Physik des Körpers. Diagnostische Methoden. Therapeutische Methoden. 1) Einführung. 2) Biomechanik 3) Blutkreislauf 4) Ohr 5) Auge

Transkript

1 11) Ionisierende Strahlung 12) Laser 1) Einführung Inhalt der Vorlesung Physik des Körpers 2) Biomechanik 3) Blutkreislauf 4) Ohr 5) Auge Diagnostische Methoden 6) Röntgendiagnostik 7) Nukleardiagnostik 8) Ultraschall 9) MRI 10) Bioelektrische Quellen Therapeutische Methoden

2 12) Laser in der Medizin 12.1 Laser 12.2 Diagnostik 12.3 Therapie Literatur: A.E. Siegman: Lasers; University Science Books, Mill Valey M.H. Niemz: Laser-Tissue Interactions, Springer J. Bille, W. Schlegel (Hrsg.): Medizinische Physik Band 3, Springer

3 Laserlicht vs. normales Licht Weisses Licht enthält alle Farben (Wellenlängen) Alle Richtungen möglich Taschenlampe Laser monochromatisch, gerichtet = kohärent

4 Kohärentes Licht weisses Licht monochromatisches Licht kohärentes Licht

5 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation hν Stimulierte Emission 2hν Spiegel teilweise durchläßiger Spiegel Pumpe

6 Rubinlaser Blitzlampe (=Pumpe) Laserstrahl

7 Energie / ev Rubinlaser : Niveauschema

8 Pumplicht Rubinlaser: Gepulste Laser Laserlicht Zeit / µs Pumpintensität Güteschaltung: Laserschwelle Zeit Inversion mit / ohne Güteschaltung Resonatorverluste Laserintensität mit / ohne Güteschaltung

9 Modenkopplung in Phase 10 Σ i= Zeit (fs)

10 Einsatz von Lasern Lasertyp entwickelt erster med. Einsatz Rb-Laser Ophthalmologie 1963 Dermatologie He-Ne-Laser Biostimulanz CO 2 -Laser Chirurgie Ar + -Laser Ophthalmologie 1968 Onkologie 1975 Gastroenterologie 1979 Angioplastie Nd:YAG-Laser 1973 Endoskopie 1976 Urologie Nd:YAG-Laser (Güteschaltung) 1977 Ophthalmologie Excimer-Laser Ophthalmologie Erster Einsatz nur 1 Jahr nach der Entwicklung des Lasers! Medizinische Anwendung von Lasern H.-J. Foth

11 Fluoreszenz

12 Fluoreszenz-Transfer (FRET) Absorption Emission Protein markiert mit 2 Fluorophoren Wellenlänge / nm Donor / Akzeptor Paar 12 nm Abstand 2 nm Abstand Konformationsänderung Donor Anregung Akzeptor keine Fluorezenz Donor Anregung Akzeptor Fluorezenz Wellenlänge / nm

13 Prinzip: Optische Pinzetten Anwendung: Messung der Elastizität einer äußeren Haarzelle des Innenohrs

14 Zellorganellen Zellorganell wird mit Laserpinzette bewegt Nach Ausschalten der Laserpinzette S. Chu, 'Laser trapping of neutral particles', Scientific American February 1992, (1992).

15 Zellskelett Schermodul G Deformierbarkeit der Zelle G*(ω) (Pa) 100 NIH3T3 70 G 50 G gesunde Zelle ω(rad/s) Zellsekelett von Krebszellen ist reduziert Wottawah et al., PRL 94, (2005). G*(ω) (Pa) 100 SVT2 70 G 50 G Krebszelle ω(rad/s)

16 Optische Kohärenz Tomographie

17 OCT OCT eines Mausembryos OCT Schnittbild (gerechnet) Histologisches Schnittbild Foto 1 mm

18 Wasserabsorption Menschlicher Körper besteht zum größten Teil aus Wasser. => Absorptionskoeffizient von Wasser am wichtigsten: Absorption α(λ) / µm -1 Eindringtiefe / mm Wellenlänge λ / µm Medizinische Anwendung von Lasern H.-J. Foth

19 Streuung spielt in Gewebe eine wichtige Rolle. Arten der Streuung und Abstrahlcharakteristik: Streuung Verhältnis Art der Streuung Abstrahlcharakteristik d < λ Rayleigh-Streuung gleichmäßig, (1+cosθ), wichtig im UV und blauen Spektralbereich, da Streuamplitude ~ λ -4 d λ Mie-Streuung in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung d > λ Mie-Streuung primär in Vorwärtsrichtung Medizinische Anwendung von Lasern H.-J. Foth

20 Absorption Absorption (willk. Einheiten) Hämoglobin Melanin Wasser Wellenlänge / µm

21 Licht-Gewebe WW Relevante Prozesse: - Photochemie - Photothermik - Photomechanik - Laserinduzierte Photodisruption WW-Art Pulsdauer Lasertyp Effekt (Bsp.) Thermisch cw oder µs Ar, CO 2, Kr Koagulation (Netzhaut) Photoablativ ns Excimer Gewebeabtragung (Hornhaut) Plasmainduz. ps Nd:YAG, Gewebezertrümmerung Nd:YLF (Linse), Gewebeabtragung (Hornhaut) Medizinische Physik, Band 3: Medizinische Laserphysik J. Bille, W. Schlegel (Hrsg.)

