Der Laser
in Chirurgie und Endoskopie
Einführung in die
physikalischen, biophysikalischen und technischen Grundlagen
ZUR FORTBILDUNG
DEUTSCHES ÄRZTEBLATT
Frank Frank
Zu den ältesten Anwendun- gen des Lasers gehört der Einsatz in der Medizin. Mit Laserlicht läßt sich Gewe- be kontaktfrei schneiden und definiert zerstören. Da- bei nutzt man die Umset- zung von Laserlicht in Wär- me, eine Anwendung, die heute zur klinischen Routi- ne gehört. Neuere Lasersy- steme, die im Pulsbetrieb mit sehr hohen Energie- dichten arbeiten, bewirken einen optischen Durch- bruch mit die Gewebe- struktur zerstörenden me- chanischen Stoßwellen. Die Anwendung dieses Effekts ist bisher noch auf die Oph- thalmologie und - in jüng- ster Zeit - auf experimen- telle Versuche zur Zerstö- rung von Steinen be- schränkt.
D
as Akronym LASERsteht für Light Ampli- fication by Stimulated Emission of Radia- tion (Lichtverstär- kung durch induzierte Emission von Strahlung).
Atome oder Moleküle können neben ihrem energetischen Normal- zustand, dem Grundzustand, durch Zuführung von thermischer, elektri- scher, chemischer oder Strahlungs- energie (Absorption) energetisch höhere, angeregte Zustände einneh- men. Normalerweiser geht ein ange- regtes Atom oder Molekül unter Abstrahlung der aufgenommenen Energie sofort wieder in den Grund- zustand über (spontane Emission).
Es gibt aber auch Materialien, bei denen die angeregten Zustände eine
Induzierte Emission
längere Lebensdauer haben und erst nach Wechselwirkung mit einem von außen einfallenden Photon be- stimmter Wellenlänge in den Grund- zustand übergehen (induzierte Emission, Abbildung 1). Wenn in ei- nem Atom- oder Molekülsystem so viele Energiezustände angeregt sind, daß ein Photon mehr induzierte Emissionsprozesse als Absorptions- prozesse auslöst, bewirkt die frei- werdende Energie eine Lichtverstär- kung (Verstärkung durch induzierte Emission).
Zum Aufbau eines Lichtverstär- kers oder Lasers wird ein Material, bei dem induzierte Emission mög- lich ist, zwischen zwei parallele Spie- gel gebracht. Das Lasermaterial können Ionen, Atome oder Molekü- le in fester, flüssiger oder Gasphase
Abbildung 1: Schematische Darstellung der induzierten Emission im Bohrschen Atommodell. Ein Photon führt zur Emission eines zweiten Photons
sein. Die aufgrund der Anregung spontan emittierten Photonen strah- len in alle Richtungen. Nur die Pho- tonen, die an den Spiegeln reflek- tiert werden und innerhalb des La- sermediums bleiben, führen zur Lichtverstärkung durch stimulierte Emission (Abbildung 2). Einer der beiden Spiegel ist teildurchlässig, die hier austretenden Photonen bilden den nutzbaren Laserstrahl, der, ver- glichen mit normalem Licht, eine Reihe interessanter Eigenschaften besitzt:
■ Alle emittierten Photonen haben die gleiche Wellenlän- ge: der Laserstrahl ist mono- chromatisch.
■ Zwischen allen erzeugten Lichtwellen besteht eine defi- nierte räumliche und zeitliche Zuordnung: der Laserstrahl ist kohärent.
■ Alle Photonen laufen nahe- zu in der gleichen Richtung:
die Lichtwellen sind parallel, was zu einer geringen Diver- genz führt.
Diese Eigenschaften ermög- lichen die gute Fokussierbarkeit zur Erreichung hoher Energiedichten und das exakte Arbeiten mit dem Laserlichtstrahl.
