Medizinische Physik 3 - Medizinische Laserphysik

Vorwort

Inhaltsverzeichnis

Mitarbeiter

1 Das visuelle System des Menschen

1.1 Die Optik des Auges

1.1.1 Physiologie des menschlichen Auges

1.1.2 Das optische System des Auges

1.1.3 Modelle des menschlichen Auges

1.2 Grenzen der räumlichen Auflösung des Auges

1.2.1 Auflösungsvermögen ( Visus)

1.2.2 Einfluss der Beugungseffekten

1.2.3 Abbildungsfehler des menschlichen Auges

1.2.4 Rezeptorendichte der Netzhaut

1.3 Optische Qualität des Auges

1.4 Hornhauttopographie

1.4.1 Messmethoden

1.4.2 Darstellung der Hornhauttopographie

1.4.3 Ausblick

1.5 Aberrometrie

1.5.1 Messmethoden

1.5.2 Darstellung der Ergebnisse

1.6 Wellenfrontbasierte Optimierung der optischen Abbildung des menschlichen Auges mittels refraktiver Laserchirurgie

1.6.1 Einführung

1.6.2 Die wellenfrontgesteuerte LASIK

1.6.3 Erste klinische Ergebnisse

1.6.4 Ausblick

Literatur

2 Optische Komponenten

2.1 Eigenschaften von optischen Substraten

2.2 Brechende Medien

2.2.1 Linsen

2.2.2 Prismen

2.2.3 Lichtfasern

2.3 Beschichtungen, Spiegel und Filter

2.3.1 Metallische Beschichtungen

2.3.2 Dielektrische Beschichtungen

2.4 Polarisationsemp.ndliche Optiken

2.4.1 Polarisatoren

2.4.2 Verzögerungsplatten

2.4.3 Pockel-Zellen

2.4.4 Faraday-Rotatoren

2.5 Lichtmodulatoren

2.6 Optische Detektoren

2.6.1 Photodioden

2.6.2 Charge-Coupled Devices (CCD)

2.6.3 Photomultiplier

2.6.4 Streak-Kameras

Literatur

3 Beugungsoptik

3.1 Einführung und einfache Beispiele

3.1.1 Was ist Beugung?

3.1.2 Beispiele für Beugung

3.1.3 Das Huygens-Fresnel-Prinzip

3.1.4 Die Beugung am Doppelspalt

3.1.5 Die Beugung am Einzelspalt

3.1.6 Die Beugung am Gitter

3.1.7 Der Einfluss der endlichen Spaltbreite

3.2 Die Theorie der Beugung

3.2.1 Das Beugungsintegral

3.2.2 Das Babinet-Prinzip

3.3 Die Fraunhofer-Beugung

3.3.1 Die Berechnung einer rechteckigen Blende

3.3.2 Die Beugung an einer kreisförmigen Blende

3.3.3 Das Auflösungsvermögen eines optischen Instruments

3.4 Fresnel-Beugung

3.4.1 Die Cornu-Spirale

Literatur

4 Kohärente Optik

4.1 Der Kohärenzbegriff

4.1.1 Interferenzf ¨ ahigkeit des Lichts

4.1.2 Zeitliche Koh ¨ arenz

r

4.1.3 R ¨ aumliche Koh¨ arenz

4.2 Ausbreitung von Laserlicht: der Gauß-Strahl

4.3 Resonante Wechselwirkung von Laserlicht und Materie

4.3.1 Elektromagnetische Welle im polarisierbaren Medium

4.3.2 Klassisches Oszillatormodell: Absorption und Dispersion

4.3.3 Verbindung zur Quantenmechanik und Lasertheorie

Literatur

5 Nichtlineare Optik und kurze Laserpulse

5.1 Ausbreitung elektromagnetischer Wellen

5.2 Lineare Wellenausbreitung

5.2.1 Dispersion

5.2.2 Dämpfung und Verstärkung

5.3 Nichtlineare Wellenausbreitung

5.3.1 Die nichtlineare Suszeptibilität

5.3.2 Wichtige nichtlineare Prozesse

5.4 Erzeugung von kurzen Laserpulsen

