Das Wunderwerkzeug LASER

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Kurze Geschichte des Lasers

Bereits 1917 sagte Albert Einstein dem Laserlicht eine große Karriere voraus. Doch es sollte noch lange Zeit vergehen, bis es gelang, einen Laser zu konstruieren. Erst seit einigen Jahrzehnten wird der Laser in Industrie und Technik erfolgreich eingesetzt. Erst Einsatzgebiete des Excimer-Laser waren beispielsweise die Herstellung von Computer-Chips.

Auch in der Medizin nimmt die Verwendung des Lasers für so genannte minimal invasive Eingriffe ständig zu. Um Augenerkrankungen zu behandeln, werden medizinische Laser schon seit über 35 Jahren verwendet.

Die Behandlung des Auges mit dem Excimer-Laser wurde 1983 in den USA eingeführt. Die Veröffentlichung von Fotos, auf denen mit einem Laserstrahl Mikromillimeter feine Hornhaut-Schichten abgetragen worden waren, löste in Fachkreisen Begeisterung aus. Damit hatte die mikroskopische Hornhaut-Behandlung einen großen Sprung nach vorn gemacht, denn ab diesem Zeitpunkt waren Operationen im Mikrometerbereich möglich.

 

So funktioniert ein Laser

Ein Laser ist ein Gerät, das sehr intensive und scharf gebündelte Lichtstrahlen erzeugt. »Laser« ist die Abkürzung von englisch »Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation« (= Lichtverstärkung durch angeregte Strahlungsemission).

 

Der Laser kann kleinste Teile (Atome und Moleküle) in Bewegung versetzen oder auch zerstören. In der Chirurgie kommt auch die Gerinnungswirkung des Laserstrahls zur Anwendung; er hilft, das Blut zu stillen. Dass der Laserstrahl gezielt Gewebe zerstören kann, macht man sich z.B. bei der Entfernung von Nierensteinen zunutze: Sie werden mit dem Laser in winzige Teile zertrümmert (Lithotripsie).

Voraussetzung für den Laserprozess ist ein Medium, das verschiedene Energieniveaus besitzen muss; es kann aus Gas oder Kristall bestehen.

Für sog. refraktive Augenoperationen wird ein Excimer-Laser verwendet – dieser Kaltlichtlaser funktioniert auf der Basis von mono-frequenten Lichtblitzen der Wellenlänge 193nm, die bei er Entladung von Argon-Fluorid Gas entstehen..

Wie der Laserstrahl entsteht

Die Laserröhre ist ein Hochdruckbehälter mit zwei einander gegenüberliegenden Spiegeln und Elektroden zur Stromversorgung. Um sie in Betrieb zu setzen, füllt man die Laserröhre mit einem Gasgemisch. Verwendet wird eine Mischung aus Edelgasen (Argon, Xenium, Krypton) und Halogenen (Fluor und Chlor), versetzt mit einem »Trägergas«. Das Gas wird durch die hohe Zufuhr von Strom (rund 30000 Volt) in eine starke Spannung versetzt. Ist es mit hoher Energie aufgeladen, entlädt es sich wieder: Es gibt die Energie bei der Entladung in Form von Licht ab.

Bündelung durch Spiegel

Das vom Gas abgegebene Licht wird in der Laserröhre durch die zwei Spiegel hin und her geworfen und verstärkt. Dann tritt es als energiereicher Strahl aus der Röhre aus. Das Gas dagegen fällt in seinen energiearmen Ausgangszustand zurück und kann wieder neu aufgeladen werden. Da der Strom dem Gas gleichmäßig zugeführt wird, sind auch die Energieentladungen äußerst gleichmäßig. Bis zu 1000 Entladungen pro Sekunde machen den Laserstrahl zu einem höchst präzisen Arbeitsinstrument. Die Stärke des Laserstrahls kann dabei mit Hilfe des Computers je nach Bedarf variiert werden.

Eine Frage der Wellenlänge

Die Wellenlänge des Lichtstrahls bestimmt, wie tief der Laserstrahl in das Gewebe eindringt. Um sich eine ungefähre Vorstellung von der Feinheit eines Laserstrahls zu machen: Rund 200 »Laserschüsse« sind nötig, wenn man ein menschliches Haar mit einem Durchmesser von durchschnittlich 80µm mit dem Excimer-Laser durchtrennen will!

