Laser in der Medizin: So wirkt das Licht auf Knochen und Zellen

Photonen und Patienten

Der Laser ist heute ein unverzichtbares Werkzeug für die medizinische Diagnostik und Therapie Bild: Osram Opto Semiconductors
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Der Laserstrahl ist heute neben dem Skalpell das mächtigste Schwert in der Hand des Arztes. Die Technik lässt sich durch die Wahl der Strahlquelle und der Einsatzbedingungen gezielt an eine gewünschte Behandlung anpassen.

Als der Amerikaner Ted Maiman 1960 den ersten Rubinlaser baute, begann eine neue Epoche der Medizingeschichte. Heute ist der Laserstrahl ein Multitalent, schneidet in der Fertigung Stahl und Keramik für Instrumente und entfernt, geführt von der Hand des Arztes, thermisch oder abtragend Gewebe, regt photosensible Prozesse an oder transportiert Spermien berührungslos in Eizellen. Auch die bildgebende Diagnostik erfährt durch die laseroptische Tomographie und die laserinduzierte dreidimensionale Fluoreszenzdarstellung von Genen im Zellkern eine neue Auflösungsdimension. Ultrakurze Laserimpulse wiederum erzeugen Schnitte und Strukturen im Nanomaßstab: Das ist die Basis der Nanochirurgie. So lassen sich sogar einzelne Chromosomen und Filamente des Zytoskeletts in lebenden Zellen durchtrennen, wie das schneidende Mikroskop des Laser Zentrums Hannover zeigt.

Die Wirkungen der Laserstrahlung auf biologisches Gewebe hängen zum einen von den optischen Eigenschaften des Gewebes ab, das das Licht streut, reflektiert oder absorbiert. Zum anderen haben Wellenlänge, Pulsdauer und Pulsfolgefrequenz sowie Einwirkzeit und Leistung einen Einfluss auf das Geschehen in den Zellen.
Laser, die beispielsweise im UV-Bereich strahlen oder im Infrarot (IR) mit einer Wellenlänge von über 1500 nm, dringen nur wenige Mikrometer tief ins Gewebe ein. Solche infrarote Laserstrahlung regt die Moleküle zum Schwingen an, weshalb sich das betroffene Gewebe erwärmt.
Wasser, Melanin und Hämoglobin in den Zellen sind der Grund dafür, dass Gewebe bei Wellenlängen von unter 300 nm sehr viel Licht absorbiert. Über das Spektrum der Wellenlängen hingegen ändert sich das Ausmaß, in dem Wasser Licht absorbiert, so dass sich der Effekt der Bestrahlung durch die Wahl der Wellenlänge an das Behandlungsziel anpassen lässt. Ab 700 nm etwa bis zum ferneren Infrarot absorbiert Wasser zunehmend Licht. Bei etwa 3 μm und 6 μm gibt es Maxima, bei denen schon in den oberen Zellschichten so viel Strahlung absorbiert wird, dass das Licht nicht sehr tief ins Gewebe eindringen kann.
Daher lässt sich bereits bei relativ kleinen Bestrahlungsstärken Gewebe von der Oberfläche durch Er:YAG-Laser, die mit einer Wellenlänge von 2,94 μm strahlen, abtragen. Die gleiche Möglichkeit bieten CO2-Laser mit einer Wellenlänge von 10,6 μm, aber auch Excimer-Laser mit der sehr kurzen Wellenlänge von 355 nm, bei der das Hämoglobin ein Absorptionsmaximum hat.
Im nahen Infrarot, von 700 nm bis 1,2 µm, ist der Absorptionskoeffizient hingegen um mehrere Größenordnungen kleiner als bei 3 µm. Daher dringt die Strahlung etwa eines Nd:YAG-Laser mit 1064 nm Wellenlänge recht tief in das Gewebe ein, verteilt sich auf ein größeres Volumen und führt bei ausreichender Bestrahlungsdosis zu ausgedehnter Gewebekoagulation. Für das sehr blutreiche schwammartige Leber- und Lungenparenchym etwa ist dies die einzige Chance, Metastasen zu entfernen.
Angesichts solcher Details wird klar, dass der Chirurgie für fast jede Anwendung eine passende Laser-Lösung zur Verfügung steht. Mit kontinuierlicher Strahlung beispielsweise wird das Gewebe geschnitten, während gepulste Laser zum Auftrennen und Abtragen von Knochen und Knorpel eingesetzt werden. Die Wellenlänge bestimmt darüber hinaus, ob das verbleibende Gewebe beim Schneideprozess koaguliert oder nahezu unbehelligt bleibt. Für die Diagnostik nutzbar ist die Bestrahlung, wenn sie die Autofluoreszenz des Gewebes anregt. Mit hochfokussierten Femtosekundenlasern können durch Mehrphotonenanregung auch mit tiefreichender IR-Strahlung fluoreszenzauslösende Anregungsenergien in jenen Gewebeschichten erreicht werden, die für eine kürzerwellige direktanregende Einphotonenstrahlung unerreichbar wären.
Um Gewebe abzulösen, werden hohe Leistungsdichten von 106 W/cm2 bis 1010 W/cm2 mit sehr kurzen Expositionsdauern eingesetzt. So ist der vom Laser zerstörte, nekrotisierte Bereich im Gewebe nur einige Mikrometer breit. Weil die Temperatur in den umgebenden Zellen nur langsam mit ansteigt, lösen kurze Impulsdauern auch Prozesse wie Photodisruption und Photoablation aus: Es kommt zu einer explosionsartigen Gewebeausstoßung.Bei sehr kleinen Expositionszeiten mit Leistungsdichten bis 1012 W/cm2 ionisieren die Atome, es entsteht ein Mikroplasma aus freien Elektronen. Dieses expandiert und erzeugt dabei eine akustische Stoßwelle, was Fachleute als Photodisruption oder Kavitationserosion bezeichnen.
Wellenlängen, die körpereigene Pigmente anregen, können gezielt elektronische Übergänge anregen und so photodynamische Reaktionen auslösen. Diesen Effekt nutzen Ärzte, in dem sie körperfremde Chromophore wie Hämatoporphyrin zuführen und genau diese mit Laserlicht ansprechen.
Roland Dreyer Fachjournalist in Stuttgart

