Mädchen bei einer Lasertherapie Sitzung
Сергей Чирков / stock.adobe.com
12.03.2020 Fachinformation 170 0

Laser in der Medizin

Laser sind eine faszinierende Technologie – nicht nur des Lichtspiels wegen, sondern auch wegen der Vielfalt an Anwendungsmöglichkeiten. Erst kürzlich wurde vermeldet, dass es gelungen war, den Inhalt eines ganzen Hollywood-Klassikers auf einer dünnen, kaum handtellergroßen und dabei außerordentlich robusten Glasscheibe abzuspeichern – natürlich mithilfe eines Lasers. Auch in anderen Bereichen leisten Laser einen wertvollen Beitrag, sei es Datenübertragung, Materialbearbeitung oder Wissenschaft. Selbst in solch sensible Bereiche, wie die Medizin haben Laser mittlerweile Einzug gehalten. 

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Johannes Koch
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Was ist ein Laser?

Laser sind weit mehr als bloß Lichtquellen – es sind Lichtverstärker. Darauf weist schon der Begriff „Laser“ hin, der als Akronym für „Light amplification by stimulated emission of radiation“ steht, zu Deutsch also für „Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung“. Der feine Unterschied zwischen einem Laser und einer herkömmlichen Lichtquelle steckt dabei im Stichwort „stimulierte Emission“.

Moleküle bzw. Atome – allgemein auch einfach „Teilchen“ genannt – entledigen sich überschüssiger Energie gerne durch Emission von Photonen, d.h. elektromagnetischer Strahlung. Ohne äußere Einwirkung läuft dieser Prozess früher oder später spontan ab, was als „spontane Emission“ bezeichnet wird. Geschieht die Emission des Photons infolge der Wechselwirkung des Teilchens mit einem anderen Photon, wird dies als „stimulierte Emission“ bezeichnet und erzeugt eine ganz andere Qualität von Strahlung. Denn im Vergleich zu spontaner Emission werden bei stimulierter Emission, bildlich gesprochen, keine „neuen“ Photonen erzeugt, sondern bereits vorhandene Photonen „geklont“. Entsprechend zeichnet sich ein Laserstrahl durch Qualitäten aus, die man von gewöhnlichen Lichtquellen so nicht unbedingt kennt wie beispielsweise hohe Brillanz und Kohärenz. Laserstrahlung lässt sich deshalb stärker fokussieren, als Strahlung aus herkömmlichen Quellen und übertrifft diese bezüglich Intensität in der Regel um ein Vielfaches.

Auch der technische Aufbau eines Lasers unterscheidet sich von gewöhnlichen Lichtquellen. Ein typischer Laser besteht aus einem Resonator, in dem das sog. laseraktive Medium platziert wird, sowie einer Energiequelle. Der Resonator besteht im einfachsten Fall aus zwei Spiegeln, deren Flächen exakt senkrecht zum Laserstrahl ausgerichtet sind. Einer der beiden Spiegel ist teildurchlässig, d.h. er lässt einen kleinen Teil der eintreffenden Laserstrahlung (in der Regel 1-2%) passieren, wodurch diese als austretender Laserstrahl verfügbar wird. Der Resonator erfüllt zwei wichtige Funktionen. Zum einen definiert er elektromagnetische Resonanzbedingungen und beeinflusst so die Eigenschaft des Laserstrahls. Zum anderen sorgt er für genügend Verstärkung des Laserstrahls, indem Photonen durch Reflexion mehrfach das laseraktive Medium passieren und so für stimulierte Emission sorgen.

