Lasermedizin
miw lasermed
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Erläutern Sie die Bedingung für „thermischen Einschluss“ der deponierten Laserenergie. Geben Sie die Beziehung zwischen der Dauer der Lichteinstrahlung (Laserpulsdauer) t und der linearen Ausdehnung der Absorptionsstruktur bzw. der Ausdehnung der Wärmeausbreitung d an
Wärme hat eine "Diffusionzeit" im Gewebe, die von der Beschaffenheit und der Struktur abhängt. man kann Schäden im Gewebe vermeiden wenn man Pulsdauern kleiner als diese Zeit wählt.
Benennen Sie einige Anwendungen der Gewebeabtragung („Ablation“) mit Pulslasern und die dabei erforderliche Präzision
-corneal refractive surgery ( im micrometerbereich)
-Skin„resurfacing“( im micrometerbereich)
-Laser dissection of liver or kidneywith hemostasis (stopping of bleeding) (im millimeterbereich)
Welche Art von Phasenübergängen unterscheidet man im Hinblick auf Ablationsprozesse?
Verdampfung and Oberflächen, Kochen(Blasenbildung, Phasenexplosion bei Erreichen von Spinodal limit
besonders effizienter Materialabtrag: Phasenexplosion
Beschreiben Sie das Grundprinzip der PDT
Zugabe von Photosensibilisator um Zielobjekt phototox zu machen → Bestrahlung mit Licht geeigneter Wellenlänge erzeugt Schadenswirkung(Phototoxie)
Bei Typ 2 Reaktion : Unter beisein von Sauerstoff erzeugt die Reaktion mit dem PS keine Radikale und der PS bleibt photoxisch. (reaktion kann erneut ablaufen)
Welche Faktoren bestimmen die Tumorselektivität einer PDT?
Sauerstoffkonzentration im Tumorgewebe?
Was besagt das Reziprozitätsgesetz von Bunsen und Roscoe, eine Grundregel zur Dosimetrie photochemischer Prozesse?
Die Photochemische Wirkung wird durch das Produkt aus Zeit und Bestrahlungsstärke bestimmt.
Bei PDT ist das Gesetzt anch "oben" und "unten" durch die Bestrahlungsstärke in seiner Wirkung begrenzt:
nach Unten durch die Regenerationsfähigkeit der Zellen(Reperatur)
nach Oben durch thermische Effekte
Warum ist der Einsatz von PDT Gegen Mikroorganismen Erfolg versprechend?
Welche Vorteile bietet eine PDT im Vergleich zu einer Zytostatika Behandlung und einem chirurgischen Eingriff?
-Vorteile zur Zytostatika Behandlung: Höhere Selektivität, wirkt nicht im ganzen Körper, sondern nur dort wo mit Licht bestrahlt wird.
-Vorteile zum chirurgischen Eingriff: Weniger invasiv, Mikrometastasen können mit der PDT evtl. erwischt werden,die beim chirurgischen Eingriff übersehen werden könnten
Was ist das Ziel einer PDT bei der Behandlung der Altersbedingten Makuladegeneration (AMD)?
Der Verschluss (Thrombosierung) der neu gebildeten (proliferierenden) Aderhautgefäße; damit Zerstörung der Gefäßmembran und damit Aufhalten weiterer Netzhautzerstörung.
Gegen welche Krankheit richtet sich die PUVA Therapie und wie funktioniert sie?
Gegen Schuppenflechte (Problem ist zu schnelle Zellteilung): Dies wird verhindert mit Photosensibilisator der an bestimmtem Punkt in die DNA bindet und so die Teilung verhindert.
Nennen Sie drei Anwendungen der Fluoreszenz in der klinischen Diagnostik
PDD, PDT,Fluoreszenzangiographie,2-Photonenmikroskopie
Welche Wechselwirkung von Licht mit Gewebe erzeugt den Kontrast bei der optischen Kohärenztomographie (OCT)?
Reflexion
Welche zwei technische Verfahren werden bei der optischen Kohärenztomographie (OCT) unterschieden?
