Side 4-6: Laserens gennembrud

risoe.dk

Side 4-6: Laserens gennembrud

RisøNyt 1/02

Medicin

Laserens

gennembrud Af Lise Penter Madsen, videnskabsjournalist

>>

Laseren er godt 40 år gammel og allerede i begyndelsen af 1960'erne viste

potentialet for medicinske anvendelser sig. Ikke mindst anvendelser inden for

dermatologien.

Rubinlaseren var den første fungerende laser, der blev udviklet. Det var i 1960.

Udviklingen af laseren betød store fremskridt inden for grundforskningen og en

lang række anvendelser, bl.a. materialebearbejdning. Hurtigt viste det sig, at laseren

også havde mange medicinske anvendelser, ikke mindst inden for dermatologien,

hvor vekselvirkningen mellem laserlys og væv er blevet anvendt både til

behandlinger af kosmetisk karakter - fjernelse af uønsket hårvækst, fjernelse af

skæmmende pigmentering, fjernelse af tatoveringer og udglatning af rynker - og til

behandling af cancer.

I 1964 rapporteredes det første tilfælde af

behandling af hudcancerceller med en rubinlaser.

Samme år blev argon-laseren og CO2 laseren udviklet og efterhånden som man gennem

forskning fandt ud af, at flere materialer

og kemiske stoffer kunne anvendes som lasermaterialer,

blev flere lasere udviklet.

Det er laserens aktive medium, der bestemmer

bølgelængden af det lys, den udsender, og det

er netop lysets bølgelængde, der først og

fremmest er afgørende for lys-væv vekselvirkningen.

F.eks. øges det synlige laserlys'

indtrængningsdybde i huden med bølgelængden.

En lang række forskellige lasersystemer

med bølgelængde fra ca. 500 nm (grønt synligt

lys) op til ca. 1000 nm (usynligt, infrarødt

lys) anvendes inden for dermatologien. Ønskes

f.eks. blågrønne tatoveringer fjernet, er rubinlaseren,

der udsender en rød lysstråle med en

bølgelængde på 694 nm, særdeles velegnet.

En Nd:YAG laser ved 1064 nm trænger dybere

ind i vævet og er f.eks. benyttet til fjernelse af

basalcellekarcinoma og malign melanoma

(modermærkekræft). Nd:YAG-laserens højere

indtrængningsdybde skyldes, at vand og

hæmoglobin har en hhv. meget lav og forsvindende

absorptionskoefficient ved bølgelængder

omkring 1000 nm, hvilket betyder, at lyset

ikke bliver 'opslugt'.

Ønsker man en afgrænset høj energi i kort tid

for at opnå enten en termisk effekt (fordamp-

ning af væv) eller for at starte en kemisk proces

(som beskrevet ved behandling med fotodynamisk

terapi) er det muligt at skrue op for

laserens intensitet og i nogle tilfælde at tilpasse

dens pulslængde.

Lys-væv-vekselvirkningen afhænger altså ikke

kun af lysets bølgelængde, men også af, hvordan

man har justeret laseren. Sagt på en

anden måde: Det er anvendelsesformålet, der

bestemmer valget af lasersystem.

Pionér-lasere

Seniorforsker Peter E. Andersen, BIOP-centret,

fremhæver to lasere, der især har haft

betydning for, at brugen af lasere i dag er

meget udbredt inden for dermatologien.

1) Rubinlaseren, der har en bølgelængde på

694 nm.

Den har en god indtrængning og absorberes

godt i melanin (mørk pigmentering). Fordi det

er muligt at styre den tidslige varighed af

laserpulsen, kan man således styre, hvor

meget energi, den afsender pr. tidsenhed i

volumen. Ved at pulse laserlyset oplagres

energien i lasermaterialet, og når den frigøres

og sendes af sted mod det pigmenterede

område på huden, sker det med så stor

effekt, at den i løbet af en tiendedel af et

nanosekund omdannes til en varme på 300

grader Celsius, hvilket betyder, at pigmentet

nærmest eksploderer væk. Rubinlaseren har

også været meget anvendt til at fjerne uønsket

hårvækst ved at ødelægge hårsækkene.

