Grundlagen der Laserphysik Licht und seine Gewebewirkungen. Dr.med.dent.. G. Mettraux, Bern

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1 Grundlagen der Laserphysik Licht und seine Gewebewirkungen Dr.med.dent.. G. Mettraux, Bern Jan

2 L A S E R Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlung

3 INHALT Grundlagen der Elektromagnetischen Energie Lichtwirkung im Gewebe Prinzip des Lasers, typische Laser 3

4 Licht Elektromagnetische Energie Photonen = Träger der Energie E = h x f Hochfrequentes Licht energiereicher Sichtbarer Bereich nm Blau ist energiereicher als rot Überträgt Energie, Information Bewirkt Aufbau/Zerstörung von Zellen!! 4

5 Dualismus Wellen-Photonen 1,8 ev 670 nm 5

6 Photonen- Energie E = h f x E = Energie h = Planck sche Konstante f = Frequenz

7 Sichtbares Licht Photonen-Energie E = h x f 7

8 Spektrum der Elektromagnetischen Wellen Wellenlänge (m) Frequenz (MHz) E = h x f 8

9 Schlüsselreaktion Absorption der elektromagnetischen Energie in einem der Wellenlänge entsprechenden Material (Empfänger) und Umsetzung der Energie in eine (chemische, physikalische) Reaktion 9

10 Photo-induzierte Reaktionen Auge, Sehen Photosynthese -> Photodermatitis Vit. D Synthese Sonnenbrand Melanome Laser Softlaser, Hardlaser-> Photopolymerisation (Kunststoffe) Photographie (Film) Röntgenbilder Microwellen, TV-Radiowellen Digital Camera (Chip) 10

11 Die Photosynthese Chlorophyll + Sonne + Wasser + CO 2 -> Kohlenhydrate + O 2 2 H 2 O -> 4H + + O 2 + 4e - PDT Biostimulation 11

12 INHALT Grundlagen der Elektromagnetischen Energie Lichtwirkung im Gewebe Prinzip des Lasers, typische Laser 12

13 Welche Gewebe wollen wir adressieren? Gingiva Epithel Bindegewebe Mukosa Granulationen Schmelz Dentin Zement Knochen Zahnstein Bakterien Viren Pilze TITAN Gemeinsamer Nenner:»Wasser» Hydroxylapatit» Pigmente, Enzyme 13

14 Angebot: Wasser, Hydroxylapatit, Pigmente, Enzyme Gibt es Wellenlängen, welche in Wasser Hydroxylapatit Pigmente, Enzyme absorbieren? 14

15 Absorption bei verschiedenen Wellenlängen in Wasser, Melanin, Blut nm Wasser HB 0 Melanin Sichtbarer Bereich nm 15

16 Durchdringung von Blau Grün Rot Weiss Infrarot blau grün rot weiss infrarot Wasser HB Melanin 16

17 Absorption bei verschiedenen Wellenlängen in Wasser, Melanin, Blut, Hydroxylapatit nm Wasser H.Apatit HB Melanin nm 17

18 Absorption bei verschiedenen Wellenlängen in Wasser, Melanin, Blut, Hydroxylapatit nm Absorption in 1-Pigment 2-Wasser 3-Hydoxylapatit Wasser H.Apatit HB Melanin nm 18

19 Lichtabsorption in Wasser, Melanin, Blut, Hydroxylapatit bei nm und die entsprechenden Laser Wasser H.Apatit HB Softlaser Dioden Laser Er:YAG 2940 nm CO 2 Laser nm Melanin nm 19

20 Energieabsorption in Effekte Wasser H.Apatit HB Melanin Wasser CO 2, Erbium Hydroxylapatit Erbium Chirurgie, Dekontamination Schmelz, Dentin, Knochen Zahnstein bearbeiten Pigmente, Enzyme Dioden Aktivierung - Biostimulation Denaturierung - Dekontamination 20

21 Wellenlängen der Laser in der Zahnmedizin Dioden Laser 610 nm nm IR Dioden-Laser 810 nm nm Er:YAG 2.9 μm nm CO μm nm 21

