Lasertechnik in der Medizin - Ein Überblick

Lasertechnik in der Medizintechnik

1. Einleitung und geschichtlicher Hintergrund des Lasers

2. Was ist ein Laser und wie funktioniert er ?- Versuch einer einfachen Darstellung

3. Der Laser in der Medizin
3.1 Der Lasereinsatz in den verschiedenen Gebieten der Medizin.

4. Die Zukunft des Lasers.

Anhang:

5. Literaturverzeichnis.

1. Einleitung und geschichtlicher Hintergrund des Lasers

In vielen Bereichen der Industrie, Wirtschaft und auch dem Leben des zivilisierten Individuums gehört der Laser zum festen Bestandteil ihres Schaffens und Bestehens. Er ist eine vielseitige Hilfe bei einer Menge von Prozessen. Manchmal ist er so stark, dass er in der Automobilindustrie Karosserien aus Stahl ausschneidet oder metallische Komponente besser zusammenschweißt als es jede Stahlniete könnte. Manchmal ist er aber auch so schwach, dass er uns eine CD oder DVD liest oder uns eine Seite im „Laserdrucker“ druckt. Er ist somit ein offensichtlich sehr flexibles und lebenserleichterndes Medium. Doch er ist nicht nur ein Medium, welches uns das Leben leichter macht, sondern auch direkt erhalten kann- in der Medizin. Der Laser scheint somit ein wichtiges Werkzeug in einer Vielzahl von medizinischen Bereichen zu sein.

Doch in welchen dieser Bereiche hat der Laser bereits Einzug gewonnen? Wie funktioniert so ein Laser? Wann trat er erstmals in Erscheinung und welches Potenzial besitzt dieser „Allrounder“?

Diese Fragen versucht die vorliegende Arbeit zu beantworten. Schon bei kurzer Betrachtung der Materie wird deutlich, dass der Laser nicht nur in seiner Funktion, sondern auch als Medium ein sehr komplexes und kompliziertes Gerät ist. Ohne jeweilige Fachkenntnis in Physik, Chemie, Biologie und Medizin ist es ein schwer zu fassendes Thema.

Ziel dieser Arbeit ist es daher vor allem, dass anschaulich und verständlich in einer kleinen Einführung die Funktion eines Lasers erklärt und die Anwendungsgebiete in der Medizin dargestellt werden. Dabei wird auf mathematische Formeln und detaillierte Ausführungen von chemischen und physikalischen Prozessen verzichtet und die wichtigsten Begrifflichkeiten erklärt. Abschließend soll ein kurzer Ausblick über Lasertechnik in der näheren Zukunft gegeben werden.

So viel sei vorweg genommen: seit Albert Einstein 1917 die „Theorie der stimulierten Emission von Photonen“ (Aussendung elektromagnetischer Wellen, die ein Photon durch ein weiteres Photon reagieren lässt), aufstellte, welche eine Voraussetzung für das Funktionieren eines Lasers ist, und der Erfindung des ersten Lasers (Rubinlaser) durch Theodor Maiman im Jahre 1960, ist der Laser zu einem bedeutenden Instrument der Industrie, Kommunikation, Wissenschaft, Unterhaltungselektronik und auch im Fokus unserer Betrachtung liegend, der Medizin, geworden.^[1]

Wegbereiter des Lasers:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.2 Albert Einstein,1917 Abb.3 Theodor Maiman,1960^[2]

2. Was ist ein Laser und wie funktioniert er ?- Versuch einer einfachen Darstellung

Um einen Überblick von Lasertechnik in der Medizin aufstellen zu können, soll zunächst eine kurze Darstellung und Definition des Lasers erfolgen, um die Funktionsweise besser nachvollziehen zu können.

LASER ist die Abkürzung der englischen Bezeichnung „Light amplification by stimulated emission of radiation“, was zu deutsch „Lichtverstärkung durch stimulierte Emission Physikalische Methode zur Erzeugung monochromatischer, kohärenter, (fast) paralleler Lichtstrahlung mit extrem hoher Energiedichte“ bedeutet.

Im Prinzip funktioniert ein Laser durch Verstärkung elektromagnetischer Wellen aus dem Spektralbereich (Frequenzbereich). Voraussetzung für die Auslösung eines Laserprozesses ist ein „Lasermaterial“, das (von Ausnahmen abgesehen) mindestens drei verschiedene Energieniveaus besitzt. Durch dauernde Zufuhr der Energie von außen wird das Medium auf ein hohes Energieniveau gepumpt, kann jedoch nur durch zusätzliche Anregung in das Grundniveau unter Aussendung von Photonen zurückfallen. Dieser Vorgang wird als „stimulierte Emission“ bezeichnet.

Dabei werden Photonen gleicher Energie mit zeitlicher und räumlicher Kohärenz (Zusammenhang) ausgesandt. Das aktive Glied in einem Laser kann ein Festkörper sein, vorzugsweise ein Kristall, z.B. aus Neodym (YAG-Laser), ein Halbleiter oder ein Gas bzw. Gasgemisch (z.B. Neon- Helium- Laser).

Diese Substanzen sind entscheidend für die Wellenlänge des jeweils emittierten Lichts im ultravioletten, sichtbaren und ultraroten Spektralbereich.

