Lasertechnik in der Medizin

Facharbeit (Schule) , 2019 , 12 Seiten , Note: 14

Medizin - Biomedizinische Technik

Die Leitfrage dieser Arbeit ist, inwiefern eine Ausweitung der Laseranwendung in der Medizin, beispielsweise in Chirurgie oder Krebstherapie, wissenschaftlich denkbar und wirtschaftlich umsetzbar ist. In der Medizin hielt der Laser Einzug und ermöglichte z.B. die effiziente Behandlung von Augenkrankheiten wie dem Grünen Star. Neuere Entwicklungen erstreben aber auch die Anwendung des Lasers in Chirurgie und Krebstherapie, durch die Skalpell und Chemotherapie überflüssig werden könnten. Sollte sich eine umfassende Anwendung des Lasers hier tatsächlich ermöglichen, wären aktuelle Kernfragen der Medizin gelöst. Es bleibt aber fraglich, inwiefern hier nicht eine Grenze der Lasertechnologie erreicht ist, sowohl bezüglich den biochemisch-physikalischen Auswirkungen auf den menschlichen Körper, als auch bezogen auf die gesellschaftliche und wirtschaftliche Ausführbarkeit.

Schon seit über fünfzig Jahren prägt die Lasertechnik die Forschung und Entwicklung neuer Produkte und Technologien in vielen verschiedenen Branchen und Anwendungsbereichen. Alltagsgeräte wie CD- und DVD-Player wären ohne moderne Laser undenkbar. Grundlage sind stets die einzigartigen Eigenschaften des Laserlichts, die Physiker und Ingenieure seit 1960 antreiben, neue Innovationen zu erforschen und zu entwickeln. So wurden im Laufe der Jahrzehnte unzählige verschiedene Lasersysteme entwickelt, die in sehr unterschiedlichen Sparten Anwendungen fanden. Die gesellschaftliche Relevanz von Lasersystemen ist aktuell dabei so hoch wie nie. Gerade heute im Zeitalter der Digitalisierung sind Laser etwa in der Informationstechnologie zur optischen Informationsübertragung durch Glasfasern zentral, sodass sich das weltweite Marktvolumen von Lasertechnologie heute auf zweistellige Milliardenbeträge beläuft.

Inhalt

1. Laser - relevant wie nie

2. Lasertechnik
2.1 Grundlagen der Optik und Quantenphysik
2.2 Verstärkung von Strahlung
2.3 Weitere Komponenten des Lasersystems

3. Eigenschaften und Wirkung von Laserstrahlung
3.1 Eigenschaften von Laserstrahlung
3.2 Chemische und physikalische Wirkung von Laserstrahlung

4. Laserstrahlung in der Medizin
4.1 Wirkungen von Laserlicht auf Gewebe und Anwendung in der Medizin
4.2 Risiken und Grenzen der Laseranwendung in der Medizin

5. Fazit und Ausblick

Literatur

1. Laser - relevant wie nie

Schon seit über fünfzig Jahren prägt die Lasertechnik die Forschung und Entwicklung neuer Produkte und Technologien in vielen verschiedenen Branchen und Anwendungsbereichen. Alltagsgeräte wie CD- und DVD-Player wären ohne moderne Laser undenkbar. Grundlage sind stets die einzigartigen Eigenschaften des Laserlichts, die Physiker und Ingenieure seit 1960 antreiben, neue Innovationen zu erforschen und zu entwickeln. So wurden im Laufe der Jahrzehnte unzählige verschiedene Lasersysteme entwickelt, die in sehr unterschiedlichen Sparten Anwendungen fanden. Die gesellschaftliche Relevanz von Lasersystemen ist aktuell dabei so hoch wie nie. Gerade heute im Zeitalter der Digitalisierung sind Laser etwa in der Informationstechnologie zur optischen Informationsübertragung durch Glasfasern zentral, sodass sich das weltweite Marktvolumen von Lasertechnologie heute auf zweistellige Milliardenbeträge beläuft.

