Medizinische Anwendungen: Weltweit verbessern Laser die Verfahren und die Lebensqualität von Patienten

Die Laserindustrie revolutionierte in den vergangenen 50 Jahren viele Bereiche unseres modernen Lebens. Zu Beginn erweiterten laserbasierenden Technologien das Spektrum der Grundlagenforschung; erstmals konnte die atomare Struktur von Molekülen untersucht und die Entfernung zum Mond gemessen werden. Erst damit gelang es uns, das Universum besser zu verstehen.

Später veränderte der Laser die Telekommunikationsindustrie: Die Übertragung großer Datenmengen in Lichtgeschwindigkeit schaffte die Voraussetzung für die Internet-Revolution. Zwischenzeitlich veränderte die Lasertechnologie zahlreiche Fertigungsprozesse (z.B. Schneiden, Schweißen, Gravieren, 3D-Drucken) und nahezu jedes Produkt enthält heute elektronische Bauteile zu deren Herstellung Laser genutzt wurden. Laser erlauben es auch, die Umgebung zu erfassen: sehr kleine Objekte lassen sich damit messen, mikroelektronische Teile prüfen und bei autonom fahrenden Fahrzeugen erlauben sie die genaue Orientierung.

Ein sehr weitreichendes Gebiet, das von der Lasertechnologie revolutioniert wurde, ist die Medizin. Heute findet man Laser in ganz unterschiedlichen medizinischen Anwendungen. In diesem Blogpost stellen wir Ihnen einige davon vor.

Ophthalmologie und laserbasierte Augenoperationen

Lassen Sie uns als erstes Beispiel den Bereich Ophthalmologie und im Speziellen die laserbasierten Augenoperationen betrachten (siehe Abbildung 1). Eine der bekanntesten und millionenfach durchgeführten Laserbehandlungen in der Augenheilkunde ist die Laser-assistierte-in- Situ Keratomileusis oder in Kurzform: LASIK.

Bei einer LASIK OP wird die Form der Hornhaut so verändert, dass das in das Auge einfallende Licht wieder auf der Netzhaut fokussiert wird. Fehlsichtigkeit wird damit ausgeglichen, und für kurz- oder weitsichtige Menschen entfällt häufig das Tragen einer Brille oder von Kontaktlinsen.  Vor einer Operation muss die Topographie der Hornhaut genau analysiert werden. Während der Operation wird zunächst ein sogenannter Flapschnitt durchgeführt. Dabei wird mit einem Femtosekundenlaser, der im Infrarotspektrum arbeitet, die Hornhaut ein winziges Stück geöffnet. Der Femtosekundenlaser erzeugt durch seine hohe Spitzenleistung und den sehr kleinen Strahldurchmesser einen sauberen Schnitt. Für die Abtragung der Hornhaut wird anschließend ein Excimer-Laser verwendet, der bei einer kürzeren, für das menschliche Auge unsichtbaren Wellenlänge arbeitet (z.B. 193 nm) und dessen Strahlung die Hornhaut absorbiert und die sich somit, im Gegensatz zum sichtbaren Licht, nicht im Auge ausbreitet.

Das von der Hornhaut absorbierte Licht erhitzt die Hornhaut und verdampft das Gewebe. Die Interaktion des Lichts mit der Hornhaut ist sehr gut charakterisiert und die Laserleistung sehr konstant. Durch die Wahl der Behandlungsdauer und der Strahlführung lässt sich die Hornhaut so exakt verändern, dass die Fehlsichtigkeit korrigiert wird.

Schließlich wird der Flap wieder verschlossen und der Heilungsprozess startet. Dank der Lasertechnologie entwickelte sich diese hochsensible Operation zu einer sehr sicheren und nahezu schmerzfreien Eingriff. In nur wenigen Minuten, die der Eingriff dauert, verbessert sich die Sehkraft und langfristig das Leben vieler Menschen erheblich.

Ästhetische Behandlungen

Ein weiterer Wachstumsbereich für die Laseranwendung sind ästhetische Behandlungen. Umfassende Studien zur Wechselwirkung von Laserlicht mit der Haut ermöglichten die Erfindung neuer medizinischer Prozesse, die ganz unterschiedliche Ziele erfüllen.

Ablativ und nicht-ablativ

Laser werden sowohl zur Entfernung unerwünschter Tätowierungen und Körperbehaarung als auch zur Behandlung verschiedener Hautprobleme (z. B. Faltenreduzierung, Entfernung von Hyperpigmentierung, Hautstraffung) eingesetzt. Grob gesagt, lassen sich die oben genannten Techniken in zwei verschiedene Gruppen unterteilen:

1. ablative Verfahren, bei denen ein intensives Laserlicht das Körpergewebe verdampft, und
2. nicht-ablative Verfahren, bei denen das Licht tiefer in die Haut eindringt, ohne die äußeren Schichten zu beschädigen.

