Vorlesung 3 : Laser in der Medizintechnik Teil II

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1 Überblick Lasersysteme in der Medizintechnik Optische Systeme - in Anwendungen der Medizintechnik in Medizintechnik und Life Sciences Vorlesung 3 : Laser in der Medizintechnik Teil II + Ar ( nm) XeCl (308nm) Au (577nm) Nd:YAG + KTP (532nm) + Kr (647nm) Alexandrite ( nm) GaAs ( nm) Nd:YAG (1.064 mm) CO 2 (10.6 mm) ArF (193nm) Dye Ho:YAG (2.1mm) Er:YAG (2.94 mm) UV IR (mm) Sichtbares Licht Folie 2 Laserparameter: Spielraum Zusammenhang Wellenlänge und Photonenenergie Leistung 2P P t/2 t Zeit Fluence = Energie : Spotfläche ( i.a. x r² ) Spotfläche = Energie : Fluence Bsp.: 0,5cm² = 20J : 40J/cm² 8mm rund Leistung = Energie : Zeit (Watt) (Joule) (sec) Energie = Leistung x Zeit Bsp.: P x t = 20 x P x t : 20 Bsp.: 500W x 50ms = 25J 25W x 1000ms = 25J h c [ev ] ev 1.24 [ ev ] m Photonen Energie (ev) 10 9 E C-H = ev 8 E C-C = ev 7 E C-O = ev E C-N = ev 6 E H-H = 7.2 ev 5 E H-O = 8.3 ev Nd:YAG 1 ArF Argon ,05cm² = 2J : 40J/cm² 2,5mm rund Wellenlänge (nm) Folie 3 Folie 4

2 Gain Medien zur Erzeugung von Laserlicht Lasertypen Gas Laser: Folie 5 Folie 6 Lasertypen Halbleiter Laser: Lasersysteme in der Medizintechnik: Festkörper Laser: CO 2 Gaslaser Folie 7 Folie 8

3 CO 2 Laser CO 2 Laser: Schwingungstypen Unterschied zu anderen Lasern: Atome im elektrischen Grundzustand asymmetrische Streckschwingung (001) oberes Laserniveau O C O Typische Energien: Laserniveaus sind Vibrationsund Rotationsniveaus elektronische Übergänge 1-10 ev UV-NIR Vibrationsübergänge 0,1-2 ev MIR Rotationsübergänge ev FIR symmetrische Streckschwingung (100) unteres Laserniveau 1 hoher Wirkungsgrad elektrisch / optisch : ~ 30 % bis zu 100 kw (cw-betrieb) bzw. 100 kj (gepulst) Knickschwingung (020) unteres Laserniveau 2 Folie 9 Folie 10 CO 2 Laser: Laser Niveaus Geströmter Hochleistungs CO 2 Lasers (ev) -1 (cm) Funktionsprinzip Übertragung der Vibrationsenergie E = ev Termschema eines CO 2 -Laser t > 0.1s E (100) (001) (010) 10.6 µm 9.6 µm (020) Zusatzgase: N 2 : zur Anregung (Stöße 2. Art) He : Entleerung der unteren Laserniveaus + Kühlung wegen guter Wärmeleitfähigkeit (000) Grundzustand N 2 CO 2 Quelle: de.wikipedia.org Folie 11 Folie 12

4 Excimer Laser Lasersysteme in der Übergang liegt im ultravioletten Spektralbereich (UV) Übergang ist breitbandig ( λ = 20 nm) 4-Niveau-System, da Grundzustand praktisch unbesetzt Medizintechnik: Excimer Laser Folie 13 Folie 14 Excimer Laser : typische Strahlprofile Excimer Laser : Typen und Systemdaten Fernfeld Nahfeld Excimer Bereich Wellenlänge in [nm] Lebensdauer in [ ns ] Pulsbreite [ ns ] XeF XeCl XeBr KrF UV ArF DUV F 2 DUV Ar 2 DUV Folie 15 Folie 16

5 Einschub: Bändermodell der Festkörper Lasersysteme in der Medizintechnik: Halbleiter Laser Folie 17 Folie 18 Halbleiter Laser: Bandstruktur Halbleiter Laser Bandstruktur von a) Reinen Halbleitern b) n dotierten Halbleitern c) p dotierten Halbleitern Abhängigkeit von Injektionsstrom und Ausgangsleistung: Bandstruktur einer p i n Diode a) ohne Vorspannung b) mit Vorspannung Aufbau und Abstrahlcharakteristik eines Diodenlasers: Bandverbiegung Bandshift durch Spannung p und n Träger in gleicher räumlicher Region Folie 19 Folie 20