Time DOmain ( Tiefeninformation durch verändern der einen Michelson Interferometerarmlänge)
Fourier-Domain (Tiefeninformationen durch Auswertung der unterschiedlichen Wellenlängen im Fourierspektrum)
Nennen Sie drei natürlich im Körper vorkommende Farbstoffe, die fluoreszieren.
NADH, Kollagen, Tryptophon, Elastin
Welche Vorteile hat die 2-Photonenmikroskopie im Vergleich zur konfokalen Mikroskopie?
Schont umliegendes Gewebe (höhere Wellenlänge), Bleaching & Photoschäden nur im Fokus, Signal nur im Fokus
Beschreiben Sie die wichtigsten Prozesse bei der Plasmabildung durch „optischen Durchbruch“
Photoionisation → inverse Bremsstrahlungsabsorbtion → Ionisationslawine
Welche Abfolge physikalischer Ereignisse wird durch den optischen Durchbruch initiiert?
Plasmabildung → Druckwelle (72kbar)
Wie kann man thermomechanische Nebenwirkungen der plasmavermittelten Chirurgie minimieren?
Defokusieren (Plasmaschwerpunkt vor Laserfokus), kurze Pulse, kurze Stoßwellendauer, kleine Pulsenergie, großer Fokussierungswinkel
Benennen Sie einige Anwendungen der plasmavermittelten Chirurgie mit Pulslasern (fs bis ns Pulsdauer)
LASIK → refraktive Hornhautchirurgie (Abtragung und Flaperzeugung)
SmILE → Linsenextraktion durch kleinen EInschuss
Kataraktchirurgie
Laserlithotripsie
Worauf beruht die Laserlithotripsie? Wann wird sie angewendet, was sind Alternativverfahren?
Stoßwellenerzeugung zum Zerstören von zB Nierensteinen. Alternativ ESWL (gleiches prinzip mit Schallwellen, nicht invasiv)
Wird vorallem bei schwerer Ortung angewendet ( das Verfahren hat "Feedback") bzw bei besonders fest sitzenden Steinen um umliegendes Gewebe zu schonen. Es ergänzt sich auch zum ESWL-Verfahren.
Erklären Sie Absorption, spontane und induzierte Emission.
Absorbtion: Energieübertrag von Phtoton an Atom, wobei ein Elektron in einen höheren Energiezustand gehoben wird. Bedingung: ΔE = hc/λ
spontane Emmision: Bei Rückfall eines Atoms in einen ergiegünstigeren Zustand wird die abgegebene Energie als elektromagn. Welle abgegeben.
induzierte Emission: Abgabe der Energie als Welle induziert durch ein anderes Photon. Das induzierte Photon ist kohärent zum eingefallenen Photon.
Wann kann bevorzugt induzierte Emission auftreten?
1. Hohe Lebensdauer des oberen Zustands
2. Starkes Photonenfeld
→Besetzungsinversion
Welche Beziehung besteht zwischen den Energieniveaus eines Atoms und der Wellenlänge für einen Elektronenübergang zwischen ihnen?
E ∝ 1/\(\lambda\)
Was charakterisiert einen Gauß‘schen Strahl im Grundmode und welche mathematische Beziehung besteht zwischen der Divergenz Θ, der Wellenlänge \(\lambda\) und dem Radius der Strahltaille \(\omega\)?
\(\theta *\omega = \frac{\lambda}{\pi}\)
Was ist ein Laser-Resonator und voraus besteht er mindestens?
Bestehend aus mind zwei (konfokalen) Spiegeln zum Bündeln der Photonenlawinen
Erklären Sie longitudinale und transversale Moden
Unterschiedliche Schwingungsformen werden Moden genannt. Als longitudinal bezeichnet man die Schwingung längs der Ausbreitungsrichtung der Strahlung. Je nach Bauart werden vom Resonator bestimmte Wellenlängen und deren Vielfache besonders verstärkt, weil sich nur für bestimmte Wellenlängen eine stehende Welle zwischen den Spiegeln ergibt.
