Laser in der Diagnose

Transkript

1 Laser in der Diagnose

2 Optische Kohärenztomographie (OCT) Grundprinzip: Michelson-Interferometer

3 Mathematik Signal (Detektor): () () ( ) () ( ) ( ) () ( ) ( ) () ( ) () ( ) ( ) ( ) L I I 2 I I t E * t E Re 2 t E t E t E t E * t E t E t E t E E I SR r p r p * r p 2 r 2 p r p r p 2 r p 2 d Δ Γ + + = + τ + + τ + = + τ + + τ + = + τ + = τ ΔL = opt. Wegunterschied Γ SR (ΔL) = Kohärenzgrad Wie groß ist der Kohärenzgrad? Für zwei Sinuswellen gilt: ( ) ( ) L k sin L SR Δ = Λ Γ 0 2 k λ π =

4 Γ SR (ΔL) S(ν) Energiespektrum der Quelle: S ( ) = exp 4 ln 2 ( ν ν) ν 2 Δν 2 π Δν ΔL 2 c ln 2 Für den Kohärenzgrad gilt nun: Γ ( ΔL) = e sin( k ΔL) SR 2 Axiale Auflösung: Δz FWHM = 2 ln 2 π λ Δλ 2 0 FWHM L c 2 4 ln 2 λ 0 = π Δλ = Kohärenzlänge Transversale Auflösung: Δd FWHM = 2 ln 2 w 0 = 2 ln 2 λ0 π Θ S w 0 = Strahltaille Θ S = Öffnungswinkel; sinθ S = N.A.

5 Hochauflösendes OCT-Bild von Xenopus laevis (Afrikanischer Frosch) Auflösung: Axial: 1 μm Transversal: 3 μm Fujimoto et al. (MIT)

6 Anatomie des menschlichen Auges

7 Vorder- und Rückfläche der Hornhaut

8 Bestimmung der Augenlänge Diese Messung ist wichtig vor einer Katarakt-Operation (Entfernung der Augenlinse aufgrund von Linsentrübung, grauer Star), um die Intraokular- Linse richtig zu bestimmen.

9 Augenhintergrund Aufbau der Netzhaut OCT-Bild einer gesunden Netzhaut

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12 Preis: ~ 63 k

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14 Verbrannte Haut: a) OCT b) Histologie Detektion von Darmkrebs mit OCT

15 Flexibles Endoskop

16 Konventionelle Mikroskopie Laser Okular Lochblende Strahlteiler Detektor x-y-ablenkung Objektiv Objekt Objektiv Objekt Beleuchtung Konfokale Mikroskopie

17 Konventionelle Mikroskopie Laser Okular Lochblende Strahlteiler Detektor x-y-ablenkung Objektiv Objekt Objektiv Objekt Beleuchtung Konfokale Mikroskopie

18 Kombination von Endoskopie und konfokaler Mikroskopie führt zu: Konfokale Endoskopie Pentax: Confocal Endoscopy: ~150 k

19 Anatomie des Darms

20 Darmkrebs Schwere Darmentzündung (ulcerative colitis) (Dickdarmkatarrh) OCT-Aufnahme Pathologie Ralf Kiesslich, Johannes Gutenberg Univ., Mainz

21 Remagener Physiktage September 2002 Einsatz von femto-sekunden- Laserpulsen zur Gewebeablation; Wie groß ist der Impulsübertrag? Gaetano Sessa, Michele Travaglini, Dirk Mittnacht*, Marlies Wessendorf* und Hans-Jochen Foth* *Fachbereich Physik, Universität Kaiserslautern Dip. di Meccanica, Università di Ancona, Italia

22 Funktion des menschlichen Mittelohres

23 Mittelohr Gesundes Ohr Stapes Innenohr Otosklerose (Ohrverkalkung) Knochenwulst fixiert Stapesfußplatte

24 Vorgehensweise bei der Stapedotomie

25 Bearbeitung des Amboss durch fs-laser-pulse Burkard Schwab, Ralf Heermann, Medizinische Hochschule Hannover, Klinik für HNO-Heilkunde Holger Lubatschowski, Laserzentrum Hannover

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27 Entstehung des Rückstoß-Impulses Gewebe Laser Rückstoß- Impuls Ablatiertes Gewebe verlässt die Oberfläche Photonen-Impuls Photonen-Impuls: p = h/λ Energie pro Photon: E = h ν Energie pro Laserpuls: E L = n h c/λ (n = Anzahl der Photonen) Gesamter Photonenimpuls: P L = E L /c Zahlenbeispiel: Holmium-Laser: E L = 800 mj P L = 2, g mm/s P R = 100 g mm/s (Messwert) Rückstoß-Impuls entsteht durch Impuls der ablatierten Masse

28 Das Knalltrauma Lit.: Friedrich Pfander, Das Knalltrauma, Springer-Verlag: Berlin, 1975

29 Schädigung des Innenohres durch einen lauten Knall Lit.: Friedrich Pfander, Das Knalltrauma, Springer-Verlag: Berlin, 1975

30 Experimenteller Aufbau Synchronisation Nd:YLF 2f Nd:YAG 2f Titan Saphire Amplifier Trigger Storage Scope Personal Computer Laser-Doppler Vibrometer Probe Electromechanical Shutter

31 532 nm 6,5 W ~ 797 nm 600 mw 18 fs nm < 250 ns > 1,5 mj Quantronix DHP-527 Verdi V8 Femto Lasers Odin Tektronix TDS 540A Personal Computer Trigger Polytec OFV 501/ nm 1 mw Probe nm > 1 mj < 50 fs 1 khz Camera: Contax RTS III Spot size: 0.2 mm diameter Mean Power: 1 W 10 Peak Power: 2 10 W Power Density: 0,64 10 W/cm 14 2

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34 Schwingplatte Aufgebaut aus: Silizium (Laser) Kupfer (Ätzen) Messing (Ätzen) Stahl (Laser)

35 Zusammenhang: Masse der Probe -> Resonanzfrequenz B user1 fit of Data2_B 1000 Frequenz [Hz] ,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 Masse [g] ω = (D/m) 1/2 f = 1/2π [(D/(m 0 +m)] 1/2

36 Vorversuch mit Pertinax Geschwindigkeit [mm/s] Pertinax A1 LDV tisa impulse Zeit [ms]

37 Geschwindigkeit [mm/s] 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00-0,02-0,04-0,06-0,08-0,10 Dentin LDV TiSa Zeit [ms]