Einige physikalische Grundlagen:
Energie ist die Fähigkeit Arbeit zu verrichten.
Einheit: Joule (1 J = 1 kg m/s 2 ) Leistung ist Arbeit pro Zeit. Einheit: Watt (1 W = 1 J/s)
Laser Leistung: L = 20 W
Strahldurchmesser: d = 2 mm = 2 r
Intensität: I = L/A = 637 W/cm 2 = 6,37 10 6 W/m 2 Strahlquerschnitt: A = p r 2 = 3,14 mm 2
Energie, Leistung
Zeit
L ei stu ng
Kontinuierlicher Laser
Spitzenleistung = Mittlere Leistung
Zeit
L ei stu ng
Gepulster Laser
Spitzenleistung > mittlere Leistung
Spitzenleistung
mittlere Leistung
Energie pro Pulse, z.B. 5 mJ
Zeit
L ei stu ng
Energie = Leistung mal Zeit
10 W, 10 Sekunden E = 100 J
10 Pulse mit 5 mJ
E = 50 mJ
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Einige Vorfaktoren
Milli m 10 -3
Mikro µ 10 -6
Nano n 10 -9
Pico p 10 -12
Femto f 10 -15
Atto a 10 -18
Kilo k 10 3
Mega M 10 6
Giga G 10 9
Tera T 10 12
Peta P 10 15
Exa E 10 18
Biostimulation
Wissenschaftliche Grauzone
Heilungserfolge (besonders im neurologischen Bereich) aber auch Placebo-Effekt
Ist kohärente Strahlung notwendig?
Einsatz angeblich sinnvoll für
•Wundheilung
•Entzündungshemmung
•Analgesie
Der Einfluss der Biostimulation auf die Wundheilung nach operativer Entfernung unterer Weisheitszähne
C. Neckel und P. Kukiz, LaserJournal 5(4): 22-24 (Dez. 2002)
Laser: Diodenlaser, (Ora-Laser 01 I:S:T:, Oralia, Konstanz)
Wellenlänge: 810 nm
Handstück mit Faser 600 µm Leistung: 36 mW, gepulst Bestrahlungszeit: 150 Sekunden Energie: 11,3 J/cm2 Zwei Patientengruppen: Kontrollgruppe und Lasergruppe mit je 105 Personen
0 1 2 3 4 5
0 5 10 15 20 25 30 35 40
P ro z ent sat z
Schmerzhöhe
Lasergruppe
Kontrollgruppe
4
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
>7d 6-7d 4-5d 2-3d 0-1d
Prozentsatz
Schmerzdauer
Kontrollgruppe Lasergruppe
0 20 40 60 80 100
Infektion keine Infektion
A nz ah l
Infektionsrate
Kontrollgruppe Lasergruppe
Der Einfluss der Biostimulation auf die Wundheilung nach operativer Entfernung unterer Weisheitszähne
C. Neckel und P. Kukiz, LaserJournal 5(4): 22-24 (Dez. 2002)
Photodynamische Therapie (PDT) und
Photodynamische Diagnose (PDD)
Großes Forschungsgebiet
Klinisches Versuchsstadium mit Übergang zur
klinischen Routine
PDT und PDD
Grundidee:
Beginn: Haematoporphyrin Derivate (HpD) Dosis: 2,5 – 5 mg/kg
Wartezeit: 2-3 Tage
HpD wird im Tumorgewebe angereichert
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Zeitliche Anreicherung des PS
Beispiel: Dermatologie: Rumpfhautbasaliom
Vor Therapie
PDD
5 Wochen nach Therapie
5 Wochen nach weiterer Therapie
Krutmann, Hönigsmann: Handbuch der dermatologischen Phototherapie und Photodiagnostik
ALA or MAL-induced PPIX. Schematic illustrating the interaction of the heme biosynthesis pathway with exogenous ALA or MAL to give intracellular PPIX.
Abbreviations are ALA-D = ALA dehydratase; ALA-S = ALA synthetase; Coprogen III = coproporphyrinogen III; CPO = coproporphyrinogen oxidase; FCH = ferrochelatase; HMB = hydroxymethylbilane,
PBG-D = porphobilinogren deaminase; protogen III = protoporphyrinogen; PPO = protoporphyrinogen oxidase; Urogen III =
uroporphyrinogen III; UCS = uroporphyrinogen cosynthase, UGD = uroporphyrinogen decarboxylase.
