Die Funktionsweise des Lasers anhand des Beispiels Helium-Neon-Laser und die allgemeine Verwendung des Lasers in der Medizin

Referat / Aufsatz (Schule) , 2000 , 10 Seiten , Note: sehr gut

Physik - Optik

Inhalt

1. Funktionsweise des Lasers anhand des Beispiels He-Ne-Laser:
1.1 Begriffsklärung
1.2 Einleitung
1.3 Theoretische Grundlagen
1.3.1 Absorption, spontane und induzierte Emission
1.3.2 Besetzungsinversion
1.4 Praktische Grundlagen
1.4.1 Pumpmechanismus
1.4.2 Niveauschema
1.5 Laserresonator
1.5.1 Verstärkung und Schwellenbedingung
1.6 Lasertypen
1.7 He-Ne-Laser (typenspezifische Eigenschaften)

2. Laser in der Medizin
2.0 Grundlagen für die Nutzung des Lasers in der Medizin
2.0.1 Wechselwirkung Laser-Gewebe
2.0.2 Applikationsarten
2.1 Photodynamische Lasertherapie
2.2 Thermische Lasertherapie - Laserchirurgie Indikationsfelder:
2.2.1 Plastische Chirurgie
2.2.2 Hals-Nasen-Ohren-Heilkunde
2.2.3 Augenheilkunde
2.2.4 Kosmetische Chirurgie [Quellen]

1. Funktionsweise des Lasers anhand des Beispiels He-Ne-Laser:

1.1 Begriffsklärung

Laserübergang: derjenige Übergang zwischen zwei Niveaus, bei dem es zur induzierten Emission von Laserphotonen kommen soll Einstein- Koeffizienten: die Übergangswahrscheinlichkeiten zwischen Zuständen in einem Zwei-Niveau-System, die von Albert Einstein zur Ableitung der Planckschen Strahlungsformel entworfen wurden.

1.2 Einleitung

LASER ist ein Acronym für Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (dt.: Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung). Im Jahr 1960 konstruierte der Amerikaner T.H. Maiman in den Hughes Laboratories/USA den ersten funktionsfähigen Laser (Rubinlaser). Heute sind über 1000 verschiedene Lasersysteme bekannt, die v.a. in der berührungslosen Präzisionsmesstechnik, in der Unterhaltungstechnik, in der Telekommunikation, in der Medizin und in weiten Bereichen der Materialbearbeitung verwendet werden. Die charakteristischen Eigenschaften des Lasers sind die

- hohe Bündelungsschärfe (geringe Strahlendivergenz)
- hohe Intensität sowie die
- hohe Monochromasie

1.3 Theoretische Grundlagen

Die theoretische Voraussetzung für die Entwicklung des Laserprinzips war die Quantenmechanik, insbesondere ihre Konzepte der Besetzung von diskreten Energieniveaus, des Bildes der elektromagnetischen Welle als Teilchen (Photon) und der induzierten Emission, die die Grundlage der “Lichtverstärkung" des Lasers darstellt.

1.3.1 Absorption, spontane und induzierte Emission

Bei der Strahlungswechselwirkung mit atomaren und molekularen Systemen können drei Elemtarvorgänge auftreten: Absorption, Spontane Emission und Induzierte Emission. Für alle drei Vorgänge gilt die grundlegende Beziehung:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten ¹

Absorption: Die Absorption eines Lichtquants ist möglich, wenn sich das Atom in einem Strahlungsfeld befindet, das Lichtquanten der Frequenz f enthält. Dabei wird das Atom zu einem höheren Energiezustand (E2) angeregt. Die Wahrscheinlichkeit für die Absorption eines Lichtquantes (ÜA) wird durch ein statistisches Gesetz beschrieben:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Sie ist von der Anzahl der vorhandenen Lichtquanten² w(f) und der Einsteinschen Übergangswahrscheinlichkeit, der atomaren Konstante B₁₂ abhängig.

