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Lexikon der Optik: Lasermedizin

Lasermedizin, die Nutzung der besonderen Eigenschaften der Laserstrahlung für diagnostische und therapeutische Anwendungen in der Medizin. In Abhängigkeit von der Leistungsdichte der Laserstrahlung und der Bestrahlungsdauer lassen sich photothermische, photomechanische und photochemische Effekte in biologischen Geweben unterscheiden. Diese drei grundsätzlichen Effekte ermöglichen die folgenden Verfahren der medizinischen Laseranwendung: Gewebeentfernung/Gewebeschneiden, Thermotherapie (laserinduzierte Koagulation), photochemische Gewebereaktionen und Verfahren der lasergestützten optischen Diagnostik. Die therapeutischen Indikationsfelder des Lasers reichen von der plastischen Chirurgie/Dermatologie (Therapie von angeborenen und erworbenen Gefäßerkrankungen, Narben; Entfernung von Warzen und Tätowierungen u.a.) über die Angiologie (Laserangioplastie), Urologie (laserinduzierte Thermotherapie), Laserlithotripsie (endoskopische Photodisruption, Photoablation bzw. Photofragmentation), Ophthalmologie (Laserophthalmologie), chirurgische Organresektion (unblutige Resektion bzw. mikrochirurgische Präparation), endoskopische Chirurgie (Laparoskopie, Pelviskopie, Arthroskopie u.a.) bis zur Tumortherapie (Tumorresektion, Tumor-Stenosenrekanalisation, Tumordestruktion). Auch die photodynamische Therapie, bei der ein Photosensibilisator nach Bestrahlung mit Laserlicht zur Bildung von Sauerstoffradikalen angeregt werden kann, gewinnt zunehmend an Bedeutung bei der Behandlung von Tumoren und entzündlichen Erkrankungen. Die Lasertechnik findet auch in wachsendem Maße Einsatz bei der Diagnostik von entzündlichen bzw. tumorösen Erkrankungen (z.B. laserinduzierte Gewebefluoreszenz, NIR-Diaphanoskopie, optische Biopsie und optische Tomographie).

Im folgenden werden wichtige Verfahren der L. näher beschrieben.

1) Laserinduzierte Thermotherapie (LITT). Hierbei werden im Kontaktverfahren pathologische Gewebeveränderungen in z.T. tiefliegenden Körperregionen durch Absorption von Laserlicht thermisch verödet. Hierzu zählen thermische Verödungen gutartiger Veränderungen (z.B. angeborene und erworbene Gefäßanomalien, benigne Prostatahyperplasie) sowie maligner Tumoren oder von Metastasen. Durch die Erzeugung von Gewebetemperaturen im Bereich von 45 bis 100°C wird eine massive laserinduzierte Koagulation der betroffenen Volumina erreicht. Dabei setzt infolge von Nekrosebildung eine definitive Zerstörung des Gewebes ein (Denaturierung von Eiweißen).

Der zeitliche Verlauf der Temperaturverteilung hängt außer von den optischen Gewebeeigenschaften von weiteren Parametern wie Wärmeleitfähigkeit und lokaler Blutperfusion ab. Typische Behandlungszeiten liegen zwischen einigen Sekunden und mehreren Minuten bei Therapieleistungen zwischen 3 und 20 W, so daß Koagulationsvolumina mit Durchmessern bis zu 30 mm erreicht werden können. Als Lichtquellen werden wegen der großen optischen Eindringtiefe ihrer Strahlung meist im nahen Infrarot strahlende Laser genutzt (Nd:YAG-Laser bei der Wellenlänge 1064 nm, Diodenlaser bei 800 bis 980 nm). Die Übertragung der Laserenergie in die Zielregion erfolgt durch Lichtwellenleiter, die als Bare-Fiber verwendet werden oder an ihrem distalen Ende mit einem Streuapplikator versehen sind. Ebenso ist die simultane Applikation über mehrere Lichtwellenleiter/Applikatoren durch Verwendung von Strahlteilern möglich. Eine Therapiekontrolle kann per Palpation, mit Ultraschall (auch Doppler-Verfahren), Computer- oder Kernspintomographie erfolgen.