1 1 1
Anregung
Laserstrahl
monochromatisch kohärent
gebündelt
Resonatorspiegel Resonatorspiegel
hochreflektierend teildurchlässig
Lasermaterial
Biophysikalisches Wirkungsprinzip
Bei im kontinuierlichen Dauer- strichbetrieb betriebenen Lasersy- stemen macht man sich zum Schnei- den und Koagulieren von Gewebe fast ausschließlich die Umsetzung von Laserlicht in Wärme und deren Wechselwirkung im Gewebe zunut- ze (photothermischer Effekt). Eine Erweiterung der Anwendungsmög- lichkeiten bieten Lasersysteme, die nicht kontinuierlich, sondern mit hochenergetischen, kurzen Pulsen arbeiten. Dabei kommt es zu hohen Energiedichten und zu einem opti- schen Durchbruch aufgrund von Ionisation der Materie. Dabei zer- stören die entstehenden mechani- schen Stoßwellen die Gewebestruk- tur (photoionisierender Effekt).
Während die thermische Dena- turierung von Gewebe über die Ko- agulation bis zur Vaporisation in den unterschiedlichen medizinischen Be- reichen zur klinischen Routine ge- hört, bleibt die Anwendung der nicht-linearen, ionisierenden Effek- te und der damit verbundenen fein- sten Ruptionen weitgehend auf die Anwendung in der Ophthalmologie und in jüngster Zeit auf die experi- mentelle Anwendung bei der Stein- zerstörung beschränkt
Die thermische Denaturierung von Gewebe läuft etwa folgender-
Abbildung 2: Prinzip eines Lasers: Die Verstärkung des Lichtes erfolgt in der Längsachse des Systems während der Mehrfach-Reflektion zwischen den Spie- geln im angeregten aktiven Material. Der Laserstrahl wird am halbdurchlässigen Spiegel ausgekoppelt
maßen ab: Struktur und Funktion le- bender Zellen werden in hohem Ma- ße von einer Vielzahl verschiedener Eiweiße bestimmt. Diese Makromo- leküle haben eine hoch geordnete Struktur, die bei Körpertemperatur stabil ist. Wird die Temperatur lokal auf etwa 50°C und darüber erhöht, geht ein bestimmter Prozentsatz die- ser Moleküle in einen energetisch aktivierten Zustand über, von dem aus ein irreversibler Übergang in den denaturierten Zustand stattfin- det. Das Eiweißmolekül verliert da- bei mehr oder weniger seine räum- liche Ordnung und damit seine Funktionsfähigkeit in der Zelle.
In einer Art chemischer Reak- tion übernehmen, unabhängig von der bestrahlten Gewebeart, einzelne thermolabile Enzyme die dominie- rende Rolle bei der Gewebsreak- tion. Es erfolgt ein verzögertes Ab- sterben des Gewebes, obwohl eine merkliche Strukturschädigung des Gewebes unmittelbar nach Bestrah- lung kaum oder gar nicht feststellbar ist.
Grad und Ausmaß der thermi- schen Einwirkung sind zum einen von den optischen und thermischen
Eigenschaften des Gewebes wie Ab- sorption, Streuung, Reflektion, Wärmeleitung, Wärmekapazität und Dichte, zum anderen von der Laser- strahlgeometrie, das heißt Lei- stungsdichte, Energie und Wellen- länge des eingestrahlten Lichts, ab- hängig. Zu berücksichtigen sind auch die Gewebestruktur, der Was- sergehalt und die Durchblutung des Gewebes (Abbildung 3).