2) CO2-laseren, der har en bølgelængde på

10,6 mikrometer.

Billeddannelse med OCT-systemer i ikketransparante

væv sker fortrinsvis med

lasere med en bølgelængde på omkring

1300 nm, dvs. ikke-synligt lys. Det skyldes

primært, at der sker en lav lysspredning i

vævet ved den bølgelængde i modsætning

til lysspredningen ved anvendelse af

synligt lys. Desuden er vævets absorption

ved den bølgelængde relativ lav.

Det vil sige, at den ligger i det midt-infrarøde

område og er ikke-synlig. CO2-laseren blev

udviklet i 1960'erne og har været afgørende

for laserens gennembrud inden for medicinske

anvendelser. Den har en meget lav indtrængningsdybde,

fordi vand meget kraftigt

absorberer lys med en bølgelængde på

omkring 10 mikrometer. Til gengæld er den

ekstremt kraftig, og dens pulslængde kan

kontrolleres, hvorfor det er muligt at afsætte

en stor mængde energi meget lokalt. Det

betyder, at den har fundet stor anvendelse for

behandlinger i det ydre hudlag, f.eks. til fjernelse

af vorter og udglatning af rynker. Og

fordi man har mulighed for både at styre og

pulse CO2-laseren, og fordi den absorberer så

godt, kan man anvende den til blodløs kirurgi.

Det er muligt at fokusere laseren yderst præcist

og foretage meget fine snit, og hvis man

styrer pulsen på den rigtige måde, kan man

fordampe væv i meget fine områder. Det vil

sige, at kirurgen kan foretage komplicerede

og meget velkontrollerede mikrokirurgiske

indgreb i følsomme områder eksempelvis

omkring hjertet.

Udviklingen inden for lasersystemer og forståelsen

af lys-væv virkningen har imidlertid betydet,

at nye lasersystemer har overtaget fra


- Vi forventer, at OCT-teknikken i nær fremtid

vil kunne give lægerne et redskab til at få

præcise informationer om f.eks. en hudcancers

udbredelse, siger Peter E. Andersen.

E-mail: peter.andersen@risoe.dk

ovennævnte systemer på en lang række

områder - og samtidig er nye kommet til.

- Heldigvis for det! De nye lasere, f.eks. diodelasere,

er mere kompakte og i langt højere

grad optimeret til den specifikke anvendelse,

siger Peter E. Andersen.

- Udviklingen i dag går i retning af, at man tilpasser

laseren til behandlingen - og ikke omvendt,

hvilket kan lade sig gøre først og fremmest takket

være forskningen i nye lasersystemer, men

også takket være en øget indsigt i laserens

virkning på det biologiske væv, siger han.

En optisk biopsi giver ikke ar

Optiske systemer, der benytter laserlys, kan

hjælpe lægerne til at stille tidlige og meget

præcise diagnoser på alvorlige sygdomme,

hvilket forbedrer mulighederne for at forebygge,

at sygdommene udvikler sig.

Hvorfor lade kirurgen svinge kniven for at få en

biopsi til nærmere undersøgelse af, om der er

cancer i de indre hudlag, hvis en optisk biopsi

kan give de samme informationer og måske

endda gøre det endnu mere præcist?

Forståelsen af lys-væv vekselvirkningen i

det objekt, der undersøges ved hjælp af

OCT, er af stor vigtighed. Gennem den

forståelse kan man dels optimere designet

af et OCT system til en specifik

anvendelse dels undersøge systemets

fundamentale egenskaber, herunder bl.a.

indtrængningsdybde, opløsning og signal-støj

forholdet for systemet. På det

område har OCT-gruppen på Risø bidraget

med to vigtige modeller.

Svaret er indlysende. Derfor forsøger seniorforsker

Peter E. Andersen, og de læger han

samarbejder med at udvikle et system, der

kan foretage en optisk biopsi. En optisk biopsi

er et billede af det ikke-synlige indre væv frembragt

ved hjælp af såkaldt optisk kohærenstomografi,

der med de lyskilder, man anvender,

typisk giver en indtrængningsdybde på

mellem en og tre millimeter. Optisk kohærenstomografi

er netop Peter E. Andersens speciale.

