Dokument:
Ablation biologischen Hartgewebes mit
gepulsten IR-Lasern
| Titel: | Ablation biologischen Hartgewebes mit gepulsten IR-Lasern | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=2220 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20020131-000220-8 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Deutsch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Mitra, Thomas [Autor] | |||||||
| Dateien: |
| |||||||
| Beitragende: | Prof. Dr. Hering, Peter [Gutachter] Prof. Dr. Schmid, Dankward [Gutachter] | |||||||
| Stichwörter: | CO2,Laser, Osteotomie, Knochen, Histologie, Ablation, Schneiden, Wasserspray,Hartgewebe, SimulationCO2, laser, osteotomy, bone, histology, ablation,cutting, waterspray, hard tissue, simulation | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik | |||||||
| Beschreibungen: | Mit aus Experimenten bestimmten optimalen Bestrahlungsparametern wurde ein
Verfahren entwickelt, mit dem biologisches Hartgewebe wie Knochen und
Zähne mit einem CO2-Laser effektiv, tief und mit minimalen Gewebeschäden
abgetragen werden kann.
In Modellrechnungen wurden die Einflüsse der Bestrahlungsparameter auf den
Ablationsprozeß untersucht. Soweit möglich wurde ein analytisches Modell
aus der Literatur eingesetzt. Durch Einführen einer neuen Meßgröße, der
spezifischen Ablationsenergie, in das analytische Modell, konnte gezeigt
werden, daß dieses bekannte Modell schon die Existenz einer für die
Ablation optimalen Energiedichte vorhersagt. Es wurde auf Grundlage von
zeitabhängiger Wärmediffusion unter Berücksichtigung des
Absorptionsgesetzes ein numerisches Simulationsmodell der Laserablation
entwickelt. Berücksichtigt wurde in diesem dynamischen Modell die
Bestrahlung mit vielen Pulsen, die Absorption der Laserstrahlung in den
ausgeworfenen Gewebeteilen (Debris), deren Geschwindigkeit und
Absorptionskoeffizient und die sich durch den Abtrag verändernde Form des
Schnittkraters. Somit wurde gezeigt, daß die Lichtabsorption in der Debris
der wesentliche Faktor ist, der die Schnittiefe einschränkt. Die
Debrisabsorption ist ebenfalls für die Existenz einer optimalen
Pulsenergiedichte bei der Ablation verantwortlich. Durch Betrachten der
Wärmediffusion im Gleichgewicht zwischen Energiezufuhr durch absorbiertes
Laserlicht und Energieverlust durch Wärmeleitung, konnten zwei analytische
Formeln hergeleitet werden, die den Zusammenhang zwischen
Absorptionskoeffizient, Temperaturleitfähigkeit und den Schwellenwerten
der Intensität und Energiedichte für die Ablation beinhalten. So wurde
verdeutlicht, daß zwei Schwellen für eine effektive Laserablation deutlich
überschritten werden müssen. Die Schwellenenergiedichte sinkt mit
steigendem Absorptionskoeffizienten, während die Schwellenintensität
proportional zu Temperaturleitfähigkeit und Absorptionskoeffizient steigt.
