CO-Laser: Einzigartiges Wellenlängenregime bietet chirurgisches Versprechen - beam-Verlag
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Lasertechnik
CO-Laser: Einzigartiges Wellenlängenregime
bietet chirurgisches Versprechen
Wellenlängenbereich des CO-Lasers Maß an Zuverlässigkeit und Lebens-
ihn zu einem vielversprechenden dauer wie CO2-Laser bieten. In den
potenziellen Werkzeug für Laser- letzten Jahren hat sich diese Situ-
operationen an stark vaskulari- ation völlig verändert, da die Inge-
sierten Organen und sorgt für eine nieure von Coherent die gleichen
gute Verschweißung von Gewebe Technologien, die zur Herstellung
und Gefäßen. von geschlossenen CO2-Lasern
verwendet werden, auch auf die
Einzigartiges Wellenlängen- Herausforderungen bei CO-Lasern
regime anpassen. Das Endergebnis ist eine
Die Kohlenmonoxid (CO)- und Reihe von schlüsselfertig versiegel-
Kohlendioxid (CO2)-Laser sind ten CO-Lasern mit ausgezeichne-
ähnliche Laser, die beide vor fast ter Effizienz bei Raumtemperatur,
60 Jahren zum ersten Mal demons- die eine Lebensdauer im Bereich
triert wurden, aber seitdem sehr von Tausenden von Stunden auf-
unterschiedliche Flugbahnen auf- weisen. Ingenieure und Wissen-
weisen. CO2-Laser haben eine lange schaftler beginnen nun, das ein-
und erfolgreiche Geschichte medi- zigartige Wellenlängenregime in
zinischer (und industrieller) Anwen- verschiedenen Anwendungen, ein-
Der Kohlenmonoxid (CO)-Laser dungen, die von der Podologie bis schließlich möglicher chirurgischer
erzeugt seine Leistung bei einer zur Ästhetik (Hautoberflächenbe- Anwendungen, zu nutzen.
Reihe von Wellenlängen im mittleren handlung) reichen. Im Gegensatz Der Kohlendioxidlaser erzeugt
Infrarot im Bereich von 5,2 - 6 µm mit dazu erforderten CO-Laser extreme seine Leistung bei einer Wellenlänge
tieferer Eindringtiefe in das Weich- Kühlungsschemata und konstante im tiefen Infrarot von 10,6 Mikro
gewebe im Vergleich zur Wellen- Gasnachfüllung und waren meist metern. Der Erbium (Er)-Laser, der
länge von 10,6 µm des Kohlendi- auf Laboranwendungen beschränkt, sich in einigen medizinischen (z. B.
oxid (CO2)-Lasers. Zusammen mit vor allem weil es sich als schwie- dermatologischen) Anwendungen
den Vorteilen der flexiblen Faserfüh- rig erwies, abgedichtete CO-Laser etabliert hat, hat eine viel kürzere
rung macht der einzigartige Multi- herzustellen, die das gleiche hohe Ausgangswellenlänge von 3 Mikro
Autoren:
Dr. Matthias Schulze, George
Oulundsen und Dan Attanasio,
Coherent, www.coherent.de
Viacheslav (Slava) Artyushenko,
art photonics GmbH,
www.artphotonics.com
Coherent Bild 1: Das Absorptionsspektrum des Zahnfleischgewebes hat Einfluss darauf, wie unterschiedliche
www.coherent.de Laserwellenlängen mit dem Gewebe interagieren.
