Laser in der Medizin Husinsky 2007

8/8/2019 Laser in der Medizin Husinsky 2007

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Laser in der Medizin4. 10. 2007Einfhrung in die

Biomedizinische Technik

Wolfgang Husinsky, IAP


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Der Laser


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Am Anfang


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und heute.


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Wechselwirkung Licht-Materie

Zwei-(Drei)-Niveau-Modellsystem


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Wechselwirkung Licht-Materie

Zwei-(Drei)-Niveau-Modellsystem

InduzierteEmission k

(induzierte)

Absorption


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Laser

R = 100% R < 100%

I0 I1

I2

I3

Laser Medium

I


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Energiepumpe


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Lasermoden und Verstrkung


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Eigenschaften des Laserlichts

Gebndelt Energie auf kleinen Raum konzentriert

Entweder-Oder Energie auf kleinen Frequenzbereich

konzentriert (Monochromatisch!)

Energie auf sehr kleine Zeit konzentriert(Ultra-Kurzzeit-Laser)

Kohrent


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Hchste Auflsung-Frequenz

388 km


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Hchste Auflsung-Zeit Elektrisches Feldeines 4.5-fs Pulse

-20 0 20

Zeit (fs)

E-

Feld

Nonlinearcrystal

Puls zumesseun

Verzgerung,

Detector

E(t)

E(t)

Esig(t,)


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Zeitskalen

10 fs Lichtpuls

10-14

10-9

10-4

101

106

1011

1016

Zeit (Sekunden)

1 Minute Alter des Universums

KameraBlitz

AlterPyramiden

ComputerClock cycle

1Monat

Menschheit

10 fs verhalten sich zu 1 Minute wie

1 Minute zum Alter des Universums.

Oder, 10 fs zu 1 sec wie 5 cents zum US National Debt.


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Zeitskalen

nanosec picosec femtosec attosec

seconds

GHz Electronics

10-9 10-12 10-15 10-18

Femtochemistry Attophysics


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Wechselwirkung mit Gewebe

100

50

0,5 0,6 1 2 4 10

Wellenlnge []

HmoglobinWasser

Absorbtion

in%

Argonionen

E

xcimer

NdYag

CO2

Er,HoYag

0,2


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Aspekt 1

Der Laser erlaubt durch die Wahl

der entsprechenden Wellenlnge(d.h. des geeigneten Lasers) eineselektive Behandlung von

Gewebe- -Art, und -Ort


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Aspekt 2

Da die Energie durch dieFokussierbarkeit des Lasers

(m-Bereich) sehr genau lokalisiertdeponiert werden kann, kann einesehr przise und lokalisierte

Bearbeitungerreicht werden.


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Aspekt 3

Je nach Wahl der Intensitt

und Dauer der Laserstrahlungknnen verschiedeneEffekte (Behandlungen)

realisiert werden.


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Art der Wechselwirkung nachIntensitt

LaserstimulationWundheilung

Laserabtragung (Laserschneiden)Thermisches (Verdampfen)

Chirurgie

Nicht Thermische (Schdigungsarm)Hornhautchirurgie

Dielektrischer Durchbruch


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Gaslaser 2

Argon-, Krypton-Ionenlaser


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The ArgonIon Laser

Argon lines:

Wavelength Relative Power Absolute Power454.6 nm .03 .8 W457.9 nm .06 1.5 W465.8 nm .03 .8 W472.7 nm .05 1.3 W

476.5 nm .12 3.0 W488.0 nm .32 8.0 W496.5 nm .12 3.0 W501.7 nm .07 1.8 W514.5 nm .40 10.0 W

528.7 nm .07 1.8 W


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The Krypton Ion LaserKrypton lines

Wavelength Power406.7 nm .9 W

413.1 nm 1.8 W415.4 nm .28 W468.0 nm .5 W476.2 nm .4 W482.5 nm .4 W

520.8 nm .7 W530.9 nm 1.5 W568.2 nm 1.1 W647.1 nm 3.5 W676.4 nm 1.2 W


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Dye lasers (Farbstofflaser)

Dye lasers are an ideal four-level system, and a given dye will lase

over a range of 100 nm.


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Dyes cover the visible,

near-IR, and near-UV


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Titanium: Sapphire

oxygen

aluminum

Al2O3 lattice

Absorption and emissionspectra of Ti:Sapphire

Upper level lifetime:3.2 sec

Ti:Sapphire lases from~700 nm to ~1000 nm.


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Femtolaser-System


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Hohe Intensitt-Plasmadurchbruch


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Imaging by raster-scanning a laser

Scanning the focus through a medium and measuring any linear signal light yields

an image, but which averages over z. Not good.

z0

w(z) = w0

1+ (z / zR)2


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Nonlinear-optical processes

Ultrashort pulses have high intensity for a given energy and so are the best way

to do this.

NLO signal

z0

So total signal:

IsigA w4w

2

w2

In nonlinear processes, in which the signal scalesnonlinearly with the intensity, much more signal is created at

the focus.


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NLO processes used in imagingThird harmonic

generationThree photonfluorescence

Two photonfluorescence

tt


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Multi-photon imaging

Images due to Chris Schaffer, UCSD

We raster-scan the focus throughout the medium.

We can scan out a 2D or 3D image by using an xy or xyz stage.


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Optical Coherence Tomography

Optical ranging in biological tissue can also produce animage.

