INSTITUTE OF LASER MEDICINE     Prof. Dr. P. Hering     

Projekte mit bildgebenden Verfahren und Instrumentierung für minimal invasive Chirurgie

 

Gesichts- und Kieferreliefvermessung mittels digitaler 3D-Rekonstruktion gepulster Hologramme zur Diagnostik, Operationsplanung und Dokumentation.

 

Die abtastfreie Vermessung des Gesichtsreliefs mittels Lasertriangulation, dem Phasenschiftverfahren oder mit strukturiertem Licht benötigt Meßzeiten im Sekundenbereich. Bei Messungen am Patienten ist eine räumlich hochaufgelöste Messung nicht möglich. Es ist daher geplant, mit einer Belichtungsdauer von 20 ns hochaufgelöste gepulste Hologramme zu erstellen und durch eine "offline"-Auswertung des reellen Hologrammbildes das Gesichtsreliefs oder Teile des Kopfes dreidimensional mit Auflösungen < 0,5 mm digital zu rekonstruieren. Dazu wird das reelle Hologrammbildvolumen sequentiell entlang zweidimensionaler Schnittebenen digitalisiert. Die Schnittebenen enthalten neben der eigentlichen Ortsinformation zusätzlich die Information der davor und dahinterliegen Ebenen unscharf überlagert. Diese Überlagerung kann, da sie systematischer Natur ist, durch eine gefilterte Rückprojektion mathematisch extrahiert werden. Die gefilterten Schnittebenendaten werden im Computer zu einem dreidimensionalen Modell zusammengefügt.

Zunächst soll das neue Meßsystem am Beispiel der Operationen von Jochbeinfrakturen getestet werden (prä- und postoperativer Vergleich, Bestimmung präoperativ vorliegender Asymmetrien). Für definierte klinische Anwendungen soll spezifische Software erstellt werden (Symmetriebestimmung, Differenzermittlung zur Verlaufskontrolle, Operationsplanung). Ein weiteres Einsatzgebiet umfaßt die holographische Vermessung von Präzisionsabformungs-Kiefermodellen bei Patienten, die kieferorthopädisch mit einer Multibracketapparatur therapiert werden. Durch den Vergleich zweier Modelle und die differentielle Analyse soll die resultierende orthodontische Zahnbewegung präzise dokumentiert werden.

 

Laserinduzierte Interstitielle Thermotherapie von Gehirntumoren

 

Die laserinduzierte interstitielle Thermotherapie (LITT) ist ein minimal invasives Therapieverfahren, bei dem Tumorgewebe über einen Lichtleiter bestrahlt und thermisch zerstört wird. Die LITT ist im Vergleich zu einer herkömmlichen Operation für den Patienten weit weniger belastend und darüber hinaus auch wesentlich kostengünstiger. Die Therapieplanung und Dosimetrie erfordert die Kenntnis der optischen Eigenschaften des zu bestrahlenden Gewebes sowie ein geeignetes Modell zur Beschreibung der Licht- und Wärmeausbreitung. In den vergangenen Jahren wurden verschiedene Verfahren wie die Ulbrichtkugel- und die Frequency-Domain-Spektroskopie entwickelt, die eine Bestimmung der relevanten optischen Parameter in vitro und in vivo erlauben. Mit Hilfe einer Monte-Carlo Simulation lassen sich damit die Temperaturverteilung und die Schädigungszone im voraus berechnen. Die LITT befindet sich bereits im klinischen Einsatz. Derzeit wird sie noch unter Kernspin-Kontrolle durchgeführt. Aktuelle Arbeiten auf diesem Gebiet umfassen grundlegende Studien zur on-line Kontrolle des Therapieverlaufs mit Hilfe der Frequency-Domain Technik sowie die Optimierung der Applikatoren.