6 Halbleiter Laser: Spektrum Typische Spektralbreiten : - 35 nm im IR - 6 nm im Violetten Spektrale Lage abhängig von Halbleiter-Material Lasersysteme in der Medizintechnik: Festkörper Laser Achtung: Folie 21 Folie 22 Festkörper Laser Festkörper Laser: Nd:YAG Grundprinzipien: Dotiere Ionen in einen Isolator Kristall Optisches Pumpen mittels Blitzlampen, Halbleiter Lasern oder anderen Laserquellen In Festkörper Gain Medien kann viel Energie gespeichert werden. Gründe: Lebenszeit im oberen Laser Niveau der Ionen hoch Bandbreite der Gain Medien in der Regel sehr hoch Wegen Zeit Bandbreiten Produkt folgen daher sehr kurze Pulsdauern (fs Bereich!) E (ev) (10 3 cm) nm 800 nm 1064 nm 1320 nm Pumpwellenlänge: 700 / 800 nm Laserwellenlänge: 1064 nm (1,17 ev) Lebensdauer oberes Laserniveau (4F2/3) t = 240 µs Wirkungsgrad: Lampe: 0,4 % Diode: > 6 % 4F 3/2 4I 15/2 YAG = Wirtskristall Yttrium-Aluminium-Granat - guten optische Eigenschaften - hoher Wärmeleitfähigkeit Im Nd:YAG Laser sind ca. 1% der Y 3+ -Ionen durch Nd 3+ - Ionen ersetzt 4 4I 13/2 2 4I 11/ I 9/2 Termschema Nd:YAG-Lasers Folie 23 Folie 24

7 Festkörper Laser: Nd:YAG Festkörper Laser: Beispiele der Pump Geometrie longitudinal ungepumpt Typischer Aufbau eines Dioden gepumpten Festkörperlasers: transversal thermische Linse thermische Doppelbrechung Folie % mirror laser rod output coupler T OC Folie 26 Festkörper Laser: Geometrie des Gain Mediums Festkörper Laser: Eigenschaften der Faser und Scheibenlaser Ursprüngliche Form des aktiven Mediums von Festkörperlasern: Stab: 1. Extremfall: maximale z-ausdehnung = Faser: 2. Extremfall: maximale radiale Ausdehnung = Scheibe: Folie 27 Folie 28

8 Festkörper Laser: Beispiele für Medizinlaser Laser Gewebe Wechselwirkung Folie 29 Folie 30 Allgemeine Wechselwirkung von Licht mit Materie Absorption: Absorptionskoeff.: Eindringtiefe: Lambert Beer: Allgemeine Wechselwirkung von Licht mit Materie Extinktionskoeffizient: μ t = μ a + μ s beschreibt Gesamtabschwächung. Albedo durch Streuvermögen: s s A t a s (A = 0, nur Absorption; A = 1, nur Streuung) Streuung: Die mittlere freie Weglänge ist die Tiefe, in der die Intensität der Strahlung auf 1/e (T = 37%) abgeschwächt wurde. 1 a a Streukoeffizient: Streuverlust: Wahrscheinlichkeit Photon in einer Tiefe von 2 a zu finden ist 13% 3 a " 5% 4 a " 2% Folie 31 Folie 32

9 Lichtabsorption in Gewebe Arten der Licht Gewebe Wechselwirkung UV / VIS Absorber:Proteine, Hämoglobin, Melanin, etc. FIR / NIR Absorber:Wasserabsorption in Gewebe. Anregung der Schwingungsbanden (O H, N H, C H) Folie 33 Folie 34 Materialbearbeitung vs. Licht Gewebe Wechselwirkung Photochemische Wechselwirkung Folie 35 Folie 36

10 Photochemische Wechselwirkung: Beispiel PDT Photochemische Wechselwirkung: Beispiel PDT Photosensitive Oxidation in der photodynamischen Therapie (PDT): Verabreichung eines Sensitizers Anreicherung in schnell wachsenden Gefäßen Chemische Reaktion: Farbstoff Sauerstoff Singlet Sauerstoff (hochreaktiv) Laserbestrahlung zur Fluoreszenzdiagnostik Laserbestrahlung zur Zerstörung anormaler Gefäße Folie 37 Folie 38 Photothermische Wechselwirkung Photothermische Wechselwirkung Der therapeutischen Wert der Hitzeanwendung war bereits in der Antike wohlbekannt. Was Medikamente nicht heilen können, wird durch das Messer geheilt. Was das Messer nicht heilen kann, wird geheilt durch das Feuer. Was wirkliches Feuer nicht heilen kann, sollte als unheilbar gelten. Hippokrates ( v.chr.) Folie 39 Folie 40

