Lasertherapie: Der Laser als medizinisches Werkzeug


Lasertherapie: Der Laser als medizinisches Werkzeug
Lasertherapie: Der Laser als medizinisches Werkzeug
 
Eine wichtige medizintechnische Therapieform ist der Lasereinsatz, der sich in vielen Gebieten etabliert hat. Technisch gesehen verbindet er optische Methoden mit Verfahren der Miniaturisierung, besonders bei den modernen endoskopischen Operationstechniken ist der Einsatz des Lasers nicht mehr fortzudenken. Wie funktioniert ein Laser und worauf beruht sein Erfolg als medizintechnisches Werkzeug?
 
Albert Einstein postulierte bereits 1917 das Prinzip des Lasers, der Lichtverstärkung durch induzierte Emission. 1960 wurde der erste Laser — ein Rubinlaser — gebaut und schon im darauf folgenden Jahr in der Augenheilkunde eingesetzt. Mit dem Voranschreiten der Lasertechnik entstanden auch immer neue Anwendungsfelder für den Laser in der medizinischen Therapie. Vor allem die Einführung der lichtleitenden Faseroptiken im Jahr 1973 war ein großer Schritt nach vorne. Laserlicht konnte nun im Körperinneren punktgenau an seinen Einsatzort geleitet werden.
 
Heute dienen Laser in der Chirurgie als Laserskalpelle, zur Stillung von Blutungen und zur Entfernung von Ablagerungen in Adern und in der Urologie zur Zertrümmerung von Nieren-, Harnleiter- und Gallensteinen. In der Zahnheilkunde werden sie als schmerzfreier Ersatz des Bohrers eingesetzt, in der Augenheilkunde zum Verschweißen von abgelösten Netzhautteilen und zur Behandlung von grünem und grauem Star. In der Dermatologie verwendet man sie zur Behandlung oberflächlicher Missbildungen des Gefäßsystems, etwa zur Beseitigung von Feuermalen oder Blutschwämmen, und in der Onkologie zur gezielten Zerstörung von Tumorgewebe. Neueste Entwicklungen der Lasertechnik haben zu optischen Pinzetten und Skalpellen im mikroskopischen Maßstab geführt, die beispielsweise bei der künstlichen Befruchtung und bei der Gentherapie ihren Einsatz finden.
 
 Die physikalischen Grundlagen des Lasers
 
Der Name Laser ist eine Abkürzung für den englischen Ausdruck »Light Amplification by stimulated Emission of Radiation«; dies bedeutet »Lichtverstärkung durch stimulierte Emission«. Normale Lichtquellen, wie etwa Glühbirnen, senden (emittieren) Licht zufällig und spontan aus, Laser dagegen aufgrund einer gezielten Anregung des Lasermaterials. Diese Anregung nennt man »Stimulation«, das Aussenden von Laserlicht damit »stimulierte Emission«.
 
Bei der üblichen spontanen Emission von Licht geschieht Folgendes: Einem gasförmigen, flüssigen oder festen Körper wird Energie, meistens in Form von Wärme, zugeführt. Dabei werden die äußeren Elektronen dieses Körpers aus ihrem energetischen Grundzustand »1« in ein angeregtes Niveau mit höherer Energie, »2«, überführt (Niveau ist in der Laserphysik ein anderes Wort für Zustand). Nach einer gewissen Zeit gehen sie wieder in ihren Grundzustand zurück und senden dabei ein Lichtquant (Photon) aus. Dessen Energie entspricht dem Energieunterschied zwischen dem Grundzustand und dem angeregten Zustand. Dieser Energieunterschied drückt sich in Frequenz und Wellenlänge des emittierten Lichts aus, beispielsweise leuchtet erhitztes Eisen rötlich; noch heißeres und damit noch höher angeregtes Eisen strahlt gelbliches bis bläuliches Licht aus.
 
