Archiv "Laser in der Medizin" (25.05.1978)

ÜBERSICHTSAUFSATZ

1. Physikalische Grundlagen zum Laserprinzip

Nach der Entdeckung des Laser- Prinzips (1950/58), dessen tech- nisch-konstruktiver Realisation (1960) sowie nach der industriellen Anwendung in der Meßtechnik und Materialbearbeitung haben Lasersy- steme auch Eingang auf diagnosti- schem und therapeutischem Gebiet in der Medizin gefunden. Für die An- wendung in einzelnen Fachgebie- ten, vor allem in der operativen En- doskopie, haben sich seit 1970/71 verschiedene Lasertypen unter- schiedlicher Wirkung als geeignet herauskristallisiert.

Qualität und Quantität dieser Wir- kung im medizinischen Bereich sind im wesentlichen abhängig von der Leistung und der spektralen Zusam- mensetzung des Laserlichts. Die Grundlagen hierzu lassen sich am Prinzipaufbau eines Lasersystems erläutern.

Laser ist die Abkürzung von „Light Amplification by Stimulated Emis- sion of Radiation". Dies bedeutet

„Lichtverstärkung durch induzierte Emission von Strahlung". Der Laser ist eine intensiv strahlende Licht- quelle, die weitgehend parallele elektromagnetische Strahlen be- stimmter Wellenlänge aussendet, die in einem geeigneten Atom- oder Molekülsystem entstehen.

1.1 Erzeugung von Laserstrahlen Atom- oder Molekülsysteme können neben ihrem energetischen Normal- zustand, dem Grundzustand, durch Zuführung von thermischer, elektri-

scher, chemischer oder Strahlungs- energie (Absorption von Energie) verschiedene energetisch höhere,

„angeregte" Zustände einnehmen.

Normalerweise geht ein so angereg- tes Atom- oder Molekülsystem unter Abstrahlung der aufgenommenen Energie sofort wieder in den Grund- zustand über (spontane Emission).

Es gibt aber auch eine Reihe von angeregten Zuständen mit wesent- lich höherer Lebensdauer, die erst durch Wechselwirkung mit einer von außen einfallenden Lichtquelle be- stimmter Wellenlänge wieder in den Grundzustand übergehen (induzier- te Emission).

Wenn in einem Atom- oder Molekül- system so viele Energiezustände an- geregt sind, daß eine Lichtwelle mehr induzierte Emissionsprozesse als Absorptionsprozesse auslöst, bewirkt die frei werdende Energie eine Verstärkung der Lichtwelle (Verstärkung durch induzierte Emis- sion).

Den prinzipiellen Aufbau eines La- sers zeigt Darstellung 1. In einem Lasermedium — einem Material, für das die eingangs erwähnten ange- regten Zustände hoher Lebensdauer existieren — werden durch Zufuhr von Pumpenergie ausreichend viele Atom- oder Molekülsysteme ange- regt. Die entstehende Strahlung wird durch die beiden Resonator- spiegel reflektiert, durchläuft an der festgelegten Achse das angeregte Lasermedium mehrmals und wird bei jedem Durchlauf verstärkt.

Ein Teil der so erzeugten Laser- strahlung tritt durch den teildurch- lässigen Resonatorspiegel aus und steht dem Anwender zur Verfügung.

Die besonderen physikali- schen Eigenschaften von La- ser-Strahlung und ihre Wech- selwirkung mit biologischem Gewebe lassen neue thera- peutische Einsatzmöglichkei- ten erkennen. Insbesondere wenn geeignete Transmis- sionssysteme mit entspre- chenden peripheren Instru- menten aus der alltäglichen klinischen Praxis gekoppelt werden. Mit der Anwendung in der Therapie gastrointesti- naler Blutungen sowie bei Blasentumoren hat sich der Laser mit diesen peripheren Hilfen eine bedeutende Stel- lung in der Notfallendoskopie und urologischen Tumorchir- urgie erobert. Weitere endo- skopische Ansätze erscheinen erfolgversprechend.

1.2. Eigenschaften der Laserstrahlung

Durch das beschriebene Verfahren hat der ausgekoppelte Laserstrahl drei für seine Anwendung wesentli- che Eigenschaften:

1.2.1 Monochromasie

Es wird nur eine bestimmte Wellen- länge verstärkt: das heißt, die Laser- strahlung stellt spektrographisch ei- ne sehr schmale Linie dar, ist farb- lich gesehen also von einer „Rein- heit", wie sie in der Natur nicht vor- kommt (Darstellung 2).