Laser in der Medizin
Rubin-Laser bieten Pulslängen von 30 ps bis 500 ms und Pulsenergien bis zu 500 J. Anders als die Veteranen der Lasertechnik sind moderne Rubinlaser kompakte und zuverlässige Systeme, die zum Entfernen von Tätowierungen und Haaren eingesetzt werden.
He-Ne Laser Die herausragende Strahlqualität und sein günstiger Preis bestimmen die Verbreitung dieses Lasers. Sein rotes Licht wird gemeinsam mit Infrarot-Lasern verwendet, um deren unsichtbare Strahlen zu zu lokalisieren.
Edelgaslaser Diese voluminösen lonenlaser, die zum Beispiel mit Argon- und Kryptonionen arbeiten, emittieren blaugrünes Licht, das von Hämoglobin und Melanin absorbiert wird – was die Laser für die Ophthalmologie und Dermatologie interessant macht. Sie haben aber einen erheblichen Strom- und Kühlungsbedarf und sind vor allem dann gefragt, wenn eine hervorragende Strahlqualität gefordert ist. Ansonsten werden sie zunehmend von den viel kompakteren Festkörperlasern verdrängt.
Diodenlaser sind sehr klein. Ihr hoher Wirkungsgrad zwischen 25 % und 50 %, ihre Haltbarkeit, ihre Modulationsfähigkeit und ihr günstiger Preis sind die Hauptgründe für ihre Beliebtheit. Für höhere Leistungen bis zu vielen Kilowatt werden mehrere Laserdioden elektrisch und optisch zu Barren oder Stacks zusammengefasst. Diodenlaser werden vielfach diagnostisch eingesetzt, aber auch in der Urologie oder im HNO-Bereich.
CO2-Laser Dieser sehr effiziente Laser strahlt im nahen Infrarot-Bereich (NIR) und hat einen hohen Wirkungsgrad um 30 %. Da seine Emissionswellenlänge nicht glasgängig ist, müssen aufwendige Gelenksysteme mit Spiegeln eingesetzt werden, um seinen Strahl zu führen. In der Chirurgie wird er in gepulster Form zum Durchtrennen von Knochen eingesetzt sowie im HNO-Bereich zur Resektion von Raumforderungen.
Metalldampf- und Excimer-Laser bieten die kürzesten Dauerstrichwellenlängen im Ultraviolett-Bereich. Reine Excimer-Laser nutzen als aktives Medium ein angeregtes Edelgas-Dimer. Excimer-Laser haben einen Wirkungsgrad zwischen 1 % und 10 %. Sie erzeugen Pulsleistungen im Gigawatt-Bereich und Pulsenergien bis zu 1 J bei Pulslängen im Nanosekundenbereich. Excimer-Lasern werden zum Beispiel in der Hornhautchirurgie genutzt, um Fehlsichtigkeit operativ zu korrigieren.
Erbium:YAG-Laser emittieren bei 2,94 µm, einer Wellenlänge, die vom Gewebewasser stark absorbiert. Die Eindringtiefe beträgt daher wenige 10 bis 100 µm. Damit lassen sich feine Hautschichten abtragen. Nd:YAG-Laser emittieren bei 1064 nm im nahen Infrarot (NIR) und eignen sich, um große Volumen von Gewebe zu koagulieren. Je nach verwendeter Leistungsdichte ist auch ein Vaporisieren und Schneiden möglich.
Farbstoff-Laser sind durchstimmbar, lassen sich also in der Wellenlänge anpassen, wenn auch nur in einem engen Bereich von 80 bis 100 nm. Die Farbstoffe sind intensiv fluoreszierende Moleküle. Eingesetzt werden die Farbstoff-Laser in der Dermatologie und der Lithotripsie. Die Farbstoff-Laser bekommen zunehmend Konkurrenz von durchstimmbaren Festkörperlasern.
Titan:Saphir-(TiSa)-Laser gehören zu den Femtosekundenlasern. Sie nutzen die Fluoreszenz von Titanionen und sind im Bereich von 700 bis 1000 nm durchstimmbar. Ihr unkomplizierter Aufbau, die einfache Justage und ein günstiger Preis machen den TiSa-Laser zum mit Abstand verbreitetsten Femtosekundenlaser.
Mehr zu Femtosekundenlasern ab S. 54