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Dies wirkt sich direkt auf die Fähig- Bei der mäßig erhöhten Tempe-
keit des Lasers aus, Gewebe zu ratur von >45 °C beginnt sich das
verschweißen und Blutgefäße und Hauptstrukturprotein Kollagen auf-
anderes Gewebe tiefer zu koagulie- zulösen (abzuwickeln), wodurch
ren, im Verhältnis zu seiner Fähig- das Gewebeschweißen ermög-
keit, Gewebe zu zerstören. Diese licht wird. Wenn die Lasererwär-
drei Prozesse sind stark abhängig mung die lokale Temperatur auf
von der lokalisierten erhöhten Tem- bis zu 60 °C erhöht, wird das mei-
peratur, die in der Laser-/Gewebe- ste Gewebe koaguliert und versie-
Wechselwirkungszone erreicht wird, gelt. Dies geht mit einem Farbver-
und hängen auch vom Gewebetyp lust einher: Das Gewebe wird blan-
ab. So wird beispielsweise Fettge- chiert und kann recht weiß erschei-
webe im Gegensatz zu Muskel- nen. Eine optimierte Photokoagula-
gewebe geschmolzen, aber nicht tion ist der Schlüssel beim Schwei-
koaguliert. Ein tieferes Eindringen ßen und Schneiden von hochvasku-
des Lasers in stark vaskularisier- larisiertem Gewebe, wie es z. B. bei
tes Gewebe ist immer erforderlich, der Operation bestimmter Organe
um gefäßreiche Organe wie Lunge, zur Entfernung von Krebs oder aus
Leber, Niere usw. - wo eine sehr anderen Gründen vorkommen kann.
hohe Laserabsorption einen bes- Aus medizinischer Sicht führt die
Bild 2: Wellenlängen der CO-Laser-Erzeugung seren Ablations- (Schneide-) Effekt Fotokoagulation zur Blutstillung der
an der Gewebeoberfläche ermög- Blutgefäße und minimiert die Blu-
metern. Aber bis vor kurzem gab es zu einer besseren Abtragseffizienz licht, aber zu nicht zu stoppenden tung von Gewebe. Dies ist ein zen-
keine kommerziellen Laserquellen führt, wenn der Laserstrahl auf das Blutungen führen kann, wenn auch trales Anliegen bei einer Vielzahl
mit chirurgisch relevanten Leistungs- Gewebe fokussiert wird. kleine Arterien durchtrennt werden. von chirurgischen Eingriffen und
niveaus in der großen Lücke zwi- Ein tieferes Eindringen des CO- ein wesentlicher Vorteil der Laser
schen diesen beiden. Gewebe-Interaktion - Lasers in das Gewebe führt auch chirurgie. Oberhalb von 100 °C kocht
Daher hat der CO-Laser eine viel Koagulation vs. Ablation zu einer Erwärmung des Gewe- Wasser und hilft beim Abtragen von
größere (3x - 4x) Eindringtiefe in das (Schneiden) bes unterhalb der Ablationszone - Weichgewebe, so dass das Gewebe
Weichgewebe als die etablierten Unterschiede in der Absorp- was die Effizienz der Gewebeab- geschnitten werden kann, während
medizinischen Laser. Gleichzeitig tion und Penetration aufgrund der lation erhöht. noch höhere Temperaturen >125 °C
wird die Wellenlänge des CO-Lasers Laserwellenlänge bedeuten, dass in der Regel vermieden werden, um
nahe 6 µm jedoch deutlich stärker die gesamte Laser-Gewebe-Wech- Temperatur ist wichtig Gewebeverbrennungen und Karbo-
vom Weichgewebe absorbiert als bei selwirkung mit dem CO-Laser im Die detaillierte Wirkung eines nisierung zu verhindern.