2) Therapie mit Softlasern. Bei Softlasern handelt es sich um Laser, deren Strahlung eine geringe Strahldichte aufweist (vorwiegend He-Ne-Laser und Halbleiterlaser). Die Therapiemöglichkeiten erstrecken sich vor allem auf Akne, Falten und Zellulitis. Wissenschaftlich fundierte Effekte sind nicht nachgewiesen. Bei der Behandlung von Falten und Runzeln mit dem Softlaser tritt ein subjektives passageres Straffungsgefühl auf; daraus mag eine gewisse Placebowirkung resultieren. Letztendlich bleibt aber die Softlaserbehandlung auch für die Patienten enttäuschend, da der versprochene Effekt ausbleibt.

3) Laser-Doppler-Blutflußmessung. Hierbei handelt es sich um eine nichtinvasive optische Methode der Blutflußmessung in der Haut oder invasiv in größeren Gefäßen. Durch den Doppler-Effekt wird die Frequenz von Licht bei der Streuung an bewegten Partikeln proportional zur Geschwindigkeit verschoben. Diese Frequenzverschiebung wird gemessen und daraus der Blutfluß bzw. die Blutgeschwindigkeit ermittelt. Laseranemometer.

4) Transmyokardiale Laserrevaskularisation (TMLR). Dies ist ein Laserverfahren, bei dem in ischämischen Herzmuskelarealen in ca. 1 cm Abstand mit dem Laser etwa 1 mm große Löcher durch das Myokard bis in den linken Ventrikel gebohrt werden. Durch die Bohrungen soll ein Blutfluß direkt aus dem linken Ventrikel in das Kapillarsystem erreicht werden. Es werden Excimer-, Ho:YAG- und CO2-Laser hierfür verwendet. Der als Heart-Laser (heart, engl., "Herz") bezeichnete CO2-Laser bewirkt bei einer Leistung von 800 W mit einem einzigen Puls von 50 ms Dauer eine solche Bohrung.

5) Laserophthalmologie. Therapeutische Anwendungen des Lasers in der Ophthalmologie beinhalten Maßnahmen zur Korrektur von Fehlsichtigkeiten (refraktive Hornhautchirurgie), zur Behandlung des Grünen Stars (Glaukomtherapie) sowie zur Koagulation am Augenhintergrund (laserinduzierte Koagulation). Ein weiteres therapeutisches Verfahren ist die Enttrübung der Linsen-Kapsel (Laser-Kapsulatomie). In der Diagnostik stellt die Scanning-Laser-Ophthalmoskopie ein hochauflösendes Verfahren zur Darstellung der Retina dar.

a) Refraktive Hornhautchirurgie. Es handelt sich um Anwendungen des Lasers, bei denen die Brechkraft des Auges durch eine Formänderung der Hornhaut verändert wird. Man unterscheidet die photorefraktive Keratektomie (PRK), die Laser-in-situ-Keratomileusis (LASIK) und die Laser-Thermokeratoplastik (LTK).

Bei der PRK wird ein Teil der Oberfläche der Hornhaut zumeist mit einem Excimerlaser (ArF, 193 nm) abgetragen (photorefraktive Keratektomie). Neuer und vermutlich mit weniger Nebenwirkungen behaftet ist die LASIK. Hier wird zunächst mechanisch eine Hornhautlamelle (Dicke bis zu einem Drittel der gesamten Hornhautdicke) erzeugt, die aufgeklappt wird. Der Abtrag mit dem Excimerlaser erfolgt dann im Hornhautbett (Stroma). Nach der Korrektur wird die Lamelle zurückgeklappt und gegebenenfalls angenäht. LASIK ist die Methode der Wahl bei hohen Myopien. Der Vorteil dieses Verfahrens gegenüber anderen Verfahren der refraktiven Hornhautchirurgie besteht darin, daß die zentrale Hornhaut nicht verändert wird. Bei der LTK wird durch punktuelle Koagulation des Hornhautstromas mit Infrarotlasern (Ho:YAG-Laser bei 2,1 μm oder Diodenlaser) eine Schrumpfung der Collagenfibrillen erzielt. Dies soll ein Aufsteilen der zentralen Hornhaut und damit eine Brechwertzunahme der Hornhaut bewirken.