5.5 Güteschaltung

5.5.1 Aktive Güteschaltung

5.5.2 Passive Güteschaltung

5.6 Modenkopplung

5.6.1 Aktive Modenkopplung

5.6.2 Passive Modenkopplung

5.7 Lasersysteme

5.7.1 Kompakter diodengepumpter modengekoppelter Laser

5.7.2 Regenerativer Verstärker

Literatur

6 Lineare Laserspektroskopiemethoden

6.1 Lineare Laserspektroskopiemethoden

6.1.1 Laserinduzierte Fluoreszenz (LIF)

6.1.2 Zweiniveaumodell der LIF

6.2 Absorptionsspektroskopie

6.2.1 Absorption und Dispersion

6.2.2 Absorptionsspektroskopie mit Lasern

Literatur

7 Nichtlineare Laserspektroskopiemethoden

7.1 Die nichtlineare Wechselwirkung von quantenmechanischen Systemen mit Licht

7.1.1 Nichtlineare Raman-Prozesse

7.2 Nichtlineare Absorptionsspektroskopie

7.2.1 DFWM

7.2.2 Lasermassenspektroskopie

Literatur

8 Konfokale Mikroskopie in der Genomforschung

8.1 Problemstellung

8.2 Methodische Grundlagen der dreidimensionalen Mikroskopie

8.2.1 Grundprinzip

8.2.2 Konfokale Fluoreszenzmikroskopie

8.2.3 Fluoreszenzmarkierungstechniken

8.2.4 Dreidimensionale Digitale Bildverarbeitung

8.2.5 Experimentelle Kalibrierungsmessungen

8.2.6 Modelle zur Architektur von Zellkern und Chromosomen

8.3 Ergebnisse

8.3.1 Ausdehnung individueller Chromosomenterritorien

8.3.2 Exklusivität der Chromosomenterritorien

8.3.3 Morphologie von Chromosomenterritorien

8.3.4 Topologie der Chromosomenterritorien

8.3.5 Dynamik der Kernarchitektur

8.4 Perspektiven

8.4.1 Bedeutung einer dreidimensionalen Kernarchitektur

8.4.2 Weiterentwicklung der konfokalen Mikroskopie

8.4.3 Verbesserung von Markierungsmethoden

8.4.4 Weiterentwicklung von Computermodellen

Danksagung

Literatur

9 Hochauflösende 3D- Lichtmikroskopie

9.1 Grundlegendes zur Auflösung

9.2 Die Punktabbildungsfunktion als dreidimensionale Sonde

9.2.1 Das konfokale Fluoreszenzrastermikroskop

9.2.2 Das Multiphotonen.uoreszenzrastermikroskop

9.2.3 Anregung durch Ein- und Multiphotonenabsorption

9.2.4 Limitierende E.ekte in der Multiphotonenmikroskopie

9.2.5 Die Detektionse.zienz eines Rastermikroskops

9.2.6 Anwendungsbeispiele der Multiphotonenmikroskopie

9.2.7 Auflösung der Ein- und Multiphotonenmikroskopie

9.2.8 Konfokale Multiphotonenmikroskopie

9.3 Point-Spread-Function-Engineering als Ansatz zur Auflösungserhöhung im Fernfeldmikroskop

9.3.1 Grundlagen der 4p-konfokalen Mikroskopie

9.3.2 Multiphotonen-4p-konfokale Mikroskopie

9.3.3 Hochstauflösung in lateraler Richtung: Neuere Konzepte

9.4 Zusammenfassung und Ausblick

Literatur

10 Flusszytometrie

10.1 Historie

10.2 Allgemeiner Aufbau und Prinzip eines Flusszytometers

10.3 Technische Aspekte

10.3.1 Lichtquellen

10.3.2 Anregungsoptik

10.3.3 Detektionsoptik

10.3.4 Hydrodynamik von Jet- in- Air - Tröpfchensortern

10.4 Fluoreszenzmarkierung

10.5 Slit-Scan-Analyse und Sortierung

Literatur

