Podcasts about lasersystemen

Die endoskopische Fluoreszenzdiagnostik (FD) hat sich in den letzten Jahren zu einer vielversprechenden Alternative und Ergänzung bei der Erkennung und Behandlungunterstützung neoplastischer Veränderungen entwickelt. Die derzeit auf dem Markt verfügbaren Systeme zur endoskopischen FD besitzen jedoch noch Optimierungspotentiale, welche die klinische Durchführung der Methode weiter verbessern könnten. Ausgehend von einer Fluoreszenzanregungslichtquelle für den sichtbaren Bereich (D-light-System) ist daher ein System zur Ultraviolett (UV)-Anregung konzipiert und entwickelt worden, mit dem entscheidende Verbesserungen erzielt werden konnten. Dieses inkohärente UV-Lichtsystem beinhaltet ein optimiertes Kondensorsystems, das aus einem speziellen Filtersatz sowie einer neuen leistungsstarken UV-A emittierenden Lampe besteht. Die hohe Ausgangsleistung des UV-Lichtsystems resultiert in einer effizienten Anregung des Photosensibilisa-tors (PS) und führt somit zu einer optimalen Fluoreszenzdarstellung des Tumorgewebes. Komplettiert wird das UV-Lichtsystem durch ein spezielles Endoskop mit einem UV-transmittierenden Lichtzuführungssystem. Eine Risikobetrachtung ergab, dass unter der Berücksichtigung der geltenden Grenzwerte keine schädigende Wirkung für den Patienten durch die mit dem UV-Lichtsystem erzeugte Strahlung, bei einer Systemkonfiguration mit maximaler Lichttransmission, auftritt. Die klinisch relevanten Untersuchungsergebnisse wurden an einem Gewebephantom, in vitro an Glioblastomgewebeproben und in vivo am Tier sowie in vivo in der menschlichen Mundhöhle und Harnblase erzielt. Für eine quantitative Beurteilung des UV-Lichtsystems erfolgte der Vergleich mit dem etablierten D-light-System. Das sichtbare blaue Anregungslicht des D-light-Systems induziert auf feuchten Gewebeoberflächen störende Reflexionen, die eine Beurteilung des zu betrachtenden Areals maßgeblich erschweren können. Besonders gravierend wirkt sich dieser Nachteil bei der Visualisierung von Hirntumoren wie dem Glioblastom aus. Unter Verwendung des UV-Lichtsystems konnte erstmalig die reflexfreie Darstellung der 5-Aminolävulinsäure (5-ALS)-induzierten Protoporphyrin IX (PPIX)-Fluoreszenz in Glioblastomgewebe und der Hypericin (HYP)-induzierten Fluoreszenz in der Mundhöhle erfolgen. Eine weitere Besonderheit des UV-Lichtsystems liegt in der speziellen Art der Farbkontrastbildgebung der Fluoreszenz. Das UV-Lichtsystem erzeugt die gewebeeigene Fluoreszenz (Autofluoreszenz) im blauen und grünen Wellenlängenbereich mit deutlich höherer Effizienz als das D-Light-System. Im Gegensatz zum D-light-System, das eine vom rückgestreuten blauen Anregungslicht (Remission) dominierte Darstellung aufweist, tritt bei der Anregung durch UV-Licht keine Remission im sichtbaren Bereich auf. Daher basiert die Bilddarstellung bei der UV-Anregung auf der Erzeugung der Fluoreszenz im blauen, grünen und roten Wellenlängenbereich. Somit wird durch das UV-Anregungslicht eine Gewebedarstellung erreicht, die in der Farbgebung an ein Weißlichtbild erinnert und auch eine vergleichbare strukturelle Detailinformation liefert. Beide in dieser Arbeit untersuchten PS sind durch UV-Licht anregbar und führen zu einer kontrastreichen RotfluoreszenzDarstellung von Arealen, die diese PS selektiv eingelagert haben. Erstmalig wurde durch das UV-Lichtsystem im Tierversuch die spezifische