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Laserlicht ist aus der Medizin nicht mehr wegzudenken. Es wird erfolgreich eingesetzt, um Gewebe präzise zu bearbeiten und verborgene Strukturen und Vorgänge sichtbar zu machen. Die Präzision und Geschwindigkeit eines computergesteuerten Lasers wäre mit menschlichen Händen und damit geführten Instrumenten nie zu erreichen. Zudem kann Laserlicht an Stellen wirken, die mit chirurgischen Instrumenten nicht oder nur mit großen Kollateralschäden zu erreichen wären, zum Beispiel im Augeninneren.

Warum das so ist, hängt ganz maßgeblich mit den Eigenschaften von Laserlicht, das immer künstlich erzeugtes Licht ist, zusammen. Damit deutet sich auch schon an, dass es DEN LASER gar nicht gibt. Eine Vielzahl von Energiequellen und Lasermedien, Lichtfarben, Wellenlängen und Pulsdauern unterscheiden Laser grundsätzlich voneinander und ermöglichen aufgrund ihrer Eigenheiten ganz verschiedene Anwendungen.

Im Vergleich zu Licht aus anderen Lichtquellen besitzt Laserlicht Eigenschaften, die es für medizinische (und andere) Anwendungen richtig interessant machen. Diese Eigenschaften erlauben es, mit Laserlicht bzw. der Energie des Lichts Gewebestrukturen so präzise zu zerstören, dass sich ein feiner Schnitt ergibt und zwar auch in tieferen Gewebeschichten, ohne die darüber liegenden Gewebsstrukturen unbedingt beeinträchtigen zu müssen.

Das Licht eines üblichen Lasers ist monofrequent, hat also nur eine Wellenlänge/ Lichtfarbe. Die verschiedenen für das menschliche Auge wahrnehmbaren und nicht wahrnehmbaren Lichtfarben (z.B. Infrarot, Ultraviolett, etc.) haben unterschiedliche Auswirkungen auf das damit in Kontakt kommende Gewebe bzw. dringen unterschiedlich tief ins Gewebe ein. Mit diesem Wissen kann nun die Lichtfarbe/ Wellenlänge des Lasers so gewählt werden, dass der bei der Anwendung gewünschte Effekt erzielt wird.

Laserlicht lässt sich sehr gut bündeln. Damit kann auf einer kleinen Fläche (im Fokus) eine sehr hohe Leistungsintensität erzielt werden. Sendet der Laser sein Licht im Dauerbetrieb aus, wird mit modernen Lasergeräten Lichtleistung in der Größenordnung von 100.000 W erzeugt. Wird der Laserstrahl nicht dauerhaft, sondern in Impulsen ausgesendet, werden sogar Spitzenleistungen in der Größenordnung von 10¹⁰ W erzielt, was einer Leistung von 100 Millionen Glühlampen á 100 W entspricht.

Wenn Licht auf ein Hindernis trifft - in unserem Fall menschliches Gewebe - können sich vereinfacht beschrieben folgende Vorgänge ereignen. Bei der Reflexion prallen die Photonen vom Gewebe ab und setzen ihren Weg außerhalb des Gewebes in eine andere Richtung fort. Können die Photonen ungehindert das Gewebe durchdringen spricht man von Transmission.

Die für die medizinisch-chirurgische Anwendung von Licht relevanten Vorgänge sind Streuung und Absorption. Dringt das Licht ins Gewebe ein, kann es von verschiedenen Stoffen gestreut bzw. gebrochen werden, das heißt es wird innerhalb des Gewebes von seiner Bahn abgelenkt und setzt seinen Weg dann in eine andere Richtung fort. Für medizinische Anwendungen muss diese Ablenkung berücksichtigt werden, um den Laserstrahl dahin bringen zu können, wo der Prozess der Absorption ablaufen soll. Hier nämlich nimmt das Gewebe die Energie des Lichts auf und wandelt sie in Wärme um. Dabei kommt es zur Zerstörung des Gewebes - ein Schnitt entsteht.

Welche Reaktion an welcher Stelle abläuft, hängt von der Wellenlänge des Lichts und der Beschaffenheit des Gewebes ab. Je präziser ein Lasersystem auf einen konkreten Verwendungszweck hin abgestimmt ist, umso erfolgreicher und genauer kann der entsprechende Eingriff ausgeführt werden.

Femtosekunden-Laser senden ihr Licht in unvorstellbar kurzen Pulsen aus. Eine Femtosekunde (fs) ist der millionste Teil einer milliardstel Sekunde (1 E-15 s). Diese ultrakurzen Lichtpulse bringen für chirurgische Anwendungen neue nutzbare Eigenschaften von Laserstrahlen hervor und eröffnen weitere Möglichkeiten für die Mikrochirurgie.

Femtolaser bringen Spitzenleistungen. Innerhalb des extrem kurzen Zeitraums, in dem der Laser seinen Lichtstrahl aussendet, enthält dieses Licht zwar nur wenig Energie, erzeugt aber eine unglaublich hohe Leistung (nachvollziehbar durch den einfachen Zusammenhang Leistung=Energie/ Zeit). Ein einzelner Puls einer Länge von 100 Femtosekunden zum Beispiel enthält gerade Mal ein Millionstel Joule an Energie, erzeugt aber eine Spitzenleistung von 10 Megawatt.

Kurze Dauer bringt Präzision. Werden diese Pulse auf wenige Mikrometer Fleckgröße fokussiert, ionisieren sie jede Form von Gewebe. Die in ihre Bestandteile zerlegten Moleküle werden vom umliegenden Gewebe resorbiert, also aufgenommen. Aufgrund des sehr geringen Energiegehalts einzelner Pulse spielen die Wärmeübertragung und damit Schäden am umgebenden Gewebe praktisch keine Rolle.