Optische Parameter
Wichtigster optischer Parameter ist die wellenlängenabhängige Ab- sorption von Biomolekülen. Da die Elemente lebender Systeme, Ami- nosäuren, Eiweiße und Nukleinsäu- ren, trotz ihrer großen Vielfalt aus nur wenigen Grundbausteinen auf- gebaut sind, ergeben sich für die Ab- sorption optischer Strahlung einige prinzipielle Gesetzmäßigkeiten. Die Ubergänge der Biomoleküle liegen im Bereich von Wellenlängen kürzer als etwa 280 nm (Ultraviolett). In diesem Gebiet gibt es zur Zeit nur wenige und meist nur leistungs- schwache Laser. Die weitaus mole- külspezifischeren Absorptionsban- den liegen alle im Bereich von Wel- lenlängen über 1 txm (Infrarot), in dem verschiedene leistungsstarke Laser zur Verfügung stehen. Im Sichtbaren wird die optische Strah- lung von biologischen Objekten so gut wie nicht absorbiert. Zu den A-3218 (38) Dt. Ärztebl. 84, Heft 47, 19. November 1987
Laserstrahl
— Absorption
—Streuung
— Reflektion
—Dichte
—Wärmeleitung
—Wärmekapazität
Gewebe
Wassergehalt
—Leistung
—Zeit
—Wellenlänge
— Leistungsdichte
Durchblutung
wichtigsten Ausnahmen gehört das Hömoglobin in den roten Blutkör- perchen und das Pigment Melanin;
hier kommt es zu einer starken Ab- sorption im sichtbaren grünen Spek- tralbereich.
Der hohe Wassergehalt der mei- sten Gewebe führt zu einer sehr star- ken Absorption von Infrarot-Strah- lung. Durch die hohe Absorption im Wasser kommt es zu einer sehr effi- zienten Energieübertragung und Aufheizung von Gewebe bei Be- strahlung von Lasern mit infraroten Wellenlängen.
Neben der Absorption ist die Streuung als optischer Gewebepara- meter zu berücksichtigen. Gewebe ist hochstrukturiert, so daß eine ge- richtete optische Strahlung aufgrund von Reflektion, Brechung und Beu- gung in ihrer räumlichen Verteilung vollkommen geändert wird. Dieser Streueffekt tritt hauptsächlich bei ei- ner schwachen Absorption in Er- scheinung.
Thermische Eigenschaften
Die thermischen Eigenschaften von Gewebe, vor allem seine Wär- mekapazität und Wärmeleitung, können in erster Näherung denen des Wassers gleichgesetzt werden.
Eine Abschätzung der Energieaus- breitung durch Wärmeleitung wird allerdings häufig schwierig, wenn Gewebeschichten stark unterschied- licher Struktur und komplizierter Geometrie betroffen sind, wie zum Beispiel Magenwand, Netzhaut und Blasenwand, oder wenn Blutgefäße zu einer sehr unhomogenen Ener- gieabfuhr durch den zeitlich nicht konstanten Blutfluß führen.
Der Temperaturanstieg und die Temperaturverteilung im Gewebe bei der Laserbestrahlung sind von der in dem Volumen absorbierten Energie und von den thermischen Parametern des Gewebes abhängig.
Die thermischen Parameter bestim- men zunächst den Temperaturan- stieg und die anschließende zeitliche Änderung der Temperaturvertei- lung durch Wärmeleitung nach der Bestrahlung. In Abhängigkeit von der lokalen Temperatur werden fol- gende Änderungen im Gewebe be- obachtet:
Abbildung 3: Laserlicht- und Gewebepa- rameter, die die thermische Wechselwir- kung zwischen Laserstrahlung und biologi- schem Gewebe beeinflussen
■ Bei einer Erwärmung bis etwa 45°C treten keine wesent- lichen organischen Änderun- gen, das heißt keine irreversi- blen Schädigungen des Gewe- bes auf.
■ Zwischen 45°C und 60°C werden die Enzyme denatu- riert und die Zellmembran auf- gelockert.
■ Eine über einige Sekunden andauernde thermische Bela- stung über 60°C bewirkt eine Koagulation, das heißt eine Denaturierung des Eiweißes.
■Bei 82°C ist eine Dunkelfär- bung des Blutes zu beobach- ten.