Als transversale Moden bezeichnet man die Verteilung der Phasenlage der Wellen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung.
Nennen Sie je ein Beispiel Laser für einen Festkörperlaser, Gaslaser, Diodenlaser. Was sind die typischen Wellenlängenbereiche?
Festkörper: Nd:YAG (1000nm)
Gaslaser: CO2 (10,6μm)
Diodenlaser: GaAs (~800nm)
Erklären Sie räumliche und zeitliche Kohärenz
Eigenschaft von Wellen, dass sich deren Auslenkung zeitlich bis auf eine Phasenverschiebung auf dieselbe Weise ändert. Als Folge der Kohärenz kann bei der Überlagerung von Wellen stationäre Interferenz sichtbar werden.
räumlich: Doppelspaltversuch.
zeitlich: Wellenzüge von Licht sind endlich. Sie können nur interferieren wenn die Wellenzüge innerhalb einer Kohärenzzeit vonneinander verschoben sind. (michelson)
In welchem Wellenlängenbereich liegt sichtbares Licht? Ordnen Sie einigen Farben Ihre Wellenlänge zu und geben Sie die ungefähren Grenzen zu Ultraviolett und Infrarot an. Sind die Grenzen scharf?
Grenzen sind subjektiv
Wie lautet das Brechungsgesetz?(Skizze und Formel)
Wie werden die Formeln genannt, mit denen die Lichtleistung, die an einer Grenzfläche reflektiert und transmittiert wird berechnet werden können? Wie viel Licht wird an einer Glasscheibe (n=1,5) bei senkrechtem Strahlauftritt reflektiert?
Fresnel‘sche Gleichungen
spezialfälle: Totalreflexion (\(sin(\theta)=\frac{n2}{n1}\)) und Brewsterwinkel (\(tan(\theta) = \frac{n2}{n1}\))
Wie lautet das einfache Abbildungsgesetz für dünne Linsen?(Skizze)
1. Ist die Lichtstreuung oder die Lichtabsorption im sichtbaren Spektralbereich der führende Wechselwirkungsprozess in biologischem Gewebe?
Für sichtbaren Spektralbereich: Streuung
Nennen Sie vier wichtige Lichtabsorptionsstrukturen in biologischem Gewebe.
im UV Bereich: Hämoglobin, Melanin, Proteine
Im IR Bereich: Wasser, Kollagen
Was versteht man unter dem Begriff „Optisches Fenster“ von Gewebe und in welchem Wellenlängenbereich liegt es?
Das optische Fenster ist der Bereich, in dem Licht optimal in das Gewebe eindringen kann (geringe Absorption). Es liegt zwischen ca. 600 nm und 1300 nm (NIR)
Nennen Sie ein therapeutisches oder diagnostisches Beispiel bei dem eine möglichst große Eindringtiefe in biologisches Gewebe erforderlich ist. Wie groß ist die maximale optische Eindringtiefe in streuendem Gewebe wie Haut?
große Eindringtiefe wichtig für Koagulation, Hyperthermie & PDT Diagnostische Verfahren: OCT & 3D Bildgebung (Mikroskopie)
Maximale optische Eindringtiefe liegt bei 1-2mm
Wie ist das Verhältnis zwischen Wellenlänge\(\lambda\) und Größe d der Streupartikel bei Rayleigh -und Mie-Streuung und wie in biologischem Gewebe?
Rayleigh Streuung: \(d < 0,2\lambda\)
Mie-Streuung: \(d =< \lambda\)
Gewebe \(d = \lambda\)
Nennen Sie die wichtigsten Eigenschaften der Lichtstreuung in biologischem Gewebe.
-Vielfachstreuunung ( vorwärtsgerichtet)
-Wellenlängenabhängigkeit
Welche prominenten Ausnahmen bezüglich des Streuverhaltens gibt es im menschlichen Organismus und woher rühren sie?
Augenhornhaut, Augenlinse und neuronale Netzhaut sind praktisch vollständig transparent. Dies beruht darauf, dass der Brechungsindex in Bereichen \( ≈\lambda\) nur gering fluktuiert.
