Medizinische Physik 3: Medizinische Laserphysik [2004]

17 Laseranwendung in der Ortopädie 367
Abb. 17.1. Absorptionsspektrum von Kalziumphosphat (Ca3(PO4)2), das 80% des
Knochenminerals darstellt [21]
gewebe nur mit Lasern erreicht werden, deren Emissionswellenlänge mit den
Absorptionslinien von Knochengewebe übereinstimmen. Der Absorptionskoeffizient
µα von reinem Hydroxylapatit beträgt bei den Wellenlängen des
CO2-Lasers (λ =9,6µm und 10,6 µm) zwischen 3500–5500 cm −1 [25]. Da die
organische Matrix von Hydroxylapatit hauptsächlich aus Kalziumphosphat
(Ca3(PO4)2) besteht [24], kann der Absorptionskoeffizient für den Ho:YAG-
Laser bei einer Wellenlänge von λ =2,12µm zuµα ≈ 500 cm −1 bestimmt
werden, entsprechend dem Absorptionsspektrum in Abb. 17.1. Der Absorptionskoeffizient
ist ungefähr 7-mal größer als für H2O. Deshalb absorbiert
die Knochenmatrix den Großteil der Laserenergie und heizt sich sehr stark
auf (Tmelt = 1280 ◦ C). Mittels bekannter thermischer und optischer Konstanten
kann die thermische Relaxationszeit τ von kortikalem Knochen bei einer
Wellenlänge von 2,12 µm zu≈ 1,2 ms bestimmt werden [8].
Tabelle 17.1 zeigt einen Vergleich der optischen und thermischen Parameter
von kortikalem and spongiösem Knochen, Knorpelgewebe und Wasser.
Tabelle 17.1. Vergleich der optischen und thermischen Parameter von kortikalem
und spongiösem Knochen, Knorpel und Wasser
kortikale
Knochen
trabekulare
Knochen
Knorpel Wasser
µa [cm −1 ] ≈ 500 1200
(λ = 2,120 µm)
s. Abb. 17.1
(λ =1,06µm)
λ [Wm −1 K −1 ] 0,2–0,3 0,3–0,4 0,6 0,7
c[Jg −1 K −1 ] 1,2–1,3 1,2–2,4 3,5–3,8 4,18
ρ [gcm −3 ] 2 1,1 1,1 1
χ [m 2 s −1 ] 0,8× 10 −7
1,2 × 10 −7
1,5 × 10 −7
1,7 × 10 −7
τ [µs] ≈ 400–800 µs
(λ =2,12µm)