Anreicherung von HYP im Glioblastomgewebe visualisiert bzw. bildgebend nachgewiesen. Die Verwendung des neuartigen UV-Lichtsystems in der Neurochirurgie hat signifikante Verbesserungen im Vergleich zu den derzeit auf dem Markt verfügbaren Systemen aufgezeigt und lässt somit auf einen zukünftigen klinischen Einsatz erwarten. Die klinische Praxis hat gezeigt, dass eine erfolgreiche Behandlung des oberflächlichen Harnblasenkarzinoms eine integrale Therapie der gesamten Harnblasenschleimhaut erfordert. Bei Patienten, bei denen alle konventionellen Verfahren einschließlich intravesikaler Chemotherapie und Immuntherapie mittels Bacillus Calmette-Guérin versagt haben, besteht in der Regel die Indikation zur radikalen, operativen Entfernung der Harnblase. Wird jedoch dieser Eingriff vom Patienten verweigert oder kann wegen schwerer internistische Begleiterkran-kungen keine offene Operation durchgeführt werden, so bietet derzeit die integrale Photodynamische Therapie (PDT) des oberflächlichen Harnblasenkarzinoms mittels der 5-ALS eine vielversprechende Alternative. Für dieses Verfahren wurde eine inkohärente Lichtquelle (T-light) auf der Basis einer Hochleistungs-Xenon-Kurzbogenlampe entwickelt und aufgebaut. Das Licht dieser Lampe wird über einen speziellen Einkoppelmechanismus auf die Eingangsfläche eines Quarzglaslichtleiters fokussiert und durch diesen übertragen. Am distalen Ende des Lichtleiters befindet sich ein zylinderförmiger Lichtapplikator aus Silikon, der mit Streupartikeln durchsetzt ist und so eine homogene Ausleuchtung der Harnblase gewährleistet. Lichtleiter und Lichtapplikator sind integrale Bestandteile eines eigens angepassten, flexiblen PDT-Applikationskatheters. Eine Kernkomponente der Entwicklung stellt der spezielle Einkoppelmechanismus dar, der die folgenden Funktionen aufweist. Eine manuelle Justage mit einer hohen Genauigkeit (1/100 mm) in allen drei Raumachsen gewährleistet eine effiziente Einkopplung des von der Xenon-Kurzbogenlampe erzeugten Lichts in die Quarzglasfaser. Licht, welches nicht in den Lichtleiter eingekoppelt werden kann, wird über spezielle Keramikelemente absorbiert. Die Wärmeabfuhr erfolgt über ein angepasstes Kühlsystem. Der Einsatz des inkohärenten PDT-Systems ermöglicht im Gegensatz zu kohärenten Lasersystemen die gleichzeitige Anregung aller Absorptionsbanden des PS PPIX. Die breitbandige Anregung bei der 5-ALS-PDT kann außerdem zu einem verstärkten Therapieeffekt bedingt durch zusätzlich entstehende Photoprodukte führen. Einige dieser Photoprodukte stellen selbst sehr effektive PS mit unterschiedlichen Absorptionsbanden dar. Im Rahmen einer klinischen Pilotstudie mit 12 Patienten bewies das T-light-System, dokumentiert durch histomorphologische und elektronenmikroskopische Untersuchungen sowie klinische Kurzzeitbeobachtungen, seine Effektivität in erster Linie bei der selektiven Zerstörung hochmaligner, flacher urothelialer Neoplasien, wie dem CIS ohne Schädigung des Normalurothels, der stromalen oder muskulären Schichten der Harnblase. Im Frühjahr 2005 soll mit dem T-light-System eine Studie starten, die in Verbindung mit der Substanz Hexvix die Sicherheit und Effektivität dieses neuen Verfahrens bei der Behandlung des oberflächlichen Harnblasenkarzinoms bestätigen soll. Nach positivem Verlauf der Studie soll das T-light-System produziert und auf breiter Basis klinisch eingesetzt werden.

