Energie
Anregung durch Pumpen
strahlungsloser Übergang
Laser- übergang
Energieniveau 3 Energieniveau 2
Energieniveau 1 (Grundzustand)
Darstellung 1 Anderung der Energieverteilung
halbdurchlässiger Spiegel
mit Lasermaterial gefülltes Laserroh r bzw. -stab
Blitzröhre zum optischen Pumpen
Laserlicht
1 t 1
Spiegel
elektrisch zugeführte Leistung
Darstellung 2: Funktionsweise eines Lasers
Zur Fortbildung Aktuelle Medizin
DEFINITION
Laser
Das von einer Glühlampe emittierte Licht besteht aus einzelnen Wellen- zügen, die sowohl verschiedene Wellenlängen, also verschiedene Frequenz oder Farbe besitzen, als auch in beliebigen Ebenen senk- recht zur Ausbreitungsrichtung schwingen, also nicht polarisiert sind. Diese Regellosigkeit der ein- zelnen Wellenzüge erklärt sich aus dem Zustandekommen der Licht- welle: Lichtquanten oder Photonen, die zu der Wellenvorstellung duale Art, in der sich das Phänomen Licht darstellt, entstehen beim Hinüber- wechseln von Elektronen von einer atomaren Bahn auf eine andere. Die- se Elektronensprünge in den ver- schiedenen Atomen einer leuchten- den Substanz geschehen natürlich vollkommen unabhängig voneinan- der, sie sind nicht aufeinander abge- stimmt; entsprechend sind die emit- tierten Wellenzüge unabhängig voneinander.
In jedem Atom gibt es nur ganz be- stimmte Bahnen, denen jeweils auch eine bestimmte Energie zugeordnet ist. Ein einzelnes Atom kann natür- lich immer nur eine bestimmte Ener- gie haben, es kann sich nur in einem bestimmten Energiezustand befin- den. Bei vielen Atomen dagegen können alle möglichen Zustände vorkommen. Dabei sind die meisten Atome natürlich in einem Zustand mit wenig Energie, dem sogenann- ten Grundzustand; nur relativ weni- ge befinden sich in energiereiche- ren, höheren Zuständen.
Strahlt man nun Wellenstrahlung geeigneter Wellenlänge auf diese Atome ein, kann sich die Energiever- teilung ändern, indem Atome unter Aufnahme von Energiequanten aus dem eingestrahlten Licht von dem unteren Niveau auf das obere Niveau gehoben werden; sie werden in ei- nen sogenannten angeregten Zu- stand gebracht. Diesen Prozeß be- zeichnet man als optisches Pumpen.
Die Rückkehr in den Grundzustand kann nun spontan erfolgen. Dabei wird zu einer unabhängigen Zeit ein Energiequant ausgesandt. Es kann
aber auch eine sogenannte induzier- te Emission stattfinden, indem näm- lich das Atom von einem äußeren Photon veranlaßt wird, in den Grundzustand zurückzuspringen und dabei ein weiteres Photon mit gleicher Energie auszusenden. Dies geschieht natürlich dann zur glei- chen Zeit, während der das ankom- mende Photon mit dem Atom wech- seiwirkt.
Das bedeutet aber nichts anderes, als daß das ankommende Photon, das heißt die ankommende Welle, verstärkt wird. Das ausgelöste Pho- ton ist genau in Phase mit der an- kommenden Welle (vergleiche Dar- stellung 1).
Dieser Vorgang erklärt das Kunst- wort „Laser", das aus den Anfangs- buchstaben von „Light Amplifica- tion by Stimulated Emission of Ra- diation" gebildet wurde.
Ein Laser, der diesen atomphysikali- schen Mechanismus ausnutzt, be- steht zum Beispiel aus einem Rubin- stab, in dem die Chromionen das eigentliche Lasermaterial sind.
Der Rubinstab wird von außen mit Licht geeigneter Frequenz, zum Bei- spiel durch eine Blitzröhre, be- strahlt. Durch dieses optische Pum- pen wird die Besetzung der Energie- niveaus der Chromionen in dem La- serstab umgekehrt (Darstellung 2).
DEUTSCHES ÄRZTEBLATT
Heft 6 vom 9. Februar 1978 307Zur Fortbildung Aktuelle Medizin
Der Rubinstab ist auf der einen Stirnseite verspiegelt, auf der ande- ren ist eine halbdurchlässige, teil- verspiegelte Schicht aufgebracht. Ist durch Pumpen die Mehrzahl der Atome in einen angeregten Zustand gehoben worden, können durch die spontane Emission eines Photons nach dem oben beschriebenen Me- chanismus weitere Atome zur Licht- aussendung angeregt werden. Aber natürlich werden nur die genau ach- senparallel sich bewegenden Photo- nen wieder in den Stab zurückge- spiegelt, während die anderen aus der Oberfläche des Stabes austre- ten.
Auf diese Weise läuft die Strahlung zwischen den beiden Spiegeln hin und her und bleibt dabei genau in Phase, da die jeweils getroffenen, angeregten Ionen im Stab genau phasenrichtige Strahlung abgeben.
Nach einigen Hin- und Herläufen tritt die Strahlung aus dem halb- durchlässigen Spiegel in den freien Raum aus und kann dort verwendet werden.