Neue Anwendungen

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Optische Tomographie Die Optische Kohärenztomographie (OCT) ist mit dem Ultraschall vergleichbar, liefert in einem Eindringbereich von 2 bis 3 mm dreidimensionale Abbildungen von inneren Gewebestrukturen und stellt lokale Prozesse wie Gewebedurchblutung und Sauerstoffgehalt dar. Weitere Informationen: www.lasermedizin.uni-hannover.de
Pinzetten aus Licht Fokussierte Laserstrahlen können, unabhängig von Absorptionsvorgängen, mechanische Kräfte im Bereich von Pikonewton ausüben. Dabei wirkt der den Photonen eigene Translationsimpuls mit der so genannten Gradientenkraft zusammen, die ein Partikel im Brennpunkt des Lichtstrahls stabilisiert. Damit ist ein berührungsloser Transport von Zellen und Zellbestandteilen möglich. Mit einer Laserpinzette lassen sich etwa Spermien schonend in eine Eizelle manövrieren. Weitere Informationen: www.palm-mikrolaser.de
Photodynamische Therapie Bei der Photodynamischen Therapie (PDT) werden Photosensibilisatoren in einen Tumor eingebracht oder auf die Haut aufgetragen. Laserlicht passender Wellenlänge löst photochemische Reaktionen aus, bei denen sich aggressive und zytotoxische Radikale und Singulett-Sauerstoff (Reactive Oxygen Species ROS) bilden. Die Wirksamkeit der PDT hängt unter anderem davon ab, dass die Photosensibilisatoren mit möglichst wenig Lichtenergie möglichst viel ROS erzeugen. Mehr dazu: www.medizin-netz.de/science/pdt.htm
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