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Lexikon der Optik: Lasermedizintechnik

Lasermedizintechnik, in der Lasermedizin verwendete Vorrichtungen. Im einzelnen wurden die folgenden Geräte entwickelt.

1) Laser-Applikatoren. Dies sind optisch-mechanische Vorrichtungen zur Realisierung von Laserstrahlungswirkungen an biologischen Geweben. Sie bestehen aus einer Positionierungseinrichtung (einem Einführungssystem, z.B. Kathetertechnik), einer Laserankoppelung, einer Strahlführung (z.B. Lichtleitfaser) und einer für thermische und nichtthermische Anwendungen spezifisch gestalteten optischen Auskopplung an ihrem distalen Ende. Die beiden grundsätzlichen Anwendungen des Laser-Applikators können im Kontakt und im Nonkontakt vollzogen werden, was unterschiedliche Nutzungsdauern der optischen Endstellen impliziert.

Beim Streuapplikator (Diffusor), einem Applikationssystem für die interstitielle oder intraluminale Laserbestrahlung (laserinduzierte Thermotherapie, photodynamische Therapie), wird Laserlicht über eine Länge von einigen Zentimetern diffus abgestrahlt. In der Regel wird das distale Ende eines Lichtleiters mattiert (aktive Zone), um die gewünschte Abstrahlungscharakteristik zu erhalten (Abb.).

Eine spezielle Ausführungsform des Streuapplikators ist der Zebra-Applikator, bei dem zur Erzielung einer möglichst langen aktiven Zone die Mattierung sukzessive unterbrochen wird (Abb.).

Ein Streuapplikator kann weiterhin als ein Ringmode-Applikator ausgebildet sein. Hier wird das Laserlicht unter einem vorgegebenen Winkel in den Lichtleiter eingekoppelt. Dies führt zu der Anregung eines sogenannten Ringmodes mit einer lateralen, zirkumferenten Abstrahlcharakteristik (Abb.).

Zur Erzielung besonders großer Läsionen arbeitet man mit einem gekühlten Streuapplikator. Dieser ist von einem Schutzkatheter umgeben und wird durch eine Gegenstromspülung mit wäßrigen Lösungen auf eine Temperatur von ca. 10°C gekühlt. Dadurch ist die Applikation von Laserleistungen bis zu 25 Watt über einen Zeitraum von 15 Minuten möglich, so daß Koagulationsvolumina bis zu 5 cm Durchmesser induziert werden können (Abb.).

Als Bare-Fiber bezeichnet man einen Lichtleiter-Laser-Applikator, bei dem der Kunststoffmantel des Quarzglaslichtleiters am distalen Ende über eine Länge von 1 bis 2 cm entfernt wurde. Die Bare-Fiber (engl., "nackte Faser") kann direkt im Kontakt zum Gewebeschneiden oder im Nonkontakt zum Koagulieren benutzt werden.

Unter Hot-Tip (engl., "heiße Spitze") versteht man einen Lichtleiter-Laser-Applikator, bei dem auf das distale Ende der Glasfaser eine Metallkappe aufgesetzt wird. Die Einwirkung auf das Gewebe (Verdampfen) erfolgt durch die auf mehrere hundert Grad aufgeheizte Metallkappe.

2) Fokussierhandstück. Dieses optische Gerät dient zur Fokussierung von Laserstrahlung am Ende eines Strahlführungssystems zur Freihandanwendung. Je kürzer die Brennweite der Optik, desto höher ist die Leistungsdichte im Fokus, um so größer aber auch ihre Schwankung auf dem Gewebe bei unvermeidlichen Abstandsänderungen. Längere Brennweiten ergeben geringere Leistungsdichtemaxima, aber gleichmäßigere Bestrahlung bei kleinen Abstandsschwankungen und wegen des größeren Arbeitsabstandes eine bessere Sicht auf das bestrahlte Gewebe. Die Optiken müssen stets mit einem Gasstrom gespült werden, um übermäßige Erwärmung durch absorbierte Laserstrahlung und Niederschläge von Gewebepartikeln auf die optische Endfläche zu verhindern.

3) Mikromanipulator. Dies ist ein optisches Endgerät zur präzisen manuellen Positionierung eines durch geeignete Optiken in der Objektebene eines Mikroskops fokussierten Laserstrahles. Bei scharf abgebildetem Operationsfeld liegt der Laserfokus stets in der Arbeitsebene. Die Positionierung erfolgt mit einem Joystick, dessen Bewegungen auf einen kardanisch gelagerten Umlenkspiegel übertragen werden.

4) Spiegelgelenkarm. Hierbei handelt es sich um ein Strahlführungssystem aus starren Rohren, verbunden über frei bewegliche Gelenke, in denen Umlenkspiegel so angebracht sind, daß der Laserstrahl in jeder beliebigen Stellung frei durch das Innenvolumen geleitet wird. Nachteile sind ein hoher Justieraufwand, Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Stößen und Rigidität in der Handhabung. Die Vorteile bestehen darin, daß die Wellenlänge keiner Beschränkung unterworfen ist, sowie in der Erhaltung der Strahlqualität und einem hohen Leistungsübertragungsvermögen.