In der Medizin und insbesondere in der Hals-Nasen-Ohren-Heilkunde finden Lasersysteme derzeit ein breites Anwendungsspektrum und gewinnen neben anderen Operations-Methoden immer mehr an Bedeutung. In der klinischen Routine werden Lasersysteme bereits als alternative Operationsverfahren für unterschiedliche Indikationen eingesetzt. Da die quantitativen Ergebnisse des einzelnen Lasersystems in der Literatur selten angegeben werden, war das Ziel dieser Studie, die häufig eingesetzten Lasersysteme an einem standardisierten In-vitro-Modell vergleichend zu untersuchen und die entstandenen Gewebewechselwirkungen quantitativ zu analysieren. Als Experimentiermaterial diente frische und gekochte Putenmuskulatur sowie Rinderleber. Auf einem verstellbaren Stativ wurden die Lichtwellenleiter bzw. die Spiegelarmoptiken an einen Schrittmotor befestigt, der sich mit definierter Geschwindigkeit unter Kontakt über das Gewebe bewegte. Variierbare Parameter waren Leistung, Durchzugsgeschwindigkeit sowie der Winkel zwischen Laserstrahl und Behandlungsobjekt. Gemessen wurden die Ablations- und Koagulationseigenschaften sowie der Volumenabtrag vom Gewebe. Zusätzlich erfolgte die Beschreibung der Läsionsformen und Bestimmung des Karbonisationsgrades. Neben den untersuchten Lasersystemen (CO2-, Er:YAG-, Ho:YAG-, Nd:YAG- und Diodenlaser) wurde auch die Koagulationseigenschaft des Argon-Plasma-Beamers genauer betrachtet. Das CO2-Laserlicht mit einem sehr hohen Wasserabsorptionskoeffizienten wies den effektvollsten Gewebeabtrag auf. Bei einer Maximalleistung von 20 Watt bewirkte die Behandlung mit CO2-Laserlicht Gewebekrater von bis zu 5,2 mm Tiefe. Dabei wurde ein relativ enger und tiefer, V-förmiger Kraterquerschnitt erzielt. Seine „Schneideeigenschaft“ für Weichgewebe ist damit unter allen untersuchten Lasersystemen am stärksten ausgeprägt. Das Ausmaß der Abtragung lässt sich optisch kontrollieren, da sich nur ein schmaler Koagulationssaum anschließt. Eine auftretende Blutung führt zur Abschwächung der Laserwirkung. Desweiteren treten Schwierigkeiten bei der Blutstillung auf, da nur gering ausgeprägte Koagulationseigenschaften bestehen. Der CO2- und Er:YAG-Laser können nur mit einer technisch aufwendigen Spiegelarmoptik betrieben werden, da eine Weiterleitung mittels einer nicht-toxischen flexiblen Faser derzeit nicht möglich ist. Der Wasseranteil in herkömmlichem Fasermaterial ist zu hoch, sodass es zu einer starken Absorption des Laserlichts kommt. Durch Veränderung des Spotdurchmessers oder durch Scanner-Techniken ist mit der CO2-Laserbestrahlung eine oberflächliche Gewebeabtragung möglich. Das Er:YAG-Laserlicht wies durch eine starke Wasserabsorption gute Ablationseigenschaften auf. Diese starke Absorption ist Voraussetzung für die Abtragung mit geringer thermischer Randzone. Der dabei entstandene Krater zeigte im Querschnitt eine dreieckige Form und die Ränder wiesen bei allen gewählten Parametern keine nennenswerte Karbonisation auf. Sind im Laserlichtareal Blutgefässe vorhanden, kann es zu Blutungen kommen. Ursache dafür ist die geringe Koagulationswirkung bei dieser Wellenlänge. Auch andere weiche sowie harte Gewebsstrukturen können in der Tiefe verletzt werden. Das gepulste Ho:YAG-Laserlicht wies unter den quarzglasfasergeleiteten Lasersystemen den größten Abtrag auf. Dieses Lasersystem zeigte die effektivste Koagulation mit geringer Karbonisation. Die Koagulationseigenschaft ist auch im Kontaktverfahren im Vergleich zu den untersuchten Lasersystemen erhöht, so dass sich diese Strahlung für Gewebskoagulationen eignet. Die Option, gleichzeitig Ablation und Koagulation zu induzieren, ermöglicht es insbesondere im endonasalen Bereich präzise, mit minimaler Karbonisation und guter Hämostase zu arbeiten. Das Nd:YAG-Laserlicht wies den geringsten Gewebeabtrag und auch nur eine geringe Koagulationszonen auf. Gemäß der Literatur wird eine effektive Gewebeabtragung, was durch eine geringe Laserlichtabsorption bedingt ist, erst bei höheren Leistungen (ab 50 Watt) mit speziellen Fokussierhandstücken oder mit Fasern geringeren Durchmessers erreicht. Die guten Koagulationseigenschaften werden im Non-Kontakt-Verfahren und bei größeren Faserdurchmessern sowie Leistungen erreicht. Die beiden Diodenlaser (DL-940 und DL-830) unterschieden sich in den