Refraktive Hornhautchirurgie - augenarzt-koller.ch A. Koller

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8 84 Kapitel 8 · Technische Prinzipien 8.1 Grundlagen H. Lubatschowski 8.1.1 Laser-Gewebe-Wechselwirkung Beim Laser (»light amplification by stimulated emission of radiation«) handelt es sich um eine Lichtquelle, die aufgrund der guten Fokussierbarkeit und der Möglichkeit sehr kurze Pulse zu erzeugen, nicht nur hohe Leistungen sondern auch extrem hohe Intensitäten (Leistungsdichten) generieren kann (. Tab. 8.1). Je nach Laserparameter können unterschiedliche Arten von Wechselwirkungen auftreten und das Gewebe bei der Bestrahlung gezielt verändern (. Abb. 8.1). Zu den Wechselwirkungsprozessen gehören: photochemische Wechselwirkungen, Koagulation und Vaporisation sowie die Photoablation und Photodisruption. > Sowohl die Photoablation wie auch die Photodisruption spielen in der refraktiven Chirurgie eine entscheidende Rolle. 8.1.2 Photoablation Anfang der 1980er Jahre beschrieben Srinivasan und Mitarbeiter erstmalig ein Verfahren zur Bearbeitung organischer Polymere mit Hilfe von ultravioletter Excimerlaserstrahlung [4, 5]. Kennzeichnend für den neuartigen Prozess der Materialabtragung war die Verwendung von gepulster, energiereicher UV-Strahlung. Aufgrund der geringen Eindringtiefe der UV-Strahlung in die zu bearbeitenden Materialproben war es möglich, Strukturen im Sub-Mikrometerbereich in die organische Matrix zu ätzen. Srinivasan bezeichnete dieses Phänomen als »ablative . Abb. 8.1 Wechselwirkungsmechanismen von Laserstrahlung mit biologischem Gewebe . Tab. 8.1 Lichtleistung und Leistungsdichte verschiedener Lichtquellen Lichtquelle Lichtleistung Leistungsdichte Sonne 1026 Watt 5×10 –2 W/cm2 (auf der Erde) 100 Watt Glühlampe 3 Watt 10 –2 W/cm 2 Laserpointer 1 mWatt 4×10 4 W/cm 2 CO 2 Laser 60 Watt 5×10 6 W/cm 2 Gepulster Laser 1 GWatt 10 14 W/cm 2 Photodekomposition«. Den Abtragprozess erklärte man sich durch ein direktes Aufbrechen der Molekülbindungen der organischen Polymere, das durch die Absorption der energiereichen UV-Photonen hervorgerufen wurde. Wenig später wurde der Prozess der Materialabtragung mit Hilfe von gepulster Laserstrahlung allgemein unter dem Begriff der »Photoablation« auch von anderen Autoren beschrieben. Dabei beschränkte man sich nicht mehr allein auf die Materialbearbeitung mit UV-Laserstrahlung. Wolbarsht [8] erkannte 1984, dass auch mit gepulsten Infrarotlasern gerade biologisches Gewebe leicht und schonend zu bearbeiten war. Trotz vergleichbarer Effekte am bestrahlten Gewebe unterscheidet sich jedoch der Wechselwirkungsprozess der Photoablation im mittleren und fernen Infrarot deutlich von dem der UV-Photoablation bei 193 nm Wellenlänge. Nimmt man heute an, dass es sich bei der Abtragung von organischen Polymeren mit Laserlicht im tiefen UV um einen vorwiegend photochemisch induzierten Prozess handelt (direktes Aufbrechen der Molekülbindungen durch die energiereichen UV-Photonen) [6, 7], so
8.1 · Grundlagen . Abb. 8.2 Absorptionsverhalten einiger im Organismus vorherrschender Chromophore zusammen mit den heute zur Verfügung stehenden wichtigsten Laserwellenlängen geht man bei der Verwendung von Laserstrahlung im mittleren und fernen Infrarot davon aus, dass eine explosionsartige Verdampfung des Wassers zu dem gewünschten Abtragungseffekt führt [9–11]. Bei der UV-Photoablation von biologischem Gewebe liegt eine Mischform der Mechanismen vor. Einerseits brechen die energiereichen UV-Photonen die Bindungen der Biomoleküle auf, andererseits werden die Photonen auch vom Gewebewasser absorbiert, was zu dessen explosionsartigen Verdampfung führt. Die ursprüngliche von Srinivasan eingeführte Definition der Photoablation im Sinne einer reinen Photolyse hat seither an Bedeutung verloren. Eine Definition des Begriffes Photoablation lässt sich daher weniger über den ihm zugrunde liegenden Wechselwirkungsmechanismus, als vielmehr über die Beschreibung des mit dem Laser erzielten Ergebnisses und die dafür notwendigen Laserstrahlparameter (Wellenlänge, Pulsdauer, Pulsenergie) festlegen. > Ziel der photoablativen Materialbearbeitung, insbesondere in der Medizin, ist eine Abtragung von Gewebe, bei der die Dimension der lateralen Schädigung in der zurückbleibenden Probe durch thermische und mechanische Einflüsse der Laserstrahlung im Vergleich zum abgetragenen Volumen möglichst gering ist. Dies steht im Gegensatz zur Vaporisation und Koagulation, bei der ein größerer, koagulierter und karbonisierter Bereich des bestrahlten Gewebes durchaus erwünscht ist (beispielsweise zur Blutstillung). Das Ausmaß an thermischer Schädigung ist direkt abhängig von der optischen Eindringtiefe des Laserlichtes in das zu bearbeitende Gewebe. . Abb. 8.2 zeigt das Absorptionsverhalten einiger im Organismus vorherrschender Chromophore zusammen mit den heute zur Verfügung stehenden wichtigsten Laserwellenlängen. Für die meisten Anwendungsbereiche der Photoablation sollte die vom Laser verursachte thermische Nekrosezone eine Ausdehnung im Bereich von 1–10 μm nicht überschreiten. Aus dem Diagramm wird leicht ersichtlich, dass für die photoablative Gewebeabtragung daher nur Laser in Frage kommen, die entweder unterhalb von ca. 250 nm im tiefen UV emittieren; dort wird die starke Absorption von Melanin, dem Blutfarbstoff Hämoglobin, aber auch von den Proteinen und den im Wasser gelösten Salzen verursacht. Oder aber man verwendet Infrarotlaser, die bei einer Wellenlänge um 3 μm bzw. oberhalb von ca. 6 μm emittieren. Hier kann die starke Absorption des Wassers nutzbar gemacht werden. Der Wasseranteil im biologischen Weichgewebe liegt in der Regel zwischen 70% und 90%. Zur photoablativen Bearbeitung der Kornea hat sich die Verwendung von UV-Licht mittels ArF-Excimerlaser als optimal herausgestellt. 85 8
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