5) Optische Pinzette. Darunter versteht man ein optisches Gerät, das an ein Mikroskop angebaut wird, um kleine Objekte in flüssigen Medien halten und bewegen zu können. Meist werden biologische Objekte (Zellen, Organellen) bewegt, um sie zu manipulieren. Ein Einmoden-Laserstrahl wird aufgeweitet und mit großer numerischer Apertur auf das Objekt fokussiert. Das Objekt wird durch Kräfte im Fokus gehalten, die sich aus dem Strahlungsdruck der Lichtwelle, die an der Objektbegrenzung gebrochen und reflektiert wird, ergeben. Bei Objekten, die kleiner als die verwendete Laserwellenlänge sind, rühren die Haltekräfte von der Wechselwirkung des Lichtfeldes mit dem im Objekt induzierten Dipolmoment her. In allen Fällen resultiert eine Kraft, die das Objekt zum Fokus hin bewegt. Durch eine Verlagerung des Laserfokus wird das Objekt bewegt. Die Kraft nimmt mit der Objektgröße zu und ist weiterhin von der Laserleistung, der numerischen Apertur, den Brechzahlen von Objekt und Umgebungsmedium sowie der Objektgeometrie abhängig. Zu beachten ist, daß das Objekt bei der Laserwellenlänge (verwendet werden z.B. Nd:YAG-Laser oder Diodenlaser) keine Absorption aufweisen darf, da sonst bei den benutzten Leistungen von ca. 1 W eine Erwärmung und damit Schädigung des Objektes auftreten kann.

6) Laserskalpell. Die Laserstrahlung läßt sich als Skalpell zur Durchführung der chirurgischen Exzisionen einsetzen. Dabei kommt es aufgrund der Absorption der Strahlung im Gewebe zur Erhöhung der Gewebetemperatur und zur Gewebevaporisation (Gewebeoptik). Als Skalpell kommen vor allem die über einen Spiegelgelenkarm geführte CO2-Laser-Strahlung sowie der Nd:YAG-Laser mit dem Fokussierhandstück bzw. mit der Bare-Fiber in Kontakt-Technik zum Einsatz. Die Kontakt-Technik findet ihre Anwendung vor allem im Bereich der Laser-Endoskopie.

7) NIR-Diaphanoskop. Dieses Gerät dient bei der diagnostischen NIR-Diaphanoskopie (Lasermedizin) zur Aufnahme von Absorptions- und Streulichtmustern im Bereich des Nahen Infrarots (NIR) an biologischen Gewebestrukturen. Mittels eines anatomisch an die entsprechende Körperregion adaptierten Applikators wird Laser- oder thermische Strahlung des Wellenlängenbereichs 650 bis 1100 nm eingestrahlt. In Abhängigkeit von den krankhaft veränderten optischen Gewebeparametern (Gewebeoptik) wird das nach der Durchleuchtung gestreute Licht als 2D-Bild detektiert und in den sichtbaren Bereich elektronisch-optisch gewandelt. Vorteilhaft kann dazu ein CCD-Bildsensor (Kamera) benutzt werden. Besonders bei der Diagnose an Nasennebenhöhlen geben diese Streulichtverteilungen einen unmittelbaren Aufschluß über den Erkrankungszustand. Der CCD-Bildsensor ist durch ein NIR-Filter gegen Störlicht geschützt. Die Bilddarstellung erfolgt auf einem Monitor.

8) Pilotstrahl. Medizinische Therapielaser sind mit einer Strahlführung kombiniert, mittels derer sich bei Nonkontakt-Anwendungen Strahlungsfokus und Therapie-Target in Übereinstimmung bringen lassen. Bei Kontaktanwendungen dagegen fallen Target und Aufsetzpunkt der Strahlführung zusammen bzw. liegen bei geringem Abstand auf einer optischen Achse. Während des Positionierungsvorganges wird keine Therapiestrahlung abgegeben. Statt dessen dient sichtbare Strahlung geringer Strahldichte (um 10 W/m2, oft die rote Linie eines He-Ne-Lasers), die im gleichen Punkt fokussiert ist, als Orientierungshilfe. Dieser cw-Pilotstrahl wird überwiegend über die gleiche Strahlführung geleitet. Nach Abschluß des Positionierungsvorganges wird die separat einstellbare Therapie-Laserstrahlung (die oft eine andere Wellenlänge hat) dazugegeben.

9) Laser-Endoskop. Dies ist ein Endoskop, das mit Laserlicht arbeitet. Der optische und der mechanische Aufbau ist bei kombiniertem diagnostischen und therapeutischen Einsatz grundsätzlich der gleiche. Er wird speziell ergänzt durch einen im Arbeitskanal geführten Lichtwellenleiter, der die Übertragung der Laserstrahlung gestattet, und ein Lichtschutzfilter für den Strahlungsbereich der genutzten Laserstrahlung am Okular des optischen Systems. Für den Einsatz in der optischen Biopsie können wahlweise Fluoreszenz-Anregungstrahlung und Fluoreszenzstrahlung getrennt oder gemeinsam über ein optisches System geführt werden. Bei bidirektionaler Strahlungsführung werden achromatische Optiken verwendet.

Spezielle Ausführungsformen sind das Laser-Zystoskop, das Laser-Laparoskop, das Laser-Gastroskop und das Laser-Bronchoskop.









Lasermedizintechnik: Verschiedene Ausführungsformen von Laser-Applikatoren.
a) Streuapplikator (Diffusor), b) Zebra-Applikator,
c) Ringmode-Applikator,
d) gekühlter Streuapplikator. MRI-Marker, kontrastgebende Substanz in einem magnetic resonance imager; coating, mechanischer Schutzmantel des Lichtleiters; cladding, optische Umkleidung des Glaskernes des Lichtleiters; Glasdom, Glasrohr mit einseitiger kalottenartiger Abschmelzung.

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