Aber auch der Medizin hielt der Laser Einzug und ermöglichte z.B. die effiziente Behandlung von Augenkrankheiten wie dem Grünen Star. Neuere Entwicklungen erstreben aber auch die Anwendung des Lasers in Chirurgie und Krebstherapie, durch die Skalpell und Chemotherapie überflüssig werden könnten. Sollte sich eine umfassende Anwendung des Lasers hier tatsächlich ermöglichen, wären aktuelle Kernfragen der Medizin gelöst. Es bleibt aber fraglich, inwiefern hier nicht eine Grenze der Lasertechnologie erreicht ist, sowohl bezüglich den biochemisch-physikalischen Auswirkungen auf den menschlichen Körper, als auch bezogen auf die gesellschaftliche und wirtschaftliche Ausführbarkeit. Meine Leitfrage ist demnach:

Inwiefern ist eine Ausweitung der Laseranwendung in der Medizin, z.B. in Chirurgie oder Krebstherapie, wissenschaftlich denkbar und wirtschaftlich umsetzbar?

2. Lasertechnik

2.1 Grundlagen der Optik und Quantenphysik

Ende des 19. Jh. stellte sich heraus, dass die bis dahin geläufige Betrachtung von Licht als transversale Welle zwar einige Eigenschaften des Lichts wie Interferenz erläutern kann, viele Phänomene wie der Fotoeffekt aber unerklärt bleiben. Max Planck führte deswegen den Welle-Teilchen-Dualismus des Lichts ein, weshalb man sich bis heute je nach beobachtetem Phänomen auf eines der Modelle des Lichts beruft. Bei der Erzeugung von Laserstrahlung nutzt man physikalisch sowohl den Wellen- als auch insbesondere den Teilchencharakter des Lichtes aus.

Mit „Lichtwellen“ bezeichnet man physikalisch also elektromagnetische Strahlung, die man sich neben einer transversalen Welle - je nach Spektrum unterschiedlicher Frequenz und Wellenlänge - eben auch als Teilchen, als Photon vorstellen kann. Photonen sind dabei anschaulich letztlich vor allem eines: Energie, die sich mit der Lichtgeschwindigkeit c ausbreitet (Kull, Hans-Jörg: „Laserphysik“. Oldenbourg Verlag (2010): S.6). Dies wird es auch aus der Gleichung E=h*f deutlich (dabei ist f die Frequenz und h das Planck’sche Wirkungsquantum). Die Frequenz ist je nach Strahlung verschieden, in der Physik unterscheidet man im elektromagnetischen Spektrum sieben Spektralbereiche – von der hochfrequenten, hochenergetischen und ionisierenden Gammastrahlung bis hin zum völlig ungefährlichen niederfrequenten sichtbaren Licht oder den Radiowellen mit Frequenzen von über 1 Mrd. Hz und Wellenlängen von mehr als 0,3m.

Im Alltag tritt elektromagnetische Strahlung, wie etwa das Licht der Sonne, dabei für gewöhnlich mit teils starken Schwankungen in Frequenz und Wellenlänge zwischen zwei Wellenzügen auf. Man sagt, das Licht hat eine hohe „spektrale Breite“, die Wellen treten also neben- und nacheinander mit unterschiedlichen Frequenzen und Wellenlängen auf (Struve, Bert: „ Einführung in die Lasertechnik“. VDE Verlag Berlin (2009): S.16). Oft ist Strahlung demnach nicht sehr kohärent, wobei Kohärenz hier den Grad der Gleichförmigkeit der Strahlung meint. Auch ist alltägliche Strahlung nur selten polarisiert, statistisch schwingen die Wellen des Lichts also in verschiedenen Ebenen (ebd. S18). Diese beiden Aspekte führten dazu, dass man Strahlung lange Zeit nicht effektiv kontrollieren konnte, wodurch dessen praktische Anwendung in verschiedenen Bereichen schwierig war. Man konnte das Licht schlicht nicht nach den Ansprüchen der jeweiligen Sparte ausrichten, da man keine Möglichkeit hatte, die Strahlung in Frequenz und Intensität gezielt anzupassen. Genau das aber sind zwei der zentralen Aspekte, an denen die Lasertechnologie ansetzt und die Laserstrahlung von anderen Strahlungsformen abgrenzt.