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Senile Macula-Degeneration
H. van den Bergh, Lausanne
vor nach der Therapie
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Photothermische Wechselwirkung
Hauptgebiet der medizinischen Anwendung von Lasern
Temperatur [C]
optische Änderung biochemische und physikalische Änderung
< 37° keine keine
40 - 45° keine Enzymschädigung,
Ödemausbildung,
Membranauflockerung und je nach der Einwirkzeit Zelltod
60 - 65° weißgraue Färbung, erhöhte Streuung
Proteindenaturierung, Beginn von Koagulation und Nekrose
80° Kollagendenaturierung,
Membrandefekte
90 - 100° Zellwasser verdampft, Austrocknung
> 150° schwarze Färbung, erhöhte Absorption
Karbonisierung
> 300° Rauch, Gasentwicklung
Verdampfen, Vergasen
Photothermische Wechselwirkung
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Photonenausbreitung im Gewebe
Photonenausbreitung im Gewebe
Absorptionskoeffizient und mittlere Eindringtiefe von sichtbarer und infraroter Strahlung in Wasser
Transmission in Zahngewebe
Absorption von
Hämoglobin und
Melanin
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Laserinduzierte interstitielle Thermotherapie
Idee: Tumorgewebe wird aufgeheizt und thermisch zerstört (koaguliert) ohne dass Nachbarorgane in Mitleidenschaft gezogen werden
Anwendung:
HNO, Neurochirurgie Urologie (Prostata)
Retina-Koagulation
Laserinduzierter Gewebeabtrag
Im ausströmenden Laserschmauch wird der
Laserstrahl gestreut und erreicht dadurch
keine hohe Leistungsdichte am Boden des
Laserkraters
16 Vergleich kontinuierlicher und gepulster Laserstrahl
Laserangioplastie
Aufbau der
menschlichen Haut
0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0
0.000 0.500 1.000 1.500 2.000 2.500
Molar Volume (L / mol)
Pr e s s u re (a tm )
400 K < T
c= 470 K
stable vapor stable
liquid
vapor saturation curve liquid saturation curve
metastable supersaturated or supercooled vapor
metastable superheated liquid
vapor spinodal liquid
spinodal
unstable fluid
P-V-Diagramm für ein reales Gas
18 Normales Verdampfen
Sieden findet im Gleichgewicht unter Atmosphärendruck an vorhandenen Siedekeimen statt
Sieden findet in einer Schicht mit begrenzter Dicke statt (Volumenprozess)
Energiedissipation durch Verdampfen in existierende Siedekeime und
Blasendiffusion an die Oberfläche ist langsamer als die Energiedeposition durch den Laserstrahl
Im Gewebe wird de Blasenwachstum und die Migration zur Oberfläche durch die Matrix zusätzlich behindert
Bei kurzen Laserpulsen kommt es zur Überhitzung!
(Alfred Vogel, Biophysik, Uni Lübeck)
Weg im PV-Diagramm aufgrund von gepulster Laserenergie- Deposition führt zu einer explosionsartigen Verdampfung
Phasenexplosion schnelle Energiedeposition -> Überhitzung
-> Phasenexplosion wenn die spinodale Grenze erreicht wird
Transformation der metastabilen überhitzten Flüssigkeit in stabile Dampfphase und Flüssigkeit bei Siedetemperatur
Explosionssieden jede Phasenseparation in dem metastabilen Bereich p > p
atmund T < T
spinSieden bei 100 °C findet nur statt wenn Siedekeime vorhanden sind, sonst kommt es zu einer Überhitzung (Siedeverzug) und Phasenexplosion
(Alfred Vogel, Biophysik, Uni Lübeck)
Phasenexplosion von überhitztem Wasser im Mikrowellenofen getriggert durch hinzu gegebenen Siedekeim
Hier werden Mikroblasen durch die Münze als Siedekeime hinzu gegeben; den gleichen Effekt hat ein Teebeutel Quelle: http://www.halb-eins.de/crazy/mikroraetsel
Energiebilanz: Erwärmung von 20°C zur spinodalen Grenze (~ 300°C) benötigt 1,27 kJ/g Verdampfungsenthalpie von Wasser ist zweimal so hoch
Phasenexplosion = partielles Verdampfen mit Tröpfchenauswurf
http://www.youtube.com/watch?v=SC_NtH8vWSc
Gesamte Laserenergie, die aufgewendet werden muss, um 1 g Glaskörpergewebe abzutragen Kreis: lange Pulse (240 µs) Quadrat: mittlere Pulse (190 µs) Dreieck: kurze Pulse (140 µs)
Unterschiedliche Abtragarten
A: Lange Pulse, Laserenergie geht
durch Wärmeleitung verloren
B: Kurze Pulse, geringe Wärmeleitung,
Auswurf von Tröpfchen
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Begrenztes Sieden bei Anwesenheit von Siedekeimen
Langsames Erwärmen (cw bis ms) Blasenwachstum durch heterogene Keime wird durch Gewebematrix verlangsamt Temperatur- und Druckentwicklung folgen einem Weg auf der Binodalen (begrenztes Sieden „confined boiling) Materialauswurf wenn der Druck die Festigkeit der Matrix überseigt
(Majaron et al. Appl Phys. B 69:71-80, 1999)
Schnelles Erwärmen (µs, ns) Schache Matrix: Phasen Explosion Feste Matrix: Phasen Explosion gefolgt
von begrenztem Sieden
(Alfred Vogel, Biophysik, Uni Lübeck)
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
2 4 6 8 10
