Einige physikalische Grundlagen:

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1 Leistung Leistung Leistung Einige physikalische Grundlagen: Energie ist die Fähigkeit Arbeit zu verrichten. Einheit: Joule (1 J = 1 kg m/s 2 ) Leistung ist Arbeit pro Zeit. Einheit: Watt (1 W = 1 J/s) Laser Leistung: L = 20 W Strahldurchmesser: d = 2 mm = 2 r Strahlquerschnitt: A = p r 2 = 3,14 mm 2 Intensität: I = L/A = 637 W/cm 2 = 6, W/m 2 Energie, Leistung Spitzenleistung Zeit Kontinuierlicher Laser Gepulster Laser mittlere Leistung Zeit Spitzenleistung = Mittlere Leistung Spitzenleistung > mittlere Leistung Energie = Leistung mal Zeit Energie pro Pulse, z.b. 5 mj 10 W, 10 Sekunden E = 100 J Zeit 10 Pulse mit 5 mj E = 50 mj 1

2 Einige Vorfaktoren Milli m 10-3 Mikro µ 10-6 Nano n 10-9 Pico p Femto f Atto a Kilo k 10 3 Mega M 10 6 Giga G 10 9 Tera T Peta P Exa E

3 Prozentsatz Wissenschaftliche Grauzone Biostimulation Heilungserfolge (besonders im neurologischen Bereich) aber auch Placebo-Effekt Ist kohärente Strahlung notwendig? Einsatz angeblich sinnvoll für Wundheilung Entzündungshemmung Analgesie Der Einfluss der Biostimulation auf die Wundheilung nach operativer Entfernung unterer Weisheitszähne C. Neckel und P. Kukiz, LaserJournal 5(4): (Dez. 2002) Laser: Diodenlaser, (Ora-Laser 01 I:S:T:, Oralia, Konstanz) Wellenlänge: 810 nm Handstück mit Faser 600 µm Leistung: 36 mw, gepulst Bestrahlungszeit: 150 Sekunden Energie: 11,3 J/cm2 Zwei Patientengruppen: Kontrollgruppe und Lasergruppe mit je 105 Personen Lasergruppe Kontrollgruppe Schmerzhöhe 3

4 Prozentsatz Anzahl Der Einfluss der Biostimulation auf die Wundheilung nach operativer Entfernung unterer Weisheitszähne C. Neckel und P. Kukiz, LaserJournal 5(4): (Dez. 2002) Kontrollgruppe Lasergruppe Kontrollgruppe Lasergruppe d 2-3d 4-5d Schmerzdauer 6-7d >7d 0 keine Infektion Infektionsrate Infektion Photodynamische Therapie (PDT) und Photodynamische Diagnose (PDD) Großes Forschungsgebiet Klinisches Versuchsstadium mit Übergang zur klinischen Routine 4

5 PDT und PDD Grundidee: Beginn: Haematoporphyrin Derivate (HpD) Dosis: 2,5 5 mg/kg Wartezeit: 2-3 Tage HpD wird im Tumorgewebe angereichert 5

6 Zeitliche Anreicherung des PS 6

7 Beispiel: Dermatologie: Rumpfhautbasaliom Vor Therapie 5 Wochen nach Therapie 5 Wochen nach weiterer Therapie PDD Krutmann, Hönigsmann: Handbuch der dermatologischen Phototherapie und Photodiagnostik ALA or MAL-induced PPIX. Schematic illustrating the interaction of the heme biosynthesis pathway with exogenous ALA or MAL to give intracellular PPIX. Abbreviations are ALA-D = ALA dehydratase; ALA-S = ALA synthetase; Coprogen III = coproporphyrinogen III; CPO = coproporphyrinogen oxidase; FCH = ferrochelatase; HMB = hydroxymethylbilane, PBG-D = porphobilinogren deaminase; protogen III = protoporphyrinogen; PPO = protoporphyrinogen oxidase; Urogen III = uroporphyrinogen III; UCS = uroporphyrinogen cosynthase, UGD = uroporphyrinogen decarboxylase. 7

8 Senile Macula-Degeneration 8

9 vor nach der Therapie H. van den Bergh, Lausanne 9

10 Photothermische Wechselwirkung Hauptgebiet der medizinischen Anwendung von Lasern 10

11 Temperatur [C] optische Änderung biochemische und physikalische Änderung < 37 keine keine keine Enzymschädigung, Ödemausbildung, Membranauflockerung und je nach der Einwirkzeit Zelltod weißgraue Färbung, erhöhte Streuung Proteindenaturierung, Beginn von Koagulation und Nekrose 80 Kollagendenaturierung, Membrandefekte Zellwasser verdampft, Austrocknung > 150 schwarze Färbung, erhöhte Absorption > 300 Rauch, Gasentwicklung Karbonisierung Verdampfen, Vergasen Photothermische Wechselwirkung 11

12 Photonenausbreitung im Gewebe Photonenausbreitung im Gewebe 12

13 Absorptionskoeffizient und mittlere Eindringtiefe von sichtbarer und infraroter Strahlung in Wasser Absorption von Hämoglobin und Melanin Transmission in Zahngewebe 13

14 Laserinduzierte interstitielle Thermotherapie Idee: Tumorgewebe wird aufgeheizt und thermisch zerstört (koaguliert) ohne dass Nachbarorgane in Mitleidenschaft gezogen werden Anwendung: HNO, Neurochirurgie Urologie (Prostata) Retina-Koagulation 14

15 Laserinduzierter Gewebeabtrag Im ausströmenden Laserschmauch wird der Laserstrahl gestreut und erreicht dadurch keine hohe Leistungsdichte am Boden des Laserkraters 15