Han er ansat på Afdelingen for Optik og

Fluid Dynamik (OFD) på Risø, hvor han bl.a.

har været med til at opbygge BIOP-centret

(Biomedical Optics and New Laser Systems),

der er et samarbejde mellem OFD, Danmarks

Tekniske Universitet, danske virksomheder og

universitetshospitaler.

Optisk kohærenstomografi, herefter kaldet

OCT (Optical Coherence Tomography) går ud

på at sende lys ind i ikke-transparent biologisk

væv og i en serie snit-scanninger måle på det

tilbagespredte lys. Derved kan der dannes

både to- og tredimensionale billeder af de

reflekterende områder i vævet. Ud fra billederne,

der til en vis grad minder om lægens velkendte

histologiske snit, er man i stand til at

bestemme en tumors morfologi (struktur), og

det langsigtede mål er, at man også skal

kunne anvende billederne til at diagnosticere

cancer - og andre sygdomme.

- De fleste af os har set billeder fra ultralydsscanninger,

hvor man kan se detaljer på en

skala fra 0,1 millimeter. Men hvis vi skal kunne

RisøNyt 1/02 Laserteknologi

fortælle noget om kroppens celler, eksempelvis

hudceller, skal udstyret kunne afdække

detaljer med helt ned til mellem to og ti mikrometers

præcision. Med OCT-teknikken kan vi

nu opnå en opløsning på mellem fem og ti

mikrometer, og der er således stadig langt til at

kunne se finere detaljer i enkeltcellers indre,

siger Peter E. Andersen.

- Men vi forventer, at OCT-teknikken i nær

fremtid vil kunne give lægerne et redskab til at

få præcise informationer om f.eks. en hudcancers

udbredelse. Vi skal blot have forbedret

den rumlige opløsning, siger han.

Hyppigheden af hudkræft taget i betragtning

vil udviklingen af OCT til diagnosticering af

sygdommen formentlig betyde, at mange liv

kan reddes.

OCT-signalerne er ikke kun resultater af

refleksioner men påvirkes også af vævets

lysspredning. For at sikre en korrekt

tolkning af OCT-billederne, er OCT-forskerne

derfor ved at udvikle en "Truereflection

OCT" algoritme til computerbilledbehandlingen

af OCT-optagelserne.

"True reflection OCT" vil kunne separere

refleksion fra lysspredning, og dermed

forbedre billedkvaliteten, hvilket - forhåbentlig

- leder til forbedrede diagnoser

- Især den meget aggressive moderkræft er i

kraftig stigning, og hvert år dør et stort antal

danskere af hudkræft. Med OCT vil det blive

muligt på en nem måde at undersøge et stort

antal af patienternes pigmenteringer for hudcancer.

Det tager kun brøkdele af et sekund at foretage

en OCT-skanning af et enkelt område, og

teknikken påfører ikke patienten smerter.

Drevet af de kliniske anvendelser

På Københavns Amts Sygehus i Herlev har

man allerede i et par år rutinemæssigt anvendt

Side 5


RisøNyt 1/02

Medicin

OCT til at undersøge nethinden hos diabetikere,

der typisk får tilstødende komplikationer i

form af nethindesygdomme. Ved hjælp af

OCT kan lægerne diagnosticere sygdommene

i en tidlig fase og derved tidligt kunne

behandle og undgå, at patienterne får ødelagt

deres syn.

Det OCT-system er imidlertid meget forskelligt

fra det, man arbejder på at udvikle til diagnosticering

af hudcancer. Et OCT-system er nemlig

ikke universelt - fordi lys er ikke bare lys. Det

findes i mange forskellige farver, dvs. bølgelængder

og har derfor også mange forskellige

egenskaber og anvendelser.

Til dato er der udviklet mere end en snes lasere,

der har vist sig anvendelige inden for det

medicinske område. De har hver deres bølgelængde

(og evt. pulslængde), der resulterer i

en vis indtrængningsdybde, lysintensitet og

evt. varmeudvikling, og ved hjælp af optiske

metoder kan egenskaberne justeres eller styres,

så den færdige billeddannelse giver de

ønskede informationer om det objekt, der

undersøges.