Was besagt das Lambert Beer’sche Gesetz und wie lautet es?
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Lernkarten
Erklären Sie Absorption, spontane und induzierte Emission.
Absorbtion: Energieübertrag von Phtoton an Atom, wobei ein Elektron in einen höheren Energiezustand gehoben wird. Bedingung: ΔE = hc/λ
spontane Emmision: Bei Rückfall eines Atoms in einen ergiegünstigeren Zustand wird die abgegebene Energie als elektromagn. Welle abgegeben.
induzierte Emission: Abgabe der Energie als Welle induziert durch ein anderes Photon. Das induzierte Photon ist kohärent zum eingefallenen Photon.
Wann kann bevorzugt induzierte Emission auftreten?
1. Hohe Lebensdauer des oberen Zustands
2. Starkes Photonenfeld
→Besetzungsinversion
Welche Beziehung besteht zwischen den Energieniveaus eines Atoms und der Wellenlänge für einen Elektronenübergang zwischen ihnen?
E ∝ 1/\(\lambda\)
Was charakterisiert einen Gauß‘schen Strahl im Grundmode und welche mathematische Beziehung besteht zwischen der Divergenz Θ, der Wellenlänge \(\lambda\) und dem Radius der Strahltaille \(\omega\)?
\(\theta *\omega = \frac{\lambda}{\pi}\)
Was ist ein Laser-Resonator und voraus besteht er mindestens?
Bestehend aus mind zwei (konfokalen) Spiegeln zum Bündeln der Photonenlawinen
Erklären Sie longitudinale und transversale Moden
Unterschiedliche Schwingungsformen werden Moden genannt. Als longitudinal bezeichnet man die Schwingung längs der Ausbreitungsrichtung der Strahlung. Je nach Bauart werden vom Resonator bestimmte Wellenlängen und deren Vielfache besonders verstärkt, weil sich nur für bestimmte Wellenlängen eine stehende Welle zwischen den Spiegeln ergibt.
Als transversale Moden bezeichnet man die Verteilung der Phasenlage der Wellen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung.
Nennen Sie je ein Beispiel Laser für einen Festkörperlaser, Gaslaser, Diodenlaser. Was sind die typischen Wellenlängenbereiche?
Festkörper: Nd:YAG (1000nm)
Gaslaser: CO2 (10,6μm)
Diodenlaser: GaAs (~800nm)
Erklären Sie räumliche und zeitliche Kohärenz
Eigenschaft von Wellen, dass sich deren Auslenkung zeitlich bis auf eine Phasenverschiebung auf dieselbe Weise ändert. Als Folge der Kohärenz kann bei der Überlagerung von Wellen stationäre Interferenz sichtbar werden.
räumlich: Doppelspaltversuch.
zeitlich: Wellenzüge von Licht sind endlich. Sie können nur interferieren wenn die Wellenzüge innerhalb einer Kohärenzzeit vonneinander verschoben sind. (michelson)
In welchem Wellenlängenbereich liegt sichtbares Licht? Ordnen Sie einigen Farben Ihre Wellenlänge zu und geben Sie die ungefähren Grenzen zu Ultraviolett und Infrarot an. Sind die Grenzen scharf?
Grenzen sind subjektiv
Wie lautet das Brechungsgesetz?(Skizze und Formel)
Wie werden die Formeln genannt, mit denen die Lichtleistung, die an einer Grenzfläche reflektiert und transmittiert wird berechnet werden können? Wie viel Licht wird an einer Glasscheibe (n=1,5) bei senkrechtem Strahlauftritt reflektiert?
Fresnel‘sche Gleichungen
spezialfälle: Totalreflexion (\(sin(\theta)=\frac{n2}{n1}\)) und Brewsterwinkel (\(tan(\theta) = \frac{n2}{n1}\))
Wie lautet das einfache Abbildungsgesetz für dünne Linsen?(Skizze)
1. Ist die Lichtstreuung oder die Lichtabsorption im sichtbaren Spektralbereich der führende Wechselwirkungsprozess in biologischem Gewebe?