22 Wechselwirkungsbereiche Medizinische Anwendung von Lasern H.-J. Foth

23 Bereiche Medizinische Anwendung von Lasern H.-J. Foth

24 Gewebeveränderung durch Wärme T [ o C] optische Änderung biochem. & phys. Änderung <37 keine keine keine Enzymschädigung, Ödemausbildung, Membranauflockerung je nach der Einwirkzeit Zelltod weißgraue Färbung, Proteindenaturierung, Beginn von erhöhte Streuung Koagulation und Nekrose 80 Kollagendenaturierung, Membrandefekte Zellwasser verdampft, Austrocknung > 150 schwarze Färbung, Karbonisierung erhöhte Absorption > 300 Rauch, Gasentwicklung Verdampfen, Vergasen Medizinische Anwendung von Lasern, H.-J. Foth

25 Thermische Daten Thermisch relevante Daten einiger biologischer Stoffe: Material Dichte [kg/m 3 ] Wassergehalt [%] c W [J/gK] λ [W/mK] Wasser Blut Fett Knorpel Leber Aorta Kupfer Diamant Medizinische Anwendung von Lasern H.-J. Foth

26 Koagulation Lebergewebe nach Behandlung mit Nd:YAG Laser Laserleistung: 5.5 W, Dauer 10 Min. M.H. Niemz: Laser-Tissue Interactions

27 Gewebeabtrag Medizinische Anwendung von Lasern H.-J. Foth Photoablation an einem Zahn 20 Pulse eines Er:YAG Lasers M.H. Niemz: Laser-Tissue Interactions

28 Laserkrater Medizinische Anwendung von Lasern H.-J. Foth Innenseite Krater: Nekroseschicht: Ödembereich: Oft schwarze Kohlenstoffschicht (verbranntes, karbonisiertes Gewebe) => starke Streuung, kein freier Blick darunter => möglichst dünn halten; vermeiden Gewebe ist koaguliert (geschrumpft; einzelne Gewebestrukturen verbacken/verklebt => wird von Körper abgebaut Dicke kann gewählt werden (Wellenlänge, Pulslänge) Wasseransammlung im Gewebe => kann sich erholen (dauert sehr lange wegen thermischer Schädigung der Versorgungsgefäße)

29 Ablation von Plaque Einführung des Laserstrahls ins Blutgefäß mit Glasfaser(n) Blutgefäß mit Plaque Nach Ablation mit XeCl Laser Gefäßwand Pulslänge: 60 ns Repetitionsrate: 20 Hz Niemz, Laser-Tissue Interactions

30 Photoablation 0 ps 0.77 ps angeregter Zustnad AB * Energie hν Grundzustand AB 1.8 ps 3.59 ps Abstand MD Simulation PMMA Garrison & Srinivasan (1985)

31 Laserablation auf Cu ns Puls fs Puls fs Pulse

32 Photoablation Hornhaut Photoablation 4. Harmonische von Nd:YLF (263 nm) 2. Harmonische von Nd:YLF (526 nm) Niemz, Laser-Tissue Interactions

33 Hornhaut Korrektur Niemz, Laser-Tissue Interactions

34 Beispiele für Lasertherapien Anwendungsgebiete WW WW-Dauer, Pulsdauer typ. Laser Anwendungsgebiete photochemisch cw, s Farbstofflaser Ti:SA PDT von Tumoren (Lunge, Haut,...) thermisch: Koagulation ms Nd:YAG Hämostase, Koagulation von Tu- (T>60 o ) moren (LITT, Bsp. Neurochirurgie) Ar, Kr-Ionen Koagulation der Retina Vaporisation cw, ms-s CO 2 -Laser Resektion von Tumoren (Neuro- (T>100 o ) chirurgie, Gynäkologie) Ablation µs-ms Er:YAG, Ho:YAG, Abtragung von Knochen und Weich- (thermomechanisch) Er:YSGG,... teilgewebe (z.b. HNO) photoablativ ns Excimerlaser (ArF,...) Angioplastie, refraktive Hornhautch. ps 4./5. Harmonische Nd:YAG, Nd:YLF photodisruptiv/ ns, ps, fs Nd:YAG, Nd:YLF, Kapsulotomie, Iridotomie, intrastoplasmainduziert Ti:Sa male Ablation (Farbstofflaser) (Ophthalmologie), Resektion von Tumoren (Neurochirurgie), Fragmentation von Gallen- und Nierensteinen (Lithrotripsie) Medizinische Physik, Band 3: Medizinische Laserphysik J. Bille, W. Schlegel (Hrsg.)

35 Verwendung von Lasern Einsatz der Licht-Gewebe-WW in der Therapie Disziplin Koagulation Schneiden, Ablation Disruption Vaporisation Chirurgie X X Gynäkologie X X Urologie X X HNO-Heilkunde X X X Ophthalmologie X X X Zahnmedizin X X X Orthopädie X X Gastroskopie X X Dermatologie X X X Medizinische Anwendung von Lasern H.-J. Foth