Um für eine andauernde Photonenemission zu sorgen, bei der das obere Niveau ständig »bevölkert« ist — und genau das benötigt man beim Laser —, muss dementsprechend kontinuierlich Energie zugeführt werden. Man sagt auch, dass die Elektronen in ein höheres Niveau gepumpt werden müssen. Dies kann zum Beispiel durch Licht, also Photonen, geschehen; man spricht in diesem Fall von optischem Pumpen. Bei den meisten Stoffen halten sich die gepumpten Elektronen nur kurz im höheren Niveau auf und kehren ungeordnet und sehr schnell in den Grundzustand zurück. Solche Körper sind für die Lasertechnik ungeeignet. Bei manchen Verbindungen allerdings, die später genauer besprochen werden, gibt es langlebige angeregte Zustände, aus denen ein direkter, spontaner Übergang in den Grundzustand aufgrund von atomphysikalischen Gesetzen verboten ist. Die Rückkehr des angeregten Elektrons zum Grundzustand erfolgt daher stufenweise und deshalb relativ langsam über ein oder mehrere Zwischenniveaus. Stoffe mit solchen langlebigen Zwischenniveaus eignen sich für eine laserartige Lichtverstärkung, man nennt sie auch Lasermedium.
 
Durch thermisches oder optisches Pumpen gelangen bei diesen Stoffen mehr Elektronen in die langlebigen angeregten Zustände, als im Grundzustand verbleiben. Man spricht hierbei von einer Inversion, denn es handelt sich um eine Umkehrung der normalen Elektronenverteilung. Diese Inversion ist die Grundvoraussetzung für den Laserprozess. Bei dem eigentlichen Laserprozess geschieht nämlich Folgendes: Photonen, die beim Übergang eines Elektrons vom angeregten zum Grundzustand (oder vom oberen zum unteren Laserniveau) entstehen, können andere Elektronen auf identischen angeregten Zuständen dazu stimulieren, ebenfalls in den Grundzustand überzugehen und dabei wiederum Photonen zu emittieren. Die Photonen, die hierbei frei werden, besitzen die gleiche Wellenlänge, Richtung und Phase wie das stimulierende Photon. Hierfür ist aber eine Inversion zwingend notwendig, da sonst die Photonen nicht genügend stimulierbare angeregte Elektronen finden. Wenn man diese stimulierte Emission in einer langen und dünnen Röhre ablaufen lässt, dann treffen die Photonen, die sich quer zur Röhre bewegen, ziemlich schnell auf die Wand; sie stimulieren daher nur wenige angeregte Elektronen zur Photonenemission. Photonen, die sich längs der Röhre bewegen, können dagegen viele gleichphasige Photonen mit der gleichen Wellenlänge und Ausbreitungsrichtung hervorrufen, die dann ihrerseits weitere identische Photonen erzeugen: Es entsteht eine Lawine von in Längsrichtung laufenden, identischen Photonen.
 
Der eigentliche Trick besteht nun darin, Spiegel an den Enden der Röhre anzubringen. Dadurch werden die Photonen, die sich parallel zur Röhre bewegen, von den Spiegeln immer wieder reflektiert, sodass die Stimulationslawine das gesamte Lasermedium erfassen kann. Eine derartige Anordnung wird Resonator genannt. Einer der beiden Spiegel an den Enden der Röhre ist teilweise durchlässig, wodurch hier ein Teil der Photonen nach draußen dringt: Dies ist der Laserstrahl.
 
Ein Stoff, in dem dieser Laserprozess ablaufen kann, wird Lasermedium genannt. Er muss langlebige angeregte Elektronenzustände besitzen, die zu einer Besetzungsinversion führen. In Frage kommen hierfür freie Atome, Ionen, Gase, Flüssigkeiten, in Flüssigkeiten gelöste Farbstoffe und Feststoffe. Der jeweilige Anregungsmechanismus für die Erzeugung der Besetzungsinversion ist sehr unterschiedlich. Wärme, optisches Pumpen, Gasentladungen, elektrischer Strom oder chemische Reaktionen sind die gebräuchlichsten Methoden.
 
