktive Hornhautchirurgie PRK (photorefraktive Keratektomie) Hornhaut wird direkt ablatiert. KM (Keratomileusis) Hornhautklappe wird entfernt und verändert Klappe kollabiert in entferntes Volumen LASIK (Laser in situ Keratomileusis) Formung einer Linse unter Oberfläche Klappe kollabiert in entferntes Volumen

60 Lasik

61 Femtosekunden LASIK LASIK: Laser in situ Keratomileusis

62 Femtosekunden LASIK

63 Femtosekunden LASIK Intrastromaler Schnitt Ausschneiden einer Linse Entfernen der Linse Repositionierung der Hornhautklappe

64 Femtosekunden LASIK

65 Femtosekunden LASIK

66 Zusammenfassung Ausnutzen der speziellen Eigenschaften ultrakurzer Laserimpulse für biomedizinische Diagnostik und Therapie: Kurze Impulslänge Geringe Kohärenz Hohe Spitzenleistung Typische Beispiele: Mehrphotonenmikroskopie Niederkohärenztomografie ps/fs Ablation von biologischem Gewebe