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Warum ein Laser und warum 1318 nm Wellenlänge?
Laser sind Lichtquellen mit ganz besonderen Eigenschaften, deren sinnvolle Kombination anderen Instrumenten gegenüber, die auf rein mechanischen oder elektromagnetischen Wirkungsprinzipien beruhen, überlegene medizinische Anwendungen ermöglichen. 

Die von Lasern erzeugte Strahlung ist kohärent, d.h. alle Wellenzüge sind zeitlich und räumlich exakt in Phase zueinander und sie ist stark kollimiert, was bedeutet, dass die Strahlenbündel fast parallel angeordnet sind und somit deren Durchmesser auch auf große Entfernung nur wenig zunimmt. Aufgrund dieser beiden Eigenschaften lässt sich gebündelte, hochenergetische Strahlung erzeugen, die direkt auf das Zielgewebe gerichtet werden kann oder aber über Faser-oder Spiegelarmsysteme in Endoskope (Magen-Darm, Blase, Bronchien, Hals-Nasen-Ohren etc.) oder Mikroskope übertragen werden kann. 

Ebenso wichtig wie die beiden beschriebenen Qualitäten ist die dritte Eigenschaft, die Monochromasie, d.h. alle Wellenzüge haben die gleiche Wellenlänge, Frequenz und Energie. Für die medizinische Anwendungspraxis ist diese Eigenschaft von enormer Bedeutung, da sich dadurch die Chance eröffnet eine ganz bestimmte Wellenlänge auszuwählen und nur die für sie hochspezifische Interaktion mit einem Zielgewebe auszunützen. Für die erreichten Effekte am Zielgewebe sind dann wiederum im Wesentlichen die Leistungsdichten und die Einwirkzeit verantwortlich. Aufgrund der großen Variationsbreite von Leistungsdichten und Einwirkzeit lassen sich sehr unterschiedliche Gewebeeffekte erzielen, die von der niedrigenergetischen Biostimulation bis hin zur hochenergetischen Photodisruption z.B. bei Nierensteinzertrümmerungen reichen. 

Für chirurgische Laseranwendungen sind vor allem die photothermischen Lasereffekte bei Leistungsdichten von 1 bis 100 kW/cm² von großem Interesse, da man im Dauerstrichbetrieb (kontinuierliche Bestrahlung) die gleichzeitige Durchtrennung, Koagulation und Verschweißung oder Versiegelung von hochdifferentiertem Gewebe (Leber, Lunge, Niere etc.) durch unterschiedliche Temperaturlevels erwarten kann. 

Für die chirurgische Praxis muss man deshalb Laserstrahlung mit Leistungsdichten erzeugen, die im Zentrum des bestrahlten Gewebes Temperaturen von 100° bis 300° Celsius entstehen lassen, die zu einer explosionsartigen Verdampfung des Gewebes führen und damit den Schneidekrater bilden. Durch gewebespezifische Wärmeleitung sollten sich parallel dazu durch seitliches Eindringen in das Gewebe die Temperaturen innerhalb von Bruchteilen einer Sekunde von 100° auf ca. 40° abkühlen. Unter diesen Temperaturen schrumpft und koaguliert gefäßreiches Gewebe so genannter parenchymatöser Organe wie Leber, Lunge, Milz, Niere und Prostata, die im nachfolgenden näher betrachtet werden sollen. Bezieht man die Histomorphologie dieser Organe mit ein, sollte der von diesen Temperaturen erfasste Gewebeabschnitt und damit gleich bedeutend die Eindringtiefe der Laserstrahlung möglichst 2 mm bis 4 mm betragen, damit die in diesem Abschnitt liegenden Blut-, Lymph-, und Gallengefäße von dem Schrumpfungsprozess erfasst und sicher koaguliert werden. 

Wie bereits ausgeführt wurde, ist die Auswahl einer bestimmten Laserwellenlänge für die in der chirurgischen Anwendung unbedingt erforderlichen Gewebeeffekte von essentieller Bedeutung, da die Interaktion mit dem Zielgewebe ausschließlich wellenlängenabhängig ist
Verantwortlich für die Interaktion eines Gewebes mit einer speziellen Laserwellenlänge sind die einzelnen Gewebekomponenten (Proteine, Hämoglobin, Wassergehalt) und deren prozentualer Volumenanteil. Parenchymatöse Organe wie z.B. Lunge, Leber, Niere und Prostata weisen sehr einheitliche Werte für den Eiweiß- und Hämoglobingegehalt auf, ebenso hoch ist der durchschnittliche Wassergehalt von 80%. Lediglich die Gewebedichte schwankt erheblich, wobei die Lunge durch den Luftgehalt der Alveolen nur 1/5 der Dichte von Lebergewebe besitzt. Da der hohe Wasseranteil dieser Organe die wichtigste Gewebekomponente darstellt, muss eine Laserwellenlänge ausgewählt werden, die ein ausgewogenes Verteilungsverhältnis zwischen Absorption und Streuung in Wasser aufweist

Die Absorption sorgt dabei für die Schneidequalitäten des Lasers und die Streuung für die Eindringtiefe bzw. die oben genannte Temperaturverteilung pro Eindringtiefe. Überwiegt die Absorption sehr stark (CO2-Laser), handelt es sich um einen sogenannten Schneidelaser. Aufgrund der hohen Absorption verdampft die eingebrachte Energie sofort das Gewebe und die Eindringtiefe reduziert sich erheblich. Die Folge ist, dass die Koagulation nahezu verschwindet. Überwiegt stattdessen die Streuung (Nd:Yag Laser 1064 nm), wird die Eindringtiefe zu groß. Somit verteilt sich die eingebrachte Energie auf ein zu großes Volumen mit dem Ergebnis, dass sowohl die Schneideleistung stark abnimmt, aber auch die Koagulation abgeschwächt wird. 