1.2.2 Kohärenz

Durch den Verstärkungsmechanis- mus besteht zwischen den Wellen der Laserstrahlung eine feste räum- liche und zeitliche Phasenbezie- hung, die Wellen sind immer „im gleichen Takt" (Darstellung 3).

1.2.3 Geringe Divergenz

Da nur solche Strahlen verstärkt werden, deren Richtung in etwa mit der durch die Resonatorspiegel fest- gelegten Achse zusammenfällt, ist

Laser in der Medizin

Grundlagen, Technik

sowie Anwendung in der operativen Endoskopie

Klaus Schaffler und Werner Rother

DEUTSCHES ÄRZTEBLATT Heft 21 vom 25. Mai 1978 1245

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Wellenlänge X.

Darstellung 2: Die spektrale Band- breite von Lasern im Vergleich zu gewöhnlichen Lichtquellen Resonator-

spiegel Resonator-

spiegel

Laser-aktives Material • Grundzustand angeregt Lichtquant

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Pump-Energie

t

Zur Fortbildung Aktuelle Medizin

Laser in der operativen Endoskopie

der ausgekoppelte Laserstrahl weit- gehend parallel. Dadurch gelingt es, mit Linsen sehr kleine Brennflecke hoher Leistungsdichte beziehungs- weise Intensität zu erzeugen (Dar- stellung 4).

1.3 Verschiedene Lasersysteme Entsprechend dem Aggregatzu- stand des Lasermaterials lassen sich Lasersysteme in folgende Katego- rien einteilen:

1.3.1 Festkörperlaser

Festkörperlaser bestehen aus einem Kristall mit eingelagerten Ionen. Die- se Ionen werden durch Zuführung von Lichtenergie angeregt (Opti- sches Pumpen). Die gebräuchlich- sten Festkörperlaser sind der Rubin- laser (mit Cr 3+ -Ionen aktiviertes Alu- miniumoxid Al 203) und der YAG-La- ser (mit Nd 3 +-Ionen dotiertes Yt- trium-Aluminiumoxid Y 2A1,0 12)•

1.3.2 Flüssigkeitslaser

Auch flüssige Verbindungen eignen sich als Lasermaterial. Dabei sind Ionen der seltenen Erden oder orga-

nische Fluoreszenzfarbstoffe (Dye- Laser oder Farbstofflaser) in Flüs- sigkeit gelöst, die sich in einer Kü- vette befindet.

Die Anregung und der Resonator- aufbau sind ähnlich wie beim Fest- körperlaser.

1.3.3 Gaslaser

Die meisten Gase, vorwiegend die Edelgase, aber auch gasförmige Verbindungen, eignen sich als akti- ves Lasermaterial. Die Anregung er- folgt direkt durch Stromdurchgang (Gasentladung) oder durch Umset- zen von chemischer Energie (Gasdy- namischer Laser). Es gibt eine Viel- zahl von Gasen, bei denen ver- schiedene Energiezustände des Atoms möglich sind, so daß je nach den Betriebsbedingungen verschie- dene Wellenlängen emittiert werden.

Auch die ein- und mehrfach ionisier- ten Gasatome können als Laserma- terial verwendet werden. Die ge- bräuchlichsten Gaslaser sind der Helium-Neon-Laser, der Argon-lo- nen-Laser und der Kohlendioxidla- ser.

2. Wechselwirkung von Laserstrahlung mit biologischem Gewebe

2.1 Absorption

Auf Grund der stofflichen Zusam- mensetzung, des Wassergehaltes und anderer Faktoren wird Laser- strahlung in den verschiedenen Ge- webearten unterschiedlich absor- biert. Dieser Effekt ist naturgemäß stark wellenlängenabhängig. Ein Beispiel: Darstellung 5 zeigt die bei einer Hautbestrahlung verbleibende Laserstrahlungsleistung in verschie- . denen Hautschichten. Bei der Ab- sorption wird der größte Teil der La- serstrahlung nach einigen Zwi- schenprozessen in Wärme umge- wandelt.