Nach einer Verweilzeit T21 (mittlere Lebensdauer des angeregten Zustandes) kommt es zum Übergang des Atoms in seinen Grundzustand (Energieminimum):

Spontane Emission: Ohne äußere Einwirkung wird ein Photon von einem angeregten Atom oder Molekül ausgesandt; das dadurch von einem höheren Energieniveau in ein tieferes übergeht (hier, bei zwei Niveaus E1 und E2, in den Grundzustand). Dabei werden die Photonen isotrop³ und mit unterschiedlichen Frequenzen emittiert, deren Bandbreite durch die Lebensdauer des angeregten Zustands bestimmt wird. Auch die spontane Emission ist ein statistischer Vorgang, dessen Wahrscheinlichkeit aber nur von den speziellen, den Energieniveaus zugeordneten, atomaren Zuständen abhängt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Einsteinsche Übergangswahrscheinlichkeit A21 ist also konstant.

Befindet sich ein angeregtes Atom jedoch in einem geeigneten Strahlungsfeld kann es zur

Induzierten (=stimulierten) Emission kommen. Das Atom im angeregten Zustand wird hier durch das Feld einer eingestrahlten Welle, deren Frequenz die Bedingung hf = E1 - E2 erfüllt, zum Übergang in ein niedrigeres Energieniveau veranlasst. Das emittierte Photon besitzt dieselbe Phase, Freqenz und Orientierung wie das erste, induzierte Photon, ist also kohärent und als Lichtwelle interferenzfähig. Die Übergangswahrscheinlichkeit ist, wie bei der Absorption, von der spektralen Energiedichte w(f) und einer Einsteinschen Übergangswahrscheinlichkeit für die ind. E. abhängig:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Einstein bewies, dass B12 = B21, d.h. die Wahrscheinlichkeiten für die Absorption und für die induzierte Emission von Lichtquanten gleich sind.

1.3.2 Besetzungsinversion

Um die induzierte Emission als Lichtverstärkung praktisch zu realisieren, muss man dafür sorgen, dass bei der Wechselwirkung zw. Atom und Photon die ind. Emission gegenüber den Konkurrenzmechanismen (in Gestalt der sp.E. und der Abs.) dominiert. Eine entscheidende Voraussetzung dafür ist die sog. Besetzungsinversion. Darunter versteht man einen Besetzungszustand, bei dem sich mehr Atome in einem angeregten Zustand befinden als im Grundzustand. Unter diesen Bedingungen ist nämlich die Wahrscheinlichkeit größer, dass ein Photon ein angeregtes Atom trifft und so zur E. anregt, als dass es ein Atom im Grundzustand trifft und absorbiert wird. Normalerweise ist die Zahl der Atome im Grundzustand (N1) größer als die der angeregten (N2). Bei der Bestzungsinversion ist[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten].

Diese Idee macht sich der Laser durch sog. Pumpen zunutze (siehe 1.4.1).

1.4 Praktische Grundlagen

1.4.1 Pumpmechanismus

Die Herstellung und Erhaltung einer ausreichenden Besetzungsinversion im Lasermedium wird durch einen Pumpmechanismus erreicht, der das Medium außerhalb seines Gleichgewichts hält. Ohne diesen Pumpvorgang würden die Teilchen nach kürzester Zeit durch Photoemission oder atomare Stöße in niedrigere Energiezustände zurückfallen. Die Anregung der Elektronen kann beim Pumpen durch Bestrahlung (opt. Pumpen) mit Blitzlampen, durch Gasentladungen oder mittels elektrischer Anregung (Ladungsträgerinjektion) erfolgen.

1.4.2 Niveauschema

Zwischen einem Grundzustand und einem angeregten Zustand kann keine Besetzungsinversion aufrecht erhalten werden (da B12 = B21⁴ => höchstens die Hälfte der Teilchen kann in einen angeregten Zustand gebracht werden!⁵ ), daher verwendet man drei (z.B.: Rubinlaser) oder vier Niveaus (z.B: He-Ne-Laser).Zweiniveau-Laser können nur als Pulslaser eingesetzt werden, nicht jedoch als Dauerstrichlaser.

Allgemein bezeichnet man die Gesamtheit aller am Prozess der Laseremission beteiligten Energieniveaus als "Niveauschema". Um eine Besetzungsinversion möglichst leicht herstellen zu können, wählt man für den Laserübergang ein oberes Energieniveau mit möglichst langer Lebensdauer (Nanosekunden = 10-⁹ s) und ein unteres Energieniveau mit möglichst kurzer Lebensdauer (Pikosekunden = 10-¹² s). Durch die lange Lebensdauer des oberen Niveaus können sich viele durch den Pumpmechanismus "angehobene" Teilchen sammeln und stehen für eine längere Zeit zur induzierten Emission zur Verfügung (bevor sie durch spontane Emission oder Stöße in niedrigere Niveaus zerfallen würden, ohne zur Laseremission beizutragen). Umgekehrt stellt eine kurze Lebensdauer des unteren Niveaus sicher, dass sich dort auch bei starker induzierter Emission aus dem oberen Niveau nicht zuviele Teilchen "sammeln" können und somit die Besetzungsinversion - auch bei einem kontinuierlichen Laserbetrieb - aufrecht erhalten werden kann.