Funktionsbeschreibung anhand eines vereinfachten Schemas:

Wir finden zunächst ein Laserrohr vor, gefüllt mit Lasermaterial. Eine Blitzröhre erzeugt in diesem Material Licht, welches zwischen zwei Spiegeln hin- und hergepumpt wird, bis es vielfach verstärkt den auf der einen Seite befindlichen „teilweise durchlässigen“ Spiegel durchdringen kann. Eine dahinter befindliche Sammellinse (hier nicht gekennzeichnet) fokussiert das Licht auf einen Punkt.^[3]

Ein Lasergerät ist hierbei besonders gekennzeichnet durch seine Wellenlänge, Leistung und Betriebsart.^[4] Jede Komponente spielt dabei eine variierende Rolle. So beeinflusst beispielsweise die gesamte Konstruktion des Lasers seine „Stärke“. Je nach dem, wie die Spiegel gesetzt, das Lasermaterial („aktives Medium“) gewählt oder wie hoch die elektrisch zugeführte Energie ist, werden Wellenlänge oder Leistung beeinflusst. Mit Lasern gelingt es, Licht in hohem Grade zu kontrollieren bzw. zu manipulieren, wobei auch Intensität, Richtung, Frequenz, Phase und Zeit des Laserstrahls entscheidend sind.^[5] Diese Eigenschaft wird sich mittlerweile in einem sehr breiten Maße zu Nutze gemacht, wie die weitere Arbeit zeigen wird. Als besonders nützlich erweist sich der Laser in der Medizin.

Zusammenfassend ist zu nennen, dass ein Laser jedes Gerät ist, das Strahlung durch „stimulierte Emission“ erzeugt, und ist damit eine künstlich gerichtete Strahlungsquelle.

Da ein Laser empfindliche optische Elemente enthält, muss er mit größter Sorgfalt behandelt werden. Erschütterungen und unnötige Transporte sind unbedingt zu vermeiden.^[6]

Demonstrationslaser: In der Mitte ist das Leuchten der Gasentladung zu sehen, die das Lasermedium anregt. Der Laserstrahl ist rechts als roter Punkt auf dem weißen Schirm zu erkennen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.4: Demonstrationslaser^[7]

Nachdem nun die Funktion in groben, einfachen Zügen erläutert worden ist, soll im nächsten Schritt die Anwendung von Lasertechnik in der Medizin in ihren verschiedenen Anwendungsgebieten als wichtige Entwicklung dargestellt werden.

3. Der Laser in der Medizin

Nachdem nun ein kurzer Einblick über die Funktionsweise eines Lasers gegeben wurde, sollen nun die Anwendungsbereiche in der Medizin genauer dargestellt werden.

In der medizinischen Anwendung des Lasers vollzieht sich in den letzten Jahren ein tiefgreifender Wandel und spielt heute eine herausragende Rolle in vielen Bereichen. Er ist inzwischen in nahezu allen medizinischen Disziplinen zum klinischen Alltag geworden. Der Laser bietet neue Möglichkeiten, u.a. in der Diagnostik oder Therapie und ersetzt bereits seit langem etablierte chirurgische und diagnostische Verfahren durch neue, sanftere Verfahren.

Die starke Bündelung und hohe Leistungsdichte des Strahls verleiht ihm die Möglichkeit der Anwendung in der Medizin.

Welcher Lasertyp zum Einsatz kommt, richtet sich hierbei unter anderem nach der benötigten Leistungsdichte oder danach, welche Wellenlänge von dem zu behandelnden Gewebetyp am besten absorbiert wird.

Die meisten Laseranwendungen in der Medizin haben das Abtragen, Abschneiden oder Verdampfen von Gewebe oder die Koagulation (Gerinnung) von Körperflüssigkeiten zum Ziel.^[8]

Beispiele für die Anwendung von Lasern in der Medizin sind:

- Endoskopie/ Chirurgie
- Ophthalmologie (Augenheilkunde)
- Neurochirurgie
- Zahn-Mund-Kiefer-Gesichtschirurgie
- Hals-Nasen-Ohrenheilkunde
- Pulmologie (Lungenheilkunde)
- Gastroenterologie (Innere Medizin, Magen- Darm, Leber, Gallenblase)
- Kinderchirurgie
- Dermatologie
- Urologie
- Gynäkologie
- Photodynamische Therapie

Im Folgenden werde ich kurz auf jeden Bereich eingehen, Anwendungsbereiche und zum Teil Ansätze von Methoden aufzeigen.

[...]

^[1] vgl. http :wikipedia.org/wiki/laser_allgemeines

^[2] vgl. http://www.dglm.org/index.php?id=684

^[3] Vgl. Pschyrembel, Klinisches Wörterbuch, Berlin, 1997, S. 894-895

^[4] vgl. http://www.auva.at/mediaDB/MMDB114612_M140.pdf

^[5] vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Laser#Allgemeines

^[6] vgl. http://www.auva.at/mediaDB/MMDB114612_M140.pdf

^[7] http://de.wikipedia.org/wiki/Laser#Allgemeines

^[8] vgl. http://www.uni-bonn.de/~umm70012/piko/index_laser.htm