Det er et udviklingsarbejde, der kræver mange

timers arbejde både ved computeren og i laboratorierne

med forskellige prøveopstillinger.

Desuden skal udstyret være let at anvende, i en

håndterlig størrelse, måske nok kostbart at fremstille

men det må ikke være dyrt at drive.

Alt det er Risø-forskernes 'hovedpine'. De

potentielle brugere, eksempelvis læger, er firkantet

sagt ligeglade med hvilken laser, der er brugt

til udviklingen af udstyret, eller hvordan det fungerer,

så længe det tilvejebringer den ønskede

diagnose eller behandlingseffekt. Lægerne

udtrykker deres ønsker om hvad de har behov

for, og Peter E. Andersen og hans post doc.-,

ph.d.- og specialestuderende forsøger at få det

hele til at gå op i en højere enhed.

- Det kan lyde som om, vi hovedsagelig bedriver

klinisk og biologisk forskning, men jeg vil

snarere sige, at det er de kliniske anvendelser,

der driver vores forskning frem. Der er masser

af fysik i vores arbejde, og vi publicerer i tidsskrifter,

der omhandler fysik eller optik, men vi

er selvfølgelig interesserede i at finde ud af, på

hvilke områder lasere og optiske målemetoder

kan være alternativer, som samlet set betyder

et fremskridt for lægerne. Derfor samarbejder

vi med lægerne om at prøve at forstå de

mekanismer, en læsion udviser, og om OCTprincippet

kan afdække dem bedre end andre

metoder og måske endda kan afdække

noget, som det ikke tidligere har været muligt

at detektere, siger Peter E. Andersen.

Når der opnås resultater, der kan anvendes

klinisk, bliver OCT-forskernes arbejde i øvrigt

også publiceret i lægevidenskabelige tidsskrifter.

Nye udfordringer

I et af OCT-gruppens nyere forskningsprojekter

samarbejder man med kardiologer på

amtssygehuset i Gentofte om at udvikle et

OCT-system til diagnosticering af forkalkninger

i bl.a. hovedpulsåren. Eller rettere til diagnosticering

af tendens til forkalkning for derved at

kunne iværksætte en forebyggende indsats

og reducere risikoen for en blodprop i hjertet.

Senest er Peter E. Andersen også så småt

begyndt at samarbejde med læger om udviklingen

af et OCT-system, der ikke skal anvendes

til diagnosticering som i de øvrige

eksempler men som en hjælp til kirurger, der

har behov for at kende en læsions dybde og

volumen. Anvendelsesmetoden hedder 'guided

surgery' eller 'styret kirurgi', men realiseringen ligger

ikke lige om hjørnet. I første omgang undersøger

OCT-gruppen på Risø, om den rette laser

eller lyskilde til formålet overhovedet eksisterer.

Hvis ikke vil næste skridt være at undersøge om,

det er muligt at udvikle én.

- Det er, når vi bliver stillet over for sådan en ny

problemstilling, at der sker spændende ting

inden for vores forskningsområde. Vi skal ikke

bare bruge den viden, vi har i forvejen men får

inspiration til at tænke i nye baner, der udvider

vores erfaringsgrundlag, siger Peter E.

Andersen.

Forskningsaktiviteterne i OCT-gruppen er

støttet af Statens Teknisk-Videnskabelige

Forskningsråd gennem et talentprojekt.

1

2

3

Et OCT billede af underarmen fra en frivillig

forsøgsperson. På billedet ses øverst en

glasplade (1), dernæst epidermis (2) og dermis

(3).

Via nyudviklet matematik og software kan

man hente endnu flere informationer ud af

OCT-billederne. Det svarer lidt til at kunne

gøre et almindeligt, uskarpt foto skarpt lige

præcis med hensyn til de detaljer, man vil

vide mere om. Billedet viser en sådan computerbearbejdet

gengivelse.

Nu udvikles OCT-systemet også til at diagnosticere

forkalkninger i bl.a. hovedpulsåren.

Billedet viser en kraftig forkalkning i en

biopsi af hovedpulsåren.

More magazines by this user
Similar magazines