Die Auswahl möglicher Termschemata ist für eine bestimmtes Medium sehr beschränkt, somit auch die Möglichkeiten seines Laserbtetriebs.

Typische Probleme ergeben sich oft (v.a. für Dauerstrichlaser) dadurch, dass angeregte Teilchen durch Strahlungszerfall oder Stöße in "unbeteiligte ", metastabile Zustände gelangen (Lebensdauer bis zu Mikrosekunden). Sie stehen dann nicht mehr für den Laserprozess zur Verfügung, sodass die Laseremissionen zum Erliegen kommen.

Beim He-Ne-Laser findet der Laserübergang beim Neon statt; da das Neon allein durch Gasentladung nicht effizient gepumpt wird⁶, werden Helium-Atome angeregt, die ihre Energie dann durch atomare Stöße (2. Art = inelastische Stöße) auf die Neon-Atome übertragen (d.h.: Helium-Atome sind selbst nicht an der Laseremission beteiligt).

1.5 Laserresonator

Der Laserresonator ist eine optische Rückkopplungsanordnung, die eine Rückkopplung⁷ - und somit eine Verstärkung - der Wellen und eine Frequenzselektion der emittierten Photonen im Medium bewirkt. Er ist eine Kombination optischer Elemente (Spiegel, Filter etc.). Im einfachsten Fall besteht der Laserresonator aus zwei planparallelen Spiegeln. Wellen, die sich in Richtung der Resonatorachse bewegen, laufen zwischen den beiden Spiegeln hin und her. Es können jedoch nur solche Wellen in diesem Resonator existieren, die sich nicht durch destruktive Interferenz auslöschen. Dies ist der Fall für Wellen, die sich jeweils beim Hinlauf bzw. genauso beim Rücklauf konstruktiv, also phasengleich, überlagern. An Resonatorspiegeln wird das Licht gebeugt. Bei ebenen Spiegeln ist der Beugungsverlust (d.h.: das gebeugte Licht tritt seitlich aus dem Resonator heraus und scheidet aus dem weiteren Verstärkungsvorgang aus) sehr hoch, daher wurden sphärische Spiegel entwickelt. Vielfach wird der konfokale Resonator verwendet, bei dem die Brennpunkte der Konkavspiegel zusammenfallen. Seine Beugungsverluste sind um mehrere Größenordnungen geringer als beim Resonator aus Planspiegeln. Außerdem erwies sich die Justierung zweier planparalleler Spiegel als äußerst schwierig: Werden die Laserspiegel nur geringfügig gegeneinander verdreht, verlässt der Lichtwellenzug den Laser, und die Laserbedingung ist nicht mehr erfüllt.

1.5.1 Verstärkung und Schwellenbedingung

Die (in 1.5 angesprochene) Resonanzbedingung d = ½ n γ hat zur Folge, dass nur Wellen ganz bestimmter Wellenlängen im Resonator existieren können. Eine solche bildet eine sog. stehende Welle aus, deren Intensität bis zu einem Sättigungswert ansteigt. Die Laserstrahlung kann nun aus dem Resonator ausgekoppelt werden, indem ein Spiegel geringfügig durchlässig ist [auch: durch kurzzeitiges Öffnen eines opt. Schalters: siehe 1.6]. Dieser kleine, ausgekoppelte Teil (typischerweise ca. 1%) der Photonen bildet den eigentl. Laserstrahl. Dabei gilt die Schwellenbedingung für den Laserbetrieb: Die Verstärkung des Strahlungsfeldes durch stimulierte Emission je Durchgang durch den Resonator muss größer sein als die Verluste je Durchgang.

Nur dann ist eine selbsterregende Laseroszillation möglich.