10,6 µm (man beachte die exponen- Vergleich zum CO2-Laser weniger Lasers auf das Gewebe hängt von
tielle Skala für die Absorption), was intensiv und besser lokalisiert ist. der tatsächlichen Temperatur ab. Wirkung auf Gewebeproben
Anwendungswissenschaftler der
art photonics GmbH, Berlin, haben
ex-vivo untersucht, wie das Gewebe
von Herz, Muskel und Leber eines
Tieres unter ähnlichen Schnittbe-
dingungen mit einem CO2-Laser
(Coherent GEM 40A) und einem
CO-Laser (Coherent C-55L-5) rea-
giert hat. Die frischen Gewebepro-
ben wurden von human getöteten
Tieren gewonnen. Die Schnittbedin-
gungen wurden so ausgelegt, dass
die beiden Laser nahezu identisch
sind - mit einem Laserausgangs-
fleck von 0,5 mm Durchmesser, der
in einer Tiefe von 2 mm im Gewebe
fokussiert ist, und mit einer auf 8 W
eingestellten Leistungsstufe an der
Gewebeprobe. Beide Laser wurden
im CW-Betrieb ohne Pulsung betrie-
ben. Die hydratisierten Gewebe
proben wurden auf einer Verstell-
bühne unter fester Optik montiert,
so dass auch die Ergebnisse aus
unterschiedlichen Schnittgeschwin-
digkeiten (1, 2 und 4 mm/sec) ver-
Bild 3: Transmissionsabhängigkeit vom Biegeradius 1/R bei Hohlwellenleitern im Vergleich zu PIR-Fasern unter 10 W glichen werden konnten. Nach
CO2-Laserleistung. Die PIR-Faserenden wurden mit der Anti-Reflexions-Steckertechnologie abgeschlossen. dem Schneiden wurden die Pro-
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Diese Arten von Operationen die CO-Laserwellenlängen bieten
sind mit den üblicherweise verwen- (wo die optischen Verluste der PIR-
deten hohlen Gelenkspiegelarmen, Faser höher sind als 10,6 µm, aber
die häufig zur Abgabe der 10,6 µm immer noch niedrig genug für eine
Wellenlänge des CO2-Lasers ver- gute Übertragung). Für den 5 - 6 µm
wendet werden, nur schwer oder gar CO-Laser-Wellenlängenbereich
nicht zu realisieren. Im Gegensatz gibt es noch keine Hohlwellenleiter.
dazu kann die flexible Faserzufüh- Wichtige Ziele für die aktuelle
rung des chirurgischen Lasers für Entwicklung von flexiblen Kabeln
viele Verfahren entscheidend sein. für CO-Laser gibt es dort:
Gegenwärtig sind flexible Kabel 1) Verbesserung der PIR-Faser
auf Basis herkömmlicher Silika- übertragung für den 5 -
Fasern auf den Spektralbereich 6 µm-Bereich durch Verwen-
unter 2,1 µm beschränkt. Für das dung von Anti-Reflexionstermi-
mittlere Infrarot könnte ein geeig- nierung und
netes Zuführungskabel auf drei 2) HWG-Entwicklung auch für die-
möglichen Alternativen basieren: sen Bereich.
Hohlwellenleiter (HWG), Chalko Erst dann können die beiden fle-
ben eingefroren und mit einem tige in-vivo-Studien an verschie- genid-IR-Glasfasern und polykri- xiblen Übertragungstechnologien
Skalpell senkrecht zur Laser- denen Organen als nächster Schritt stalline Silberhalogenid-PIR-Fasern fair verglichen und für die prak-
schnittrichtung geschnitten. Dies für einen gründlicheren Vergleich (Ref. 3). Chalkogenid-Glasfasern tische Anwendung von CO-Lasern
ermöglichte eine einfache Abbil- von CO- und CO2-Lasern erfor- sind nicht optimal, da sie spröde bewertet werden.
dung von Querschnittsansichten derlich sein. Jetzt kann nur ein und das Material giftig ist, während
der Laserschnitte, um qualitative einziger experimenteller Fakt für Hohlwellenleiter bereits seit vielen Zusammenfassung
und quantitative Unterschiede beur- einen CO-Laser genannt werden, Jahren als flexible Kabel für medizi- Nachdem der Kohlenmono-
teilen zu können. der in vivo für eine Kaninchenarte- nische CO2-Laser verwendet wer- xid-(CO)-Laser viele Jahre lang
rie verwendet wurde (das Kanin- den. Ihr Design basiert auf Silizi- hauptsächlich eine Laborkuriosi-
CO-Laserstrahlung dringt chen war hierbei unter Vollnarkose umdioxidkapillaren mit intern abge- tät war, ist er nun eine kommer-
tiefer ein - Ref. 2). Zuerst wurde die Haut schiedenen Ag/AgI-Schichten, und zielle Realität. Er zeigt sich inzwi-
In einer Studie wurde festge- entfernt, um die Oberschenkelar- sie werden von Molex (Ref. 4) kom- schen als ein vielversprechendes
stellt, dass der CO2-Laser tiefere, terie von 2 mm Außendurchmes- merziell hergestellt. Die Innendurch- Werkzeug zur Maximierung der
schmalere Schnitte erzeugt, wäh- ser freizulegen. Diese wurde mit messer sind im Bereich von 0,5 - Koagulation bei Operationen von
rend der CO-Laser zu breiteren einem defokussierten Strahlfleck 1 mm für die CO2-Laserübertragung Weichgewebe. Zusammen mit den
Schnitten und einer tieferen Koa- (Durchmesser 4 - 5 mm) koaguliert, bei 10,6 µm bis zu 85 - 90 % (bei neuen Modalitäten der Faserzufüh-
gulationszone führt. Dies bestä- der von einem IR-Faserkabel eines einer Länge von 1 m ohne Biegung rung bedeutet dies, dass sich der
tigt, dass die geringere Absorp- versiegelten cw-CO-Lasers geliefert - Ref. 4) erhältlich. CO-Laser mit der Zeit als ein noch
tion ein tieferes Eindringen der CO- wurde. Insbesondere 15 Sekunden besseres chirurgisches Werkzeug
Laserstrahlung in das Gewebe er- Beleuchtung mit 2 W Ausgangs Polykristalline PIR-Fasern als der altehrwürdige CO2-Laser
möglicht und dazu führt, dass die leistung führten zu einer Aufhellung Leider sind Hohlwellenleiter erweisen könnte.