b) Glaukomtherapie. Bei der Therapie des Glaukoms mit Lasern wird versucht, die Produktion des Kammerwassers zu hemmen oder seinen Abfluß zu erleichtern. Ersteres erfolgt durch die Laser-Zyklophotokoagulation (Nd:YAG-Laser, 1,064 μm bzw. Diodenlaser, 850 nm), bei der der Ziliarkörper teilweise zerstört wird. Einen besseren Abfluß ermöglichen die Laser-Trabekuloplastie (Ar-Laser, 488/514 nm), bei der das Trabekelwerk zerstört wird, die Laser-Iridotomie (Ar, 488/514 nm), bei der ein Loch in der Iris erzeugt wird, oder die Laser-Sklerostomie (Ho:YAG, 2,1 μm; Er:YAG, 2,94 μm), bei der ein Kanal in der Sklera geschaffen wird.

c) Augenhintergrund-Laser-Koagulation. Hierbei werden degenerative Veränderungen der Netzhaut und dadurch hervorgerufene pathologische Neubildungen mit Laserstrahlung (Ar, 488/514 nm; Farbstoff, 577 nm) behandelt. Photokoagulation.

d) Laser-Kapsulatomie. Nach Einsetzen einer Intraokularlinse auftretende Trübungen der Linsenkapsel lassen sich bei einer Kapsulatomie mit einem Laserpuls (Nd:YAG, 1,064 μm), der eine Stoßwellenbildung nach sich zieht, entfernen.

e) Scanning-Laser-Ophthalmoskopie (SLO). Hier wird der Augenhintergrund mit einem Laserstrahl, dessen Durchmesser auf der Retina bei ca. 10 μm liegt, abgetastet. Mit der SLO können höhere räumliche Auflösungen als mit herkömmlichen Verfahren erzielt werden.

6) Optische Biopsie. Mit Hilfe optischer Meßverfahren lassen sich Informationen über den strukturellen und metabolischen Zustand von biologischen Geweben gewinnen. Diese Informationen können dann zu Aussagen im Sinne einer Differenzierung verschiedener Gewebestati herangezogen werden. Insofern ergänzen bzw. verbessern die Methoden der optischen Biopsie die klassische Biopsie. Als optische Meßverfahren werden einzeln oder in Kombination die folgenden Methoden eingesetzt: Fluoreszenzspektroskopie (zeitintegral; zeitaufgelöst), Remissionsspektroskopie, Raman-Spektroskopie, Infrarot-Fourier-Spektroskopie, Ellipsometrie, Ultrakurzzeitspektroskopie sowie die Technik der Photonendichtewellen. Bei allen optischen Verfahren ist der Einfluß der optischen Inhomogenitäten (Streuer und Absorber) im Gewebe zu berücksichtigen. Bei den auf Fluoreszenzmessungen basierenden Verfahren spricht man von Autofluoreszenz- und Xenofluoreszenzverfahren, je nachdem ob körpereigene oder körperfremde Stoffe optisch angeregt werden und ihre Fluoreszenzstrahlung detektiert wird (s. Farbtafel ).

7) Laserangioplastie. Es werden verengte oder verschlossene Blutgefäße durch Abtragung oder Lockerung von Thrombosen und Plaques mit Laserstrahlung eröffnet. Hierzu wird von der Laser-Gewebeablation Gebrauch gemacht, da eine kleine thermische Schädigungszone Voraussetzung für die sichere Anwendung ist, denn es soll die Gefäßwandung nicht geschädigt werden. Um die nötige kurze Pulsdauer und die hohe Absorption zu erreichen, werden insbesondere Excimer-Laser bei 308 nm mit Pulsdauern von ca. 100 ns eingesetzt. Zur Erzeugung großer Kanäle werden Multifaserkatheter genutzt, da diese bei großem Durchmesser, verglichen mit Einzelfasern, eine hohe Flexibilität besitzen. Probleme ergeben sich bei der Laserrekanalisation dadurch, daß bei Bestrahlung der Gefäßwandung auch diese perforiert werden kann. Das stellt insbesondere in Krümmungen des Gefäßes ein Risiko dar. Teilweise wird durch die Rekanalisation auch nur ein kleiner offener Kanal geschaffen, der durch eine anschließende Ballondilatation erweitert wird.