Oben bin ich bereits auf die Vorstellung der Strahlung als Quantum, als Teilchen (Photon), eingegangen. Da Licht physikalisch hier letztlich sich bewegende Energie ist, entsteht es, in dem einem Teilchen mit Energie – z.B. einem angeregten Elektron (d.h. Elektron mit Energie-überschuss) - Energie entzogen wird (Eichler, Jürgen: „Laser: Bauformen, Strahlführung, Anwendungen“. Springer-Verlag Berlin Heidelberg (2006): S.31) . Dabei wird ein Photon abgestrahlt. Angeregt ist ein Elektron dann, wenn es nicht im niedrigsten Energieniveau (Grundzustand) ist. In diesem Prozess des Protonenabstrahlens, der sogenannten Emission, die zumeist spontan, also letztlich zufällig abläuft, sinkt dabei das Energieniveau des jeweiligen Elektrons, sodass es keine weiteren Photonen mehr abstrahlen kann (ebd. S.32). Es ist dann nicht länger angeregt und befindet sich von nun an im Grundzustand. Nun ist es möglich, dass das sich im Grundzustand befindende Elektron wieder Energie aufnimmt, indem es ein Photon absorbiert. Bei diesem Prozess der Absorption geht das Elektron wieder in ein höheres energetisches Niveau über, sodass es wieder angeregt ist und unter Umständen erneut spontan ein Photon emittiert (ebd. S.29). Jeder energetische Zustand eines Elektrons hat dabei eine spezifische „Lebensdauer“, die der statistischen Verweilzeit des Elektrons im jeweiligen Zustand entspricht (Struve: S. 64). Licht ist nach dem Modell von Strahlung als Teilchen gequantelt, Strahlungsintensitäten und Energieniveaus sind also nur stufenweise erreichbar, bzw. wechselbar. Die jeweiligen energetischen Zustände eines Elektrons sind demnach ebenfalls nur stufenweise zu erreichen (Bäuerle, Dieter: „Laser: Grundlagen und Anwendungen in Photonik, Technik, Medizin und Kunst“. WILEY-VCH Verlag Weinheim (2009): S.13 ).Daher sind auch für die Atome und Elektronen in einem System bestimmte Energieniveaus klar definierbar und dessen Lebensdauern kontrollierbar. Im Prozesskreislauf von spontaner Emission und Absorption bleibt aber sowohl die Lichtintensität, als auch die vorhandene Gesamtenergie im geschlossenen System konstant. Eine Verstärkung des Lichts ist demnach so nicht möglich.

2.2 Verstärkung von Strahlung

Laser aber versuchen hier anzusetzen. Schon der Name macht deutlich, was der Begriff bezeichnet: l ight a mplification by s timulated e mission of r adiation, also: Lichtverstärkung durchstimulierte Emissionvon Strahlung. Man nutzt also das dritte zentrale Phänomen in der Wechselwirkung zwischen Photon und Atom/Elektron, um das Laserlicht zu verstärken: Die stimulierte Emission. Anschaulich stößt ein Lichtquant dabei im Lasersystem auf ein Atom des aktiven Mediums mit bereits angeregtem Elektron. Da sich das Elektron bereits im angeregten Zustand befindet, ist eine Absorption des einfallenden Photons nicht möglich, sodass stattdessen ein weiteres Photon vom Elektron abgestrahlt wird (Eichler: S.33). Das Elektron wird also stimuliert, in seinen Grundzustand zurückzukehren. Zentral ist, dass das abgestrahlte Photon dem einfallenden ersten Photon in seinen grundsätzlichen Eigenschaften gleicht: So verfügt es über die „gleiche Frequenz, Phase und Richtung“ wie das erste (ebd. S.34). Dies führt zu der hohen Kohärenz von Laserlicht.

