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Martin Schroer Hornhautkorrektur mit Lasern Seminar „Medizinphysik“ WS 06/07 Prof. Suter Martin Schroer Seminar „Medizinphysik“ WS 06/07 Prof. Suter Gliederung • • • • 1. Die Hornhaut (Cornea) 2. Abbildungsfehler des menschlichen Auges 3. Hornhauttopographie 4. Laser-Gewebe-Wechselwirkung in der Hornhautchirurgie • 5. Refraktive Hornhautchirurgie • 6. Weitere Anwendungen von Lasern in der Ophthalmologie 1. Die Hornhaut (Cornea) Länge: 25 mm [Schäffler] 1. Die Hornhaut (Cornea) - Durchmesser: ca. 11,5 mm - Dicke: 0,50 mm (Zentrum) 0,65 mm (Peripherie) - Brechkraft: 43 dpt (Auge total) (59 dpt) - Gesamtbrechungsindex 1,3375 - einzige transparente Fläche im Körper - wie ein Uhrglas in die Scelera eingelassen 1. Die Hornhaut (Cornea) • • • • • Epithel (40 µm) Bowman-Membran (8 – 14 µm) Hornhautstroma (450 µm) Descemet-Membran (5 – 10 µm) Endothel (4 µm) [Leydhecker] Schichten der Cornea (1) - Plattenepithel: mehrschichtig, kann sich selbst regenerieren (einige Stunden), Schutz vor bakteriellem Eindringen, Transport von Nährstoffen aus dem Tränenfilm - Bowman-Schicht: dichtgepackte Schicht von Kollagenfasern, azellulär und nicht regenerativ, Stabilisierung der Hornhaut Schichten der Cornea (2) - Stroma: Hauptbestandteil der Hornhaut, Brechungsindex n = 1,376 ca. 50 Schichten von Kollagenfasern, Schichten sind periodisch angeordnet, konstanter Wassergehalt (70%), Stabilisierung der Hornhaut + Transparenz Schichten der Cornea (3) - Descemet-Membran: ähnliche Struktur wie Bowman-Membran, hohe Widerstandfähigkeit, kann von Endothelzellen regeneriert werden, Stabilisierung der Hornhaut - Endothel: zweizellige Schicht, nicht regenerationsfähig, Entquellung des Stromas Transparenz der Hornhaut Transparenz ergibt sich aus: - Tränenfilm: glättet die raue Epithelschicht - Fehlen von Blutgefäßen in der Hornhaut - periodische, gitterartige Anordnung der Kollagenfasern im Stroma - konstanter Wassergehalt des Stromas durch Entquellung ( mittels Endothelschicht) 2. Abbildungsfehler des menschlichen Auges Das Auge ist kein perfektes optisches System ⇒ Es gibt Abbildungsfehler / Aberrationen ⇒ Sehqualität wird verringert Aberration := Abweichungen von der idealen Wellenfront Abbildungsfehler des menschlichen Auges Die wichtigsten Aberrationen des Auges sind: - Defokus - Astigmatismus Diese sind Aberrationen niedriger Ordnung Ziel der refraktiven Hornhautchirurgie ist es, diese Aberrationen zu entfernen Defokus (1) - Myopie / Kurzsichtigkeit - Hyperopie / Weitsichtigkeit - Emmetropie / Normalsichtigkeit [Deetjen] Defokus (2) Myopie: - Augapfel im Vergleich zur Brennweite zu lang - Brennpunkt liegt vor der Netzhaut Korrektur: Brille mit negativer Brechkraft / Zersteuung Hyperopie: - Augapfel zu klein - Brennpunkt liegt hinter der Retina Korrektur: Brille mit positiver Brechkraft Astigmatismus [Demtröder] Astigmatismus / Stabsichtigkeit - Hornhaut nicht radiärsymmetrisch - es liegt eine Fehlkrümmung „Astigmatismus mit der Regel“ : vertikale Achse der Hornhaut stärker gekrümmt als die horizontale ⇒ vertikaler Brennpunkt vor dem horizontalen ⇒ Punkt wird zu einem Strich oder einer elliptischer Scheibe Astigmatismus regulärer: beiden Meridiane maximaler und minimaler Brechkraft nahezu senkrecht aufeinander (± 10°) Schiefer: Meridiane schräg aufeinander Irregulärer: Meridiane nicht erkennbar Korrektur: zylindrische Linsen für regulären und schiefen Fall Kontaktlinse für irregulären Fall 3. Hornhauttopographie Bevor die Operation durchgeführt werden kann, muss die genaue Form der Hornhaut bekannt sein. Es gibt dafür zwei Arten von Verfahren: - Hornhauttopographie: (ältere Methode) Bestimmung der Form der Cornea Bsp: Moirè-Interferometrie, Rasterphotogrammetrie - Aberrometrie: (aktuelles Verfahren bei der LASIK) ortsaufgelöste Messung aller Aberrationen des menschlichen Auges Bsp: Wellefrontanalyse mit dem HS-Sensor Moirè-Interferometrie (1) Prinzip: - zwei Sätze von parallelen Linien werden aus verschiedenen Winkeln auf die Hornhaut projiziert. ⇒ die gekrümmten Gitterprojektionen interferieren ⇒ ein ringförmiges Muster entsteht - Muster wird mit einer Kamera aufgenommen Wegen der Transparenz der Hornhaut wird vorher Fluoreszin verabreicht. Dieses fluoresziert bei blauer Bestrahlung grün – gelb. Anhand der Breite der Interferenzringe, die sich mit zunehmende Krümmung ändert, lässt sich dann das Höhenprofil bestimmen. Moirè-Interferometrie (2) Auslösungsgenauigkeit: ± 0,005 mm (in der Peripherie) Vorteile: - keine mathematischen Annahmen oder Modellrechnungen für Rekonstruktion notwendig Nachteile: - zentraler optischer Bereich wird nicht genau erfasst Rasterphotogrammetrie Prinzip: - ein Muster paralleler, vertikaler Linien wird auf die Hornhaut projiziert und mit einer Referenzabbildung verglichen - anhand der Verzerrung lässt sich die Form der Hornhaut mathematisch errechnen Vorteil: - die gesamte Hornhaut wird erfasst Nachteil: - rechenaufwändig Typisches Bild [Warnicke] Wellenfrontanalyse (1) Prinzip : - Licht eines He-Ne-Lasers (632,8 nm; 1,5 mW) fällt als ebene Wellenfront auf das Auge - diese wird durch ein Objektiv auf der Retina fokussiert - dieser beleuchtete Punkt dient als eigentliche Lichtquelle Ohne Aberrationen: - „ebene Welle kommt aus dem Auge “ Mit Aberrationen: - es ergibt sich keine ebene Wellenfront Die Messung dieser Abweichungen geschieht mit dem Hartmann-ShackWellenfrontsensor (HSS). Daraus lässt sich dann die Wellenfront errechnen. Wellenfrontanalyse (2) Zerlegung der Wellenfront mit Aberration Beachte: Unterschiedliche Steigung in (B) [Liang] Wellenfrontanalyse (3) Aufbau des HSS: - Linsenarray (15 x 15; Brennweite f = 170 mm) - CCD-Chip ( charge-coupled devices) Das Linsenarray zerlegt die einfallende Wellenfront in Teile und fokussiert diese auf den CCD-Chip. Aus der Abweichung zwischen