Nicht-ablative Laser werden z. B. zur Entfernung von Tätowierungen oder unerwünschten Haaren eingesetzt, indem sie Licht aussenden, das durch die Hautoberfläche bis zur Tätowierungsschicht oder zum Haarfollikel dringt. Gerade die Tintenpartikel bei Tattoos sind sehr groß und können vom menschlichen Körper nicht abgebaut werden. Sie bleiben über viele Jahre in der Haut. Das Laserlicht, das in die Hautschichten eindringt, wird aber von den Tattoo-Partikeln absorbiert und sie zerfallen in kleinere Partikel, die nun vom Körper als “Abfall” entsorgt werden können.

Im Gegensatz dazu verdampfen ablative Laser Hautschichten, um Falten zu reduzieren oder Aknenarben zu entfernen. Ablative Laser sind meist gepulste Laser mit sehr hoher Intensität. Häufig eingesetzt wird der Er:YAG Laser, der Licht mit einer Wellenlänge von 2940 nm abstrahlt. Diese Wellenlänge verdampft Wassermoleküle besonders effizient. Vor dem Hintergrund, dass die menschliche Haut zu mehr als 60% aus Wasser besteht, eignet sie sich für diese Anwendungen besonders gut. Prozess mit ablativen Lasern sind grundsätzlich eine Form der kontrollierten Hautverletzung, die bei der anschließenden Heilung zu einer Erneuerung der Haut führt.

Neben den bisherigen Beispielen, wie Laser direkt in medizinischen Anwendungen angewendet werden, gibt es eine Vielzahl weiterer Prozesse, von der Bestrahlungstherapie bei Krebs, der Zerstörung von Nierensteinen oder bei der Behandlung von Karies in der Zahnmedizin. Die Liste ließe sich beliebig weiterführen.   

Doch auch wenn sich die Anwendungen deutlich unterscheiden, und die Laserparameter für alle Behandlungsformen individuell ermittelt werden, der Mechanismus bleibt gleich: Ein eng fokussierter Strahl wird auf das Gewebe gelenkt, das es zu „schädigen“ gilt.

Laser als medizinische „Hilfsmittel“

Darüber hinaus werden Laser aber auch als Hilfsmittel für zahlreiche medizinische Verfahren verwendet. Betrachten wir zu Beginn die Entfernungsmessungen mit Lasern. Sie erlauben es, menschliche Organe abzubilden. So erstellen beispielsweise Laserscanner eine 3D-Abbildung der Mundhöhle oder eine Zahnmodell, anhand dessen Zahnmediziner ihre Behandlungen durchführen (siehe Abb. 2).

Ein weiteres neues Feld ist der medizinische 3D-Laserdruck. Bei dieser Technologie, die auch als additive Fertigung bezeichnet wird, wird eine Computerdatei (die manchmal mit einem Laserscanner erstellt wird) verwendet, um Teile zu drucken, die später als Ersatz für menschliche Organe verwendet werden, wie z. B. ein fehlender Zahn oder ein Knochenteil, orthopädische oder kraniale Implantate und mehr. Beim selektiven Laserschmelzen wird das Metallpulver mit einem Laserstrahl geschmolzen.

Laser kommen auch bei verschiedenen bildgebenden Verfahren zum Einsatz. Eine Gruppe solcher Verfahren ist die optische Tomographie, bei der aus gestreutem oder durchgelassenem Licht eine zwei- oder dreidimensionale Karte von Zellen oder Gewebe erstellt wird. Die Mikroskopie ist ein weiterer medizinischer Bereich, der von der Entwicklung des Lasers profitiert hat. Wissenschaftlern gelang es durch den Laser, die Beugungsgrenze der klassischen Optik zu überwinden und sie schufen ein neues Gebiet, die so genannte Superauflösungsmikroskopie. Ein konfokales Laser-Scanning-Mikroskop enthält beispielsweise ein kleines Loch, durch das das Licht hindurchgeht, so dass das reflektierte Licht nur von der Brennebene des Systems zum Detektor zurückkehrt. Diese Technik ermöglicht die Abbildung eines Querschnitts der untersuchten Probe und wird häufig in der medizinischen Diagnose eingesetzt.

Fazit

Abschließend lässt sich sagen, dass Laser in einer großen Zahl medizinischer Anwendungen eingesetzt werden. Weiterentwicklungen bestehender Lasertechnologien (höhere Intensitäten oder Leistungen, kürzere Pulsdauer, verschiedene Wellenlängen) ermöglichen es, medizinische Verfahren weiter zu verbessern, sie sicherer, kontrollierbarer und erfolgreicher zu machen. Die Lebensqualität unzähliger Menschen wird damit weltweit verbessert. Auf dem Weg zur Entwicklung dieser Anwendungen ebenso wie bei deren Anwendungen spielt die Messtechnik für die Laser eine entscheidende Rolle. Ein Beispiel aus der Praxis zeigt diese Case Study.