 

Fetales Sauerstoffmonitoring sub partu

 

Die Indikation zur Sectio (Kaiserschnitt) ist nach wie vor ein zentrales Problem der Geburtshilfe. Wird die Indikation nicht oder zu spät gestellt, drohen schwerste Behinderungen des Kindes. Im Extremfall kann eine Fehlentscheidung zum Tod des Kindes oder der Mutter führen. Eine Überwachung des Sauerstoffgehaltes im menschlichen Blut mittels Zwei-Linien-Absorptionsspektroskopie ist prinzipiell möglich und wird bereits erfolgreich durchgeführt. Die verwendeten Applikatoren sind aber zu voluminös, um zur Überwachung des fetalen Sauerstoffgehaltes während des Geburtsvorgangs eingesetzt werden zu können. Ziel dieses Projektes ist es, ein kompaktes, preiswertes Absorptionsspektrometer auf Basis der Frequency-Domain Technik zu entwickeln, das eine on-line Überwachung der fetalen O₂-Sättigung sub partu ermöglicht. Dazu sind neben der Entwicklung eines geeigneten Applikators grundlegende Arbeiten zur Beschreibung der Photonenausbreitung in kleinen Volumina durchgeführt worden. Systematische in vitro Versuche mit dem Frequency-Domain-Spektrometer sind bereits erfolgt, erste in vivo Experimente stehen unmittelbar bevor.

 

neue hochflexible Flüssigkeitslichtleiter für gepulste Laser mit hoher Energie

 

Mit der Entwicklung flüssigkeitsgefüllter Lichtleiter konnte sich ein sehr leistungsstarkes Transmissionssystem zur Übertragung hoher Laserenergien für die minimal invasive Chirurgie etablieren. Es handelt sich hierbei um Teflon-Schläuche bzw. Quarzglaskapillaren, die mit einer speziellen Flüssigkeit befüllt werden. Je nach Anwendungsbereich des Lichtleiters kann dieser vom UV (250 nm) bis hin zum nahen IR (3 µm) eingesetzt werden. Dies hängt von der Auswahl der Kernflüssigkeit ab. Gefördert durch die Umweltstiftung und in Zusammenarbeit mit der wissenschaftlichen Werkstatt für Umweltmeßtechnik (WWU), werden innerhalb eines laufenden Projektes "Mobiles Atemanalyse- und Datenerfassungsgerät für medizinische und umwelttechnische Anwendungen" im Teilprojekt "Lichtleiter für infrarote Anwendungen" neue Technologien entwickelt und erprobt, um den Spektralbereich des Flüssigkeitslichtleiters bis ins mittlere Infrarot (12 µm) zu erweitern. Damit würde auch dem CO₂-Laser ein hochtranparentes Übertragungsmedium zur Verfügung stehen. Der Flüssigkeitslichtleiter ist hochflexibel (Biegeradien > 1 cm) und variabel im Durchmesser (0,25–10 mm). Selbst bei großen Durchmessern (> 5 mm) besitzt er noch eine sehr gute Flexibilität. 

Im Rahmen eines inzwischen abgeschlossenen BMBF-Projektes wurde der Forschungsschwerpunkt bei der Entwicklung flüssigkeitsgefüllter Lichtleiter auf die Anwendung von IR-Lasern in der Medizin speziell die des Er:YAG- (2,94 µm) und des ErCr:YSGG- (2,79 µm) Lasers gelegt, da für diesen Wellenlängenbereich keine geeigneten Transmissionssysteme zur Verfügung standen. Mit den Flüssigkeitslichtleitern wurden distale Energiedichten von 130 J/cm² erreicht. Dieser Wert überschreitet weit die medizinischen Anforderungen zum Bearbeiten von Weich- und Knochengewebe. Anhand dieser Ergebnisse wird in Zusammenarbeit mit verschiedenen Laserfirmen der klinische Einsatz dieser Lichtleiter koordiniert und durchgeführt, so z.B. an der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie am Universitätsspital in Zürich unter der Anleitung von Prof. Dr. Sailer und Dr. Eyrich. Hier wurden mit einem Er:YAG-Laser der Fa. Baasel LaserTech und angeschlossenem Flüssigkeitslichtleiter Leukoplakiebehandlungen an der Wangeninnenseite und am Gaumen erfolgreich durchgeführt. Desweiteren wird derzeit in internationaler Zusammenarbeit mit der Fa. Biolas (USA), Orbis HighTech (Deutschland) und W&H Dentalwerk Bürmoos (Österreich) ein neues Handstück für den zahnmedizinischen Einsatz in Verbindung mit einem Flüssigkeitslichtleiter konzipiert. Dazu wurden bisher am Institut für Lasermedizin das Design des Handstückes und die integrierte Optik entwickelt. 

 

Akustische Verfahren zur nicht zerstörendenen Detektion und Energiemessung gepulster Laserstrahlung

 

Dieses akustische Verfahren detektiert den Schallpuls, der bei der Absorption gepulster Laserstrahlung in transparenten Materialen auftritt. Die Detektion geschieht mit einer einfachen Kondensatormikrofonkapsel, wobei das erhaltene Signal frequenzselektiv von einem Mikrocontroller ausgewertet wird. Durch eine Resonanzanordnung wird eine hohe Empfindlichkeit erreicht.