Zu einer wirklich bemerkbaren Verstärkung des Lichtes kommt es aber nur dann, wenn deutlich mehr stimulierte Emission als spontane Emission und vor allem Absorption abläuft. Nur durch erstere vergrößert sich schließlich die Intensität des Lichtes und bleibt dabei kohärent. Da stimulierte Emission nur dann stattfinden kann, wenn sich ein Elektron im angeregten Zustand befindet, muss das Lasersystem dafür sorgen, dass ein Großteil der Atome über angeregte Elektronen verfügen (Struve: S.71). Dieser besondere Zustand der Atome im Lasersystem wird als „Inversion“ (ebd. S.72) bezeichnet, die eben unbedingt bestehen muss, damit die Strahlung langfristig verstärkt werden kann. Damit eine möglichst intensive stimulierte Emission erfolgt, muss man dafür sorgen, dass sich möglichst viele angeregte Elektronen möglichst lange in einem gemeinsamen energetischen Zustand befinden (ebd. S.79). Die Lebensdauer des zu stimulierenden Zustandes muss also sehr lang sein. Dies wird dadurch bewirkt, dass im Lasersystem zwischen drei oder vier Energiezuständen gewechselt wird, von denen nur der zu stimulierende Zustand eine lange Lebensdauer hat. Die Elektronen wechseln statistisch somit von den anderen Zuständen schnell zurück zu diesem und verbleiben in ihm vergleichsweise lang (ebd. S.80).

Die Verstärkung von Strahlung setzt also voraus, dass sich ein Großteil der Elektronen des aktiven Mediums im angeregten Zustand befindet (Inversion). Im Lasersystem werden die Atome und Elektronen durch Zufuhr von Energie durch verschiedene physikalische Prozesse angeregt, in einen höheren Energiezustand überzugehen. Durch dieses sogenannte „Pumpen von Energie in das System“ (Radloff, Wolfgang: „ Laser in Wissenschaft und Technik“. Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg (2010): S. 14) wird also die Grundlage für die anschließend ablaufende stimulierte Emission im aktiven Medium des Lasers geschaffen. Beispielsweise wird dem aktiven Medium, oft ein Gas oder ein physikalischer Halbleiter, ein Stromfluss zugeführt. Die Elektronen werden also durch elektrische Leistung und elektrische Stöße angeregt (ebd. S. 15). Gleichzeitig ist es aber auch möglich, Photonen mit bestimmten Frequenzen in das Lasersystem einzuspeisen, welche dann von den Elektronen des aktiven Mediums absorbiert werden. Auch durch dieses optische Pumpen werden Atome und Elektronen angeregt (Eichler: S. 40).

2.3 Weitere Komponenten des Lasersystems

Im Laser wird darüber hinaus die durch stimulierte Emission entstehende Strahlung durch die Anordnung zweier Spiegel (den sogenannten Resonatoren) immer wieder in das aktive Medium zurückgeführt, wodurch der Prozess mehrmals ablaufen kann und es zu einer merkbaren und langfristigen Verstärkung der Strahlung kommt. Dabei müssen die Spiegel im System so geschaffen sein, das im aktiven Medium eine stehende Welle („Mode“) entsteht (Radloff: S. 7f). Dabei kann versucht werden, tatsächlich nur eine einzige Mode entstehen zu lassen, sodass eine optimale Verstärkung des Lichts ermöglicht wird. Diese Mode schwingt bei optimaler stimulierter Emission und anschließender Lichtführung in Achsenrichtung der Spiegel (ebd. S.9). Zumindest einer der Spiegel im Lasersystem muss annähernd zu einhundert Prozent reflektieren und darf das Licht nicht absorbieren. Sonst ist eine effektive Verstärkung der Strahlung nicht möglich, da stets emittierte Photonen durch Absorption am Spiegel verloren gingen (ebd. S.10). Das Lasersystem funktioniert eben nur dann, wenn die Anzahl der durch spontane und stimulierte Emission erzeugten Photonen die Anzahl der am Spiegel durch Transmission und Absorption verlorenen Photonen übersteigt. Deshalb benötigt man auch so viel Energie in Form von Pumpleistung, um einen intensiven Laser zu betreiben.