koagulierenden und auch schneidenden Eigenschaften nicht wesentlich voneinander. Das Diodenlaserlicht wirkt aufgrund der geringeren optischen Eindringtiefe effizienter als die Nd:YAG-Laserbestrahlung und erzeugt einen breiteren Koagulationsbereich. In dieser Studie wurde ein hohes Potenzial an Karbonisation für die Diodenlaser festgestellt, was in der klinischen Applikation zu vermeiden ist. Die Koagulation mittels Argon-Plasma-Beamer wurde in dieser Arbeit als Vergleich zu den Lasersystemen verwendet. Dieses Elektrokoagulationsgerät erzeugt eine ausreichende Koagulation mit nur geringem Auftreten von Gewebeverkohlung. Im Vergleich mit den Lasersystemen zeigte der Argon-Plasma-Beamer keine ablativen Effekte. Aufgrund der Bestrahlungsfläche und der divergenten Stromverteilung innerhalb des Gewebes entsteht die thermische Schädigung nur in den oberflächlichen Gewebeschichten. Tiefere Gewebeschichten werden nicht behandelt. Aufgrund dessen wird der Argon-Plasma-Beamer insbesondere oberflächlich bei Stillung großflächiger Blutungen oder z.B. zur Devitalisierung pathologischer Gewebe eingesetzt. Techniken zur Gewebsablation und Gewebskoagulation sind noch relativ jung und wurden in vergleichenden Studien bisher nur wenig beschrieben. Umfassende Studien unter identischen Bedingungen und vergleichbaren Geräte-Parametern liegen zu diesem Themenkomplex bisher nicht vor. Dies trifft insbesondere auf experimentelle nicht-klinische Arbeiten zu. Die gefundenen Literaturangaben beziehen sich häufig auf rein klinische Arbeiten. Bei vielen Ergebnissen fehlen dabei die Angaben über die Applikationsart, Spotdurchmesser, Läsionsbreiten- und tiefen oder Leistungseinstellung, so dass schwer nachzuvollziehen ist, ob diese vergleichenden Studien überhaupt unter reproduzierbaren Bedingungen durchgeführt worden sind. Zusammenfassend zeigt die vorliegende Untersuchung, dass durch verschiedene Laserlichtwellenlängen und Applikationsformen unterschiedliche Ablations-, Koagulations- und Karbonisationseigenschaften zu beobachten sind. Der Effekt der Wechselwirkung des Laserlichtes mit Gewebe ändert sich dramatisch, wenn von einer Nicht-Kontakt- in eine Kontakt-Applikation übergegangen wird. Sowohl die Kenntnisse der Wechselwirkung des Lichtes mit Gewebe für unterschiedliche Laserwellenlängen als auch bei deren spezifischen Betriebsmodi sind von dem geschulten Arzt zu beachten, um den Einsatz des Instrumentes Laser optimal für die klinische Indikation zu wählen. Zusätzlich kommt die Erfahrung und die ständige Fortbildung auf diesem Gebiet für die erfolgreiche Nutzung lasergestützter Intervention für den Benefiz des Patienten in der klinischen Routine eine zentrale Bedeutung zu.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der experimentellen Analyse atomarer Prozesse in intensiven ultrakurzen Laserpulsen. Der Schwerpunkt liegt hierbei bei den Zwillingseffekten der Erzeugung hoher Harmonischer (``high-order harmonic generation'', HHG) und der Ionisation über Zustände im Kontinuum (``above-threshold ionization'', ATI). Besonders letzterer Effekt wird detailliert in Verbindung mit der Wechselwirkung mit Laserpulsen von nur wenigen Zyklen Länge untersucht. Während es heutzutage Routine ist solche Pulse von weniger als 5 fs zu erzeugen, war die vollständige Kontrolle über das zugrundeliegende elektrische Feld bisher noch nicht möglich. Dies wurde in dieser Arbeit durch die erste eindeutige Messung der den Laserpuls charakterisierenden ``absoluten Phase'' erreicht. Die Genauigkeit und Zuverlässigkeit dieser Messung erweist sich als hinreichend, um eine neue Methode der aktiven Phasenstabilisierung einzuführen, welche voraussichtlich eine tragende Rolle in zukünftigen phasenstabilisierten Lasersystemen spielen wird. Die beschriebenen Experimente widmen sich zudem auch allgemeinen optischen Effekten, wie beispielsweise der Gouy'schen Phasenanomalie in einem fokussierten Strahl, welche hier erstmals im optischen Bereich und über den gesamten Fokusbereich gemessen wurde. Schliesslich wird gezeigt, wie ATI in Verbindung mit Wenig-Zyklen-Laserpulsen nicht nur als leistungsfähiges Werkzeug zur Phasendiagnostik genutzt werden kann, sondern auch einen neuen Zugang zur Untersuchung der Wechselwirkung von Atomen und Licht mit bis dato unerreichter Zeitauflösung bietet.