11 Optische Datenerfassung und - verarbeitung

11.1 Optische Datenspeicherung und -wiedergabe bei CD

11.1.1 Konfokale Mikroskopie

11.1.2 Bildübertragung

11.1.3 Konfokale Fluoreszenzmikroskopie

11.1.4 Beobachtung

Literatur

12 Holographie und holographische Interferometrie

12.1 Aufzeichnung, Speicherung und Rekonstruktion des Hologramms

12.1.1 Aufzeichnung des Hologramms

12.1.2 Rekonstruktion des Hologramms

12.1.3 Holographische Interferometrie

Literatur

13 Optische Interferometrie

13.1 Grundbegri.e der Interferometrie

13.1.1 Linienbreite der Lichtquelle und Kohärenzlänge

13.1.2 Räumliche Kohärenz

13.1.3 Zweistrahlinterferenz

13.1.4 Zweistrahlinterferenzanordnungen

13.2 Einige Interferenzanordnungen in der Messtechnik

13.2.1 Fizeau-Interferenzgerät

13.2.2 Michelson-Anordnung

13.2.3 Twyman-Green-Interferometer

13.2.4 Interferometrie in der Längenmessung

13.2.5 Mach-Zehnder-Interferometer

13.2.6 Wellenfrontscherungsinterferometer

13.3 Digitale interferometrische Messtechnik

13.3.1 Phasenschiebeverfahren

13.3.2 Anwendung der Interferenzmethoden in der Mikroskopie

13.4 Heterodynverfahren

13.5 Interferometrische Längenmessung

13.5.1 Interferometrische Messung geometrischer Größen und Fehlerquellen

13.5.2 Fehlerquellen

13.6 Weitere Verfahren der interferometrischen Messtechnik

13.6.1 Zweiwellenlängen- (2l)- Verfahren

13.6.2 Interferometer mit computergeneriertem Prüfhologramm

13.6.3 Weißlichtinterferometrie

Literatur

14 Lasersysteme

14.1 Gaslaser

14.1.1 Helium-Neon-(HeNe-)Laser

14.1.2 Argon-Ionen-( Ar+-)Laser

14.1.3 Kohlendioxid-( CO2-) Laser

14.1.4 Excimerlaser

14.1.5 Konstruktion

14.1.6 Farbstoffaser

14.1.7 Laseraufbau

14.2 Festkörperlaser

14.2.1 Rubinlaser

14.2.2 Neodym-YAG-Laser (inkl. Erbium-, Holmiumlaser)

14.2.3 Halbleiterlaser

14.3 Diodengepumpte Festkörperlaser

14.4 Ultrakurzpulslaser

14.4.1 Pikosekundenlaser im IR, sichtbaren

14.4.2 Ti:Saphir-Femtosekundenlaser

14.5 Freie-Elektronen-Laser

14.5.1 Physikalisches Prinzip der Freie-Elektronen-Laser

14.5.2 Die Freie-Elektronen-Laser FELIX und S-DALINAC

14.5.3 Medizinische Forschung mit FEL

Literatur

15 Laser-Gewebe-Wechselwirkungen

15.1 Überblick über die Arten der Laser- Gewebe- Wechselwirkungen

15.1.1 Klassiffzierung nach Wechselwirkungszeiten

15.1.2 Beispiele für die klinische Lasertherapien

15.2 Photochemische Wechselwirkung

15.2.1 Grundlagen der photochemischen Wechselwirkung

15.2.2 Prinzip der photodynamischen Therapie

15.3 Photothermische Wechselwirkung

15.3.1 Grundlagen der photothermischen Wechselwirkung

15.3.2 Modell der photothermischen Wechselwirkung

15.4 Photoablative Wechselwirkung

15.4.1 Grundlagen der photoablativen Wechselwirkung

15.4.2 Modell der photoablativen Wechselwirkung

15.5 Photodisruptive/plasmainduzierte Wechselwirkung

15.5.1 Grundlagen der photodisruptiven/plasmainduzierten