Bildergebnis für bilder Excimer

Quelle: EDU.photonics.com

Der Excimer-Laser

Der Excimer-Laser ist ein Laser, der mit Gas arbeitet. »Excimer« ist die Kurzform des englischen »Excited Dimer« (= angeregtes Molekül). Seine Lichtstrahlen liegen in dem für das menschliche Auge unsichtbaren Ultraviolettspektrum; sie sind kalt. Aufgrund der Tatsache, dass sie hoch energiegeladen sind, eignen sie sich hervorragend zum feinen und präzisen Arbeiten und werden für die Korrektur von Fehlsichtigkeiten eingesetzt. Die modernsten Excimer-Laser feuern mit bis zu 1000 Expositionen pro Sekunde.

Wie schon beschrieben, entsteht die ultraviolette Strahlung in der Laserröhre, indem dem Gasgemisch eine hohe Spannung zugeführt wird. Der gebündelte Strahl tritt aus der Röhre aus und wird über ein kompliziertes, teilweise bewegliches System von Spiegeln zum Auge projiziert, das behandelt wird. Welche Stellen der Hornhaut der Strahl modellieren soll, wurde vorher in einer Untersuchung genau vermessen. Mit diesen Daten wurde ein Computer gespeist, der nun die Führung des Laserstrahls übernimmt und die Arbeit genau kontrolliert. Damit bei diesem hoch sensiblen Vorgang keine Fehler passieren können, sind verschiedene Sicherungsmechanismen eingebaut.

– Zwei Spiegel lenken den Laserstrahl auf die zu behandelnden Areale der Hornhaut.

– Das so genannte Eye-Tracking-System gleicht unbewusste Augenbewegungen des Patienten aus Moderne Eye-Tracker überwachen das Auge bei der Augenlaser-Behandlung mit über 1000 Bildern pro Sekunde.

Info

Der Excimer-Laserstrahl besteht aus ultravioletten Strahlen, wie sie auch die Sonne abgibt. Eine zu starke Sonneneinstrahlung kann Verbrennungen hervorrufen – das ultraviolette Licht des Lasers allerdings nicht. Es hat eine andere Wellenlänge als Sonnenstrahlen. Da auch die Strahlung in der Umgebung des Lasers nicht gefährlich ist, kann man bei der Behandlung ohne Gefahr direkt zusehen.

Berührungsfreies operieren

Der Excimer-Laser überträgt die Energie des Strahls nur auf sehr dünne Gewebeschichten. Das daneben und darunter liegende Gewebe ist davon nicht betroffen. Der Laserimpuls berührt nur winzige Teile der Hornhaut. Dabei werden – durch die hohe Energie – einzelne Moleküle, also winzigste Teilchen der Hornhaut von nur einigen Tausendsten Millimeter Größe, ohne jede Berührung (durch Disruption = Aufbrechung der molekularen Bindekräfte ohne thermische Effekte) abgetragen. Die Mediziner nennen diesen Vorgang Photoablation.

Die abgetragene Schicht ist so dünn, dass sie vom bloßen Auge gar nicht wahrgenommen werden kann. Erst nach mehrmaliger Bearbeitung desselben Punktes mit dem Laserstrahl wird die behandelte Stelle auf der Hornhaut sichtbar.

Während sich bei den herkömmlichen chirurgischen Eingriffen am Auge das exakte Ergebnis schlecht vorhersagen ließ, sind die Ergebnisse beim Excimer-Laser äußerst präzise.

Info

Kostenfaktoren beim Laser

• Spezielle Keramiken der Laserröhre

• Optik und Steuerelemente von höchster Präzision

• Rascher Verschleiß von Röhre und Optik durch hohe Energie

• Gas muss regelmäßig ausgetauscht werden

• Nur fünf Prozent des aufgewendeten Stroms können in Laserenergie umgewandelt werden

Breites Einsatzspektrum für den Laser

Mit dem Excimer-Laser werden von der PRK (photorefraktive Keratektomie) bis hin zur hochmodernen SBK-LASIK (sub-Bowman´s Keratomileusis) refraktive brechkraftverändernde Eingriffe vorgenommen.