Aus der Abbildung kann man ent- nehmen, daß die Eindringfähigkeit von Laserstrahlung in Gewebe im Spektralbereich 0,6-1,1 !im beson- ders hoch ist. Laserstrahlen im Be- reich unter 0,4 j.im oder oberhalb 1,8 !im werden dagegen schon in ei- ner dünnen Gewebeschicht voll- ständig absorbiert. Entsprechend wird dann die gesamte eingestrahlte Energie in einem kleinen Volumen

Darstellung 1: Schematische Darstellung eines Lasers: Das aktive Material wird optisch gepumpt. Die Verstärkung des Lichtes erfolgt in der Längsachse des Systems durch Rückreflexion in das aktive Material. Der Laserstrahl wird durch einen teildurchlässigen Spiegel ausgekoppelt

gewöhnliches Licht

Laserstrahlung

umgesetzt. Je nach Leistung des verwendeten Lasergerätes und der Zeitdauer der Bestrahlung sowie den Gewebeeigenschaften treten die folgenden Wirkungen nachein- ander auf:

..,.. Lokale Gewebserwärmung ..,.. Beschleunigung physiologischer

Prozesse

..,.. Steigerung der Mitosegeschwin- digkeit usw.

..,.. Dehydrierung

..,.. Gewebsschrumpfung (dieser Pro- zeß ist in der Regel reversibel) ..,.. Bildung von Ödemen

..,.. Irreversible Eiweißdenaturierung (Koagulation)

..,.. Thermolyse (Karbonisierung) ..,.. Verdampfen des Gewebes

2.2 Streuung (Abb. 2)

Auf Grund der optischen lnhomoge- nitäten breitet sich Laserstrahlung im Gewebe nicht, wie in Luft, weit-

Laser in der operativen Endoskopie

gehend geradlinig aus, sondern es kommt zu einer Vielzahl von Streu- prozessen, die häufige Richtungs- änderungen bewirken (vgl. Darstel- lung 6).

Auch die Streuung ist sehr stark wel- len längen- und gewebsartabhängig.

Im allgemeinen wird rotes oder in- frarotes Licht schwächer gestreut als blaues oder ultraviolettes Licht.

Diese Streuung ist verantwortlich dafür, daß auch bei lokaler Einstrah- lung immer eine umliegende Gewe- bezone von der Strahlung miterfaßt wird.

Bei Laserstrahlen, die vom Gewebe stark absorbiert werden (zum Bei- spiel C0₂-Laser-Strahlen) kann die Wirkung der Streuung vernachläs- sigt werden (Schneideeffekt). Bei Laserstrahlung, die tief in das Gewe- be eindringen (zum Beispiel Neo- dym-VAG-Laser-Strahlen) ist die Streuung jedoch von großer Bedeu- tung und verhindert auf diese Weise das Auftreten zu hoher punktueller Leistu ngsd ichten.

Durch die Streuung werden größere Gewebsvolumina homogener be- strahlt und erwärmt (Koagulations- effekt).

Darstellung 3 (links): Phasenbe- ziehung von gewöhnlichem Licht und bei Laserstrahlung

l f---:

Darstellung 4 (oben): Divergenz von normalen Lichtquellen und Lasern

2.3 ln der operativen Medizin eingesetzte Lasertypen und ihre . Anwendung

Der C0₂-Laser ist ein Molekül-Gas- Laser. Die Emission des C0₂-Laser liegt bei 10 600 nm. Der Wirkungs- grad ( = Verhältnis von erzeugter Laserlichtleistung und zugeführter Pumpleistung) ist mit 30 Prozent sehr günstig. Der hohe Absorptions- koeffizient (für Lebergewebe 200 cm-¹) führt zu hoher räumlicher Leistungsdichte und geringer Ein- dringtiefe in biologischem Gewebe.

C0₂-Laser eignen sich zum blutfrei- en Schneiden von Geweben, falls die durchtrennten Gefäße Kapillar- gefäße sind. Strahlungen dieser Wellenlänge lassen sich zur Zeit je- doch nur über relativ aufwendige Spiegelsysteme übertragen, was die Handhabung erheblich erschwert.

2.3.2 Neodym-VAG-Laser

Der Neodym- YAG-Laser ist ein Fest- körper-Laser, dessen verstärkendes Medium aus Neodymionen besteht.