1.6 Lasertypen

Die verschiedenen Lasertypen lassen sich nach drei Aspekten unterscheiden, die Bedeutung sowohl für die erreichbaren Leistungen, Wellenlängen und Frequenzeigenschaften als auch für den Betrieb haben:

1) Dauerstrichlaser (cw...continuous wave) bzw. Pulslaser:

Der Grund für die Beschränkung auf den Pulsbetrieb liegt meist im Lasermedium, genauer gesagt im Niveauschema, das eine kontinuierliche Aufrechterhaltung der Besetzungsinversion nicht erlaubt, kann aber auch andere Ursachen haben: z.B.: einen gepulsten Pumpmechanismus.

Impulsbetrieb: hohe Intesitäten...Gigawattbereich (z.B. Excimer, Rubin) CW: Mega- bis Kilowattbereich (z.B. He-Ne; CO2)

2) Durchstimmbare Laser bzw. Festfrequenzlaser:

Durchstimmbare Laser: besitzt in einem breiten Frequenzintervall eine ausreichende Nettoverstärkung, sodass bei jeder beliebigen Frequenz im Intervall Laseremission möglich ist.

Festfrequenzlaser: decken kein zusammenhängendes Frequenzintervall ab, besitzen nur einige diskrete Emissionslinien, hohe Ausgangsleistungen.

3) Aktives Medium:

- Festkörper-Laser (Kristalle, Gläser)
- Dioden-Laser (Halbleiter-Materialien)
- Farbstoff-Laser (farbstoffe in H2O oder org. Lösungsmitteln gelöst)
- Gas-Laser (atomare Gase, Molekülgase, Excimere)
- Plasma-Laser (hochionisierte Atome)
- Elektronenstrahl-Laser (freie Elektronen in periodischen Magnetfeldern)
- Chemische Laser (Besetzungsinversion durch chem. Reaktion erzeugt, exotherme Reaktionsenergie wird direkt in kohärente Strahlung umgewandelt.)

1.7 Der He-Ne-Laser (typenspezifische Eigenschaften)

Der Neon-Helium-Laser ist ein typischer Vertreter der Gaslaser. Er war einer der ersten Laser überhaupt und der erste Dauerstrichlaser (cw). Er ist dank seiner roten Emissionlinie im sichtbaren Bereich des Spektrums bei 632,8nm sehr verbreitet und wird überall dort eingesetzt, wo es weniger auf hohe Ausgangsleistung (<100mW), sondern mehr auf unkomplizierte Handhabung und hohe Zuverlässigkeit ankommt: Meßtechnik, Holographie, Justierarbeiten (Bauindustrie und Optik), Medizin und auch im Alltagseinsatz (z.B.: Barcodescanner); heute ist er weitgehend durch die noch unaufwendigeren und kostengünstigen Halbleiterlaser abgelöst.

Heute wird der He-Ne-Laser dank seiner hohen Frequenzstabilität (=gute zeitl. Kohärenz) von v/∆v= 10¹⁴ -10¹⁵ als Justierhilsmittel, Frequenzstandard, Geschwindigkeitsmesser uvm. verwendet.

Das aktive Medium, eine Mischung aus Helium und Neon, befindet sich in einem Glasrohr. Das genaue Mischungsverhältnis hängt vom Laserübergang ab, der angeregt werden soll; für die charakteristische rote Linie etwa bei Phe : Pne = 5:1.⁸ Wie die meisten Gaslaser wird das Medium dieses Lasers durch eine Gasentladung gepumpt.(zwischen den beiden Elektroden findet eine Gasentladung statt, die in der Gasentladung stets vorhandenen Elektronen werden durch die angelegte Spannung beschleunigt, stoßen mit den Helium- und Neonatomen zusammen, übertragen Energie auf diese Atome und bewirken so Übergänge der Atomelektronen in höhere Energiezustände. Der eigentliche Laserübergang findet im Neon statt; Helium dient lediglich zur Herstellung der Besetzungsinversion im Neon, da durch die Entladung die gewünschten Niveaus zu schwach bevölkert werden. Helium-Atome werden jedoch in höhergelegene Energieniveaus angeregt und zerfallen sehr schnell in die metastabilen Niveaus 2¹ S₀ und 2³ S₁, die nahezu dieselbe Anregungsenergie (nur ein wenig höher) besitzen wie die oberen Laserniveaus im Neon. Aufgrund der langen Lebensdauer hat ein angeregtes He-Atom genügend Zeit , um mit einem Neon-Atom im Grundzustand zu kollidieren und bei einem solchen Stoß 2.Art (inelastischer) seine Energie an das Neon- Atom zu übertragen. Letzteres gelangt dabei in einen der beiden Zustände 3p oder 2s, die die oberen Niveaus der möglichen Laserübergänge im Laserniveauschema bilden. Beim Übergang auf die kurzlebigen (!) Zwischenniveaus wird eine Vielzahl von Laser- Wellenlängen emittiert:

Übergang 3s - 3p : 2800 4000nm (besonders stark: 3390nm ⇒ IR; ca. 10 mW)

Übergang 3s - 2p : 590 730nm (besonders stark: 632,8nm ⇒ sichtbar, rot; ca. 5 mW)

Übergang 2s - 2p : 1100 1500nm (besonders stark: 1152,3nm ⇒ IR; ca.1mW)

Der Übergang in den metastabilen Übergang 1s des Neons erfolgt spontan; schließlich wird der Grundzustand über Stöße mit der Wand des Gasentladungsrohrs erreicht. Der He-Ne-Gaslaser hat im allgemeinen einen konfokalen Resonator. Die Resonatorspiegel sind meist außerhalb des Gasentladungsrohrs angebracht, um die Lebensdauer nicht negativ zu beeinflussen. Zur Erhaltung der Lasertätigkeit (siehe 1.5.1) dürfen die Fenster des Entladungsrohrs höchstens Reflexionsverluste von 1% haben. Das ist nur möglich, wenn schräge Fenster so im Strahlengang stehen, dass der Einfallswinkel gleich dem Brewster- Winkel ist.

2. Laser in der Medizin

Trotz zum Teil zwanzigjähriger Anwendungserfahrung steht die Lasertechnologie in vielen Bereichen der klinischen Medizin erst am Anfang. In den chirurgischen Disziplinen ist der Laser aber bereits heute etabliert.

2.0 Grundlagen für die Nutzung des Lasers in der Medizin

Im Gegensatz zu einer konventionellen Lichtquelle sind es drei Eigenschaften, die für die medizinische Anwendung von Bedeutung sind:

- Kohärenz (Strahlung bestimmter zeitlicher und räumlicher Zuordnung) und
- Kollimation (gebündelte Strahlung) ermöglichen gemeinsam die Fokussierung auf einen kleinsten Punkt
- Monochromasie (Emission einer oder sehr weniger diskreter Wellenlängen)

Art und Ablauf der Reaktionen hängen von der Beschaffenheit des bestrahlten Gewebes sowie der Wellenlänge, Energiedichte und Applikationsdauer des eingesetzten Laserlichts ab. Man unterscheidet drei Kategorien:

- Photochemische Reaktionen: bei niedrigen Leistungsdichten und langen Einwirkzeiten
- Thermische Reaktionen: bei höheren Leistungsdichten und kürzeren Einwirkzeiten (ab etwa 10⁶ W×cm-2 )
- Nichtlineare Prozesse: bei extrem hohen Leistungsdichten über 10 Megawatt je cm² und ultrakurzen Bestrahlungszeiten von maximal einigen Nanosekunden.

In der Medizin werden derzeit nur die photochemischen und thermischen Wechselwirkungen des Laserlichts mit biologischem Gewebe auch therapeutisch genutzt.

2.0.1 Wechselwirkung Laser-Gewebe

Im Wesentlichen wird die optische Eindringtiefe eines Photons durch Absorptions- und Streuprozesse im Gewebe bestimmt. Nur ein absorbiertes Photon kann in eine andere Energieform umgewandelt werden.

Die unterschiedlichen therapeutischen Effekte hängen von mehreren Faktoren ab:

Laser:

- Lasertyp (Wellenlänge)
- Bestrahlungsparameter des Lasers (Leistungsdichte, Gesamtenergie)
- für 2.2: (un)scharf gestellter Laserstrahl: große/kleine Gewebefläche erhitzt

Gewebe:

- thermische Eigenschaften (spezifische Wärme, Wärmeleitung, Durchblutungsgrad)
- optische Eigenschaften (Absorption, Streuung): wellenlängenabhängig ⇒ unterschiedliche Gewebereaktion beim Einsatz verschiedener Lasertypen.