Somit kann der Einfluß der Wellenlänge des Lasers auf die
Ablationseffizienz in Simulation, Experiment und Veröffentlichungen
anderer Gruppen erklärt werden. Experimentell wurde die Hartgewebeablation mit zwei kurzgepulsten CO2-Lasern (TEA und Q-switch)an Knochen und Zähnen untersucht. Es zeigt sich in Übereinstimmung mit den Modellrechnungen, daß bei hohen Pulsintensitäten der Abtrag von Knochenmaterial bei 9,6 µm Wellenlänge wesentlich effektiver ist als bei 10,6 µm. Für diese Laser wurden weiterhin die optimalen Energiedichten, der Abtrag pro Puls und die Änderung der Schnittiefe mit der Pulsanzahl bestimmt. Die Konvergenz der Schnittiefe bei steigender Pulsanzahl gegen einen Maximalwert von ca. 5 mm Tiefe, ist ein Problem, dessen physikalische Ursachen und mögliche Lösungswege von keiner anderen Forschungsgruppe in der Literatur diskutiert wurden. Mit einem dafür neu entwickeltem Strahlscannverfahren ist es erstmals gelungen, harte Knochenkompakta von 1 cm Dicke zu durchtrennen. Die wesentliche Ursache für diese Verbesserung liegt darin, daß die Debris sich auf einen größeren Raumwinkel verteilen kann, wenn der Schnittkrater breiter als der Strahldurchmesser ist. Weiterhin erlaubt es diese Scannmethode den Fokusort des Laserstrahls in die Probe nachzuführen. Aus in der Literatur beschriebenen Tierversuchen ist bekannt, daß der Abbau von thermisch oder mechanisch beschädigtem Gewebe, oder gar der Einschluß von Karbonisat, die Heilung des Knochens um mehrere Wochen verzögern kann. Mit Auflichtmikroskopie und histologischen Untersuchungen wurde in dieser Arbeit gezeigt, daß die verwendeten CO2-Laser, optimal eingesetzt, zu keiner meßbaren Gewebeschädigung führen. Das beste Bestrahlungsergebnis läßt somit eine bessere Heilung erwarten, als konventionell mit einer mechanischen Säge geschnittene Knochen.A procedure was developed, with which biological hard tissue such as bones and teeth can be cut deeply, effectively and with minimum damage with a CO2-Laser. The optimal irradiation parameters were determined by own experiments. In model calculations the influences of the irradiation parameters on the ablation process were examined. As far as possible an analytic model from the literature was used. By introduction of a new measured variable, the specific ablation energy, in the analytic model, it could be shown that this well-known model already predicts the existence of a power density optimal for the ablation. On basis of time-dependent heat diffusion with consideration of the law of absorption a numeric simulation model of the laser ablation was developed. In this dynamic model the irradiation with many pulses, the absorption of laser radiation in the ejected material (debris), its velocity and absorption coefficient and the geometry of the cut changing by the ablation was considered. Thus it was shown that the light absorption in the debris is the substantial factor, which limits the cutting depth. The debris-absorption is likewise responsible for the existence of an optimal pulse power density for the ablation. By regarding heat diffusion in the equilibrium between energy input by absorbed laser light and loss of energy by thermal conduction, two analytic formulas could be deduced, containing the connection between absorption coefficient, thermal diffusivity and the threshold values of the intensity and power density for the ablation. Thus it was clarified that two thresholds for an effective laser ablation must be exceeded clearly. The energy density threshold decreases with rising absorption coefficient, while the intensity threshold rises proportionally to thermal conductivity and absorption coefficient. Thus the influence of the wavelength of the laser on the ablation efficiency in simulation, experiment and publications of other groups can be explained. The ablation of hard tissue with two short pulsed CO2-lasers (TEA and q-switch) was examined on bones and teeth. In agreement with the model calculations it was possible to show, that with high pulse intensities the ablation of bone material is substantially more effective with 9,6 µm wavelength than with 10,6 µm. Further more, the optimal power densities, the cut depth per pulse, and the modification of the total cutting depth with the number of pulses of both laser systems were examined. The convergence of the cutting depth with rising number of pulses against a maximum value of approx. 5 mm of depth, is a problem, whose physical causes and possible solution methods were discussed by no other research group in the literature. By developing a new beam scanning technique, the first cut through femur bone compacta of 1 cm thickness was demonstrated. The substantial cause for this improvement is the fact that the debris can spread itself on a larger solid angle, if the cut is wider than the beam diameter. Moreover it permits to adjust the focal spot of the laser beam into the sample. From animal experiments described in the literature described it is well-known that the reduction of thermally or mechanically damaged tissue, or even the inclusion of carbonisat, delays the healing of bones about several weeks. With optical microscopy and histological investigations in this work it was shown that the used CO2-Lasers, optimally adjusted, lead to no measurable damage of the tissue. The best irradiation result suggests a better healing than for bones cut conventionally with a mechanical saw. | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik | |||||||
| Dokument erstellt am: | 31.01.2002 | |||||||
| Dateien geändert am: | 12.02.2007 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 31.01.2002 | |||||||
| Datum der Promotion: | 31.01.2002 |