11 Photothermische Wechselwirkung Photothermische Wechselwirkung Der überwiegende Teil (nahezu 100%) der absorbierten Laserenergie wird innerhalb von ps...ns in Wärmeenergie umgewandelt. Ab einer bestimmten kritischen Temperatur und Einwirkungsdauer t exp kommt es zu irreversiblen Veränderungen im Gewebe (Denaturierung bzw. Koagulation): Anschließende Wärmeverteilung mit Temperaturausgleich. V Konvektion A Absorption dv Wärmeleitung da Austausch über die Oberfläche: Konvektion. Wärmeleitung, Strahlung, Verdampfung Thermische Eindringtiefe: Thermische Relaxationszeit: ist der Wärmeleitungskoeffizient in m²/s Folie 41 Folie 42 Photothermische Wechselwirkung: Temperatureinflusszonen Laser Schädigung: Karbonisation irreversibel Koagulation (Eiweiß-Denaturierung) reversibel Photothermische Wechselwirkung: Vaporisation Gewebe- Schädigung reversibel irreversibel Laserstrahl Wasserdampf Auswurf von verflüssigtem Gewebematerial Koagulationszone Gewebe Verschiedene Temperatureinflusszonen nach Laserstrahleinwirkung Folie 43 Folie 44

12 Photothermische Wechselwirkung: Beispiel Vaskuläre Veränderungen bei photothermischer Wechselwirkung Photoablation Indikation: Teleangiektasien Nase Wellenlänge: 578 nm Fokusgröße: 1,2 mm Laserleistung: 3,0 W Technik: 100 ms Pulse Behandlungen: 1 Folie 45 Folie 46 Photoablation: Wechselwirkungsprozesse Photoablation: Blow off Modell Ablation durch Photodekomposition: Aufbrechen molekularer Bindungen in Proteinen und Kollagen durch WW mit kurzen UV Laserpulsen Photonenenergie muss höher als Dissozationsenergie der Molekularbindungen sein: wobei E Diss im Bereich von 3 bis 7eV liegt Modellannahmen: Es existiert eine Schwelle Φ unterhalb der kein Material verdampft und damit abgetragen werden kann: Für Pulselängen < 100ns und Photothermische Ablation: Plötzliches Verdampfen von Wasser in Zellen durch MIR/FIR Strahlung Aufplatzen der Zellen wie bei einer Explosion In Realität liegen oft Mischformen beider WW Prozesse vor. Laserpuls d F s F 0 Energiedichteverteilung im Gewebe haben wir Photodekomposition. Ablationstiefe : Gewebeprobe z Folie 47 Folie 48

13 Photoablation: Blow off Modell Photoablation Definition Photoablation: Laser < R Blow off Modell R thermische Relaxationszeit Messung Folie 49 Folie 50 Photoablation: Beispiel Laser in situ Keratomileusis (LASIK) Plasma induzierte Ablation / Photodisruption Freilegen des Hornhaut (HH) - Stromas durch Einschnitt in die Hornhaut mit einem mechanischen Mikrokeratom oder fs-laser Erzeugung einer HH-Lamelle (Flap) Laser - Ablation des freigelegten Hornhaut-Stromas Formveränderung der Hornhaut gewünschte Refraktionsänderung Flap wird zurückgeklappt Wundverschluß schnelle Heilung Folie 51 Folie 52

14 Plasma induzierte Ablation / Photodisruption: Optischer Durchbruch SCHRITT 1: Oberhalb einer Lichtintensität von ca W/cm 2 kommt es in transparenten Gewebe Medien zu einem starken, nicht linearen Anstieg der Absorption des Lichtes, begleitet von einem weißen Lichtblitz. Physikalische Ursache ist die Multiphotonabsorption. Plasma induzierte Ablation / Photodisruption: Optischer Durchbruch SCHRITT 2: Es findet anschließend ein optischer Durchbruch statt, bei dem ein Plasma gebildet wird. Startelektronen werden durch Photonenabsorption beschleunigt (inverse Bremsstrahlung) und erzeugen durch Stoßionisation ihrerseits Sekundärelektronen (Lawinenprozess) solange, bis sich... E ion e -... Plasma ( K, kbar) gebildet hat E exc L 12,6 ev hw L (760 nm): 1,63 ev L L 6,5 ev 4 MPI I E 0 L Wirkungsgrad der Multi-Photonen-Ionisation Folie 53 Folie 54 Plasma induzierte Ablation / Photodisruption: Optischer Durchbruch Plasma induzierte Ablation / Photodisruption: Übergangsbereich Laserpuls (I > W/cm²) Fokussierter Laserpuls nichtlineare Absorption Fokussierter Laserpuls nichtlineare Absorption Plasma (Durchm µm) Plasma ( optischer Durchbruch ) Plasma Plasma-induzierte Ablation fs-impulse Photodisruption ps und ns- Impulse Folie 55 Folie 56