einfallender Wellenfront und ebener Referenzwelle ergibt sich die Steigung der Aberrationsfunktion W(X,Y) gemäß: ∂W ( X , Y ) Δ α = f ∂α mit α = X , Y Wellenfrontanalyse (4) Aberrationen lassen sich allgemein darstellen als eine Reihe von orthogonalen Zernike-Polynomen Z(X,Y): W ( X ,Y ) = ∑ C iZ i ( X ,Y ) i Die Zernike-Polynome n-ter Ordnung geben die zugehörigen Aberrationen an, die Zernike-Koeffizienten C die Stärke dieser Beiträge. Die Wellenfront ergibt sich dann durch Bestimmung der Koeffizienten gemäß: ∂W ( X , Y ) ∂Z ( X , Y ) = ∑ Ci ∂α ∂α i mit i = X , Y Zernike – Polynome (1) [Bille] Darstellung der Zernike-Polynome: [Williams] 2d und 3d Zernike – Polynome (2) [Liang] Tabelle der Zernike – Polynome niedrigster Ordnung Darstellung der Ergebnisse Rechnung liefert Wellenfrontkarte, Dient Arzt zur Erstellung des Abtragungsprofils Links: regulärer Astigmatismus Rechts: Irreguläre Form bei Keratokonus (Auswölbung nach vorne) [Lang] 4. Laser-Gewebe-Wechselwirkung in der Hornhautchirurgie Die wichtigste Arten der Wechselwirkung für die Hornhautchirurgie sind: - Photoablation mit Excimer-Lasern - Plasmainduzierte Wechselwirkung mit ultrakurzen Pulsen Photoablation (1) - bei Verwendung von Excimer-Laserpulsen (ns-Pulsdauer, UVEmission) - Absorption energiereicher Photonen im Hornhautgewebe führt zur Brechung von Bindungen ( 5 – 7 eV) - Fokussierung des Strahls liefert hohe Energiedichte - Energiereiche Fragmente werden aus dem Fokus herausgeschleudert ⇒ Gewebeabtrag [Kermani] Photoablation (2) Ablationstiefe hat Schwellenverhalten: Schwellenwert für Aufspaltung von Molekülen Sättigungswert durch Plasmabildung (Aufheizung) an Kaninchen-Cornea mit ArF-Laser [Bille] Plasmainduzierte Wechselwirkung (1) - Licht höherer Wellenlänge hat geringere Photonenenergie - Kein direktes Aufbrechen von Bindungen möglich - Wird nicht in der Hornhaut absorbiert Lösung: Fokussierung des Laserstrahls im Gewebe Fokusdurchmesser in der Größenordnung der Wellenlänge ⇒ Hohe elektrische Feldstärke ⇒ Multiphotonkopplung ⇒ Plasmabildung ⇒ Optischer Durchbruch (LIOB) Plasmainduzierte Wechselwirkung (2) LIOB (Laser induced optical breakdown) : - Plasma heizt sich durch Strahlung weiter auf (hohe Absorption) - Plasmaausdehnung mit Überschall ⇒ Gewebeabtrag Sekundäreffekte: - Entstehung von Schockwellen } - Bildung von Kavitationsblasen - Jet-Bildung Führen zu unerwünschter, zusätzlicher Gewebeschädigung (Photodisruption) Abhilfe: Verwendung kurzer Pulse Plasmainduzierte Wechselwirkung (3) Der Zerstörungsbereich der Sekundärprozesse skaliert sich mit d ∝ E 1/ 3 Für die Schwellenenergie für den LIOB gilt für die Pulslänge τ E ∝ τ 1/ 2 für Pulse bis in den Femtosekundenbereich. [Bille] Plasmainduzierte Wechselwirkung (4) Es folgt: - Verwendung kurzer Pulse mit geringer Energie verringert die Schäden durch Sekundärprozesse - Der Gewebeabtrag ist dabei additiv. Chirurgie: - kurze Pulse - geringe Energie - hohe Repetitionszeiten 5. Refraktive Hornhautchirurgie Hornhaut: größter Beitrag zum Brechungsindex ⇒ Änderung der Form ⇒ Verbessertes Sehleistung ⇒ Korrektur von Myopie, Hyperopie und Astigmatismus Wichtigste Verfahren mit Lasern: - PRK - LASIK PRK: Einführung Photorefraktive Keratektomie Prinzip: Entfernung von Stromagewebe mittels eines ArF-Lasers Dabei: Verlust eines Großteils der Bowman-Membran ArF-Excimer-Laser: Emission von UV-Strahlung (193 nm; 6,4 eV; 14 ns) Hohe Absorption im Gewebe ⇒ Gewebeabtrag Ablationstiefe: 1 µm pro Puls bei 1 J/cm 2 Excimer-Laser (1) Excimere: Moleküle, die nur angeregt existieren Bsp: Edelgashalogenide ArF, KrF, XeCl ⇒ Bildung = Besetzungsinversion ⇒ Laserfähiges System Entstehung: Hochspannungsentladung ⇒ R + + X − + M → RX * + M R + X 2 → RX + X * * R: Edelgas X: Halogen M: Puffergas Excimer-Laser (2) Eigenschaften: - gepulst: 10 – 30 ns - Wellenlänge im UV - hohe Absorption im Gewebe - unhandlich zu fokussieren ⇒ Kann nicht im Gewebe fokussiert werden es muss von außen abgetragen werden PRK: Durchführung (1) Ziel: Modellierung des Stromas durch Ablation Dafür: - Mechanisches Entfernen des Epithels: regenerativ - Ablation der Bowman-Membran: nicht-regenerativ, „Fehlt nach Eingriff“ Danach: eigentlicher Stromaabtrag hier: großflächiger Gewebeabtrag je nach Problem, Einsatz geeigneter Blenden für das erwünschte Profil PRK: Durchführung (2) Allgemeine Regel für die Cornea-Korrektur: 1) Myopie: Krümmung zu stark => Ablation im Zentrum der Hornhaut => Hornhaut wird flacher 2) Hyperopie: Krümmung zu schwach => Ablation in der Peripherie => Hornhaut wird steiler 3) Astigmatimus: versch. Krümmungsradien => Ablation so, dass sich vertik. und horizon. Krümmungsradius ändern PRK: Durchführung (3) Faustformel ( Stroma): „Ablation von 4 – 6 µm ändert 1 Dioptrie“ Typische Werte: - Ablationstiefe: 0,3 – 0,5 µm pro Puls - Energiedichte: 200 – 400 mJ/cm 2 - Repetitionsrate: 10 – 20 Hz - Pulslänge (ArF): 14 ns Bsp: Zur Ablation der Bowman-Membran (8 – 14 µm) werden 10 – 20 Pulse benötigt. PRK: Resultate und Heilung Hauptanwendung: Myopiekorretur bis zu – 6 dpt Ergebnisse (1 Jahr nach Behandlung): In 85 – 95 % der Fälle wird der angestrebte Wert ~ 1 dpt erhalten. Heilung: - Entstehung einer Pseudomembran (Proteinkondensat) - dient dem nachwachsenden Epithel als Leitschiene - Pseudomembran verschwindet nach einigen Tagen PRK: Nachwirkungen und Nachteile - Bowman-Membran zerstört - Regeneration des Epithels langsamer als auf intakter Bowman-Membran - Hornhauttrübung (Corneal Haze) bis zu einigen Jahren - Zytotoxische und mutagene Nebenwirkung durch UV - Entfernung von Epithel und Bowman-M. schmerzhaft - Mögliche Narbenbildung => Behandlung mit Kortison => Erhöhung des Augeninnendrucks Von PRK zur LASIK Nachteile der PRK ⇒Versuche Bowman-Schicht zu erhalten ⇒ LASIK: Laser – in – situ – Keratomileusis Prinzip der LASIK: - mit einem Mikrokeratom (Diamantklinge) wird eine Hornhaut- Lamelle (Flap) unvollständig abgeschnitten - offenliegendes Stroma mit ArF-Laser modelliert - Flap zurückklappen, Anheftung durch Adhäsion - Flap wächst nach einigen Tagen fest an LASIK Hauptanwendung: - Korrektur von Myopien höheren Grades: - 6 bis – 12 dpt - Das Standard-Verfahren heute Man unterscheidet zwischen: - Konventioneller LASIK (bei geringem Grad) - Wellengesteuerter LASIK (bei höherem Grad) Klinische Daten zeigen, dass wellengesteuerte LASIK bessere Sehleistungen liefert. LASIK: Vor – und Nachteile Vorteile: - Erhaltung der Bowman-Membran - Stark reduzierte Narbenbildung - Auch bei hohen Myopien gute Ergebnisse Nachteile: - Verwendung des Mikrokeratoms, ungenaue Schnitte - Verwendung des ArF-Excimer-Lasers => Schneide Flap mit Laser Verwendung ultrakurzer Laserpulse Idee: Verwende gepulste VIS- oder IR-Laser, um intrastromalen Abtrag zu erhalten (LIOB) - Schneide damit Flap => kein mech. Messer => - direktes Modellieren im Stroma => kein ExcimerLaser Bei fs-Pulsen: - Energien von wenigen nJ - Fokusdurchmesser von ca. 5 µm Erzeugung ultrakurzer Pulse - Erzeugung durch Modenkopplung - Dafür: Laser mit breitem Verstärkungsprofil, so dass viele longit. Moden simultan schwingen - Bei gleicher Amplitude und fester Phase: Überlagerung ⇒ Es entstehen kurze Pulse Aktiv: elektrische Schaltung Passiv: Nicht-lineare Effekte in Festkörpern Modenkopplung [Bergmann-Schaefer] Flapcutting mit fs-Puls-Lasern (1) großes Problem der LASIK: Flapcutting mit Mikrokeratom - in 5 % der Eingriffe: intra- und postoperative Probleme - Intraoperativ: - unvollständige Schnitte - unterschiedliche Form - vollständiges Lösen von der Cornea - Postoperativ: - Einwachsen des Epithels ins Stroma ⇒ Verwende statt Skalpell fs-Laser: - höhere Genauigkeit: 12 µm auf 120 µm Flapcutting mit fs-Puls-Lasern (2) Laser, der fs-Pulse erzeugt, ist Ti:Saphir-Laser. - Pulslänge: 75 fs - Abstimmbereich: mehr als 750 – 850 nm - Repetitionsrate: 80 MHz - Pulsenergien: 1 – 3 nJ [Juhasz et al.] Flapcutting mit fs-Pulslasern (3) [Juhasz] Flapcutting mit fs-Puls-Lasern (4) Durchführung des Flapcuttings: - Auge wird durch Ansaugring fixiert - Lasersystem wird angeheftet => genaue Brennebene - Stroma wird spiralförmig verdampft (abnehmende Tiefe) Ist Oberfläche erreicht: - Entfernung von Laser und Ansaugring - Umklappen des Flaps - Einsatz des Excimer-Lasers Flapcutting mit fs-Puls-Lasern (5) - Mit diesem Verfahren lassen Lamellen einheitlicher Dicke erzeugen - Es treten keine der genannten Komplikationen auf - Angestrebte Sehleistung wird vollständig erreicht Intrastromale Ablation (1) Prinzip: - Durch Ablation im Stroma Hohlräume schaffen - Zusammenbruch nach gewisser Zeit => Änderung der Form Vorteil: - Äußere Schichten bleiben unangetastet => Wundheilung + Narbenbildung minimal Wird mit ps- wie auch mit fs-Lasern durchgeführt. Intrastromale Ablation (2) Durchführung: - Laserfokus in 