Es ergeben sich verschiedene Anwendungen dieses Meßprinzips:

Eingesetzt wird das Verfahren bereits als Justagekontrolle für Lichtleiter. Dabei wird detektiert, ob der Laserstrahl zentrisch durch das Enkoppelfenster geführt wird. Einkoppelfehler werden sofort detektiert und anhand des Meßsignals ist eine erneute Justage möglich, die sogar automatisiert werden kann. Dieses Prinzip kann beim Durchgang von gepulster Laserstrahlung an beliebigen Öffnungen benutzt werden. 

Bei Detektion an einer gering absorbierenden transparenten Scheibe läßt sich in Transmission die Laserpulsenergie bestimmen, so daß während der Anwendung des Laserstrahls eine kontinuierliche Energiekontrolle durchgeführt werden kann. Auf diese Weise erhält man ein einfaches und vor allem sehr robustes Energiemeßgerät für gepulste Laser, das für den gesamten Wellenlängenbereich eingesetzt werden kann. Der einfache Aufbau des Systems gestattet eine sehr preiswerte Realisierung. Für die beschriebene Meßmethode wurde ein Antrag auf Sofortprüfung unter dem Titel "Verfahren zur Detektion und Minimierung der Verluste von Lichtstrahlung" beim Deutschen Patentamt am 24.03.98 gestellt. (Aktenzeichen 198 07 471.9) Die Erteilung des Patents ist am 05.02.99 von dem zuständigen Sachbearbeiter in Aussicht gestellt worden.

 

Anwendungen von eines gepulsten Infrarot-Lasers in der Photochemie, Medizin und für hochpräzise Materialbearbeitung.

 

Es wurde ein mechanisch gütegeschalter (Q-switch) CO₂-Laser entwickelt, der Pulse mit einer Energie von 20 mJ und einer Pulsdauer von 200-300 ns bei einer sehr hohen Repetitionsrate (f = 1000 - 20000 Hz) liefert und über ein nahezu perfektes Gauss- Strahlprofil verfügt. Die kurze Pulsdauer in Kombination mit der hohen mittleren Leistung bietet prinzipielle Vorteile bei vielen Laseranwendungen.

Ein Beispiel dafür ist die Kohlenstoff-Laserisotopentrennung, die auf einer isotopenselektiven Vielphotonendissoziation von CHClF₂ bei der Wellenlänge l = 9.6 µm basiert. Mit der vorhandenen Anlage haben wir bereits eine Anreicherung bis zu 1.5 g des seltenen ¹³C Isotopes pro Tag demonstriert. Der sehr hohe Trennfaktor (a  = 150) bei der Vielphotonendissoziation bestimmt die technologischen und ökonomischen Vorteile im Vergleich zur klassischen Tieftemperaturdestillation von CO (a = 1.0076 bei T = -194.5°C), die zur Zeit in den USA praktiziert wird. Auch eine ¹²C Anreicherung bis auf 99.995 % ist mit sehr hoher Produktivität mit dieser Methode von uns erreicht worden.

IR-Laser finden breiten Einsatz in der Medizin. Ein wichtiges Beispiel dafür ist die transmyokardiale Revaskularisierung mit quasi cw-CO₂-Lasern. Es ist vor kurzem in einer Publikation von uns gezeigt worden, daß mit den sub-µs Pulsen unseres Q-switch CO₂-Lasers transmyokardiale Kanäle mit geringeren thermischen Schaden im umliegenden Herzgewebe produziert werden können.

Das "Laserskalpel" wird heutezutage fast ausschließlich an weichem Biogewebe eingesetzt. Bei der Anwendung an Knochen entstehen üblicherweise schwere, nicht annehmbare, thermische Schäden. Wir haben gezeigt, daß mit sub-µs CO₂-Laserpulsen in Kombination mit einem feinen Wasserstrahl eine nahezu "athermische" und sehr effektive Knochenablation möglich ist, sogar bei sehr hohen Pulswiederholfrequenzen [3]. Die Schnittiefe in die harte compacta beträgt 30-40 µm pro Strahldurchgang bei einer Pulsenergie von 15 mJ und f = 5000 Hz. Die Methode der "nassen" Ablation erlaubt auch ohne thermische Schäden die Ablation von Zahnenamel und Dentin sowohl mit einem CO₂-Laser als auch mit einem Er:YAG-Laser.