8) Laserlithotripsie. Dabei handelt es sich um die Zertrümmerung von Körperkonkrementen durch Einwirkung von Laserstrahlung. Mit gepulsten Lasern bei höheren Leistungsdichten als für die Laser-Gewebeablation wird der Stein im Kontakt mit der Faser bestrahlt. Der Stein wird an der Oberfläche sehr schnell erhitzt, und es bildet sich ein Plasma, das sich explosionsartig ausdehnt. Dadurch entstehen Stoßwellen und Kavitationsblasen, die zusammen mit der thermisch erzeugten Spannung in der Folge den Stein zertrümmern. Um ein Plasma zu generieren sind Laser mit Pulsdauern von ca. 1 μs, 100 mJ Energie, eingekoppelt in Fasern von 200 bis 400 μm Durchmesser nötig. Es werden Farbstofflaser (504 und 590 nm), Nd:YAG-Laser (auch frequenzverdoppelt), Excimer- und Alexandritlaser eingesetzt.

Die Steinzertrümmerung mit dem Laser ist kein kontinuierlicher Prozeß wie z.B. die Laser-Gewebeablation, vielmehr wird mit vielen Laserpulsen das Steingefüge gelockert, und dann werden mit einem Laserpuls Fragmente abgespalten. Die Fragmentgröße reicht von staubförmigen bis zu einigen Millimeter großen Partikeln.

9) Photodynamische Therapie (PDT). Sie ist ein minimal invasives Behandlungsverfahren, das die photosensibilisierenden Eigenschaften bestimmter Chromophore ausnutzt. Hierbei wird ein Photosensibilisator (PS) lokal oder systemisch appliziert, welcher sich zunächst völlig inert im Organismus verhält. Durch Bestrahlung des erkrankten Areals mit Laserlicht geeigneter Wellenlänge (Absorptionsbanden des PS) wird der PS lokal zur Bildung hochreaktiver Sauerstoffradikale angeregt, und somit werden im Gewebe zytotoxische Reaktionen induziert. Das Zeitschema der PDT hängt sowohl von der Applikationsart als auch von der Pharmakokinetik des verwendeten PS ab. Hauptsächlich bei Anwendung von Porphyrinen besteht das Risiko der Hautsensibilisierung unter Auslösung phototoxischer Reaktionen, wenn nicht entsprechende optische Schutzmaßnahmen (z.B. Abdunklung) getroffen werden. Die PDT findet zunehmend klinische Anwendung in der Urologie, Dermatologie, Hals-Nasen-Ohrenheilkunde und in der Gastroenterologie.

10) Laserresektion. Die Basis hierfür stellt die Photovaporisation (Laser-Gewebevaporisation) dar. Dabei kommt es durch die Absorption von Laserstrahlung an gewebespezifischen Absorbern wie Wassern, Farbstoffen oder Proteinen zu einer Aufheizung des Gewebes auf Temperaturen über 300°C, die zur Verdampfung des Gewebes führen. Der typische Schneidlaser ist der CO2-Laser, mit dem auch mikrochirurgische Präparationen mit feinem Koagulationssaum durchgeführt werden können. Jedoch lassen sich auch mit dem Nd:YAG-Laser mit der Bare-Fiber-Kontakt-Technik (Lasermedizintechnik) feine Schnitte mit einem schmalen Koagulationssaum durchführen. Für Schnitte mit einem breiten Koagulationssaum, wie sie für eine Hämostase erforderlich sind, wird der Nd:YAG-Laser in der Nonkontakt-Technik mit Fokussierhandstück benötigt.

11) Laser-Biostimulation. Hier wird davon ausgegangen, daß die im biologischen Gewebe absorbierte Laserstrahlung niedriger Leistung (5 bis 50 mW) bei einem Energieeintrag von 10 bis 40 kJ/m2 unter anderem zur Anregung der Kollagensynthese und zur Beeinflussung des Zellmetabolismus führt. Signaltransduktion und Biochemie dieser induzierten Prozesse sind noch nicht durchgängig bekannt. Die klinischen Erfahrungen beziehen sich vorwiegend auf die Anwendung der Biostimulation bei akuten und degenerativen Erkrankungen des Stütz- und Bewegungsapparates und bei Wundheilungsstörungen unter Einsatz von Lasern mit unterschiedlichen Wellenlängen (zwischen 442 und 1064 nm). Auch der analgetische Effekt wird beschrieben. Der therapeutische Wert der Biostimulationstherapie ist weiterhin umstritten.