22 Gingiva Epithel Bindegewebe Mukosa Frenula Granulationen Schmelz Dentin Zement Knochen Zahnstein Bakterien Viren Pilze Gewebe in der Zahnbehandlung TITAN Gemeinsamer Nenner:»Wasser» Hydroxylapatit» Pigmente, Enzyme Wasser H.Apatit HB Melanin 22

23 INHALT Grundlagen der Elektromagnetischen Energie Lichtwirkung im Gewebe Prinzip des Lasers, typische Laser 23

24 LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

25 Welches sind die Unterschiede zwischen Normalem Licht und Laserlicht? 25

26 Es ist mir ein prächtiges Licht über die Absorption und Emission der Strahlung aufgegangen A. Einstein, 1916 Stimulierte Photonen-Emission versus Spontane Photonen-Emission 26

27 Spontane Photonen-Emission Photon Angeregtes Atom, Molekül, Erhöhter def. Quantenzustand Kurzlebig, zerfällt spontan E1 E0 angeregter Zustand Grundzustand E1 E0 E = h x f 27

28 Spontane Photonen-Emission Photon Photon E1 E0 E = h x f 28

29 Spektralfarben Wellenlänge nge (nm) und Energie (ev( ev) Violett nm 3,26-2,95 ev Blau nm 2,95-2,53 ev Grün nm 2,53-2,16 ev Gelb nm 2,16-2,12 ev Orange nm 2,12-1,91 ev Rot nm 1,91-1,65 ev E = h x f 29

30 Spontane Photonen-Emission: natürlich E1 angeregt Energie E = E 1 E 0 Energie E0 Photon Grundzustand 30

31 Stimulierte Photonen-Emission: Idée Suisse (Einstein) E1 angeregt kokärent Photon E = E 1 E 0 Photonen E = E 1 E 0 ENERGIE Pumpe Grund E0 zustand 31

32 Stimulierte Photonen-Emission Ausgangslage: angeregter Zustand E = h x f Photon E1 2 Photons E0 Voraussetzung: max. angeregte Zustände = Besetzungsinversion 32

33 Stimulierte Photonen-Emission Photon x Angeregtes ATOM 33

34 Stimulierte Prinzip Photonen-Emission eines Lasers x 34

35 Prinzipieller Aufbau des Lasers Aktives Medium (Erbium, Halbleiter, Gas ) Pumpquelle (Blitze, RF) Optischer Resonator (Spiegel) Besetzungsinversion: angeregte Zustände überwiegen Resonator: stehende Welle 35

36 Prinzipieller Aufbau des Lasers 36

37 Eigenschaften des Laserlichtes Glühbirne: - Verschiedene Wellenlängen - Phasenungleich - allseitige Ausbreitung Laser: - Monochromatisch - In Phase zeitlich und räumlich ( kohärent ) - Unidirektional, kollimiert 37

38 Brechung Dispersion Sonnenlicht Laser 38

39 Verhalten im Gewebe Reflexion Transmission Absorption Energie-Kopplung 39

40 Lasers = optisches Instrument ist eine elektromagnetische Energie im sichtbaren oder im unsichtbaren Bereich mit charakteristischen Eigenschaften Diese ermöglichen es, das Gewebe gezielt (Richtung, Wellenlänge, Dosis) zu beeinflussen. 40

41 Wichtige Wellenlängen der Laser in der Zahnmedizin Dioden Laser IR Dioden-Laser Er:YAG 2.9 CO nm nm 810 nm nm 2.9 μm nm 10.6 μm nm Laser und ihre Photonen-Energie 2,5 ev: grün, ca 515 nm Argon 1,8 ev: rot, ca 670 nm MED-701 1,4 ev : ca. 810 nm White Star 0.12eV ca nm CO 2 Laser 41

42 Wirkung im Gewebe CO 2 Er:YAG Dioden H 2 0 Absorption Soft Tissue Management Mukosa Penetration H Apatit Absorption H Apatit Penetration Hard Tissue Management Pigment Absorption Koagulation Biostimulation <0.1 >

