Grundlagen der Laserphysik Licht und seine Gewebewirkungen Dr.med.dent.. G. Mettraux, Bern Jan 2010 1
L A S E R Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlung
INHALT Grundlagen der Elektromagnetischen Energie Lichtwirkung im Gewebe Prinzip des Lasers, typische Laser 3
Licht Elektromagnetische Energie Photonen = Träger der Energie E = h x f Hochfrequentes Licht energiereicher Sichtbarer Bereich 400 750 nm Blau ist energiereicher als rot Überträgt Energie, Information Bewirkt Aufbau/Zerstörung von Zellen!! 4
Dualismus Wellen-Photonen 1,8 ev 670 nm 5
Photonen- Energie E = h f x E = Energie h = Planck sche Konstante f = Frequenz
Sichtbares Licht Photonen-Energie E = h x f 7
Spektrum der Elektromagnetischen Wellen Wellenlänge (m) Frequenz (MHz) E = h x f 8
Schlüsselreaktion Absorption der elektromagnetischen Energie in einem der Wellenlänge entsprechenden Material (Empfänger) und Umsetzung der Energie in eine (chemische, physikalische) Reaktion 9
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
Die Photosynthese Chlorophyll + Sonne + Wasser + CO 2 -> Kohlenhydrate + O 2 2 H 2 O -> 4H + + O 2 + 4e - PDT Biostimulation 11
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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
Angebot: Wasser, Hydroxylapatit, Pigmente, Enzyme Gibt es Wellenlängen, welche in Wasser Hydroxylapatit Pigmente, Enzyme absorbieren? 14
Absorption bei verschiedenen Wellenlängen in Wasser, Melanin, Blut 350-1300 nm 100 50 Wasser HB 0 Melanin 400 700 1000 1300 Sichtbarer Bereich nm 15
Durchdringung von Blau Grün Rot Weiss Infrarot blau grün rot weiss infrarot Wasser 0 400 700 1000 1300 HB Melanin 16
Absorption bei verschiedenen Wellenlängen in Wasser, Melanin, Blut, Hydroxylapatit 350-10600 nm 400 800 1200 3500 7500 10600 Wasser H.Apatit HB Melanin nm 17
Absorption bei verschiedenen Wellenlängen in Wasser, Melanin, Blut, Hydroxylapatit 350-10600 nm 1 2 3 Absorption in 1-Pigment 2-Wasser 3-Hydoxylapatit 400 800 1200 3500 7500 10600 Wasser H.Apatit HB Melanin nm 18
Lichtabsorption in Wasser, Melanin, Blut, Hydroxylapatit bei 350-10600 nm und die entsprechenden Laser 400 800 1200 3500 7500 10600 Wasser H.Apatit HB Softlaser Dioden Laser Er:YAG 2940 nm CO 2 Laser 10 600 nm Melanin nm 19
Energieabsorption in Effekte 400 800 1200 3500 7500 10600 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
Wellenlängen der Laser in der Zahnmedizin Dioden Laser 610 nm - 680 nm IR Dioden-Laser 810 nm - 980 nm Er:YAG 2.9 μm 2 940 nm CO 2 10.6 μm 10 600 nm 21
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 400 800 1200 3500 7500 10600 Wasser H.Apatit HB Melanin 22
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LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
Welches sind die Unterschiede zwischen Normalem Licht und Laserlicht? 25
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
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
Spontane Photonen-Emission Photon Photon E1 E0 E = h x f 28
Spektralfarben Wellenlänge nge (nm) und Energie (ev( ev) Violett 380-420 nm 3,26-2,95 ev Blau 420-490 nm 2,95-2,53 ev Grün 490-575 nm 2,53-2,16 ev Gelb 575-585 nm 2,16-2,12 ev Orange 585-650 nm 2,12-1,91 ev Rot 650-750 nm 1,91-1,65 ev E = h x f 29
Spontane Photonen-Emission: natürlich E1 angeregt Energie E = E 1 E 0 Energie E0 Photon Grundzustand 30
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
Stimulierte Photonen-Emission Ausgangslage: angeregter Zustand E = h x f Photon E1 2 Photons E0 Voraussetzung: max. angeregte Zustände = Besetzungsinversion 32