Laser werden anhand der Beschaffenheit des laseraktiven Mediums grob in Festkörper-, Flüssigkeits- und Gaslaser eingeteilt. Entsprechend besteht das laseraktive Medium aus einem Kristall oder Glas, einer Flüssigkeit bzw. Farbstofflösung oder einem Gas(-gemisch). Aufgrund der besonderen Anforderungen an die Eigenschaften der Elektronenzustände eignen sich nur relativ wenige bekannte Substanzen als laseraktives Medium, darunter die Seltenerdmetalle Neodym und Erbium. Deren sorgfältig in Yttrium-Aluminium-Granat-Kristalle eingebrachte Ionen sind für die Laserstrahlung von Nd:YAG- bzw. Er:YAG-Lasern verantwortlich. Einen Spezialfall bilden die so genannten Halbleiterlaser, wie beispielsweise Dioden- und Quantenkaskadenlaser, die weniger auf ein laseraktives „Medium“ als vielmehr auf eine laseraktive Halbleiter-„Struktur“ angewiesen sind. Der Freie-Elektronen-Laser kommt sogar ohne laseraktives Medium aus, funktioniert jedoch nach einem gänzlich anderen Prinzip (z.B. findet hier keine stimulierte Emission statt) und sei an dieser Stelle nur der Vollständigkeit halber erwähnt. Als Energiequelle zur optischen Anregung des laseraktiven Mediums werden (Laser-)Dioden und Blitzlampen eingesetzt. In Gaslasern geschieht die Anregung dagegen mittels elektrischer Entladung oder chemischer Reaktion.

Diagnose und Therapie mit dem Laser

Laser geben ein potentes Werkzeug für die Medizin ab, denn je nach Wellenlänge und Leistungsdichte der Laserstrahlung, sowie Gewebeart und deren Bestrahlungsdauer können sie auf kleinstem Raum recht selektiv verschiedene Effekte induzieren. Was das in der Praxis bedeuten kann, lässt sich am Beispiel „Auge“ sehr schön zeigen.

Die Hornhaut des Auges ist für Licht (380-750 nm) transparent, während sie für Strahlung im Spektralbereich des Vakuum-UV (10-200 nm) praktisch undurchlässig ist. Der grüne Laserstrahl eines frequenzverdoppelten Nd:YAG-Lasers mit 532 nm Wellenlänge würde den Augenhintergrund daher erreichen, der Strahl eines Argon-Fluorid-Lasers mit 193 nm dagegen nicht. Entsprechend unterschiedlich sind auch die Einsatzzwecke beider Laser.

Der Argon-Fluorid-Laser findet unter Anderem in der refraktiven Hornhautchirurgie Anwendung. Obwohl sein Strahl intensiv genug ist, den Augenhintergrund zu verbrennen und die Sehkraft somit unwiederbringlich zu zerstören, passiert bei korrekter Anwendung nichts dergleichen. Denn der Strahl des Argon-Fluorid- Lasers wird bereits innerhalb der obersten Mikrometer der Hornhautschicht des Auges vollständig absorbiert. Dort „sprengt“ er die chemischen Bindungen auf, verdampft das Gewebe und korrigiert so die Brechkraft des Auges. Hinzu kommt, dass der Argon-Fluorid-Laser ein Pulslaser ist. Gegenüber einem kontinuierlichen Laserstrahl bieten diese hochintensiven Laserpulse den Vorteil, dass sie das umliegende Gewebe nur wenig bis gar nicht erwärmen, womit unnötige Gewebeschäden vermieden werden.

Demgegenüber passiert der Strahl eines frequenzverdoppelten Nd:YAG-Lasers die Linse bzw. Hornhaut des Auges nahezu ungehindert und ermöglicht so präzise Eingriffe am Augenhintergrund bzw. der Netzhaut. Frequenzverdoppelte Nd:YAG-Laser werden daher unter Anderem zur Durchführung der Augenhintergrund- Koagulation genutzt, bei der die Netzhaut punktuell mit dem darunter liegenden Gewebe verschweißt wird. Die daraus resultierende „Schädigung“ der Netzhaut wird von den Betroffenen in der Regel nicht wahrgenommen, denn die behandelten Areale sind sehr klein, im Bereich des peripheren (d.h. indirekten) Sehens angeordnet und oftmals bereits krankheitsbedingt vorgeschädigt. Der Eingriff verlangsamt oder stoppt jedoch den krankheitsbedingt fortschreitenden Sehkraftverlust durch Ablösen und Absterben der Netzhaut. Mittels Laser ist dieser Eingriff zudem deutlich präziser und kontrollierter durchführbar, als mit mechanischen Mitteln, wie beispielsweise einer Kältesonde.