43 Laser in ZAZ Hardlaser Er:YAG, CO 2, Dioden Low Level Laser Dioden-Softlaser Chirurgie Dekontamination Zahnsteinentfernung Knochenbearbeitung Biostimulation Wundheilung Schmerz nm mw Photodynamische Therapie Bactericid, virucid, fungicid nm ( heute ) mw 43

44 Lasereffekte im Gewebe bei verschiedener Leistung Nicht-Lineare Effekte: Leistung: 10 Ablation, Disruption Leistung: W/cm 2 Exp.Zeit: : 10 ps -100 ns Photothermische Effekte Leistung: W/cm 2 Koagulation, Vaporisation Exp.Zeit: : 1 ms 100 s Photochemische Effekte Leistung: W/cm 2 Biostimulation Photodynamische Therapie (PDT) Exp.Zeit: : 10 s s 44

45 Hardlaser Softlaser 45

46 Low Level Laser Hardlaser λ: nm nm 450 nm nm Geringe Leistung Hohe Leistung < 300 mw > 1 Watt ( W) Geringe Energie- Dichten Lange Impulse Effekt in biochemischen Reaktionen Hohe Energie- Dichten Kurze Impulse Effekt in thermischen Reaktionen 46

47 Der CO 2 Laser SpectraDenta Wellenlänge: nm Leistung: CW: Watt SP, CF: Watt Pulsdauer: SP: 1 ms- 5 ms, CF: 40µs-1000 µs Pulsfrequenz: SP: 1Hz Hz, CF: 1Hz 700Hz 47

48 Energiestadien im CO 2 Laser 20x 0.12eV: nm 2,5 ev: grün, ca 515 nm CO 2 + N 2 + He (60-80 %) Pumpmechanismus: Gasentladung 48

49 Erbium Laser LiteTouch nm Der kleinste Erbium Laser 49

50 Er:YAG (Yttrium-Aluminium-Granat) Erbium dotiert: 50% statt Y-Ionen, Pumpmechanismus: Blitz-Licht, Laser 50

51 Diodenlaser 3 Watt, 810 nm Hard und Softlaser 51

52 Low Level Laser Softlaser 670 nm, rot PDT + Biostimulation 670 nm 52

53 Absorption der Wellenlängen nm in Wasser, Tiefenwirkung Melanin, Blut, Hydroxylapatit. Zugeordnete Lasersysteme Wasser H.Apatit HB Softlaser Dioden Laser Er:YAG nm CO 2 Laser nm Melanin nm 53

54 CO 2 Diodenlaser Nd:YAG, 54

55 Eindringtiefen verschiedener Lasertypen Er:YAG <100 μm CO μm Diodenlaser > 10mm 100 X!! 55

56 CCD Chip 56

57 Betrieb Kontinuierlich (cw) Getaktet, kontinuierlich Ohne Unterbrechung, Thermische Nebenwirkung! Begrenzte Ableitung der Wärme Gepulst Q-switched Bessere Absorption, min. thermische Belastung Kürzeste, Energiereichste Impulse, Pulsdauer 100 µs, Frequenz 100 Hz, -> 1 sec 1-60 ns, 10 9 W/cm 2 Einzelimpulse W. 57

58 Spot size Eng, tief, fokussiert breit, seicht, defokussiert Leistung Zeit Spot Size 58

59 Temperatur im Gewebe > 100 Vaporisierung, Karbonisierung Dehydrierung Denaturierung Koagulation Hard Erwärmung Koagulation Incision/ Excision Ablation / Vaporisierung Soft 59

60 Wellenlänge: nge: Wellentäler( ler(-berge), in nm oder µm: 670 nm Pulsfrequenz: Anzahl Pulse pro s, in Hz 350 Hz Pulsdauer: Dauer eines Strahlungspulses, in s 10-9 s Leistung: Geräteleistung, in Watt oder mw 130 mw Leistungsdichte: Leistung pro Fläche, in W/ cm 2 10 W/cm 2 Energie: Leistung X Zeit, Ws, in Joule 120mW x 30 s 4 J Energiedichte: Energie pro Fläche, in J/cm 2 4 J/ cm 2 60