Dokument: Ablation of hard biological tissue and osteotomy with pulsed CO2 lasers

Titel:	Ablation of hard biological tissue and osteotomy with pulsed CO2 lasers
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=3534
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20101130-102744-0
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Werner, Martin [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 17,37 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 09.02.2007 / geändert 09.02.2007
Beitragende:	Prof. Dr. Hering, Peter [Gutachter] Prof. Dr. Schierbaum, Klaus [Gutachter]
Stichwörter:	Laserablation, CO2 Laser, Knochen, thermo-mechanische Ablation, Laserosteotomie, Thermographielaser ablation, CO2 laser, bone, thermo-mechanical ablation, laser osteotomy, thermography
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	In dieser Arbeit wird die Ablation von biologischem Hartgewebe, hauptsächlich kompaktem Knochen, mit gepulsten CO2-Lasern untersucht. Knochengewebe ist ein sehr schwieriges Material für die Laserbearbeitung, da es aus verschiedenen Komponenten zusammengesetzt ist, deren Eigenschaften dem Knochen seine Kombination von Flexibilität und Festigkeit geben. Während der mineralische Knochenbestandteil erst bei Temperaturen oberhalb 1280°C schmilzt, können Knochenzellen schon bei leichtem Temperaturanstieg über 42°C geschädigt werden. Das Prozessmodell für die Ablation von Hartgewebe mit gepulsten IR Lasern ist die so genannte thermo-mechanische Ablation. Sie beruht auf der schnellen Verdampfung des eingeschlossenen Gewebswassers, verbunden mit einem starken Druckanstieg, der das Gewebe zerreißt. Die sehr starke Absorption der Strahlung des CO2 Lasers im Knochen ermöglicht eine sehr lokalisierte Energiedeponierung. Ein Ziel dieser Arbeit ist die genaue Analyse des Ablationsprozesses von Knochen mit gepulsten CO2 Lasern. Untersucht wurde die Abhängigkeit der Ablationseffizienz vom Wassergehalt des Knochengewebes. Hierfür wurden Knochen mit unterschiedlichem Wassergehalt mit einem gepulsten CO2 Laser bestrahlt. Zur Auswertung wurden optische Messungen der Ablationstiefe, des Ablationsvolumens sowie morphologische Untersuchungen der Oberflächen der Schnitte mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) durchgeführt. Für die Bestimmung der chemischen Zusammensetzung der Schnittoberflächen wurde die energiedispersive Röntgenfluoreszenzspektroskopie (EDX) verwendet. Die gewonnenen Daten unterstützen das thermo-mechanische Prozessmodell der Hartgewebeablation mit gepulsten CO2 Lasern. Temperaturmessungen mit einer IR Kamera belegen eine nur geringe Erwärmung des umliegenden Gewebes bei korrekter Anwendung des in der Arbeitsgruppe entwickelten und in dieser Arbeit vorgestellten Multi-Pass-Scan-Verfahrens für Knochenschnitte bei gleichzeitiger Verwendung eines feinen Wassersprays während der Lasereinwirkung. Weiterhin werden für die praktische Anwendung des Verfahrens relevante Untersuchungen zum Vergleich der Abtragseffizienz von verschiedenen CO2- und einem Excimerlaser sowie Techniken zur Schnittaufweitung durchgeführt. Eine künstliche Erweiterung der Spaltbreite des Laserschnittes ermöglicht es tiefe Schnitte zu erzielen (bis 20 mm). Das vorgestellte Multi-Pass-Scan-Verfahren in Kombination mit einer Schnittaufweitung ermöglicht erstmals eine praktische Anwendung der Laserosteotomie in der Hartgewebechirurgie. This thesis describes a variety of experiments and results concerning the ablation of hard biological tissue, mainly compact bone, with pulsed CO2 lasers. Laser processing of bone is a very complicated task since bone consists of different components with very different physical properties that give bone its combination of flexibility and solidity. While the mineral bone component melts at temperatures above 1280°C, bone cells will already be damaged by minor temperature rises above 42°C. The process model for hard tissue ablation with pulsed IR lasers is the so-called thermo-mechanical ablation. It is based on the fast evaporation of the enclosed tissue water and the resulting strong pressure increase that tears the tissue apart and ejects parts of the tissue. The very strong absorption of the CO2 laser radiation in the bone enables a highly localised energy deposition. One aim of this thesis is the detailed analysis of the ablation process of bone with pulsed CO2 lasers. The dependence of the ablation efficiency on the water content of the bone tissue was examined. Therefore, bone samples with different water contents were irradiated with a pulsed CO2 laser. For analysis, optical measurements of the ablation depth and -volume, morphological examinations of the surface of the laser incisions with scanning electron microscopy (SEM) were conducted. The chemical composition of cut surfaces was determined with energy dispersive X-ray fluorescence spectroscopy (EDX). The results of these examinations support the thermo-mechanical process model for hard tissue ablation with pulsed CO2 lasers. Temperature measurements with an IR camera showed only minor temperature rises of the surrounding tissue during the correct application of the multi pass scan procedure in combination with a fine water spray, a procedure for bone tissue ablation that was developed in our research group and presented in this thesis. Moreover, comparative measurements of the ablation efficiency with different CO2 lasers and an excimer laser system as well as measurements with a scanning technique for widening the laser incision were conducted. This gave valuable insights into the practical use of this technique. An additional, artificial widening of the incisions enables deep incisions (up to 20 mm). As a result, the multi pass scan procedure in combination with a cut dilation technique presented in this thesis makes a practical medical application of laser osteotomy in hard tissue surgery possible for the first time.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik
Dokument erstellt am:	28.11.2006
Dateien geändert am:	12.02.2007
Promotionsantrag am:	16.11.2006
Datum der Promotion:	16.11.2006