16 Vergleich kontinuierlicher und gepulster Laserstrahl Laserangioplastie 16

17 Pressure (atm) Aufbau der menschlichen Haut P-V-Diagramm für ein reales Gas liquid spinodal metastable superheated liquid stable liquid liquid saturation curve unstable fluid vapor saturation curve vapor spinodal metastable supersaturated or supercooled vapor Molar Volume (L / mol) 400 K < T c = 470 K stable vapor 17

18 Normales Verdampfen Sieden findet im Gleichgewicht unter Atmosphärendruck an vorhandenen Siedekeimen statt Sieden findet in einer Schicht mit begrenzter Dicke statt (Volumenprozess) Energiedissipation durch Verdampfen in existierende Siedekeime und Blasendiffusion an die Oberfläche ist langsamer als die Energiedeposition durch den Laserstrahl Im Gewebe wird de Blasenwachstum und die Migration zur Oberfläche durch die Matrix zusätzlich behindert Bei kurzen Laserpulsen kommt es zur Überhitzung! (Alfred Vogel, Biophysik, Uni Lübeck) Weg im PV-Diagramm aufgrund von gepulster Laserenergie- Deposition führt zu einer explosionsartigen Verdampfung Phasenexplosion schnelle Energiedeposition -> Überhitzung -> Phasenexplosion wenn die spinodale Grenze erreicht wird Transformation der metastabilen überhitzten Flüssigkeit in stabile Dampfphase und Flüssigkeit bei Siedetemperatur Explosionssieden jede Phasenseparation in dem metastabilen Bereich p > p atm und T < T spin Sieden bei 100 C findet nur statt wenn Siedekeime vorhanden sind, sonst kommt es zu einer Überhitzung (Siedeverzug) und Phasenexplosion (Alfred Vogel, Biophysik, Uni Lübeck) 18

19 Phasenexplosion von überhitztem Wasser im Mikrowellenofen getriggert durch hinzu gegebenen Siedekeim Hier werden Mikroblasen durch die Münze als Siedekeime hinzu gegeben; den gleichen Effekt hat ein Teebeutel Quelle: Energiebilanz: Erwärmung von 20 C zur spinodalen Grenze (~ 300 C) benötigt 1,27 kj/g Verdampfungsenthalpie von Wasser ist zweimal so hoch Phasenexplosion = partielles Verdampfen mit Tröpfchenauswurf Gesamte Laserenergie, die aufgewendet werden muss, um 1 g Glaskörpergewebe abzutragen Kreis: lange Pulse (240 µs) Quadrat: mittlere Pulse (190 µs) Dreieck: kurze Pulse (140 µs) Unterschiedliche Abtragarten A: Lange Pulse, Laserenergie geht durch Wärmeleitung verloren B: Kurze Pulse, geringe Wärmeleitung, Auswurf von Tröpfchen 19

20 Begrenztes Sieden bei Anwesenheit von Siedekeimen Langsames Erwärmen (cw bis ms) Blasenwachstum durch heterogene Keime wird durch Gewebematrix verlangsamt Temperatur- und Druckentwicklung folgen einem Weg auf der Binodalen (begrenztes Sieden confined boiling) Materialauswurf wenn der Druck die Festigkeit der Matrix überseigt (Majaron et al. Appl Phys. B 69:71-80, 1999) Schnelles Erwärmen (µs, ns) Schache Matrix: Phasen Explosion Feste Matrix: Phasen Explosion gefolgt von begrenztem Sieden (Alfred Vogel, Biophysik, Uni Lübeck) Ablationsenergie pro Gramm [kj/g] 10 gesundes Dentin kariöses Dentin 8 6 Dentin (L v +C p T v ) 4 2 Wasser (L v +C p T v ) 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Leistung [W] Zum Abtrag von 1 Gramm Material benötigte Energie 20

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22 Thermal Confinement Idee: Wärmefront soll während des Laserpulses den durchstrahlten Bereich nicht verlassen: t p = Pulslänge; t p < t th t th = thermische Relaxationszeit d = kleinste Dimension des aufgeheizten Volumes χ = Wärmeleitkoeffizient. t th 2 d 4 Stress Confinement Die plötzliche Erwärmung führt zu einer mechanischen Stosswelle. Für einen effektiven Gewebeabtrag soll die Stosswelle während des Laserpulses den bestrahlten Bereich nicht verlassen haben. t p < t ac t p = Pulslänge; t ac = akustische Relaxationszeit c s = Schallgeschwindigkeit t ac d c S 22

23 Laser erzeugte Krater in Plexiglas jeweils 20 Pulse CO 2 -Laser f = 22 Hz f = 72 Hz 23

24 Refraktive Hornhautchirurgie Wie auf einer Drehbank wird der Hornhaut eine neue Oberflächenkrümmung gegeben Luft n = 1,00 Hornhaut n = 1,33 Augenlinse n = 1,4 Kammerwasser n = 1,33 Glaskörper n = 1,33 n = Brechungsindex Refraktive Hornhautchirurgie Hyperopes Auge Myopes Auge Rotierende Lochblende Variable Blende 24

25 Lasik (Laser in situ Keraromileusis) Lasik mit fs-laser-pulsen

26 Laserkapsulotomie (Nachstar-Operation) Modengekoppelter Nd:YAG-Laser: t = 7 ns Es wird ein laser-induziertes Plasma (freie Elektronen + Ionen) erzeugt. Bei der Rekombination der Ladungsträger entsteht eine starke Druckwelle 26

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