Stimulierte Photonen-Emission Photon x Angeregtes ATOM 33
Stimulierte Prinzip Photonen-Emission eines Lasers x 34
Prinzipieller Aufbau des Lasers Aktives Medium (Erbium, Halbleiter, Gas ) Pumpquelle (Blitze, RF) Optischer Resonator (Spiegel) Besetzungsinversion: angeregte Zustände überwiegen Resonator: stehende Welle 35
Prinzipieller Aufbau des Lasers 36
Eigenschaften des Laserlichtes Glühbirne: - Verschiedene Wellenlängen - Phasenungleich - allseitige Ausbreitung Laser: - Monochromatisch - In Phase zeitlich und räumlich ( kohärent ) - Unidirektional, kollimiert 37
Brechung Dispersion Sonnenlicht Laser 38
Verhalten im Gewebe Reflexion Transmission Absorption Energie-Kopplung 39
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
Wichtige Wellenlängen der Laser in der Zahnmedizin Dioden Laser IR Dioden-Laser Er:YAG 2.9 CO 2 10.6 610 nm - 680 nm 810 nm - 980 nm 2.9 μm - 2 940 nm 10.6 μm - 10 600 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. 10 600 nm CO 2 Laser 41
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 <0.1 >5 + +++ - - - ++ + +++ - - - +++ + - +++ - - +++ 42
Laser in ZAZ Hardlaser Er:YAG, CO 2, Dioden Low Level Laser Dioden-Softlaser Chirurgie Dekontamination Zahnsteinentfernung Knochenbearbeitung Biostimulation Wundheilung Schmerz 630-980 nm 30-300 mw Photodynamische Therapie Bactericid, virucid, fungicid 630 670 nm ( heute ) 30-300 mw 43
Lasereffekte im Gewebe bei verschiedener Leistung Nicht-Lineare Effekte: Leistung: 10 Ablation, Disruption Leistung: 10 8-10 12 W/cm 2 Exp.Zeit: : 10 ps -100 ns Photothermische Effekte Leistung: 1-1 10 6 W/cm 2 Koagulation, Vaporisation Exp.Zeit: : 1 ms 100 s Photochemische Effekte Leistung: 10-3 -1 W/cm 2 Biostimulation Photodynamische Therapie (PDT) Exp.Zeit: : 10 s - 1000 s 44
Hardlaser Softlaser 45
Low Level Laser Hardlaser λ: 600-908 600-950 nm nm 450 nm - 10 600 nm Geringe Leistung Hohe Leistung < 300 mw > 1 Watt ( 10-20 W) Geringe Energie- Dichten Lange Impulse Effekt in biochemischen Reaktionen Hohe Energie- Dichten Kurze Impulse Effekt in thermischen Reaktionen 46
Der CO 2 Laser SpectraDenta Wellenlänge: 10 600 nm Leistung: CW: 0.5 25 Watt SP, CF: 0.1-7 Watt Pulsdauer: SP: 1 ms- 5 ms, CF: 40µs-1000 µs Pulsfrequenz: SP: 1Hz - 180 Hz, CF: 1Hz 700Hz 47
Energiestadien im CO 2 Laser 20x 0.12eV: 10 600 nm 2,5 ev: grün, ca 515 nm CO 2 + N 2 + He (60-80 %) Pumpmechanismus: Gasentladung 48
Erbium Laser LiteTouch 2 940 nm Der kleinste Erbium Laser 49
Er:YAG (Yttrium-Aluminium-Granat) Erbium dotiert: 50% statt Y-Ionen, Pumpmechanismus: Blitz-Licht, Laser 50
Diodenlaser 3 Watt, 810 nm Hard und Softlaser 51
Low Level Laser Softlaser 670 nm, rot PDT + Biostimulation 670 nm 52
Absorption der Wellenlängen 400-10 600 nm in Wasser, Tiefenwirkung Melanin, Blut, Hydroxylapatit. Zugeordnete Lasersysteme 400 800 1200 3500 7500 10600 Wasser H.Apatit HB Softlaser Dioden Laser Er:YAG 2 940 nm CO 2 Laser 10 600 nm Melanin nm 53
CO 2 Diodenlaser Nd:YAG, 54
Eindringtiefen verschiedener Lasertypen Er:YAG <100 μm CO 2 100 μm Diodenlaser > 10mm 100 X!! 55
CCD Chip 56
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 1 000-20 000 W. 57
Spot size Eng, tief, fokussiert breit, seicht, defokussiert Leistung Zeit Spot Size 58
Temperatur im Gewebe > 100 Vaporisierung, Karbonisierung 90-100 Dehydrierung 65-90 Denaturierung 55-65 Koagulation Hard 37-55 Erwärmung Koagulation Incision/ Excision Ablation / Vaporisierung Soft 59
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