 

Quelle: Wikipedia

Neben der Korrektur von Fehlsichtigkeiten kommt er aber auch bei der Entfernung von Hornhaut-Narben und oberflächlichen Hornhaut-Veränderungen, die das Sehen beeinträchtigen, zum Einsatz.

Info

Seit 1996 liefen in Deutschland Langzeitstudien über die Auswirkungen von LASIK. Im Jahr 2000 definierte die Kommission für refraktive Medizin (KRC) das erste Mal die klinisch gesicherten Grenzen des Verfahrens. Es wurden damit auch die Kriterien für die Fortbildung der Ärzte festgelegt.

Bei internationalen augenärztlichen Kongressen spielt die Behandlung mit dem Excimer-Laser heute eine dominierende Rolle. In Deutschland wurde das Excimer-Laserverfahren vom Berufsverband der Augenärzte Deutschlands (BVA) und von der Deutschen Ophthalmologischen Gesellschaft – der höchsten wissenschaftlichen Institution der Augenheilkunde in Deutschland – geprüft und (für verschiedene Fehlsichtigkeiten in unterschiedlichen Dioptrienstärken) »wissenschaftlich anerkannt«, d.h. als sicher und zuverlässig eingestuft.

Der Argon-Laser

Im Gegensatz zum Excimer-Laser ist der Argon-Laser ein heißer Laser. Seine erste Anwendung in der Augenheilkunde liegt schon drei Jahrzehnte zurück. Dieser mit Argon-Gas arbeitende Laser ist geeignet, die Netzhaut mit ihrer Unterlage zu verschweißen, z.B. zur Vorbeugung oder Behandlung von Löchern oder kleinen Netzhautablösungen. Er wird auch bei einer Reihe anderer Netzhauterkrankungen, z.B. diabetischen Netzhauterkrankungen, Venenthrombosen und Tumoren.

 

Laser gegen Netzhautablösung

– Zur Behandlung einer Netzhautablösung werden mit dem Argon-Laserstrahl winzige Punkte der Netzhaut – von 0,05 bis 0,25 Millimeter Durchmesser – »verbrannt«.

– Bei der Narbenbildung, die nun folgt, klebt die Netzhaut an der darunter liegenden Aderhaut fest und kann sich nicht weiter ablösen.

Der YAG-Laser

Dieser Festkörperlaser kann an bestimmten Stellen im Augeninneren kleine Gewebezerreißungen erzeugen, ohne nahe gelegene andere Strukturen zu beschädigen. Daher eignet er sich z.B. zur Behandlung des Nachstars.

 

Der Holmium-Laser

Der Holmium-Laser ist ein heißer Laser. Er arbeitet mit einem Lichtstrahl im (unsichtbaren) Infrarotbereich, der Wärme ausstrahlt. Der Infrarotstrahl ist gut für Operationen am Auge geeignet, weil er ein punktgenaues Arbeiten ermöglicht. Die Wärmewirkung des Lichtstrahls bewirkt im Hornhautgewebe des Auges eine Änderung der Struktur. Während die Zellen wieder abheilen, schrumpfen sie. Diese Wirkung wird bei der Laser-Thermo-Keratoplastik eingesetzt, um Weitsichtigkeit zu korrigieren.

 

Der Femtosekunden-Laser

Der Femtosekunden-Laser ist ein Infrarot-Laser und sendet eine Wellenlänge von 1053 nm aus. Durch ultrakurze Lichtpulse mit einigen 100 Femtosekunden (1 fs = Millionste Teil einer Milliardstel-Sekunde) können bei starker Konzentration auf einige Mikrometer (µm) Durchmesser kurzzeitig sehr hohe Energiedichten in einem kleinen Punkt erreicht werden. Zur Veranschaulichung der enormen Geschwindigkeit: Licht gelangt in einer Sekunde 7,5mal um die Erde, in einer Femtosekunde aber nur eine dreihundertstel Haardicke weit. Diese hohe Energiedichte erlaubt eine sehr präzise Bearbeitung im Bereich von wenigen µm auch in transparenten Materialien. Nur in diesem kleinen Punkt tritt dabei eine Wirkung für das Gewebe durch den Effekt der sog. Photodisruption auf, außerhalb der definierten Stelle bleibt das Gewebe unverändert. Aufgrund der kurzen Wechselwirkungszeit wird das umliegende Gewebe daher praktisch keiner Belastung ausgesetzt. Einen kompletten Schnitt in einer Ebene erreicht man nun, indem man Tausende dieser kleinen Fokuspunkte aneinander reiht. Dabei werden entsprechend viele winzige Luftbläschen erzeugt, die sich zu einem mikrometerfeinen Schnitt verbinden. Für diesen Schnitt wird ein Laser benutzt, dessen Wellenlängen im infraroten Spektralbereich liegen. Der Patient kann den Laserstrahl daher nicht sehen und bemerkt den eigentlichen „Schneideprozess“ nicht.