Femtolaser liegen immer auf der richtigen Wellenlänge. Beim Einsatz von Femtolasern spielt die Farbe des verwendeten Laserlichts – im Gegensatz zu herkömmlichen Lasern – für den Wechselwirkungsprozess praktisch keine Rolle. Im Auge wählt man deshalb eine Wellenlänge, die im nahen Infrarotbereich liegt. Zum einen sieht sie der Patient nicht und wird davon nicht irritiert. Zum anderen ist dieser Bereich für das Auge transparent, es findet also keine Absorption statt. Allein im nur wenige Mikrometer großen Fokus des Strahls findet eine Wirkung statt. Das extrem starke elektromagnetische Feld des Laserpulses ionisiert alles in seiner nächsten Umgebung (übrigens hält selbst Diamant den Feldern nicht stand). Somit findet ein punktförmiger Schneideprozess statt. Viele Millionen Punkte hintereinander ergeben den gewünschten Schnitt.

Femtolaser Systeme sind inzwischen gut erforscht. Nach knapp vier Jahrzehnten intensiver Arbeit mit Femtosekunden-Lasern wissen wir heute, wie die optimale Wellenlänge und nahezu die optimale Pulsdauer für mikrochirurgische Eingriffe aussehen müssen und können die Systeme entsprechend ausstatten. In Bezug auf die Pulsenergie zeigt sich noch Verbesserungspotenzial. Glücklicherweise kann die Pulsenergie nicht nur durch die Pulsdauer, sondern auch durch eine stärkere Fokussierung verringert werden. Der Trend entwickelt sich in diese Richtung.

Obwohl die Femto-Lasersysteme preiswerter und kompakter werden, sind sie immer noch eine bedeutende Investition. In erster Linie handelt es sich bei allen Geräten, ob bereits in der Anwendung, oder noch in der Entwicklung, noch um hochkomplexe Systeme, die für ein genaues Ergebnis sehr fein auf die konkrete Anwendung abgestimmt sein müssen. Eine Mehrfachnutzung für unterschiedliche Anwendungsgebiete ist aktuell nur sehr begrenzt möglich und birgt Tücken. Hohe Entwicklungs-, Herstellungs- und Wartungskosten und ein beachtlicher Platzbedarf erlauben es daher nur hochspezialisierten Kliniken und Praxen, derartige Geräte einzusetzen. Zudem sind die Anwendungen trotz Erfolgen in der Praxis teilweise noch immer nicht von den Krankenkassen anerkannt und müssen vom Patienten privat finanziert werden.

Die Femtosekunden-Lasersysteme stehen derzeit an der Schwelle zur optimalen Nutzbarkeit für verschiedene Anwendungen. Einige innovative Hersteller sind schon sehr weit, andere weniger. Auch wenn sich diese Anwendungen noch auf den refraktiven und therapeutischen Einsatz auf der Hornhaut und den Kristallinlinsen beschränken, klopfen zahlreiche weitere Anwendungen an die Tür.

ROWIAK arbeitet an einem Verfahren zur Umkehrung der Alterssichtigkeit. Femtosekunden-Laserpulse werden verwendet, um Gleitebenen in der gealterten Linse zu erzeugen, sie so wieder flexibel zu machen und die Amplitude der Akkommodation zu erhöhen. Klinische Studien laufen bereits.

Aber auch tiefer in hinteren Bereichen des Auges sind chirurgische Femtoanwendungen denkbar. Floater können viel präziser und mit weniger Nebenwirkungen aufgelöst werden. Auch eine posteriore Vitrektomie zur Behandlung von traktionellen Glaskörperansätzen ist möglich. Eine Herausforderung, die Verzerrung des Laserfokus durch optische Aberrationen des Glaskörpers, kann mit so genannten adaptiven Optiken überwunden werden. Das Laserzentrum Hannover (LZH) arbeitet daran.

Das Faszinierende an Femtolaserpulsen ist die Möglichkeit, nicht nur zu schneiden, sondern auch fotochemische Effekte unterhalb der Störschwelle zu induzieren. Die Gruppe um Wayne Knox (Univ. of Rochester) hat gezeigt, dass sich der Brechungsindex von Hornhaut- und Augenlinsengewebe bei Bestrahlung mit fs-Pulsen einer bestimmten Wellenlänge und Intensität permanent ändert. Fehlsichtigkeiten konnten sehr elegant korrigiert werden, ohne Gewebe zu schneiden oder zu entfernen. Das gleiche Prinzip kann bei bereits implantierten Intraokularlinsen angewendet werden, um deren Refraktion (Lichtbrechung) zu korrigieren oder zu verfeinern. Unternehmen wie Perfect Lens, Clerio Vision (beide USA), Medicem (Tschechien) und LicriEye/Merck (Deutschland) arbeiten intensiv daran.

Aber die laserinduzierte Chemie hat nicht nur das Potenzial, den Brechungsindex zu verändern. Eine Gruppe um Chao Wang (Columbia Univ. NY, USA) zeigte wie man die Kollagenfasern der Hornhaut durch die Bildung eines Low-Density-Plasmas mit fs-Pulsen vernetzen und somit die mechanischen Eigenschaften verstärken kann (Corneal Crosslinking). Am Glostrup Hospital (Universität Kopenhagen, Dänemark) zeigte Line Kessel, dass die altersbedingte Gelbfärbung der menschlichen Linse durch Femtosekunden-Laser-Photolyse gebleicht werden kann. Bei diesem Verfahren kann die Linsenalterung verzögert werden.

Zahlreiche weitere Anwendungsmöglichkeiten für Femtolaser basierte Mikrochirurgie warten noch auf ihre Erforschung. Wir arbeiten daran und schauen gespannt in die Zukunft.