Für sichtbaren Spektralbereich: Streuung
Nennen Sie vier wichtige Lichtabsorptionsstrukturen in biologischem Gewebe.
im UV Bereich: Hämoglobin, Melanin, Proteine
Im IR Bereich: Wasser, Kollagen
Was versteht man unter dem Begriff „Optisches Fenster“ von Gewebe und in welchem Wellenlängenbereich liegt es?
Das optische Fenster ist der Bereich, in dem Licht optimal in das Gewebe eindringen kann (geringe Absorption). Es liegt zwischen ca. 600 nm und 1300 nm (NIR)
Nennen Sie ein therapeutisches oder diagnostisches Beispiel bei dem eine möglichst große Eindringtiefe in biologisches Gewebe erforderlich ist. Wie groß ist die maximale optische Eindringtiefe in streuendem Gewebe wie Haut?
große Eindringtiefe wichtig für Koagulation, Hyperthermie & PDT Diagnostische Verfahren: OCT & 3D Bildgebung (Mikroskopie)
Maximale optische Eindringtiefe liegt bei 1-2mm
Wie ist das Verhältnis zwischen Wellenlänge\(\lambda\) und Größe d der Streupartikel bei Rayleigh -und Mie-Streuung und wie in biologischem Gewebe?
Rayleigh Streuung: \(d < 0,2\lambda\)
Mie-Streuung: \(d =< \lambda\)
Gewebe \(d = \lambda\)
Nennen Sie die wichtigsten Eigenschaften der Lichtstreuung in biologischem Gewebe.
-Vielfachstreuunung ( vorwärtsgerichtet)
-Wellenlängenabhängigkeit
Welche prominenten Ausnahmen bezüglich des Streuverhaltens gibt es im menschlichen Organismus und woher rühren sie?
Augenhornhaut, Augenlinse und neuronale Netzhaut sind praktisch vollständig transparent. Dies beruht darauf, dass der Brechungsindex in Bereichen \( ≈\lambda\) nur gering fluktuiert.
Was besagt das Lambert Beer’sche Gesetz und wie lautet es?
Wie hängen optische Eindringtiefe d und Absorptionskoeffizient μa zusammen
\(d = \frac{1}{μ}\)
Was stellt das Jablonski-Diagramm dar?
Energieübergänge bei photophysikaleschen Prozessen
Wie ist die Quantenausbeute definiert?
\(\phi\) = Reaktionsrate / Anregungsrate
Was bezeichnet man als Wirkungsspektrum?
die Gesamtheit der auf eine Anregung effektiv ansprechenden biologischen Substrate über die WEllenlänge
Was ist der Spin des Elektrons und wie bestimmt er die Energiezustände eines Moleküls?
Eigendrehimpuls eines Elektrons bestimmt im wesentlichen die Besetzung der Energienevaus, da nach dem Pauliprinzip 2 Elektronen in einem Energienevau nicht die gleichen Quantenzahlen haben können.
Ist der Grundzustand eines Moleküls in der Regel ein Singulett-oder Triplett-Zustand? Welches Molekül fällt hier heraus?
IdR Singulett
Grundregeln der Photochemie
Grotthus-Draper-Regel: Nur absorbiertes Licht erzeugt eine Wirkung
Regel von Kasha: Lichtemission und Photochemie erfolgen in der Regel aus dem tiefsten angeregten Zustand
Einstein-Stark-Gesetz: Die primäre photochemische Wirkung wird durch die Zahl der absorbierten Photonen bestimmt.
Gesetz von Bunsen und Roscoe: Die photochemische Wirkung wird durch das Produkt aus Zeit und Bestrahlungsstärke bestimmt
Benennen Sie die Hauptkriterien bei der Auswahl von Laserparametern für eine möglichst präzise Gewebsabtragung mit wenig Schäden im verbleibenden Gewebe
Wellenlängen um 200 nm and 3 μm ,da hier die linaere Absorbtion in Gewebe maximal ist.