Im Bereich niedriger Leistungsdichten sind hauptsächlich photochemische Prozesse wirksam. (siehe 2.2). Mit höherer Leistungsdichte beginnt der Bereich der photothermischen Reaktionen: Die Erwärmung des Gewebes führt je nach Temperatur und Einwirkungsdauer zunächst

ab ca. 45°C zu einer Beeinträchtigung der Zellenzyme und

ab ca. 60°C zur Koagulation (thermische Zerstörung des biologischen Gewebes).

Durch eine Denaturierung des Gewebes (der Proteine und des sog. Kollagens kommt es zur Schrumpfung dese betreffenden Bindegewebes bzw. der Blutgefäße.

ab ca. 100°C zur Verdampfung des Zellwassers. Die Zellen platzen und das Gewebe kann getrennt werden (⇒ Schneiden von Gewebe)

ab ca. 150°C zur Karbonisation (Verkohlung des Gewebes) und

ab ca. 300°C zur Pyrolyse (mit Rauchentwicklung verbunden)

Die Schneidewirkung kommt durch das Zerplatzen der Zellen und die Gewebeabtragung durch Verdampfungsprozesse zustande.

2.0.2 Applikationsarten

Die Laserstrahlung kann auf zwei verschiedenen Strahlungsführungssystemen an das Gewebe herangebracht werden:

- Spiegellenkarm wird überall dort eingesetzt, wo entweder wegen des Wellenlängenbereichs eine Glasfasertransmission nicht möglich ist (z.B.: fernes UV, mittleres Infrarot), oder die transmittierten Pulsleistungen so groß sind, dass sie zu einer Zerstörung von Glasfasern führen würden. Dieses System erlaubt nur die sog. Nonkontakttechnik (ein Fleckdurchmesser entsteht).

- Überall dort aber, wo Glasfasertransmission möglich ist, wird sie heute eingesetzt; sie erlaubt eine hohe Flexibilität. Dieses System lässt sowohl die Nonkontakttechnik, als auch die Kontakttechnik zu (Faser wird direkt auf oder in das Gewebe gebracht).

Je nach Aufgabengebiet lassen sich dadurch verschiedene Gewebereaktionen hervorrufen.

2.1 Photodynamische Lasertherapie

(v.a. kurzwellige Laser-Strahlung)

Die photodynamische Lasertherapie wird heute bei fast allen endoskopisch zugänglichen Organen in der HNO-Heilkunde, der Gastroenterologie⁹ der Urologie, Gynäkologie und Dermatologie bei Erkrankungen der Haut eingesetzt, vor allem zum Nachweis und zur Behandlung kleiner oder oberflächlicher Tumore, aber auch zur Bestrahlung dysplastischer (=fehlentwickelter) Schleimhautareale.

Diagnose: Zur Diagnose wird dem Patienten intravenös, oral oder lokal ein Photosensibilisator zugeführt. Durch die selektive Anreicherung in dysplastisch oder tumorös veränderten Zellen grenzt sich diese durch Laserlicht angeregte Floureszenz deutlich vom umliegenden Gewebe ab und kann mit einem Blick erkannt werden. Diese sog. Floureszenzdetektion wird in der Urologie bereits erfolgreich angewendet, befindet sich jedoch in der Gastroenerologie derzeit noch in Erprobungsphase.

Therapie: Auch bei der photodynamischen Tumortherapie wird dem Patienten ein Photosensibilisator zugeführt. Diese lichtempfindliche Substanz reichert sich in hoher Konzentration im Tumorgewebe an. Die nachfolgende Bestrahlung des Tumorareals löst einen photochemischen Prozess aus, in dessen Verlauf der Sensibilisator die durch Lichtabsorption aufgenommene Energie auf andere Moleküle überträgt. Hierbei entstehen freie Radikale, die mit weiteren Zellmolekülen reagieren und dadurch das krankhafte Gewebe selektiv zerstören ("zytotoxische Wirkung" = zellvernichtende W.). Das Laserlicht selbst hinterlässt aufgrund der niedrigen Leistungsdichte keine thermischen Gewebeschäden; Blutungen oder Organperforationen sind ausgeschlossen.

Moderne Photosensibilatoren, die im Idealfall für Therapie und Diagnostik eingesetzt werden können, verfügen über eine hohe Tumorselektivität, geringe Nebenwirkungen und eine hohe Lichtausbeute.