In der Medizin werden hauptsächlich Kohlendioxidlaser (CO2-Laser), Nd:YAG-Laser, Diodenlaser, Helium-Neon-Laser, Argonionenlaser, Farbstofflaser und Excimerlaser verwendet. Die Wellenlängen des von diesen Lasern erzeugten Lichts liegen je nach Lasertyp zwischen 10 Mikrometern (infraroter Bereich) und 0,2 Mikrometern (ultravioletter Bereich), dies überdeckt den sichtbaren Bereich von etwa 0,4 bis 0,8 Mikrometern. Die Intensität des Laserlichts lässt sich ebenfalls über einen weiten Bereich steuern. Niederenergetische Laserstrahlung führt zu einer lokalen Erhitzung, die Blut und Proteine gerinnen lässt. Gewebe kann auf diese Weise koaguliert, Wunden können geschlossen und Blutgefäße verödet werden. Höherenergetische Laserstrahlung trägt Gewebe ab und kauterisiert die Wundränder, sodass der Blutverlust gering ist. Mit Hochleistungslasern wird unerwünschtes Knochenmaterial bei etwa 700 Grad Celsius verdampft und seine Neubildung verhindert.
 
 
Schon vor der Erfindung des Lasers wurde Licht medizinisch eingesetzt. 1946 entwickelte zum Beispiel der deutsche Augenarzt Gerhard Meyer-Schwickerath die Methode der Lichtkoagulation. Mit sehr intensiven Lichtstrahlen werden hierbei abgelöste Teile der Netzhaut wieder angeschweißt oder Tumorgewebe zerstört. Ein Jahr nachdem 1960 Theodore H. Maiman in den USA den ersten Laser gebaut hatte, begannen Tierversuche zur Lasertherapie. 1962 führte Chris Zweng in Kalifornien erste Netzhautbehandlungen am Menschen mit Laserlicht durch. Diese Methode wurde sehr schnell Routine in der Augenheilkunde. Der Vorteil der Laser liegt darin, dass eine sehr große Hitze auf einen winzigen Punkt genau appliziert werden kann. Weiterhin erzeugen Laser Licht eines sehr engen Wellenlängenbereichs — das Laserlicht ist so gut wie einfarbig. Da verschiedene Gewebearten jeweils Licht unterschiedlicher Wellenlänge absorbieren können, kann man durch passende Wahl der Laserwellenlänge ganz gezielt bestimmte Gewebetypen behandeln, während umliegendes Gewebe unbeeinflusst bleibt. In der Netzhaut des Auges kommt beispielsweise das dunkle Pigment Melanin vor, welches das grüne Licht des Argonlasers gut absorbiert. Die anderen, durchsichtigen Bestandteile des Auges absorbieren dieses Licht dagegen nicht und werden deswegen auch nicht von ihm geschädigt.
 
Ein weiteres Anwendungsgebiet des Argonlasers liegt im Bereich der Dermatologie. Dabei handelt es sich um die Entfernung von Feuermalen. Dies sind Bereiche der Haut, die von übermäßig vielen kleinen Blutgefäßen durchzogen und deswegen rot gefärbt sind. Diese Areale absorbieren das grüne Laserlicht besonders gut und können so selektiv verödet werden. Um die Hitzewirkung auf das eigentliche Feuermal zu beschränken, verwendet man hierbei gepulstes Laserlicht mit Lichtblitzen von weniger als einer Tausendstel Sekunde. Mit der gleichen Methode lassen sich auch Tätowierungen wieder entfernen.
 
Kohlendioxidlaser werden für andere Aufgaben eingesetzt. Sie erzeugen infrarotes Licht mit einer Wellenlänge von 10,6 Mikrometern. Wasser, das in allen Gewebetypen enthalten ist und den Hauptbestandteil der menschlichen Körpermasse ausmacht, absorbiert dieses Licht, sodass alle Gewebe gleichermaßen erhitzt werden. Dadurch dringt das Licht des CO2-Lasers nur wenig in das Gewebe ein und bewirkt stattdessen eine starke oberflächliche Erwärmung. Der CO2-Laser kann daher als präzises Schneidinstrument verwendet werden, als Laserskalpell. Ein kontinuierlich strahlender CO2-Laser verschweißt schon während des Schnitts die dabei geöffneten Blutgefäße; er ist deswegen zur Operation stark durchbluteter Organe wie beispielsweise der Leber prädestiniert. Ein Nachteil ist allerdings, dass der Laserstrahl nicht, wie bei den kurzwelligeren Lasern, mit Faseroptiken gelenkt werden kann. Stattdessen muss die Laserstrahlung mithilfe von mechanisch sehr aufwendigen Spiegelgelenkarmen ans Ziel gebracht werden.
 