Um einen klinischen Einsatz zu ermöglichen, entwickeln wir zur Zeit einen kompakten Q-switch CO₂-Laser und eine gepulste Piezopumpe. Die Piezopumpe soll mit dem Laser synchronisiert werden und eine genau dosierte Wassermenge kurz vor jedem Laserpuls gezielt auf das Gewebe bringen.

Die "nasse" Ablation mit sub-µs CO₂-Laserpulsen kann auch mit Erfolg für andere thermisch empfindliche Materialien eingesetzt werden (Holz, Kunststoff etc.) um beliebige Schnitt-Geometrien durchzuführen oder für Gravierungen und dekorative Bearbeitung der Oberfläche. Erste Untersuchungen sind dazu im Gange.

 

Dosimetrie der thermischen Wirkung von Laserstrahlung

 

Mit einem von uns entwickelten Simulationsprogramm kann die thermische Wirkung von Laserstrahlung auf verschiedene Materialien berechnet werden. Die Beschädigungsschwellen unbeschichteter Laserspiegel für cw und erstmalig auch für gepulste IR-Laser lassen sich vorherbestimmen. Dabei können unterschiedliche Randbedingungen gestellt werden, sowie die Temperaturabhängigkeiten der Materialparameter (Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität und Absorption) berücksichtigt werden.

Die Erwärmung der Retina (Netzhaut) unter Laserbestrahlung, aktuell im Zusammenhang mit Laserpointern diskutiert, kann berechnet werden. So läßt sich die Gefährdung von Augen durch Laserstrahlung ohne Tierversuche einschätzen.

Die Ablation oder Erwärmung von (biologischen) Materialien, z.B. Knochen, Zähne, Tumoren und Herzmuskel kann berechnet werden. So können u.a. Voraussagen über die Schnittgeschwindigkeit, Schnittbreite und Tiefe bei gepulster (oder cw) Bestrahlung gemacht werden.

 

Stabilisotopenselektive Spurengasanalytik für Atemgas- und Umweltanalyse

 

Weiterentwicklung eines nichtdispersiven Infrarotspektrometers zur Online-Messung des ¹³CO₂/¹²CO₂-Isotopenverhältnis in der menschlichen Atemluft.

 

Die Analyse des ¹³CO₂/¹²CO₂-Isotopenverhältnisses der menschlichen Atemluft stellt ein wichtiges diagnostisches Mittel dar. Um diese Art der Diagnostik einer großen Zahl von Patienten zur Verfügung zu stellen, mußte ein preiswerteres Verfahren als das bisher verwendete Isotopenverhältnis-Massenspektrometer entwickelt werden. Es wurde ein kommerzielles nichtdispersives Infrarotspektrometer in der Selektivität soweit verbessert, daß isotopenselektive Messungen mit hinreichender Genauigkeit möglich sind. Das Gerät befindet sich seit einigen Jahren sehr erfolgreich im medizinischen Einsatz zur Diagnostik von Helicobacter pylory Infektionen und für Leberfunktionstest. Es wurde bisher schon über 500 mal weltweit verkauft (Patent wurde erteilt, EP 0 584 897 A1).

Das nichtdispersive Infrarotspektrometer wird zur Zeit verbessert. Mittlerweile sind Online-Messungen der Atemluft möglich mit deutlich reduziertem Bauteileaufwand (zum Patent angemeldet, AZ 197 35 599.4).

 

Entwicklung eines nichtdispersiven UV-Spektrometers zur Messung des ¹⁵NO/¹⁴NO-Isotopeneverhältnisses in der menschlichen Atemluft

 

Ebenso wie die Messung des ¹³CO₂/¹²CO₂-Isotopenverhältnisses in der menschlichen Atemluft stellt die Messung des ¹⁵NO/¹⁴NO-Isotopeneverhältnisses ein wichtiges diagnostisches Mittel dar. Daher wird zur Zeit ein kommerzielles nichtdispersives UV-Spektrometer weiterentwickelt, um NO-Messungen isotopenselektiv durchführen zu können. Hauptproblem sind die geringen Konzentrationen von unter 100 ppm NO im menschlichen Atem. Die nötige Sensitivität wird mit einer Langwegzelle erreicht, die an die speziellen Emissionseigenschaften der verwendeten Entladungslampe angepaßt ist. Damit ist ein Verbesserung der Nachweisgrenze gegenüber dem kommerziellen Spektrometer um einen Faktor 100 möglich. Die isotopenselektive Messung wird mit istopenrein gefüllten Gasfilterzellen mit ¹⁴NO und ¹⁵NO erreicht. Die Gasfilterzellen werden abwechselnd in den Strahlengang des Spektrometers geschwenkt und absorbieren so das Licht, das für die isotopenselektive Messung von ¹⁴NO bzw. ¹⁵NO stören würde.