Die drei zentralen Bestandteile eines Lasersystems sind also das photonen-emittierende aktive Medium, die Energie zuführende Pumpeinrichtung, sowie der reflektierende Resonator. Darüber hinaus können in das System aber auch weitere Komponenten eingebaut werden, z.B. weitere Linsen oder bestimmte photodynamische dielektrische Schichten, mit denen man das Laserlicht nach den spezifischen Ansprüchen des Anwendungsbereichs kontrollieren kann (Struve: S. 26f). Oft werden bspw. absorbierende Schichten eingebaut, die die Intensität der Strahlung einschränken, um Laserstrahlung passender Intensität zu erreichen. In der Medizin sind darüber hinaus noch Komponenten von Bedeutung, die das erzeugte Laserlicht flexibel vom Resonator zum jeweiligen Operationsort, z.B. zu einem Organ, transportieren. Diese Lichtwellenleiter bestehen häufig aus „Quarzglasfasern“ (Siebert, Werner: „Laser-Osteotomie“. Verlag Dr. Kovac (1998): S.28) und können individuell auf die Frequenzen der jeweiligen Strahlung angepasst werden, um die Strahlung ohne Intensitätsverlust zu transportieren.

3. Eigenschaften und Wirkung von Laserstrahlung

3.1 Eigenschaften von Laserstrahlung

Laserlicht hat durch die komplexe Entstehung eine Vielzahl einzigartiger, sehr nützlicher Eigenschaften, die auch in der Medizin Nutzung finden. Zum einen kann durch die oben erläuterte stimulierte Emission einheitliches und gleichförmiges Licht erzeugt werden. Es ist dabei zum einen polarisiert, schwingt also anders als bspw. Sonnenlicht nur in einer Ebene (Struve: S.17). Darüber hinaus ist die Strahlung eines Lasers „hochgradig monochromatisch“ (Büchele: S. 40). Übersetzt kennt man diesen Begriff der Einfarbigkeit aus der Fotografie, in der Physik beschreibt es die Eigenschaft von Lichtwellen, gleiche oder sehr ähnliche Wellenlängen und Frequenzen zu haben. Zwar ist auch Laserlicht selten bis nie völlig monochromatisch, zur effektiven Anwendung in Industrie und auch Medizin aber kohärent genug. Vor allem Laserlicht, welches im Einmodenbetrieb entstand, verfügt über eine „sehr geringe spektrale Breite“ (ebd. S.40f). Die auftretenden Wellenlängen und Frequenzen unterscheiden sich also nur geringfügig (Δf≈0). Diese Laserstrahlung ist dabei sowohl „räumlich, als auch zeitlich kohärent“ (Radloff: S. 38). Auch nach langer Ausbreitung im Raum bleiben die Frequenzen also einheitlich, es kommt kaum zu einer Phasenverschiebung zwischen zwei Wellen derselben Strahlungsquelle. Zwei Laserwellen breiten sich somit nahezu parallel zueinander aus, die „Divergenz“ (ebd. S. 39) ist also sehr gering (Kollimation). Darüber hinaus behalten die Wellen an einem beobachteten Punkt – zeitlich unabhängig – die gleiche Frequenz bei. Je nach Bedarf ist es aber auch möglich – indem man bspw. bestimmte photodynamische Schichten in das System einbaut – die zeitliche und räumliche Kohärenz abzuschwächen.

Eine weitere wichtige Eigenschaft von Laserlicht ist die hohe Intensität, bzw. Intensitätsdichte der Strahlung. Mit etwa „zehn Megawatt“ (Bäuerle: S.40) ist Laserlicht unglaublich leistungsstark und intensiv, was erst die Anwendung z.B. im industriellen Schneidebetrieb ermöglicht. Auch ist es möglich, das Licht zeitlich eindeutig zu definieren (ebd. S. 44). Sehr kurze, sehr intensive Lichtimpulse sind dank moderner Lasertechnik also möglich. Dabei wird die Inversion im Lasersystem nicht langfristig angehalten, stattdessen kehren die Atome nach der gemeinsamen stimulierten Emission und dem damit verbundenen kurzen Laserimpuls in den energetischen Grundzustand zurück. Erst danach wird dem System wieder neue Energie zugeführt und es kommt zu einer neuen stimulierten Emission.