Excimerlaser arbeiten mit ultraviolettem Licht, dessen Photonen zehnmal energiereicher sind als infrarote Photonen. Hier zerstört weniger die Hitze das Gewebe, vielmehr werden die Bindungen in den Molekülen des Gewebes direkt vom UV-Licht aufgebrochen. Der Xenonchlorid-Excimerlaser, der im ultravioletten Spektrum mit einer Wellenlänge von 0,31 Mikrometern arbeitet, kann bei einer Pulsdauer von zehn Nanosekunden Knochengewebe verdampfen, ohne das umliegende Gewebe zu schädigen.
 
 
Im Jahr 1973 wurde erstmals ein Laser an eine Faseroptik, einen Lichtleiter gekoppelt, um auf diese Weise das Laserlicht an einen Operationsort zu bringen. Ein zweiter Lichtleiter diente zur Beleuchtung des Operationsfeldes und ein dritter zur Beobachtung der Operation, bei der es sich um die Stillung von Blutungen bei einem Magengeschwür handelte. Inzwischen behandelt man mit derartigen Geräten auch Darmgeschwüre. Für diese Aufgaben — Koagulation von Blutungen, Fehlbildungen und Tumoren — eignet sich der Neodym:YAG-Laser besonders gut, der infrarotes Licht der Wellenlängen 1,06 und 1,32 Mikrometer aussendet. Mithilfe ähnlicher Faseroptiken werden auch Nierensteine und ähnliche Gebilde zertrümmert. Bei der laserinduzierten Stoßwellenlithotripsie (Steinzertrümmerung) nutzt man photomechanische Effekte. Kurze Laserpulse werden mithilfe von Lichtleitern in die unmittelbare Nähe der zu zerstörenden Steine gebracht. Dort erzeugt die Hitze des Laserpulses ein Plasma und dieses wiederum eine Gasblase, die nach dem Ende des Laserpulses in sich zusammenfällt. Dadurch entsteht eine mechanische Stoßwelle. Auf ganz ähnliche Weise entsteht bei einem Gewitter durch einen Blitz eine Gasblase, deren Zusammenbrechen eine Stoßwelle in der Luft erzeugt: nämlich den Donner. Weitere Laserpulse sorgen für weitere Stoßwellen, die innerhalb weniger Minuten den gesamten Stein zertrümmern. Hierbei kommen vor allem Farbstofflaser zum Einsatz.
 
Besonders interessant sind die Anwendungen der Faseroptiken bei Herz- und Kreislauferkrankungen. Viele schwere Störungen des Blutkreislaufs werden durch Ablagerungen in den Arterien verursacht. Je nachdem, wo sich diese Ablagerungen bilden, können sie zu Hirnschlag, Herzinfarkt oder zu Nekrosen, also dem Absterben von Gewebeteilen, führen. Als Therapie versucht man zunächst, diese verengten Blutgefäße mithilfe eines kleinen Ballons zu weiten. Hierbei wird ein Katheter mit dem winzigen Ballon an der Spitze von außen durch eine Körperöffnung an die verengte Stelle herangeführt. Der Ballon wird an der verengten Stelle aufgeblasen und erweitert diese.
 
Der Erfolg dieser Therapie ist jedoch nicht immer von Dauer. Endgültig verschlossene Gefäße am Herzen müssen durch eine sehr aufwendige, für den Patienten unerfreuliche und langwierige, schwierige und teure Bypassoperation ersetzt werden. Hierbei wird eine Beinvene entnommen, der Brustkorb geöffnet und die verstopfte Arterie durch das Beinvenenstück ersetzt. Um diese aufwendige Operation zu umgehen, befindet sich ein neues, lasergestütztes Operationsverfahren in der Erprobung. Dabei möchte man in den entsprechenden Blutgefäßen eine an einen Laser angeschlossene Glasfaser an die verengte Stelle heranschieben. Der Laserstrahl soll die Ablagerungen abbauen und dadurch die Blutgefäße öffnen. Hierfür werden derzeit gepulste Xenonchlorid-Excimerlaser erprobt.
 