Pulsdauer unter der thermischen Eisnchlusszeit.
Erläutern Sie die Bedingung für „thermischen Einschluss“ der deponierten Laserenergie. Geben Sie die Beziehung zwischen der Dauer der Lichteinstrahlung (Laserpulsdauer) t und der linearen Ausdehnung der Absorptionsstruktur bzw. der Ausdehnung der Wärmeausbreitung d an
Wärme hat eine "Diffusionzeit" im Gewebe, die von der Beschaffenheit und der Struktur abhängt. man kann Schäden im Gewebe vermeiden wenn man Pulsdauern kleiner als diese Zeit wählt.
Benennen Sie einige Anwendungen der Gewebeabtragung („Ablation“) mit Pulslasern und die dabei erforderliche Präzision
-corneal refractive surgery ( im micrometerbereich)
-Skin„resurfacing“( im micrometerbereich)
-Laser dissection of liver or kidneywith hemostasis (stopping of bleeding) (im millimeterbereich)
Welche Art von Phasenübergängen unterscheidet man im Hinblick auf Ablationsprozesse?
Verdampfung and Oberflächen, Kochen(Blasenbildung, Phasenexplosion bei Erreichen von Spinodal limit
besonders effizienter Materialabtrag: Phasenexplosion
Beschreiben Sie das Grundprinzip der PDT
Zugabe von Photosensibilisator um Zielobjekt phototox zu machen → Bestrahlung mit Licht geeigneter Wellenlänge erzeugt Schadenswirkung(Phototoxie)
Bei Typ 2 Reaktion : Unter beisein von Sauerstoff erzeugt die Reaktion mit dem PS keine Radikale und der PS bleibt photoxisch. (reaktion kann erneut ablaufen)
Welche Faktoren bestimmen die Tumorselektivität einer PDT?
Sauerstoffkonzentration im Tumorgewebe?
Was besagt das Reziprozitätsgesetz von Bunsen und Roscoe, eine Grundregel zur Dosimetrie photochemischer Prozesse?
Die Photochemische Wirkung wird durch das Produkt aus Zeit und Bestrahlungsstärke bestimmt.
Bei PDT ist das Gesetzt anch "oben" und "unten" durch die Bestrahlungsstärke in seiner Wirkung begrenzt:
nach Unten durch die Regenerationsfähigkeit der Zellen(Reperatur)
nach Oben durch thermische Effekte
Warum ist der Einsatz von PDT Gegen Mikroorganismen Erfolg versprechend?
Welche Vorteile bietet eine PDT im Vergleich zu einer Zytostatika Behandlung und einem chirurgischen Eingriff?
-Vorteile zur Zytostatika Behandlung: Höhere Selektivität, wirkt nicht im ganzen Körper, sondern nur dort wo mit Licht bestrahlt wird.
-Vorteile zum chirurgischen Eingriff: Weniger invasiv, Mikrometastasen können mit der PDT evtl. erwischt werden,die beim chirurgischen Eingriff übersehen werden könnten
Was ist das Ziel einer PDT bei der Behandlung der Altersbedingten Makuladegeneration (AMD)?
Der Verschluss (Thrombosierung) der neu gebildeten (proliferierenden) Aderhautgefäße; damit Zerstörung der Gefäßmembran und damit Aufhalten weiterer Netzhautzerstörung.
Gegen welche Krankheit richtet sich die PUVA Therapie und wie funktioniert sie?
Gegen Schuppenflechte (Problem ist zu schnelle Zellteilung): Dies wird verhindert mit Photosensibilisator der an bestimmtem Punkt in die DNA bindet und so die Teilung verhindert.
Nennen Sie drei Anwendungen der Fluoreszenz in der klinischen Diagnostik
PDD, PDT,Fluoreszenzangiographie,2-Photonenmikroskopie
Welche Wechselwirkung von Licht mit Gewebe erzeugt den Kontrast bei der optischen Kohärenztomographie (OCT)?
Reflexion