This work has been pioneered by Jim Fujimoto and coworkers of MIT.


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Low Coherence Interferometry

Low-Coherence Source

CoherenceLength

Mirror Displacement

Detect

or

Mirror Displacement

High-coherence Source/2

Detector

Reference

Detector

SampleSource

Michelson Interferometer


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Optical Coherence Distance Ranging

Distance

LongitudinalScanning

TransverseScanning

Reflectivity

Just time-resolve the back-scattered light, and then scan transversely.


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Cross-Sectional Imaging

Transverse Scanning

Backscatter Intensity

Tissue Specimen

AxialScanning(Depth)

Huang, et al., Science, 254 (1991)

Cardiovascular Imaging: unstable


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Cardiovascular Imaging: unstableplaque in vitro

Brezinski, et al, Circulation 93 (1996)

Unstable plaque has athin wall of less than 100microns and is prone to

rupture. Standard OCTwith its resolution of 15microns provides asignificant improvementover conventional

ultrasound with a 100micron resolution.

UltrasoundImage

OCTImage


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Dermatologie, Krebsbehandlung

PDT (Photo-Dynamische Therapie)Die "schlechten" Zellen werden

mit einer photosensitivenSubstanz versetzt und dann

selektiv bestrahlt (z.B.

Farbstofflaser): aktivierte

Zellen sterben ab


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Wirkungsweise

Der Photosensibilisator hat die Fhigkeit, dieEnergie des Lichtes aufzunehmen und anSauerstoffmolekle weiterzugeben.

Dabei entsteht der sogenannte Singulettsauerstoff.

Das ist eine energetisch angeregte Form vonmolekularem Sauerstoff, die sehr reaktionsfreudigist.

Der Singulettsauerstoff kann z. B. Lipide der

Membranen der in der Nhe liegendenTumorzellen zerstren.


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Damit nicht andere Gewebezellen zerstrt werden, ist es

wichtig, da der Photosensibilisator selektiv im

Tumorgewebe angereichert wird.

Bei dem Prozess der Generierung von

Singulettsauerstoff wirkt der Photosensibilisator

ausschlielich als Katalysator. Das heit, dass derSingulettsauerstoff in vielfachen Mengen des

angereicherten Photosensibilisators produziert wird.

PHOTODYNAMIC


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PHOTODYNAMIC

THERAPY

THERAPEUTIC WINDOW: 600-1200nm

LASERS: around 630nm reqd. to match abspn.maxima of porphyrin photosens.

Argon pumped dye lasers(630) or gold vapor lasers(628) are expensive and need regular maintenance.

Nd-YAG cover 690-1100 nm for 2nd gen. Photosens.

LASERABLATION


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LASERABLATION -CHIRURGIE -

Mechanismen entscheidend fr

BrauchbarkeitThermische Effekte ein

wichtiges Kriterium

Das menschliche Auge als


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Das menschliche Auge alsoptisches Gert

Das menschliche Auge als


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Das menschliche Auge alsoptisches Gert

Die Gren gelten fr das entspannte Augewelches auf einen Gegenstand im Unendlichenfokussiert ist.

Im allgemeinen ist eine Akkomodation bis zueinem Nahpunkt von 25 cm (deutliche Sehweite)mglich.

Die optischen Gerte, die Beobachtungen berlngere Zeiten erfordern, sollten so konstruiertsein, dass das Bild bei entspanntem Auge auf

der Netzhaut abgebildet wird.

Einige Gedanken zur Abbildung


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Einige Gedanken zur Abbildungdurch das Auge

Wirkung der LinseWirkung der Hornhaut

Einige Gedanken zur Abbildung


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Einige Gedanken zur Abbildungdurch das Auge

Brennweite soll Hauptebenenabstand werden

x R

1=7.7mm,R

2=8.34mm,=0.3

R1(1 cos) R

2(1 cos) = 2.858510

2mm 20m


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Hornhautchirurgie

nderung des Krmmungsradius der Hornhaut Abtragen von Material

Auch viele Krankheiten knnen behandelt werden Hornhautersatz

Spezielles Laserlicht ermglicht Abtragen ohneSchdigung


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Bearbeiten der Lentikel mitExcimer


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Laser und Zahnmedizin

There are currently four areas of dental care thatare enjoying the benefits of laser technology:

Cavity removal can be accomplished with twocurrently available laser machines. Both have theability to remove decay within a tooth, and prepare thesurrounding enamel for bonded fillings.

The need for anesthesia is greatly reduced or eliminated overthe traditional methods. Laser energy dramatically reducesthe bacteria found in dental decay, and has beendemonstrated to enhance the tooth's ability to "heal" in

situations where "deep cavities" had existed. Several limitations : the inability to adequately remove

silver fillings, onlays, and crowns.

C i h d i b di t i l i th


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Curing, or hardening bonding materials is anotherarea where lasers have become important. Theselasers drastically reduce the time it takes to finish afilling

Whitening teeth can be accomplished with specialsolutions that are applied to the tooth surface in thedental office and activated by laser energy.

Periodontal, or gum related care.

Lasers are currently used for recontouring or reshapinggums, removing extra or diseased gum tissue associated withthe use of certain medications or periodontal disease, andremoving the bacteria in periodontal pockets to promotehealing.

Laser in der Medizin Husinsky 2007

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