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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.