■ Zwischen 90°C bis 100°C fängt das Zellwasser an zu ver- dampfen. Nach Austrocknung und Schrumpfung des Gewe- bes steigt die Temperatur schnell auf einige hundert Grad, wobei es karbonisiert und anschließend verdampft und verbrennt.
Laser-Systeme für medizinische Anwendungen
Für die Anwendung in der Chir- urgie und den angrenzenden Gebie- ten haben der Argon-Laser, der Kohlendioxyd (CO 2)-Laser und der Neodym (Nd):YAG-Laser besonde- re Bedeutung erlangt. Beim CO,- Laser dient Kohlendioxydgas als La- sermedium, welches in einem Glas- rohr durch elektrische Entladung angeregt wird. Der CO 2-Laser emit- tiert unsichtbare infrarote Strahlung bei einer Wellenlänge von 10,6 mn.
Für die mikro- und tumorchirurgi- sche Anwendung in der plastischen Chirurgie, Neurochirurgie, Gynäko- logie, Oto-Rhino-Laryngologie und Thoraxchirurgie werden Systeme mit Leistungen zwischen 20 W und 100 W angeboten (Abbildung 4).
Für die mittlere Infrarotstrahlung des CO2-Lasers ist die Absorption durch das Gewebe sehr hoch und da- durch die Streuung vernachlässigbar klein. Die Lichtenergie wird an der Gewebeoberfläche vollständig in Wärme umgesetzt. Die hohe Ab- sorption von CO 2-Laserstrahlung im Gewebe führt zu einer ausgezeich- neten Schnittwirkung mit geringer
Ödemreaktion.
Beim Argon-Laser werden Ar- gon-Ionen als Lasermedium be- nutzt. Die Anregung erfolgt durch
Gasentladung wiederum in einem Glas- oder Keramikrohr. Der Ar- gon-Laser emittiert im sichtbaren blauen und grünen Spektralbereich bei 488 nm und 514 nm. Für die me- dizinische Anwendung in der Der- matochirurgie , Oto-Rhino-Laryngo- logie und Ophthalmologie stehen Leistungen bis zu 10 W zur Verfü- gung. Die Absorption der Argon- Laserstrahlung ist schwächer als die der CO2-Laserstrahlung. Das Ein- dringen der Argon-Laserstrahlung in Gewebe ist durch die selektive Absorption im Hämoglobin und im Pigment Melanin begrenzt. Das führt zu einer oberflächlichen Ko- agulation, das heißt einer Zerstö- rung des Gewebes zunächst ohne Gewebeabtragung. Eine Eindring- tiefe von 0,5 mm ist typisch.
Beim Nd:YAG-Laser werden als Lasermedium Neodym-Atome benutzt, die in einem Yttrium-Alu- minium-Granat-Kristall eingelagert sind. Um den Nd:YAG-Kristall sind Hochleistungsentladungslampen an- geordnet, deren Licht die Nd-Ato- me anregt. Der Nd:YAG-Laser emittiert infrarotes, unsichtbares Licht bei einer Wellenlänge von 1,06 gra und bei 1,32 Rm. Je nach Art der Entladungslampen kann der Nd:YAG-Laser gepulst oder kon- tinuierlich betrieben werden. In speziellen Resonatoranordnungen (Q-switch-System mit Nanosekun- den-Pulsen, mode-locking-System mit Pikosekunden-Pulsen) kann der Nd:YAG-Laser sehr kurze, energie- reiche Pulse emittieren. Diese Syste- me kommen in der Ophthalmologie zum Einsatz. Die chirurgischen Nd:YAG-Laser haben Laserleistun- gen bis zu 120 W im kontinuierlichen Betrieb und werden in der Gastro- enterologie, Urologie, Pulmologie, Neurochirurgie, Gefäßchirurgie, zahnärztliche Chirurgie und Derma- tologie eingesetzt (Abbildung 5).