3.2 Chemische und physikalische Wirkung von Laserstrahlung

Durch die oben beschriebenen besonderen Eigenschaften von Laserlicht ergeben sich einzigartige physikalische und chemische Wechselwirkungen mit Materie, die teilweise auch in der Medizin ausgenutzt werden. Dank der hohen Intensität der Strahlung kann Laserlicht beispielsweise unter bestimmten Frequenzen bestimmte Moleküle und zwischenmolekulare Wechselwirkungen auflösen. So können z.B. aus Chlor oder Kohlenstoffdioxidmolekülen durch Dissoziation sehr reaktive Radikale gebildet werden (Bäuerle: S. 49). Auch kann Laserlicht durch die immense Energie bestimmte Atome und Moleküle sehr gezielt anregen, sodass diese selbstständig Reaktionen wie Oxidationen durchführen. Laserstrahlung wirkt also oft ionisierend und kann – bei ausreichender Intensität – sogar Plasma erzeugen (ebd. S. 51f). Jenes Elektronen-Ionen-Gemisch kann ebenfalls selbstständig sehr intensive Reaktionen auslösen und vorantreiben.

4. Laserstrahlung in der Medizin

4.1 Wirkungen von Laserlicht auf Gewebe und Anwendung in der Medizin

All diese Eigenschaften des Laserlichts werden natürlich auch in medizinischen Lasereinrichtungen genutzt, wobei hier vor allem die physikalischen und biochemischen Wechselwirkungen der jeweiligen Strahlung mit Gewebe von Bedeutung sind. Im klinischen Alltag sind Laser im „Wellenlängenbereich zwischen 200nm und 10µm“ (Seiler, Theo: „Lasertechnik in der Medizin: Grundlagen, Systeme, Anwendungen“. Springer-Verlag Berlin Heidelberg (1991): S.3) von Bedeutung – also von UV-Strahlung über sichtbares Licht bis hin zu Infrarotstrahlung. Je nach Kohärenz, Intensität, Pulslänge und Frequenz der erzeugten Laserstrahlung sind unterschiedliche Wechselwirkungen mit Körpergewebe möglich. Grundsätzlich lässt sich dabei zwischen thermischen, chemisch-physikalischen und photodynamischen Wirkungen unterscheiden, die oftmals sehr unterschiedliche Ergebnisse zur Folge haben, „sich aber auch gegenseitig bedingen“ (Bäuerle: S. 47).