Das Trägermaterial ist ein zylindri-

DEUTSCHES ARZTEBLATT

Heft 21 vom 25. Mai 1978 1247

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Laser in der operativen Endoskopie

scher Kristall. Die Anregung (Erzeu- gung der Inversion) erfolgt durch optisches Pumpen mit Hilfe einer Krypton-Bogenentladungslampe.

Der Neodym-YAG-Laser kann ge- pulst oder kontinuierlich betrieben werden. Im kontinuierlichen Betrieb werden mit einfachen Systemen Lei- stungen bis 100 Watt erreicht. Die Emission liegt im nahen Infrarotbe- reich bei 1000 nm. Der Wirkungs- grad beträgt für diese Wellenlänge ca. 2 Prozent.

Wegen des kleineren Gewebeab- sorptionskoeffizienten (für Leberge- webe ca.

11

cm-¹) ist die Eindring- tiefe der Strahlung relativ groß, sie liegt bei 0,8 mm (vergleichsweise:

0,05 mm für C0₂-Laser-Strahlung).

Dies führt zur Erwärmung größerer Gewebsvolumina und damit zur tie- fen Koagulation von Gewebsschich- ten.

2.3.3 Argonlaser

Beim Argonlaser handelt es sich um einen Gas-Ionen-Laser. Die erzielten Laserausgangsleistungen betragen bis 10 Watt, bei größeren Rohren bis 20 Watt. Die emittierte Strahlung be- steht aus mehreren Linien mit zwei

kräftigen Hauptlinien bei

488

nm und

515

^nm. Die Betriebsart ist im medizinischen Bereich kontinu- ierlich.

Nd-YAG- und Argonlaser eignen sich gut zum dauerhaften, berüh- rungsfreien und tiefenwirksamen Koagulieren, zum Teil auch zum Ab- tragen kleiner Gewebeteile. Wegen der Verwendbarkeit von Lichtleitern werden diese Systeme neben übli- chen chirurgischen Eingriffen vor allem endoskopisch eingesetzt. Da- bei wird der Lichtleiter in einem Biopsiekanal des Endoskops ge- führt. Wegen der höheren, verfügba- ren Ausgangsleistung des Nd-VAG- Lasers und der besseren Eindring- tiefe seiner Strahlung in Gewebe ist der Nd-YAG-Laser jedoch zum schnellen Koagulieren massiver Blu- tungen besser geeignet.

3. Optische Transmissionssy- steme in der Endoskopie

3.1 Technische Voraussetzungen Die Einkopplung (das heißt die Übertragung) der emittierten Laser- strahlung, die unter. anderem auch abhängig von der Wellenlänge der

Keratin Hämoglobin

emittierten Strahlung ist, kann auch in andere optische Medien, wie Spiegel, Prismen und Lichtleitersy- steme, erfolgen und erlaubt mit un- terschiedlichen peripheren Instru- menten (zum Beispiel mit starren und flexiblen Endoskopen) einen Einsatz in der operativen Endosko- pie.

Die Einsatzmöglichkeiten derartiger Transmissionssysteme sind durch folgende prinzipiellen Kriterien fest- gelegt:

..,. Transmissionsgrad (eventuelle Leistungsverluste)

..,. mechanische Festigkeit (Flexibi- lität)

..,. geometrische Gestalt (optische Eigenschaften, wie Divergenz und Einkoppelbarkeit).

Darüber hinaus gibt es Kriterien, die über den praktisch-klinischen Ein- satz entscheiden, zum Beispiel die Anwendung von Spiegelarmsyste- men (mit Prismen und Spiegeln) ist selbst beim Einsatz an starren Endo- skopen nur bedingt möglich. Die Möglichkeiten eines flexiblen Trans- missionssystemes sollten sowohl

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Darstellung 5: Transmission in verschiedenen Hautschichten bei Laserbestrahlung der Haut

Laser in der Medizin

bei der Anwendung von starren als auch bei flexiblen Endoskopen voll ausgeschöpft werden.

3.2 Lichtleitertypen

für den endoskopischen Einsatz ..,_ Flüssigkeitslichtleiter: Der guten Flexibilität derartiger Lichtleiter ste- hen die schlechten Transmissions- eigenschaften durch die Unreinheit der verwendeten Flüssigkeitsarten sowie die daraus resultierende star- ke Divergenz des Laserstrahls am Austrittsende (am Applikationsort) entgegen.