12) Laser-Osteotomie. Hier wird die Lasertechnik zum Schneiden von Knochen eingesetzt. Aufgrund der Zusammensetzung des Knochens (20% organische Anteile, 60% anorganische Anteile und 20% Wasseranteil) ergeben sich viele Absorptionmaxima, so daß zum Schneiden von diesem Material verschiedene Lasersysteme angewandt werden können. Außer dem CO2-Laser werden hierfür zunehmend auch gepulste Laser (z.B. Er:YAG-, Ho:YAG- und Excimer-Laser) benutzt.

13) Laser-Gefäßanastomosen. Hier erfolgt der Einsatz des Lasers zur Gewebefusion bei Blutgefäßwänden. Es werden die bei der herkömmlichen Nahttechnik auftretenden Komplikationen wie Fremdkörperreaktionen sowie Fadengranulome vermieden. Bei Lasereinstrahlung auf die zu verbindenen und aufeinandergelegten Teile kommt es unter anderem zur Vernetzung von kollagenen Fasern und Fibrillen.

14) Laser-Gonioplastik. Hierbei wird die L. beim angeborenen (Gonioplastik) bzw. erworbenen (Iridoplastik) Glaukom angewendet. Bei Vorliegen eines engen Kammerwinkels kann man diesen durch thermische Verödung kleiner Volumina (mit Laserstrahlung im Bereich von 500 bis 700 μm) bei vergleichsweise geringer Strahldichte (2 bis 4,5 kW/m2) an der Irisbasis vertiefen. Dieser Eingriff allein reicht oft schon zu einer Drucksenkung aus. Ist das nicht der Fall, kann bei nun verbreitertem Kammerwinkel eine Lasertrabekuloplastik erfolgen. Wegen der möglichen Komplikationen wie z.B. das Auftreten eines stärkeren postoperativen Reizzustandes wird die Gonioplastik in manchen Augenkliniken nicht durchgeführt.

15) Laser-Laparoskopie. Es wird Laserstrahlung über den Arbeitskanal starrer Endoskope (Laparoskop) zugeführt. Im Bereich der Bauchhöhle wird sie hauptsächlich zur Lyse von angeborenen und erworbenen Adhäsionen eingesetzt. Hierbei wird vor allem der Nd:YAG-Laser wegen der Möglichkeit der Transmission seiner Strahlung über flexible Fasern (Bare-Fiber) mit einem Durchmesser von 200 bis 600 μm im Arbeitskanal des Laparoskops verwendet. Es kann sowohl in der Nonkontakt-Technik koaguliert als auch in der Kontakt-Technik vaporisiert werden (Lasermedizintechnik).

16) Laser-Pelviskopie. Die vergrößerte Darstellung der Organe im kleinen Becken bei der Endoskopie in der Kombination mit der Lasertechnik stellt eine sinnvolle minimal invasive Therapiemethode dar. Dabei wird oft der Nd:YAG-Laser eingesetzt. Aus therapeutischer Sicht wird zwischen der Kontakt-Technik (Resektion) und der Nonkontakt-Technik (Koagulation) unterschieden. Typische Indikationen sind dabei die Entfernung der Endometriose und Adhäsiolyse.

17) Laserstereotaktische Operation. Unter Nutzung von Bildern der Computertomographie (CT), Magnetresonanztomographie (MRT), Angiographie oder von orthogonal aufeinanderstehenden Röntgenaufnahmen ist jeder beliebige Punkt, vorwiegend im Schädelbereich, stereotaktisch in einem konstanten räumlichen Bezugssystem verifizierbar. Ein solcher Punkt kann nun von außen über ein Bohrloch, stereotaktisch gezielt mit Laserapplikatoren, angefahren werden. Über Hohlsonden werden auf diese Weise diagnostische, therapeutische oder kombinierte Eingriffe vorgenommen. Die Methode eignet sich besonders zur Koagulation von Hirntumoren im Rahmen der MRT-kontrollierten laserinduzierten Thermotherapie.

18) Laser-Endoskopie. Diese Technik umfaßt alle Laseranwendungen, bei denen Laserstrahlung zu therapeutischen und diagnostischen Zwecken über eine endoskopische Optik (starr oder flexibel) geleitet wird. In der endoskopischen Chirurgie kommt eine breite Palette von Lasern zum Einsatz. Für die Larynx-Chirurgie und für die Behandlung von Epitheldysplasien in der Mundhöhle und perineal wird der CO2-Laser eingesetzt.