 Photodynamische Krebstherapie
 
Bei der photodynamischen Tumortherapie mit Lasern macht man sich Erkenntnisse vom Anfang des 20. Jahrhunderts zunutze. Schon damals wusste man, dass Tumorgewebe körpereigene Pigmente besonders anreichert. Sichtbares Licht wird deswegen vom Tumorgewebe stärker absorbiert als von gesundem Gewebe, und bereits die Behandlung mit Sonnenlicht führte bei manchen Krebsarten zur Besserung oder gar zur Heilung. Diese Pigmente werden deshalb auch Photosensibilatoren genannt. Es handelt sich dabei in den meisten Fällen um Porphyrine. Führt man diese Pigmente dem Körper durch eine intravenöse Injektion von außen zu, reichert sich das zusätzliche Pigment innerhalb von ein bis zwei Tagen im Tumorgewebe stark an. Bestrahlt man anschließend das Tumorgewebe mit einfarbigem Licht der Wellenlänge, bei der die Porphyrine am stärksten absorbieren, so werden diese energetisch angeregt. Die Porphyrine übertragen diese Anregungsenergie auf Sauerstoff, der dadurch in eine hochreaktive Form, den Singulett-Sauerstoff übergeht. Dieser Singulett-Sauerstoff zerstört biologische Membranen, unter anderem die Zellmembranen. Dadurch werden die pigmenthaltigen Krebszellen selektiv zerstört, da das gesunde Gewebe ja nur geringe Mengen an Photosensibilatoren enthält und entsprechend wenig angegriffen wird.
 
Laser dienen aber nicht nur der photodynamischen Krebstherapie, sondern auch bereits der Diagnose. Mit einem Laser, der ultraviolettes Licht von schwacher Intensität erzeugt, werden die Porphyrine in den Krebszellen zu einem rötlichen Fluoreszenzleuchten angeregt und dadurch sichtbar gemacht. Lage und Ausdehnung des Tumorgewebes lassen sich also gut einschätzen, und zur Tumortherapie kann hoch energetisches Laserlicht gezielt auf das Tumorgewebe ausgerichtet werden.
 
 Aufbau und Strahlführung bei medizinischen Lasergeräten
 
Ein Lasergerät besteht nicht nur aus den Grundbestandteilen Lasermedium, Pumpquelle und Resonator. Da die zugeführte Energie nur zu einem kleinen Teil in Laserlicht umgewandelt wird, die restliche Energie aber als Abwärme frei wird, benötigt man auch ein Kühlelement, das die Wärme abführt. Ein Argonionenlaser beispielsweise wandelt maximal etwa 0,1 Prozent der aufgewendeten Energie in Licht um, bei einem Neodym: YAG-Laser beträgt die Lichtausbeute drei, bei einem Kohlendioxidlaser 20 Prozent. Weitere wesentliche Komponenten eines Lasergeräts sind seine Stromversorgung, ein Detektor zur Leistungsmessung und eine Blende zur Freigabe oder Pulsierung des Laserstrahls. Für den Fall, dass der Laser im infraroten oder ultravioletten Spektralbereich arbeitet, die Laserstrahlung also unsichtbar ist, benötigt man noch ein Gerät zur Einblendung eines sichtbaren Pilot- oder Zielstrahls.
 
Um das Laserlicht vom Lasergerät zum zu bestrahlenden Gewebe zu leiten, gibt es verschiedene Arten der Strahlführung. Sichtbares Laserlicht und die angrenzenden Spektralbereiche (etwa 0,3—2 Mikrometer Wellenlänge) werden mit flexiblen Glas- oder Quarzfasern übertragen. Bei den kürzeren und den längeren Wellenlängen (beim Excimerlaser: 0,19—0,3 Mikrometer, beim Erbium- und beim Kohlendioxidlaser: 3—10 Mikrometer) ist dies aus physikalischen Gründen nicht möglich. Daher muss man hier auf mechanisch sehr aufwendig gebaute und relativ starre Spiegelgelenkarme zurückgreifen. Einige neue Lichtleitersysteme sind in diesem Bereich in Erprobung, wie beispielsweise Hohlleiter.
 