Laserleistung in einem größeren und Verengung der Arterie. Dann sehr biegeempfindlich, mit einem
Gewebevolumen deponiert wird, wurde sie durch den fokussierten schnellen Abfall der Übertragung Referenzen:
d. h. ein geringerer Temperatur- Strahl innerhalb weniger Sekun- selbst bei einem Biegeradius von 1. Dr. Peter Vitruk
anstieg über ein größeres Volu- den - ohne Blutung - durchtrennt, bis zu 20 cm. Glücklicherweise gibt Oral soft tissue laser ablative and
men verteilt. Umgekehrt bedeutet obwohl der Blutdruck in der Ober- es jetzt eine bessere Alternative - coagulative efficiencies spectra
die höhere Absorption des CO2- schenkelarterie hoch war. Uns ist polykristalline PIR-Fasern, die aus Implant Practice US, Volume 7,
Lasers, dass die Energie dieses derzeit kein anderer Laser bekannt, Silberhalogenid-Mischkristallen Number 6, pp.1-6
Lasers in einem kleineren Ober der ein solches Ergebnis mit nur 2 W hergestellt werden. Im Gegensatz
flächenvolumen des Gewebes Ausgangsleistung erzielen kann. zu Hohlwellenleitern ist die ungif- 2. A.O. Abakumov, V.S. Aleinikov,
deponiert wird, was zu einer inten- tige PIR-Faser sehr flexibel, nicht V.G. Artyushenko et al.;
siveren, begrenzten Erwärmung Fasern - mögliche flexible spröde und selbst bei Biegungen Coagulation and destruction of bio-
und einem höheren Verhältnis von chirurgische Optionen von 2,5 cm Radius wesentlich weni- logical tissue by CO-laser irradia-
Ablation/Koagulation im Vergleich Ein nächster Schritt wäre die Wie- ger biegeempfindlich. tion using fibre-optic cable; Optics
zum CO-Laser führt. derholung dieser Studien an leben- PIR-Fasern übertragen auch bei & Laser Technology, Aug.1986,
Es ist wichtig zu beachten, dem Säugetiergewebe. Diese vor- einem Biegeradius von 2 - 3 cm fast pp.190-192
dass all diese ersten Daten vor- läufigen Ergebnisse deuten darauf die gleiche Leistung, was zum Teil
läufig sind - da die Laserinter- hin, dass der CO-Laser vor allem auf ihre höhere numerische Aper- 3. V. Artyushenko, A. Bocharnikov,
aktion mit Gewebe in vivo nicht dort eingesetzt werden könnte, wo tur (NA = 0,2 - 0,25) im Vergleich T. Sakharova, I. Usenov;
zuletzt wegen der Kühlung durch die Photokoagulation eine wesent- zu HWG zurückzuführen ist, wo Mid-infrared Fiber Optics for 1-18µm
den Blutfluss ganz anders sein liche Voraussetzung für eine zuver- die niedrige NA von
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