..,_ Kunststofflichtleiter: Diese Leiter sind nicht in der Lage, Hochlei- stungslaserstrahlung zu übertragen, da die Temperaturresistenz nicht gegeben ist; zudem sind die Lei- stungsverluste und die Divergenz zu groß. Dagegen ist ihre mechanische Beanspruchbarkeil hoch.

..,_ Glasfasern: Die übertragbare Leistung ist groß, jedoch sind diese Fasern spröde und unterliegen durch starke Verunreinigungen ei- nem relativ hohen Transmissions- verlust.

..,_ Quarzfasern: Sie sind wie die Glasfasern mechanisch nicht über- mäßig beanspruchbar, weisen je- doch einen hohen Transmissions- grad (bis 90 Prozent) und eine gerin- ge Divergenz auf, die durch den rei- nen und homogenen Charakter des Materials bedingt sind. Zudem läßt sich die Faser für eine gute Einkopp- lung (große Fläche, geringe Tempe- raturverluste) geeignet verformen.

Die Konstruktion einer bi- bezie- hungsweise trikonischen Quarzfaser durch Naht war auf diesem Gebiet bahnbrechend.

4. Klinischer Einsatz von Lasern

in der operativen Endoskopie

4.1 Instrumentarium

Für die endoskopische Laseranwen- dung eignen sich grundsätzlich alle starren und flexiblen Endoskope,

• •

Darstellung 6: Streuung von Laserstrahlung in inhomogenem Gewebe

die eine genügende Kanalzahl sowie ausreichende Spül- und Absaugka- pazität aufweisen. Die Einbringung des Lichtleiters in genügend weite Biopsiekanäle oder in eigens ge- schaffene Kanäle ermöglicht den Einsatz an den verschiedensten Applikationsorten unter anderem in der gastroenterologischen und um- logischen operativen Endoskopie.

4.2 Anwendungen

Die mit Quarzfenstern oder Prismen verschlossenen Kanäle lassen unter Sichtkontrolle und der Anwendung eines Pilotlasers (als Hilfsziellicht- quelle nur bei Lasern erforderlich, die im infraroten Bereich arbeiten) bisher die Stillung schwerer gastro- intestinaler Blutungen (Kiefhaber und Moritz) sowie die Behandlung benigner und maligner Blasenturna- re (Hofstetter und Staehler) und die Beseitigung von Strikturen der Ure- thra (Bülow) zu.

Als geeigneter Lasertyp für diese Anwendung hat sich durch sein gu- tes Penetrationsvermögen ins Ge- webe der Nd-YAG-Laser durchge- setzt. ln Verwendung mit der bikoni- schen Quarzfaser vermag er durch seine hohe Leistung und tiefe Ko- agulationsmöglichkeit auch arteriel- le Blutungen und Varizenblutungen größeren Ausmaßes zu stillen und Blasentumoren bis Haselnußgröße

zu exstirpieren. Für die Zukunft zeichnen sich endoskopische An- wendungsmöglichkeiten im Bereich der Gynäkol.ogie, Neurochirurgie und im HNO-Bereich ab.

Das berührungslose, atraumatische Arbeiten mit dem Laser in Verbin- dung mit geeigneten peripheren In- strumenten eröffnet der nichtoffe- nen Chirurgie zahlreiche zusätzliche Möglichkeiten.

Literatur

Kiefhaber, P, et al.: Endoscopical Control of Massive Gastrointestinal Hernonhage by Irra- diation with a High-Power Neodymium-VAG- Laser. Progress in Surgery, Vol. 15 (1977) 140-155 - Kiefhaber, P, et al.: Der Einsatz des Neodym-VAG-Lasers bei der endoskopischen Blutstillung im Rahmen der Notfallendoskopie.

Fortschritte der gastroenterologischen Endo- skopie. 8 (1977) 226-232-Kiefhaber, P, et al.:

Endoskopische Blutstillung gastrointestinaler Blutungen mit einem leistungsstarken Neo- dym-VAG-Laser. Der Chirurg 48 (1977) 198-203 - Staehler, G., Hofstetter, A., Schmied!, F., Rother, W., Keiditsch, E.: Endo- skopische Laser-Bestrahlung von Blasentumo- ren des Menschen, Fortschritte der Medizin 1 (1977) 3-7

Anschrift für die Verfasser:

Dr. med. Klaus Schaftier Messerschmitt-Bölkow-Biohm GmbH.

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