Medizinische Forschung mit Lasern

Krebs gehört nach wie vor zu den Erkrankungen, die Mediziner vor große Herausforderungen stellen. Entsprechende Therapien werden oftmals durch die aufwändige und nicht immer eindeutige Differenzierung von gesundem und entartetem Gewebe (d.h. Tumoren) zusätzlich erschwert. Ein Blick in die Labore von Forschungsanstalten zeigt, wie Laser in diesem Zusammenhang zu einem unschätzbar wertvollen Werkzeug werden könnten. Schon länger ist bekannt, dass gesundes und entartetes Gewebe anhand der unterschiedlichen chemischen Zusammensetzung mittels Raman-Spektroskopie differenziert werden kann. In der Praxis kommt dem bislang kaum Bedeutung zu, denn entsprechende Raman-Messungen können durchaus mehrere Stunden dauern – für eine intraoperative Diagnose deutlich zu lang. Die Messzeit lässt sich jedoch um 3-5 Größenordnungen verkürzen, wenn nichtlineare Raman-Prozesse, wie beispielsweise CARS (Coherent anti-Stokes Raman scattering) oder SRS (Stimulated Raman scattering) genutzt werden. Möglich wird dies durch die Überlagerung und Feinabstimmung mehrerer Ultrakurzpuls-Laser wie beispielsweise dem Titan-Saphir-Laser. Studien über erste erfolgreiche intraoperative Einsätze dieser Diagnose-Technik am Menschen legen nahe, dass in den letzten Jahren auf diesem Gebiet große Fortschritte erzielt wurden. Aktuell besteht die Herausforderung vor allem in der Identifikation spezifischer Raman-Signale zur Identifikation verschiedener Krebsformen, sowie in der Anpassung der Laseranlagen an die Bedürfnisse des Klinikalltags.

Ausblick

In der Medizin werden Laser bislang vor allem zu destruierenden Zwecken genutzt, d.h. um Gewebe zu veröden, Präzisionsschnitte an Knochen vorzunehmen oder Ablagerungen und Steine zu zertrümmern. In Zukunft könnte sich, neben dem bereits angesprochenen analytischen Einsatz, noch ein therapeutisches Anwendungsfeld für Laser dazugesellen. Bereits seit einigen Jahren wird intensiv daran geforscht, wie Wirkstoffe gezielt am Krankheitsherd freigesetzt werden können.

Ein vielversprechender Ansatz sind lichtsensitive caged-Verbindungen (abgeleitet von engl. caged, eingesperrt), bei denen der Wirkstoff an ein lichtempfindliches Molekül gekoppelt und in dieser Form inaktiviert ist. Die Freisetzung des Wirkstoffes geschieht mit Licht und kann so sehr ortspezifisch erfolgen. Manche dieser caged-Verbindungen zeigen ein bemerkenswertes Verhalten: obwohl sie (vereinfacht ausgedrückt) für nahinfrarote Strahlung eigentlich nicht empfänglich sind, lassen sie sich dennoch von nahinfraroten, ultrakurzen Laserpulsen aktivieren. Möglich macht dies ein nichtlinear optischer Effekt, der auch als „Zwei-Photonen-Absorption“ bekannt ist. Dieser Effekt ist gleich doppelt vorteilhaft, denn die außergewöhnliche Physik der Zwei-Photonen- Absorption ermöglicht die Freisetzung des Wirkstoffs in Volumina, die kleiner als eine Zelle selbst sein können, während biologisches Gewebe für nahinfrarote Strahlung recht transparent ist und daher vom Laser nicht geschädigt wird. Das Anwendungspotential von Lasern in der Medizin ist also noch lange nicht ausgeschöpft.

Ein Beitrag von Dr. phil. nat. David Urmann

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