15.5.2 Theoretisches Modell der plasmainduzierten Ablation

15.5.3 Dynamik des Ablationsprozesse

Literatur

16 Laser in der Augenheilkunde

16.1 Diagnostische Laseranwendungen

16.1.1 Laserscanningtomographie zur Glaukomdiagnostik

16.1.2 Aktiv-optische Verbesserung der Tiefenau. ¨ osung

16.1.3 Fourier-ellipsometrische Vermessung

16.2 Therapeutische Laseranwendungen

16.2.1 Die Netzhaut

16.2.2 Die Linse

16.2.3 Die Iris

16.2.4 Das Trabekelwerk

16.2.5 Die Sklera

16.2.6 Die Hornhaut

16.3 Ausblick

Literatur

17 Laseranwendung in der Ortopädie

17.1 Einführung

17.2 Minimal-invasive Behandlung von Deformierungen der Wirbelsäule durch Laserablation

17.2.1 Physikalische Eigenschaften von Knochengewebe

17.2.2 Minimal-invasive Skoliosebehandlung

17.3 LITT von Knochentumoren unter MRT- Temperaturkontrolle

17.3.1 Experimenteller Aufbau

17.3.2 Histologische Untersuchungen

17.3.3 Knochenkoagulation mit dem Nd:YAG-Laser

17.3.4 Knochenkoagulation mit dem Diodenlaser

17.3.5 Online-MRI-Temperaturkontrolle

Zusammenfassung

Literatur

18 Stereotaktische Laserneurochirurgie

18.1 Stereotaktische Bestrahlungstechniken

18.1.1 Stereotaxie

18.2 Laserneurochirurgie

18.2.1 Laserlichtquellen

18.2.2 Laserablation von Hirngewebe

18.2.3 Stereotaktische Lasersonde

18.2.4 Eine zukünftige Strategie

18.3 Diagnosesysteme

18.3.1 Fluoreszenzmikroskopie

18.3.2 Autofluoreszenz

18.3.3 OCSA

18.3.4 Adaptive Optik

Literatur

19 Anwendungen der Lasertechnik in der Zahnarztpraxis

19.1 Softlaser und Hardlaser

19.1.1 Softlaser

19.1.2 Hardlaser

19.2 Anwendungsobjekt Zahn

19.3 Wechselwirkungen mit Zahnhartsubstanzen

19.3.1 Photothermische-, thermomechanische Wirkung

19.3.2 Photochemische Wirkung

19.3.3 Photoablative Wirkung

19.3.4 Photodisruptive Wirkung

19.4 In Erprobung be.ndliche Lasersysteme für die Bearbeitung von Zahnhartsubstanzen

19.5 Laseranwendungen in verschiedenen Bereichen der Zahnheilkunde

19.5.1 Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie

19.5.2 Parodontologie

19.5.3 Zahnüberempfindlichkeiten

19.5.4 Endodontologie

19.5.5 Füllungen

19.5.6 Kariesprophylaxe

19.5.7 "Laserbiostimulation" und Lokalanästhesie

19.5.8 Laserschweißen

19.5.9 Diagnostik

19.6 Ausblick

Literatur

20 Lasersicherheit Gerätetechnik: Medizinproduktegesetz und Technische Normen

20.1 Einleitung

20.2 Medizinproduktegesetz

20.2.1 Zertifizierung – Akkreditierung – Prüfung (Benannte Stellen)

20.2.2 Grundlegende Anforderungen

20.2.3 Risikoklassen

20.2.4 Konformitätsbewertungsverfahren

20.2.5 Betreiberverordnung über aktive Medizinproduke

20.2.6 Für die klinische Prüfung bestimmte Produkte

20.3 Technische Normen für medizinische Laser

20.3.1 Bezeichungen

20.3.2 Die zehn Grundgedanken der Normung

20.3.3 Die Norm DINEN60825-1

20.3.4 Die Vornorm DINV18734

Literatur

Sachverzeichnis