Ein Laser enthält also drei wesentli- che Elemente:
• Einen Stoff, der Atome, Moleküle oder Ionen enthält, die eine geeigne- te atomare Energieniveau-Vertei- lung haben.
Q Eine Pumpquelle, mit der die Be- setzung der Energieniveaus geän- dert werden kann.
Q Eine Anordnung, in der sich wie zwischen zwei Spiegeln ein stehen- des elektromagnetisches Feld auf- bauen kann.
Als laserfähige Materialien werden heute Gase, Flüssigkeiten und Fest- körper benutzt.
Auch das Pumpen kann nicht nur durch Einstrahlung von Licht, son- dern auf mannigfaltige andere Wei- se geschehen.
Die besonderen Eigenschaften eines durch einen Laser erzeugten Licht- strahles gegenüber dem von klassi-
schen Lichtquellen emittierten Licht liegen in:
der Monochromasie,
0
der Kohärenz und Polarisation undder Intensität und Bündelung.
Die für biologische und medizini- sche Anwendungen sicherlich wich- tigste Eigenschaft des Laserlichtes ist seine hohe Intensität und genaue Bündelung. Aufgrund der hohen In- tensität und der exakten Bündelung des Laserlichtes kann man außeror- dentlich hohe Leistungsdichten er- reichen.
Während hinsichtlich der Mono- chromasie keine besonderen Effekte bei der Wechselwirkung mit biologi- schem Material bekannt sind, könn- te die Kohärenz auch für diesen An- wendungsbereich Bedeutung erlan- gen.
Hauptanwendungsgebiete des La- sers in der Medizin liegen heute in der Therapie und hier vorzugsweise in der Ophthalmologie, wo der Laser zur Behandlung der Netzhautablö- sung routinemäßig eingesetzt wird.
Neben seinem Einsatz zur Verhü- tung von Gefäßneubildungen bei der diabetischen Retinopathie werden noch einige andere Krankheitsbilder des Augenhintergrundes mit dem Laser behandelt.
Andere Anwendungsgebiete des La- sers liegen in der Chirurgie, wo er zur möglichst unblutigen Operation in verschiedenen Gebieten dient.
Literatur
Mester, E., u. a.: Laser in der Medizin, Jahres- tagung der Gesellschaft f. Med. Physik, 1976, 117-135, Döring, A.: Laser, Bild der Wissen- schaft, 1966,437
Anschrift des Verfassers:
Professor Dr. rer. nat.
Adolf Habermehl Bahnhofstraße 7 3550 Marburg (Lahn)
Resektion
bei Kolondivertikulitis
Wie die Frühoperation des Gallen- steinträgers wird die Frühoperation mit Resektion des entzündeten Dickdarmabschnittes bei Peridiverti- kulitis empfohlen. Ohne freie Perfo- ration ist der Eingriff verhältnismä- ßig gefahrlos (Letalität von 1 Patien- ten aus 121). Bei freier Perforation mit Perikolitis überleben nur 14 von 22 Kranken. Keinesfalls soll jedoch die unkomplizierte Divertikulose oh- ne jede Entzündungszeichen oder die Divertikulose mit einfacher sub- muköser Entzündung einzelner Di- vertikel operativ behandelt werden.
Das sogenannte irritable Kolon oder die auf einzelne Divertikel begrenzte submuköse Divertikulitis zeigen zwar klinisch auch einen walzenför- migen, tastbaren Tumor. Röntgeno- logisch läßt sich jedoch in diesen Fällen verfolgen, daß sich die zieh- harmonikaförmige Kontraktur nach gewisser Zeit oder auf Gaben von Spasmolytika wieder löst. Hier feh- len auch die Entzündungszeichen wie Temperaturerhöhung, Sen- kungsbeschleunigung, Leukozytose und ebenso ein reflektorischer para- lytischer Ileus. — In diesen Fällen braucht nicht operiert zu werden.
Zeigen sich dagegen röntgenolo- gisch eine irreversible ziehharmoni- kaförmige Kontraktur mit Lichtungs- einengung, klinisch eine schmerz- hafte Walze und die oben genannten Entzündungszeichen, soll der ent- zündete Dickdarmabschnitt frühzei- tig reseziert werden. Denn in diesem Stadium einer Peridivertikulitis kann sich das Leiden nur noch verschlim- mern, insbesondere komplizieren (freie Perforation, Blutung, Ileus, in- nere Fistel). Wird zu diesem Zeit- punkt nicht operiert, liegt die Kom- plikationsrate bei 25 bis 30 Prozent.
Bloße orale Ableitungsoperationen bringen keine Heilung. Nur der ent- zündlich veränderte, muskelhyper- trophierte Kolonabschnitt muß rese- ziert werden. Ls
Reifferscheid, M., Raguse, Th.: Die chir- urgische Behandlung der Divertikulitis; Chir- urg 48 577-82 (1977); Abt. Chirurgie der Medi- zi nischen Fakultät an der RWTH Goethestraße 27-29, D-51 Aachen
FÜR SIE GELESEN Laser
308 Heft 6 vom 9. Februar 1978 DEUTSCHES ÄRZTEBLATT