Anhand von tierexperimentellen Untersuchungen konnte ROLLE nachweisen, dass nur die 1318 nm Wellenlänge das gewünschte Verteilungsverhältnis zwischen Absorption und Streuung in Wasser aufweist. Die Absorption liegt deutlich über der des Nd:YAG Lasers mit der 1064 nm Wellenlänge, aber auch über der neuerer Diodenlaser mit Wellenlängen zwischen 800 nm und 980 nm. Desweiteren bleibt sie aber auch weit unterhalb der Absorption des CO2-, Holmium-,Thulium- und 1470 nm Dioden Lasern, die deshalb zwar bessere Schneideleistung zeigen aber für die oben genannten Organe keine ausreichende Koagulation erreichen. 
ROLLE ET AL. konnten bereits bei über 1000 Fällen die klinischen Vorteile der 1318 nm Lasermetastasenresektionen nachweisen. 

Literatur
Boulois, J-L: Photophysical Processes in Recent Medical Laser Developments: a Review. Lasers in Medical Science 1986; Vol 1 48-66. 
Ott V, Bruch H-P:Evaluation der Dissektionseigenschaften eines cw Thulium-YAG Lasersystems für den Einsatz in der laparoskopischen Kolonresektion. Universität Lübeck 2005: Dissertation. 
Rolle A, Pereszlenyi A, Koch R, Bis B, Baier B: Laser resection technique and results of multiple metastasectomies using a new 1318 nm Nd:YAG laser system. Lasers in Surgery and Medicine 2006; 28:26-32 (2006). 
Rolle A, Pereszlenyi A: Laser resection of lung metastasis. Mutlimedia Manual of Cardiothoracic Surgery 2004; doi:10.1510/mmcts.2004.000570. 
Rolle A, Unsöld E, Ruprecht L, Permanetter W, Frank F: Morphologic aspects of Nd:YAG laser application (wavelengths 1064 nm and 1318 nm) on lung tissue. Laser Med Surg 1988;4:10-14.

Vergleich von Gewebeeffekten verschiedener Instrumente



Einschnitt in eine Lunge mit einem Elektro-
skalpell. Starke Blutung, Luftaustritt.
Einschnitt in eine Lunge mit einem 1064 nm 
Nd:YAG Laser. Keine Koagulation, 
Luftaustritt.
Einschnitt in eine Lunge mit dem 
1318 nm Diodenlaser. 
Breite Koagualtion, kein Luftaustritt.
Durch die Spezialwellenlänge entsteht ein 
breiter und sicherer Koagulationssaum. 
Blutungen werden sicher unterbunden 
und ein Luftaustritt verhindert.
Absorption, Streuung und Eindringtiefe medizinischer Lasersysteme in Wasser und Hämoglobin
 
Für eine sichere Anwendung im Rahmen der Parenchymchirurgie (Lunge, Niere, Prostata) muss ein Laser eine Wellenlänge aufweisen, die eine ausgeprägte Koagulationszone bei gleichzeitig guter Schneideleistung ermöglicht. Idealerweise sollte das Laserlicht durch flexible Quarzfasern leitbar sein (rot hinterlegter Bereich), um auch den Laser bei minimalinvasiven Therapieformen verwenden zu können. Daher scheidet der langwellige Infrarotbereich aus (CO2 -, Er:YAG Laser) aus. Auch der sich daran anschließende Bereich mit den Holmium-, Thulium - und 1470 nm Lasern ist für die Parenchymchirurgie nicht optimal, da eine zu hohe Absorption eine zu geringe Eindringtiefe bedingt und damit zu wenig Koagulation (Blutstillung) entsteht. In der Mitte der Grafik optimieren sich die Werte der Absorption und Streuung in einem Wellenlängenbereich zwischen 1310 nm und 1330 nm. Es entsteht eine gut ausgeprägte Koagulationszone, die Blutungen effektiv unterbindet. Dementsprechend liegt auch hier die Zentralwellenlänge unseres patentierten eraser Lasersystems. Links vom Optimum sinkt die Absorption dramatisch ab. Laser in diesem Wellenlängenbereich sind der 1064 nm Nd:YAG Laser und die neuern 940-980 nm Diodenlaser. Das Problem dieser Laser ist die hohe Eindringtiefe ins Gewebe aufgrund der niedrigen Absorption in Wasser. Dementsprechend besteht das Risiko tiefer im Gewebe liegende Strukturen unbeabsichtigt zu schädigen (bspw. Nerven bei einer Prostataoperation). Dieses Risiko ist bei Laser im sichtbaren Bereich (Grünlichtlaser) noch stärker ausgeprägt, da hier die Absorption noch niedriger ist.
Wellenlängenspezifische thermische Effekte von Laserlicht
 
Die Grafik zeigt die Temperaturzonen die beim Beschuss von Gewebe mit Laserlicht aufreten können.
Das Auftreten und die Ausprägung der einzelnen Temperaturzonen variieren je nach verwendeter Wellenlänge. Die Wellenlänge ist daher beim Laser die entscheidende Einflussgröße.
Für eine chirurgische Anwendung muss die Wellenlänge so gewählt werden, dass die für die Blutstillung und das Schneiden nötigen Temperaturbereiche (60-300°C) möglichst ausgeprägt vorhanden sind, während die darüber- bzw. darunter liegenden Temperaturbereiche möglichst nicht vorhanden sein sollten, da sie nur negative Effekte auf die Behandlung haben (< 60°C Zelltod ohne Koagulation = unnötige Nekrosebildung, > 300°C Schwarzfärbung des Gewebes = keine Differenzierung des Gewebes mehr möglich).
 
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