 

 

Der Femtosekunden-Laser wird heute in erster Linie für Schnitte im Inneren der Hornhaut z.B. zur Präparation der Hornhautlamelle (Flap) bei der LASIK eingesetzt. Der Femtosekunden-Laser ersetzt damit das Mikrokeratom (Präzisionsmesser), welches bisher üblicherweise für diesen Schritt verwendet wird. Die eigentliche Laserbehandlung erfolgt nach wie vor mit dem Excimer-Laser. Ein Vorteil des Femtosekunden-Lasers ist die präzisere Vorhersagbarkeit von Dicke, Geometrie und Größe des Flaps (Hornhaut-Kappe). Der Femtosekunden-Laser wird außerdem bei der Hornhauttransplantation eingesetzt. Dieser Laser ist seit ca. 3 Jahren auf dem Markt, d.h. eine abschließende klinische Beurteilung bleibt abzuwarten. Die Klinische Anwendung des Femto-Katarakt-Lasers erlebte 2012 den Durchbruch.

Formen der Laserbehandlung

Augenbehandlungen mit den verschiedenen Lasertypen werden zu unterschiedlichen Zwecken eingesetzt: Fehlsichtigkeiten können ebenso korrigiert werden wie etwa Risse in der Netzhaut oder die beginnende Ablösung der Netzhaut von ihrem Untergrund.

In den letzten Jahrzehnten wurden schon eine Reihe von Laseroperationen standardmäßig durchgeführt; weitere, Arten von Laser-Eingriffen am Auge mit neu entwickelten Laser-Techniken werden seit einigen Jahren verstärkt eingesetzt, z.B. intrastromale FemtoLASIK.

Beim Lasereingriff wird, im Unterschied zu den früheren Behandlungen, nicht mit Stahl- oder Diamantmessern operiert, sondern mit dem exakteren Laserstrahl. Das Gewebe wird nicht geschnitten, sondern mit dem Laserstrahl in feinen Gewebemolekülen abgetragen.

Laser-Thermo-Keratoplastik (LTK) oder Konduktive Keratoplastik (CK)

Mit der LTK wird Weitsichtigkeit mit dem Holmium-Laser behandelt. Dabei wird die Hornhautoberfläche ringförmig mit einem computergesteuerten Laser erwärmt. Einzelne Zellen werden so gezielt beschädigt. Während sie wieder verheilen, schrumpfen sie; es bildet sich ein strafferes Narbengewebe. Diese Straffung bewirkt zugleich, dass sich die unbehandelte zentrale Hornhaut stärker wölbt. Dadurch ändert sich auch die Brechkraft des Auges – Weitsichtigkeit kann so behoben werden.

Mit der LTK kann Weitsichtigkeit bis zu plus drei Dioptrien behandelt werden. Die Augenarztverbände BVA und DOG haben die LTK allerdings lediglich zur Behandlung der Weitsichtigkeit bis zu plus 1,5 Dioptrien wissenschaftlich anerkannt.

Die LTK konnte sich bisher nicht dauerhaft etablieren und wir nur noch sporadisch angewandt, da die Technik an mangelnder Präzision und vor allem wenig stabiler Nachhaltigkeit leidet

Zur Behandlung der Kurzsichtigkeit und Hornhautverkrümmung ist die LTK ungeeignet.

Der Nachteil dieses Verfahrens im Vergleich zur PRK- und LASIK-Behandlung: Nachkorrekturen sind schwierig.

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