Für die Emission des Nd:YAG- Lasers im nahen Infraroten ist die Absorption im Gewebe sehr gering.
Die optische Streuung des Gewebes tritt bei dieser Wellenlänge stark in Erscheinung und fördert eine gleich- mäßige Verteilung der Strahlung im Gewebe. Die geringe Absorption führt zu Koagulationstiefen bis 6 mm. Das von Laserlicht erfaßte Ge-
Abbildung 4: 60-W-0O 2-Laser für die chir- urgische Anwendung mit einem Gelenk- lichtleiter zur Übertragung der Laserstrah- lung (sharplan 1060; Hersteller: Laser In- dustries, Ltd.)
Abbildung 5: 100-W-Nd:YAG-Laser für die endoskopische Anwendung. Das Laser- licht wird über flexible Quarzglaslichtlei- ter appliziert (mediLas 2; Hersteller: MBB- Medizintechnik GmbH)
webevolumen wird erwärmt, und es kommt dadurch zu einem verzöger- ten Absterben des Gewebes ohne ei- ne merkliche Strukturschädigung Bei sehr geringem Oberflächende- fekt findet man eine tiefgreifende Koagulationsnekrose, die insbeson- dere bei Hohlorganen alle Schichten der Wand erfaßt. Die hohe Tiefen- wirkung des Nd:YAG-Lasers führt zum Verschluß von Blut- und Lymphgefäßen.
Die Geräte-Auswahl
Für die chirurgische Anwen- dung werden zur Zeit auf dem inter- nationalen Markt etwa 40 verschie- dene Nd:YAG-Lasersysteme (25 Dauerstrichsysteme und 15 gepulste Systeme), etwa 20 CO 2-Lasersyste- me und etwa 10 Argon-Lasersyste- me angeboten. Im Vordergrund der chirurgischen Laseranwendung steht das kontaktfreie Arbeiten. Dabei wird beim CO2-Laser der Laser- strahl über Spiegelsysteme (Gelenk- lichtleiter) zum Operationsfeld hin übertragen und dort mit einem Fo- kussierhandstück appliziert. Für den mikrochirurgischen Einsatz des CO2-Lasers erfolgt eine direkte Ad- aptierung an das Mikroskop. Der Laserstrahl wird dabei über einen beweglichen Spiegel im Gesichtsfeld des Mikroskops geführt. Für den Nd:YAG- und den Argon-Laser ste- hen dünne, flexible Quarzglas-Licht- leiter zur Leistungsübertragung zur Verfügung, was neben der chirurgi- schen Anwendung alle Möglich- keiten des endoskopischen Einsatzes eröffnet. Unmittelbar mit der ersten medizinischen Laseranwendung wurde klar, daß die Laserstrahlung nur zu effizienten Ergebnissen führt, wenn sie präzis mit geeigneten In- strumenten eingesetzt werden kann.
Eine Vielzahl von unterschiedlichen Instrumenten ist für den klinischen Routinegebrauch entwickelt wor- den, damit der Chirurg die Vorteile der Laserstrahlung einfach handha- ben und nutzen kann.
Laser-Endoskopie
Von den verschiedenen Einsatz- möglichkeiten des Lasers in der Chirurgie kommt der endoskopi- A-3222 (42) Dt. Ärztebl. 84, Heft 47, 19. November 1987
schen Anwendung des Nd:YAG-La- sers eine wesentliche Bedeutung zu.
Eine breite Palette von Laserendo- skopen wird benutzt. Zur Übertra- gung der Strahlung des Nd:YAG- Lasers werden Lichtleiter mit ko- axialem Gaskühlstrom und flüssig- keitsgespülte Lichtleiter mit den Endoskopen kombiniert (Abbildung 6). In der Gastroenterologie finden die üblichen flexiblen Diagnosein- strumente ohne jede Modifikation Verwendung. Der Lichtleiter wird im Arbeitskanal geführt und kann dann distal beliebig vorgeschoben werden.