2.2 Thermische Lasertherapie - Laserchirurgie

(v.a. langwellige Laser-Strahlung)

Je nach Lasertyp (häufig verwendet: z.B.)

- Neodym-YAG-Laser: IR-Bereich: 1064 nm; wird von Wassermolekülen kaum absorbiert ⇒ dringt tief in das Gewebe ein, ideal für Einschrumpfung wasserhältiger Gewebe; geringe Schnittwirkung, gute Koagulationswirkung
- CO2-Laser: mittlerer IR-Bereich: ca. 10,6µm; sehr feiner Strahlendurchmesser: 0,2 mm; wird von Wassermolekülen sehr stark absorbiert, die Energie des Laserstrahls wird an der Wasseroberfläche sofort abgebaut ⇒ dringt nicht in wasserhältige Gewebe ein; gute Schnittwirkung, geringe Koagulationswirkung
- Excimer-Laser: UV-Bereich; Gemisch aus Edel- und Halogengas als Medium; Pulslaser, hohe Spitzenleistung

und ausgwählten Bestrahlungsparametern lassen sich unterschiedliche therapeutische Effekte erzielen. Weiters sind diese Effekte von thermischen und optischen Eigenschaften des bestrahlten Gewebes abhängig (siehe 2.1.0). Da letztere weitgehend wellenlängenabhängig sind, erklärt sich hieraus die unterschiedliche Gewebereaktion beim Einsatz der verschiedenen Lasertypen (auch genannt: engl.: "absorption band"). Da die verschiedenen Gewebearten verschiedene absorption bands besitzen, kann gezielt eine Koagulation ebendieser erreicht werden, ohne dabei umliegendes, gesundes Gewebe zu zerstören. Einsatz: Gastroenterologie, Neurochirurgie, Urologie

Dabei werden z.B. Tumore und ihre Metastasen unter Narkotisierung des Patienten vaporisiert ("weggelasert"). Diese operative Behandlung bietet sich vor allem bei einem schlechten Allgemeinzustand des Patienten an (kann nicht durch "klassischen" chirurg. Eingriff geheilt werden). Ablauf der Therapie:

1. Ultaschalldiagnostik: Erkennung großer Venen etc.; wichtige Voraussetzung (große Venen etc. werden nicht "angestochen"!) für die
2. Punktion (Einführung des Lasers): kann entweder offen chirurgisch, oder mit dem Laserapplikator direkt an der Hautoberfläche erfolgen
3. LIC: laserinduzierte Koagulation (⇒Nekrose, definitive Zerstörung des Gewebes) Abgrenzung der Koagulationszonen vom gesunden Gewebe, Abbau des zerstörten Gewebes (4.) Bei größeren Tumoren, Metastasen: Wiederholung des Vorgangs

2.2.0 Indikationsfelder der thermischen Lasertherapie:

1. Plastische Chirurgie:

Entfernung von: Tätowierungen, hypertrophen (übergroßen) Narben, Altersflecken,...

2. Hals-Nasen-Ohren-Heilkunde:

Halschirurgie: z.B. Entfernung von Tumoren in Rachen, Schlund oder Kehlkopf: exakteres, schonenderes Arbeiten

Nasenchirurgie: z.B. Verkleinerung krankhaft angeschwollener Nasenmuscheln (die für die Befeuchtung der Atemluft zuständig sind; trockene, heiße Luft führt zu einer abnorm großen, dauerhaften Oberflächenvergrößerung und daher zu Atembeschwerden) z.B. Entfernung von Nasenpolypen (entstehen als Folge chronischer Nebenhöhlenentzündungen, behindern ebenfalls die Nasenatmung)

Ohrenchirurgie: berührungslose Operation an empfindlichen Ohrknöchelchen, Trommelfell möglich, Abtragung von Knochen ohne therm. Schädigung benachbarter Stellen. z.B. Behandlung von Otosklerose: Knochenumbauprozess, verursacht Ohrgeräusche und Schwerhörigkeit

3. Augenheilkunde:

Kataraktoperationen: Der graue Star (Katarakt) führt zu einer Eintrübung der natürlichen Linse des Auges und nach zunehmender Sehverschlechterung schließlich zum völligen Visusverlust. Bisher wurde die Linse mittels Ultraschall zertrümmert und eine künstliche Linse in das Auge eingebracht. Heute wird diese Operation mit Hlife des Lasers vorgenommen, v.a. mit der gepulsten Erbium-Laser-Strahlung. Diese neuartige Methode bringt einige Vorteile mit sich: auch besonders harte Linsenteile können problemlos zertrümmert werden, außerdem kommt es zu einer weit geringeren thermischen Belastung des umliegenden Gewebes.