Das Spektrometer wird in einem 19 Zoll-Gehäuse aufgebaut. Damit ist das Spektrometer transportabel und kann für verschiedenste Anwendungen einfach eingesetzt werden.

 

Entwicklung eines Ray-Tracing-Programms zur Analyse und Optimierung optischer Systeme

 

Im Rahmen der ¹⁵NO/¹⁴NO-Isotopenverhältnismessung wurde zur Berechnung der optischen Komponenten ein Raytracing-Programm entwickelt. Das Programm ermöglicht die Berechnung des dreidimensionalen Strahlengang von Licht durch verschiedene optische Komponenten, wie z.B. Blenden, Linsen, Lichtleiter und Spiegel. Es ist somit möglich, eine Vorstellung über die dreidimensionale Intensitätsverteilung eines Lichtstrahls in einem optischen System zu gewinnen. Mit Hilfe dieser Daten kann z.B. die sphärische Aberration eines optischen Systems minimiert werden oder eine maximale Transmission durch das System erreicht werden. Das Programm wurde mittlerweile auch zur Optimierung eines Auskoppelhandstücks für flüssigkeitsgefüllte Lichtleiter, zur Konstruktion eines zahnärztlichen Handstücks und für die Berechung eines CO₂-Laserresonators eingesetzt. Dabei wurde das Programm kontinuierlich weiterentwickelt und für die in den Projekten erforderlichen Bedürfnisse angepaßt.

 

Entwicklung und Aufbau eines hochempfindlichen Spurengasanalysegerätes basierend auf der Cavity-Ring-Down Spektroskopie

 

Für die moderne Medizin- bzw. Umweltanalytik sind hochempfindliche Meßgeräte unerläßlich, die Spurengase selektiv in Konzentrationen im sub ppb-Bereich bestimmen können. Gerade die Kombination dieser Anforderungen macht die Entwicklung eines neuartigen Spurengasanlysesystems notwendig. Meßprinzip dieses Gerätes ist die Cavity-Ring-Down-Spektroskopie (CRDS), eine Weiterentwicklung der konventionellen Absorptionsspektroskopie. Die zu analysierende Luftprobe befindet sich in einem optischen Resonator hoher Güte. Auf diese Weise können Absorptionslängen von mehreren Kilometern erreicht werden, woraus eine extrem hohe Nachweisempfindlichkeit resultiert. Durch eine geeignete Wahl des verwendeten Lasersystems und der Resonatorspiegel lassen sich Gase vom UV bis ins Infrarote spektroskopieren. Für die Analyse von atmosphärischen oder medizinischen Luftproben ist die Verwendung von cw-Lasern im infraroten Spektralbereich besonders vorteilhaft, da dort bio- und umweltrelevante Spurengase anhand ihrer Schwingungs-Rotationsübergänge eindeutig identifiziert werden können.

Im Rahmen eines durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt geförderten Projekts (Az 12644) soll ein robustes, tragbares Meßgerät zur in-situ Messung von Spurengasen entwickelt und erprobt werden. Dies beinhaltet ebenso die Entwicklung eines kompakten, kontinuierlich durchstimmbaren Lasersystems im infraroten Spektralbereich von 3,0 µm-3,6 µm, als auch eine Weiterentwicklung der CRDS zur Verwendung von cw-Lasern, der sogenannten Cavity-Leak-Out-Spektroskopie (CALOS). In ersten spektroskopischen Experimenten konnten Kohlenwasserstoffe wie Methan, Ethan und Ethylen in einer Konzentration von unter 1 ppb nachgewiesen werden.

Eingegliedert in den Arbeitskreis für atmosphärische Diagnostik stehen wir in enger Kooperation mit dem Institut für Angewandte Physik (Universität Bonn), dem Laser Zentrum Hannover e.V., Fischer Analysen GmbH in Leipzig und Hartmann & Braun GmbH & Co.KG in Frankfurt.