Auch in der Pulmologie können die üblichen Fiberskope verwendet werden. Bei zweikanaligen Instru- menten wird in einem Kanal die La- serfaser geführt, der andere dient als Absaugkanal. Kompliziertere Fälle von Tumorresektionen im Bron- chialbereich machen eine Bestrah- lungstechnik notwendig, bei der gleichzeitig abgesaugt und beatmet werden kann Für diesen Zweck steht ein mehrkanaliges, starres Bronchoskop zur Verfügung. Der Lichtleiter wird zuammen mit der Beobachtungsoptik im Schaft ge- führt, in dem sich Beatmungs- und Absaugkanal befinden.
Für die Behandlung von Tumo- ren im Urogenitalsystem stehen ver- schiedene endoskopische Laserin- strumente zur Verfügung. Für die ambulante Behandlung kleinerer
Abbildung 6: Verschiedene starre Endo- skope wie Laser-Zystoskop, Laser-Bron- choskop und neurochirurgisches Laser- Endoskop zur Verwendung mit dem Nd:YAG-Laser (Hersteller: Karl Storz GmbH & Co.)
Blasentumoren setzt sich das Instru- ment aus einem Urethrozystoskop- schaft von 19 Charr. bis 21 Charr., einer Standard-Beobachtungsoptik mit wahlweise verschiedenem Sicht- winkel und einem speziellen Laser- zystoskopeinsatz zusammen. Das di- stale Lichtleiterende kann bis zu et- wa 8° abgebogen werden. Für die klinischen Eingriffe bei größeren Tumoren und für die Laserbestrah- lung des Tumorbettes nach vorange- gangener Elektroresektion steht ei- ne Anordnung mit 24 Charr. mit er- höhtem Spüldurchsatz zur Verfü- gung. Für die Bestrahlung von Tu- moren in der Harnröhre hat sich die Verwendung eines modifizierten Zy- stoskopschaftes von 20 Charr. be- währt, bei dem die Laserfaser seit- lich austritt. Zur Tumorbehandlung im unteren Teil des Harnleiters ist ein dreiteiliges Ureterorenoskop von 9 Charr. entwickelt worden. Ein spezieller Schaft mit Sondenkanal erleichtert die Einführung des In- struments.
Zur Behandlung von intrauteri- nen Blutungen und zur Tumorko- agulation im Uterus ist ein Laserhy- steroskop entwickelt worden. Die starre Optik erlaubt eine Laserbe-
strahlung unter Sichtkontrolle. Für die laparoskopische Anwendung des Nd:YAG-Lasers in der Gynäkologie können die üblichen Operationsla- paroskope durch spezielle Einsätze ergänzt werden, in dem der Lichtlei- ter mit koaxialem Gasstrom geführt wird.
Zum endoskopischen Einsatz des Nd:YAG-Lasers im Ventrikelsy- stem und zur Eröffnung von Zysten im Gehirn ist ein Laserenzephalo- skop , bei dem das Faserende gleich- falls beweglich ist, entwickelt wor- den. Das Instrument wird unter Sicht eingeführt.
Über die Vielzahl der erprobten und gesicherten Anwendungen des besonderen Lichtes des Lasers in der Medizin zeichnen sich für die Zu- kunft weitere erfolgversprechende Laserapplikationen etwa bei der Tu- morbehandlung, der Gefäßchirur- gie, der Steinzerstörung ab. Der La- sereinsatz ist immer dort sinnvoll, wo er aufgrund des Erfolges anderen Methoden überlegen ist. Insbeson- dere die endoskopische Anwendung führt zu wesentlich geringerer Bela- stung des Patienten und vermeidet lange Liegezeiten im Krankenhaus.
Anschrift des Verfassers:
Dr.-Ing. Frank Frank
MBB-Medizintechnik GmbH Applikationsforschung Postfach 80 11 68 8000 München 80