Für Laser-Thorakoskopie (Laser-Laparoskopie bzw. Laser-Pelviskopie) ist jedoch der Nd:YAG-Laser in der Bare-Fiber-Technik vorzuziehen. Mittels der Nonkontakt-Technik kann eine durch die Expositionsdauer steuerbare laserinduzierte Gewebekoagulation vorgenommen werden. Unter Anwendung der Kontakt-Technik mit dem gleichen Instrument und gleichen Parametern wird eine Laserresektion erreicht. Der Vorteil gegenüber der Hochfrequenz-Chirurgie ist, daß mit dem gleichen Instrument koaguliert und geschnitten werden kann. Der Einsatz der endoskopischen Chirurgie findet unter anderem bei Meniskektomie, Synovektomie, Diskusvaporisation, Diskusdekompression, Lithotripsie, aber auch zur Behandlung von malignen Stenosen im Bronchial- und Gastrointestinaltrakt statt. Hierbei erfolgt unter endoskopischer Sichtkontrolle zuerst die Nonkontakt-Koagulation der sichtbaren Tumoranteile und dann mit der gleichen Faser in Kontakt-Technik die Abtragung der stenosierenden Anteile. Der Vorteil gegenüber der primären Nonkontakt-Vaporisation liegt darin, daß einmal die erhebliche Rauchbelastung, gerade bei Bronchialstenosen, reduziert werden kann, andererseits aber unkontrollierte tiefe Koagulationen mit dem Risiko einer Perforation oder einer Via falsa vermieden werden können. Lasermedizintechnik.

19) NIR-Diaphanoskopie. Hierbei handelt es sich um ein laser-/lichtoptisches Durchstrahlungsverfahren für biologisches Gewebe, das eine zweidimensionale Intensitätsdetektion gestreuter oder transmittierter Strahlung im nahen Infrarot (NIR) zur Diagnostik nutzt (s. Farbtafel ). Die überwiegende Anwendung erfolgt unter anderem im Bereich der Nasennebenhöhlen (externe und endoskopische Anwendung), der kleinen Gelenke (zur Diagnose der rheumatischen Arthritis) und hinsichtlich ausgewählter diagnostischer Fragestellungen der Mammographie. In jedem Anwendungsgebiete werden Streulichtverteilung und Absorptionsabschattungen als Ergebnis der durch Erkrankung des Gewebes veränderten gewebeoptischen Parameter (Gewebeoptik) interpretiert. Lasermedizintechnik.

20) Ballon-Laser-Prostatektomie (TULP). Bei der transurethralen Ballon-Laser-Prostatektomie wird ein System, das aus zwei Ultraschalltransducern und einem Laserstrahlapplikator besteht und sich innerhalb eines transparenten Ballons befindet, in die prostatische Harnröhre eingeführt. Der Ballon dient nicht nur als Wasservorlaufstrecke, sondern er schafft auch Raum und schützt somit den Applikator vor ungewolltem Gewebekontakt. Die Applikation der Laserenergie geschieht transurethral ultraschallkontrolliert über ein den Laserstrahl rechtwinklig umlenkendes Prisma, wodurch die Bestrahlung senkrecht zur Oberfläche erfolgt. Das Behandlungsziel ist die Erzeugung einer tiefen Koagulationsnekrose. Das nekrotische Material löst sich im weiteren Verlaufe ab.

21) Optische Tomographie (OT). Dies ist ein Durchleuchtungsverfahren mit Lasern für medizinische Anwendungen, bei dem das Scanverfahren aus der Computertomographie (CT) angewendet wird. Die Laserstrahlung wird dabei zeitlich gepulst oder hochfrequent intensitätsmoduliert bei einer Wellenlänge um 800 nm (optische Eindringtiefe). Auch eine Ausnutzung der Kohärenzeigenschaften ist möglich. Die Rekonstruktionsalgorithmen aus der CT müssen modifiziert werden, um den Streuprozessen Rechnung zu tragen.

Die Methode der OT bleibt aus physikalischen Gründen (Signal/Rauschverhältnis) auf kleine Anatomien beschränkt.

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