LASIK: Korrektur von Fehlsichtigkeiten: LASIK beruht auf der Korrektur der Linsendicke. Der Laser wird hierbei eingesetzt, um die zentrale optische Zone der Augenhornhaut zu modellieren. Dabei schneidet ein kleines Skalpell (Mikrokeratomklinge) in die Hornhaut und hebt einen Lappen davon ab. Nun wird ein computerunterstützter Excimer-Laser eingesetzt, um mit einer Wellenlänge im UV-Bereich (ca. 200-350 nm) bei

- Myopie (Kurzsichtigkeit): das Zentrum der Augenhornhaut abzuflachen (typischerweise ca. 8-12µm pro Dioptrie).
- Weitsichtigkeit: das Zentrum der Augenhornhaut zu verformen.

Abschließend wird die eingeschnittene Hornhaut zurückgeklappt. Allgemein gilt die Behandlung der Weitsichtigkeit als heikler. Die Erfolgsrate dieser Methode liegt heute bei 99%, nur bei 1% der Patienten treten Komplikationen auf, ein weiterer geringer Prozentsatz der Behandelten klagt über den "Halo"-Effekt (d.h. jedes starke Licht ist scheinbar von einem Heiligenschein umgeben). Derzeit liegen die Kosten pro Auge bei ca. 28000 ATS.

4. Kosmetische Chirurgie:

z.B.: - Haarentfernung durch Zerstörung der Haarfollikel
- Entfernung von Muttermalen, Blutgefäßen...
- Weißen von Zähnen

[ Quellen ] Witlof Brunner, Klaus Junge: Lasertechnik

Hermann Haken: Licht und Materie

Adolf Friedrich Fercher: Medizinische Physik

Harrison: Prinzipien der Inneren Medizin

Berchtold Hamelmann: Chirurgie

The Gale Encyclopedia of Science

Reinhard Strehlow: Grundzüge der Physik

Klaus Dickmann: Lasertechnik

Stuart-Klages: Kurzes Lehrbuch der Physik

Spektrum, Akad. Verlag Heidelberg: Lexikon der Physik

Trautwein, Kreibig, Oberhausen: Physik für Mediziner

Häring Zilch: Chirurgie

Laser-Zentrum-Hannover: LZH-Aktuell

Time-Magazine: Nov. 1999: "The Laser Fix"

Spektrum der Wissenschaft: Laser in neuen Anwendungen

Pschyrembel: Medizinisches Wörterbuch

Brockhaus

[...]

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¹ h = 6,63*10-34 Js

² drückt sich im Modell der Lichtwelle durch die sog. spektrale Energiedichte aus: w(v)

³ d.h. mit gleicher Wahrscheinlichkeit in alle Raumrichtungen

⁴ dh. die induzierte Absorption vom Grundzustand in einen angeregten Zustand besitzt denselben EinsteinKoeffizienten wie die induzierte Emission beim Übergang von diesem zurück in den Grundzustand

⁵ selbst wenn die Pumpleistung so stark ist, dass man die spontane Emission vernachlässigen kann

⁶ Erklärung: das 2p-Niveau wird stets mit größerer Wahrscheinlichkeit bestzt als das 3p-Niveau

⁷ vielfaches Hin- und Herlaufen der induzierten Wellen im aktiven Stoff

⁸ Mischungsverhältnis 5:1 fördert Übergänge 3s-3p und 3s-2p; ein Mischungsverhältnis 10:1 für Übergang 2s-2p

⁹ Lehre vom Magen-Darm-Trakt einschließlich der Speiseröhre

• Veranstaltung: Matura
• Note: sehr gut
• Autor: Clemens Stadler (Autor:in)
• Erscheinungsjahr: 2000
• Seiten: 10
• Katalognummer: V106670
• ISBN (eBook): 9783640049479
• Sprache: Deutsch
• Schlagworte: Funktionsweise, Lasers, Beispiels, Helium-Neon-Laser, Verwendung, Lasers, Medizin, Matura