15 Plasma induzierte Ablation Kurze Pulsdauer (fs), geringe Exposure knapp über Durchbruchschwelle mechanische Wechselwirkungseffekte vernachlässigbar Fokussierter Laserpuls nichtlineare Absorption Plasma induzierte Ablation Innerhalb des Laserfokus wird Gewebe thermisch evaporiert (hohe Plasma Temperatur, chemische Dissoziation) Reaktionsprodukte bilden kleine Gasblase, die vom Gewebe wieder resorbiert wird. sehr präzise Schnitte möglich Plasma ACHTUNG: Nicht mit Photoablation verwechseln!! Photoablation beruht auf Einphotonen Absorption; plasma induzierte Ablation auf Mehrphotonenabsorption. Plasma-induzierte Ablation fs-impulse Photodisruption ps und ns- Impulse Folie 57 Folie 58 Plasma induzierte Ablation Plasma induzierte Ablation: Beispiel fs LASIK / ReLEx Laserpuls (I > W/cm²) Fokussierter Laserpuls nichtlineare Absorption (VisuMax von Carl Zeiss) Plasma (1-100 µm) Plasma ( optischer Durchbruch ) Verdampfung bei extremer Plasma Temperatur und chemischer Dissoziuation durch heisse Elektronen Folie 59 Folie 60

16 Plasma induzierte Ablation: Beispiel Flap Erzeugung für LASIK Plasma induzierte Ablation: Beispiel ReLEx Dioden-gepumpter Nd:YAG - fs Laser = 1053 nm lower lamellar cut upper lamellar and opening cut flap opening lamellar resection completed surgery Quelle: /3/, /18/ Folie 61 Folie Plasma induzierte Ablation Beispiel Laser Cataract Surgery Photodisruption Beispiel ZEISS ReLEx SMILE Folie 63 Folie 64

17 Photodisruption Prinzip der Photodisruption I Längere Pulsdauer (ps, ns), hohe Exposure mechanische Wechselwirkungseffekte Es wird viel Energie ins Plasma gepumpt Gasblase dehnt sich weit aus Mechanische Wechselwirkungs Effekte: Schockwellen durch Trennung von Elektronen und Ionen Kavitation durch Überdruck in Gasblase Gewebe wird weggedrückt Zeitliche Abfolge: Fokussierter Laserpuls nichtlineare Absorption Plasma Fokussierter Laserpuls nichtlineare Absorption Plasma Druckwelle Plasma-induzierte Ablation fs-impulse Photodisruption ps und ns- Impulse Folie 65 Folie 66 Prinzip der Photodisruption II 3.9 Wechselwirkung von Laserstrahlung Fokussierter Laserpuls Photodisruption: Auswirkung auf das Gewebe ns ps fs nichtlineare Absorption Plasma Intensität Energiedichte Pulsenergie [10 12 W/cm 2 ] [J/cm 2 ] [mj] 0, [1] [3] [1] 0, [1] [2,3] [1] ,5 3 [0,1] [0,2,3] [0,1] Druckwelle Amplitude der akustischen Transiente (1mm Entfernung) [bar] [5] [5] 1 5 [0] Durchmesser < 2mm Kavitationsblase Druckwelle Durchmesser der Kavitationsblase Schwellwert der Exposure [mm] [J/cm²] [4] [4] < [0] [0] own results [3] Loesel et al. SPIE 2923,118 (1997) [1] Vogel et al. SPIE 3255, 34 (1988) [4] Vogel et al. SPIE 1877, 312 (1993) [2] Niemz et al. Lasers and Light in Ophthalmol 5(3), 149 (1993) [5] Vogel et al. J. AcoustSoc. Am. 100(1),148 (1996) Folie 67 Folie 68

18 Photodisruption: Beispiel Posteriore Laserkapsulotomie Photodisruption: Beispiel Posteriore Laserkapsulotomie Setup zur Nachstar Behandlung: Aufreißen des posterioren Kapselsacks der Augenlinse: Folie 69 Folie 70 Folie 71 Folie 72