4.1.1 Thermische Wirkung

Ein wichtiger Aspekt der thermischen Wirkung eines Lasers, v.a. in der Chirurgie, ist die Vaporisation und die unterstützende Koagulation. Vaporisation beschreibt dabei das Schneiden von Gewebe durch hohe auftretende Temperaturen. Das Schneiden kann dabei ohne direkten Kontakt des Lasers ablaufen, es ist aber auch möglich den Laser mit einer feinen Faser zu verbinden, die die Energie des Lasers in Form von starker Erwärmung aufnimmt und ein Schneiden ermöglicht (Seiler: S.222). Ob mit Kontakt oder ohne, das Schneiden tritt stets nach starker Erhitzung (an die 1000°C) des Gewebes durch Absorption der Strahlung und anschließender sofortiger Verdampfung des jeweiligen Gewebes auf. Die Zellen sterben blitzartig ab. Durch den Laser kann gleichzeitig eine starke Gerinnung (Koagulation) des umliegenden Gewebes erzeugt werden, die die Wundheilung beschleunigt und starken Blutfluss verhindern kann (ebd. S. 219). Die Laserstrahlung verschließt dabei direkt jegliche Blutgefäße, indem es dort befindliche Proteine denaturiert und schrumpfen lässt. Dabei wird die Struktur der Proteine durch die Energie des Lasers irreversibel aufgelöst (z.B. durch Auflösung von intramolekularen Wasserstoffbrückenbindungen). Jener Effekt wird auch in der Behandlung bestimmter Tumore angewendet (Siebert: S. 22). In der Chirurgie kann durch die Koagulation ein sehr sauberes chirurgisches Ergebnis ermöglicht werden. Darüber hinaus sind dadurch etwaige Infektionen und Nacherkrankungen (z.B. Entzündungen der Wunde/Ödeme) weniger wahrscheinlich und die Wundheilung beschleunigt sich im Vergleich zu traditioneller Chirurgie unter Umständen stark. Auch starke Schmerzen des Patienten nach der Operation lassen sich so vermeiden (Dreyer, Roland: „Photonen und Patienten“. medizin-und-technik.industrie.de (2007)). Da man darüber hinaus mit dem Laser keinen Druck auf das Gewebe ausüben muss, wie es z.B. mit einem Skalpell nötig ist, lässt sich mit dem Laser viel genauer arbeiten. Der ausführende Chirurg erreicht eine viel bessere Präzision, was erneut den Heilungsprozess und auch die Operation selbst erleichtern und beschleunigen kann. Ein wichtiger Vorteil in der Chirurgie im Vergleich zu konventionellen Schneidmethoden ist, dass man Laserlicht auch an kleinste Umgebungen leiten kann. Somit lässt sich eine Operation schneller und letztlich auch weniger aufwendig durchführen. Da man Laserlicht darüber hinaus sehr gut fokussieren kann, sind auch Anwendungen in der Mikrochirurgie möglich, bspw. zur Behandlung von Blutgefäßen (Borufka, Marc: „Laser sind die Zukunft. Auch in der Medizin“. www.fau.de (2015)). Anwendung findet Vaporisation und Koagulation heute darüber hinaus vor allem bereits in der Dermatologie zur Entfernung von Hautwucherungen, Leberflecken und ähnlichem. Aber auch bestimmte Tumore, z.B. in der Lunge, lassen sich heute mit Hilfe der Vaporisation und Koagulation im sehr frühen Stadium sehr gut behandeln (Siebert: S. 36).

Oft werden in der Chirurgie zum Schneiden von Gewebe und Knochen Laser mit dem gas-förmigen Kohlenstoffdioxid als aktives Medium angewendet, dessen Atome durch elektrische Leistung angeregt werden, die dem Medium durch Pumpen zugefügt werden. Die Elektronen der Gasatome stoßen mit den Elektronen des Stroms zusammen, wodurch die „Molekülelektronen herausgeschlagen und die Gasatome ionisiert [werden]“ (Eichler: S.98f). Durch diese Elektronenstöße werden die Kohlenstoffdioxidmoleküle also in das höhere Energieniveau angeregt und können anschließend zur Photonenemission stimuliert werden. Kohlenstoffdioxidlaser emittieren dabei infrarote Strahlung mit Frequenzen und Intensitäten, die besonders stark von menschlichem Körpergewebe absorbiert wird (ebd. S.100). Dadurch erhöht sich die Temperatur des Gewebes blitzartig und es kommt schnell zum Zelltod und zur Vaporisation des Gewebes. Alternativ werden Festkörperlaser, wie das Nd:YAG-Lasersystem verwendet, welches aus einem „harten synthetischen Kristall“ (YAG: Yttrium-Aluminium-Granat) und darin eingebrachten Neodymionen (Nd3+) bestehen (ebd. S. 146). In dieses System wird durch optisches Pumpen Energie eingebracht, die Ionen werden also durch Absorption von Photonen kommend von außerhalb des Lasersystems angeregt. Sowohl Kohlenstoffdioxid-, als auch Nd: YAG-Laser zeichnen sich durch eine konstante Laseremission und vergleichsweise kurze Eindringtiefen aus, die den Wirkungsbereich am Körper notwendigerweise einschränken und den Schneidprozess besser kontrollierbar machen.

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• Note: 14
• Autor: Simon Stahl (Autor:in)
• Erscheinungsjahr: 2019
• Seiten: 12
• Katalognummer: V510078
• ISBN (eBook): 9783346100948
• ISBN (Buch): 9783346100955
• Sprache: Deutsch
• Schlagworte: lasertechnik, medizin