Wie wird nun das zu behandelnde Gewebe der Laserstrahlung ausgesetzt? Dies geschieht entweder berührungslos, indem das Gewebe mithilfe von Fokussierhandschuhen oder Operationsmikroskopen vom Ende des Lichtleiters beleuchtet wird, oder in direktem Kontakt zum Gewebe. Bei Letzterem wird das Ende der Licht leitenden Faser direkt auf das Gewebe gedrückt; eine andere Möglichkeit ist die Verwendung von Saphirspitzen, die am Faserende angebracht sind und ins Gewebe eingestochen werden.
 
Handelsübliche Lichtleiter haben einen Durchmesser von einem zwanzigstel bis zu einem Millimeter. Neuerdings gibt es auch Lichtleiter mit speziell präparierten Spitzen zur präziseren Führung des Laserstrahls. Die heiße Faserspitze verdampft das Gewebe und hinterlässt eine homogene Verkohlungszone, wodurch Blutungen gestillt werden. Die Spitzen der Faseroptiken werden häufig mit einem Schutzgas gespült, um die Verdampfungs- und Abtragungsprodukte zu entfernen. Dadurch kann die Laserstrahlung ungehindert in den Schnittkanal eindringen, was die Schnitttiefe erhöht. Beim Neodym: YAG-Laser ist auch eine Flüssigkeitsspülung möglich.
 
 Unfallgefahren beim Umgang mit medizinischen Lasern
 
Trotz der vielen Erfolge der medizinischen Lasertechnik, die in manchen Bereichen schon zum Routineverfahren geworden ist, sollten man sich der Gefahren, die von einem unsachgemäßen Umgang mit Laserlicht ausgehen, immer bewusst sein. Vor allem die Augen und die Haut anwesender Personen können durch Laserlicht geschädigt werden.
 
Die wichtigste Grundregel ist, dass man nie direkt in den Laserstrahl blicken sollte! Neben solchen grob fahrlässigen Bedienungsfehlern können auch Materialermüdungserscheinungen zu Gefährdungen führen. Beispielsweise kann eine flexible Glasfaser brechen und Laserlicht freisetzen. Die Spiegelgelenkarme der Kohlendioxidlaser bergen diese Gefahr zwar nicht, allerdings kann sich ein schlecht justiertes Fokussierhandstück aufheizen und zu Verbrennungen an der Hand des Operateurs führen. Gefährlich sind auch Operationsinstrumente, die in den Strahlengang geraten und das Laserlicht reflektieren. Da Laserlicht meist zu Wärmeentwicklung führt, sind generell Brand- und Explosionsgefahren nicht ausgeschlossen.
 
Laser werden nach ihrem Gefährdungspotenzial in fünf Gefahrenklassen eingeordnet. Laser der Klasse 1 sind eigensicher, das bedeutet, dass selbst ein direkter Blick in den Laserstrahl ungefährlich ist. Laser der Klasse 2 senden sichtbares Licht aus, welches das Auge veranlasst, sein Lid zu schließen. Bei Lasern der Klasse 3A wird ein Blick in den Strahl mit optischen Hilfsmitteln (Lupe, Mikroskop) gefährlich. Bei Lasern der Klasse 3B ist ein Blick aus der Nähe in den Strahl gefährlich, das Betrachten der diffusen Reflexion des Strahls (beispielsweise auf der Haut) aber noch harmlos. Bei den Lasern der Klasse 4 ist selbst dies bereits gefährlich. Die in der Ophthalmologie (Augenheilkunde) und der Chirurgie eingesetzten Laser gehören allesamt zur Klasse 4 mit dem höchsten Gefahrenpotenzial.
 
In der Medizingeräteverordnung (MedGV) gibt es ebenfalls eine Einteilung von medizinischen Geräten, die nach ihrem Gefahrenpotenzial geordnet sind. Hier ist die Nummerierung allerdings — verwirrenderweise — gegenläufig: die MedGV-Gruppe 1, zu der die Laser der Laserklasse 4 gehören, ist die Gruppe mit den größten Risiken und den schärfsten Sicherheitsbestimmungen. Sie bestimmt unter anderem, dass nur besonders ausgebildetes Personal mit dem Laser arbeiten darf.
 
Dr. Harald Münch, Heidelberg und Dipl.-Phys. Renate Jerei, Heidelberg
 
Weiterführende Erläuterungen finden Sie auch unter:
 
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Universal-Lexikon. 2012.

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