120 µm im Stroma - Abtragung von Fläche bestimmter Größe - Variation der Tiefe => Hohlraum entsteht Heilung: - Zusammenbruch der Hohlräume nach ca. 1 Std. - nach 4 – 7 Tagen: keine Hohlräume mehr vorhanden - nach 90 Tagen: keine Veränderung des Gewebes erkennbar - Während der Heilung: Transparenz bleibt erhalten Intrastromale Ablation (3) [Juhasz et al.] [Niemsz] Schema: Durchführung Hohlraum im Stroma nach 1 Puls Durchmesser: 40 µm, Tiefe: 20 µm Pulsenergie: 100 µJ Laser: Nd:YLF , 1053 nm 6. Weitere Anwendungen von Lasern in der Ophthalmologie - Laser nicht nur bei der refraktiven Chirurgie [Bille] Netzhautablösung Erkrankung: - Löcher in der Netzhaut - sich ablösende Netzhaut Therapie: Verwendung des Ar-Ionen-Lasers zur Koagulation des Gewebes - Wellenlänge: 514,5 nm (grüne Linie) - Einwirkdauer: 0,1 – 1 s - mittl. Leistung: 0,1 – 1 W Nachstarbehandlung (1) Erkrankung: Bei grauem Star (Katarakt): Trübung der Linse ⇒ Entfernung dieser + neue Kunstlinse ⇒ häufig: Bildung einer Nachstarmembran Therapie: Photodisruption mit Nd:YAG-Laser - Pulslänge: 30 ns - Pulsenergie: 5 mJ - Fokusgröße: 50 µm Nachstarbehandlung (2) Disruption am hinteren Teil der Linse [Bille] Ursache: Glaukom Kammerwasserfluss: Von Ziliarmuskel nach Kammerwinkel [Schäffler] Iridotomie Erkrankung: Bei akutem Glaukom (grüner Star): Augeninnendruck stark erhöht (60 gegen 12 – 22 mmHg) Therapie: Mit Nd:YAG-Laser wird Loch in die Iris gebohrt. => Besserer Abfluss - normalerweise 20 Pulse - Energie: 1 – 3 mJ Trabekuloplastik Erkrankung: Primärchronischer Glaukom: Verstopfung des Trabekelwerks (= Abfluss für Kammerwasser) Therapie: Vernarbung des Trabekelwerks mit dem Ar-Ionen-Laser ⇒ Kontraktion des Gewebes, Öffnung des Verstopfung - normalerweise 100 Einschüsse - Fokusgröße: 50 µm - Expositionszeit: 0,1 s Abbildungsquellen (1) - [Schäffler]: Schäffler, Menche; Mensch, Körper, Krankheit; Urban & Fischer [Leydhecker]: Leydhecker, Grehn; Augenheilkunde; Springer-Verlag [Deetjen]: Deetjen, Speckmann; Physiologie; Urban & Fischer [Demtröder]: Demtröder; Experimentalphysik 2; Springer Lehrbuch [Warnicke]: Warnicke et al.; Applied Physics 27; pp. 1135 – 1140;1988 [Liang]: Liang et al.; J. Opt. Soc. Am. A 11; pp. 1949 – 1957; 1994 [Williams]: Liang, Williams; J. Opt. Soc. Am. A; pp. 2873 – 2883; 1997 [Lang]: Lang; Augenheilkunde: Verstehen – Lernen – Anwenden; Georg Thieme Verlag [Kermani]: Kermani, lubatschowski; Z. prak. Augenheil. 11; S. 208 – 222; 1990 [Bergmann – Schaefer]: Bergmann – Schaefer; Lehrb. d. Exp., Bd. 3 Optik; de Gruyter [Juhasz]: Juhasz et al.; Commercial and biomedical Applications of ultrafast and Free-Electron-lasers; pp. 1 – 10; 2002 [Niemsz]: Niemsz et al.; Lasers and light in ophthalmology 5; pp. 149 – 155; 1993 Abbildungsquellen (2) - [Juhasz et al.]: Juhasz et al.; IEEE J. Selec. Top. Quantum Elec. 5; pp. 902 – 910; 1999 Die Liste der verwendeten Literatur ist der Ausarbeitung zu entnehmen.