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Einführung in die Biomedizinische Optik

Verständnisfragen zur Klausurvorbereitung SS 2016

Verständnisfragen zur Klausurvorbereitung SS 2016

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Langue Deutsch
Catégorie Médecine
Niveau Université
Crée / Actualisé 13.04.2016 / 24.08.2018
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Étudier

Wie groß ist (ungefähr) der durch den optischen Durchbruch bei Nanosekundenpulsen erzeugte Druck, und wie kann man ihn messen?

Maximaler druck ca. 72kbar (3,5mio mal Augeninnendruck) gemessen durch Stoßwellenemission

Stoßwellengeschwindigkeit --> Stoßwellendruck:

\(p_S=c_1*p_0*u_s*(10^{u_s-c_0)*c_2}-1)+p_\infty\)

Welche beiden Arten der Hornhautdissektion mit kurzen Laserpulsen unterscheidet man und wie ist der jeweile Schneidemechanismus?

Aufspaltungsmodus (die meisten kommerziellen Systeme)

  • Plasmainduzierte Mikroexplosionen führen zu Kavitationsblasen
  • Blasenoszillation spaltet die Hornhautlamelle
  • Pulsrepetitionsrate >= 150kHz
  • Einzelpulsenergie ca. 1uJ
  • Punkt- zu-Punktabstand ca. 4-10um
  • Gesamte Schneideenergie ca. 3J/cm²

Low-density-Plasma Modus (Ziemer System)

  • Freie Elektronen vermittelte Gewebszersetzung
  • Blasenbildung ist für den Schneidemechanismus nicht notwendig, kann aber aufgrund der Gewebszersetzung auftreten
  • Pulsrepetitionsrate ca. 20MHz
  • Einzelpulsenergie ca. 50nJ
  • Fukusüberlapp zwischen aufeinanderfolgenden Laserpulsen
  • Gesamte Schneideenergie ca. 10J/cm²

Was ist der Vorteil der Flaperzeugung mittels Laserpulsen mit UV Wellenlänge im Vergleich zu IR Wellenlängen?

Bessere Präzision bei UV-Lasern. Bei gleichem Brechungsindex ist der Fokus beim UV-Laser bei 1,1um, bei IR-Laser bei 3,3um.

Beschreiben Sie das Prinziep von SMILE

Dissektion eines Lentikels für flapfreie refraktive Chirurgie erfordert sehr hohe Präzision beim Schneiden -> Verwendung von Vortex Strahlen.

Small incision lenticule extraction (SmILE)

Beschreiben Sie das Verfahren der Kataraktchirurgie mit Hilfe von ultrakurzen Laserpulsen.

Mögliche Vorteile

  • Hornhautschnitt besitzt bessere selbstabdichtende Eigenschaften
  • Sehr gut zentrierbare Kapsultomie mit vorhersagbarem Durchmesser sowie glatten und stabilen Schnittkanten
  • Laserdisruption erleichter Ultraschallfragmentation und Absaugen der Linse

Herausforderung für Entwicklung und Sicherheit

  • Schädigung der Linsenkapsel uss vermieden werden
  • Linsenfragmentation erfordert effiziente Umwandlung von Laserenergie in mechanische Energie

Was sind die wichtigsten Anforderungen an Fluoreszenzfarbstoffe zur Markierung von Biomolkülen?

  • Hohe Anregungseffizienz und Quantenausbeute (Verhältnis zwischen fluoreszierenden und angeregten Molekülen)
  • Photostabilität (kein "photo-bleaching")
  • Biokompatibilität (ungiftig)
  • Wasserlöslichkeit (kann in lebenden Zellen aufgenommen werden)
  • Breiter Bereich von Farben, Anregungswellen entsprechend der verfügbaren Laserwellenlängen

Bennen sie einige Typen von Fluorophoren

  • Cyaninfarbstoffe
  • Alexa-Fluor Farbstoffe
  • Fluoreszein
  • Rhodamin

Was bedeutet "Ausbleichen" (photobleaching) von Fluorophoren?

"Photobleaching" bedeutet, dass ein Fluorophor durch Photo-induzierten chemischen Schaden seine Fluoreszenzeigenschaften verliert.

Wozu kann man gezieltes Ausbleichen benutzen?

Fluorescence Recovery after Photobleaching (FRAP)

Technik zur quantitativen Bestimmung der 2-dimensionalen lateralen Diffusion fluoreszierender Proben. Nützlich für biologische Studien der Diffusionsprizesse einer Zellmembran (durch und innerhalb der Membran). Ermöglicht die Untersuchung der 3-dimensionalen Diffusion innerhalb der Zelle sowie die Bindung von Molekülen.

Wie finden Fluorophore bei einer Fluoreszenzmarkierung ihr Ziel?

Primäre und Sekundäre Antikörper

Bei der indirekten Detektionsmethode bindet zunächst ein primärer Antikörper an das Antigen. Dieser bietet dann eine "Andockmöglchkeit" für den gelabelten (mit Fluorophor versehen) sekundären Antikörper.

 

Wie funktioniert die Markierung von Proteinen oder biologischen Strukturen mit GFP (green fluorescent protein)?

  • Antikörper sind externe "magische Kugeln" die zunächst ihr Ziel in ausreichender Konzentration finden müssen, um eine gute Markierung zu erreichen
  • Immun-Histochemie (Antikörperfärbung) von Proteinen wird normalerweise an fixierten Zellen oder Gewebeschnitten (Histologie) durchgeführt
  • Es wäre ideal, wenn die relevanten Proteine bereits mit einem "Leuchten" geboren werden und damit leben, um sie so zu markieren und zu detektieren
  • Lösung: Genetische Kopplung der relevanten Proteine mit fluoreszierenden Proteinen
  • Ist so etwas möglich? Die Antwort ist die Erfolgsgeschichte des "Grün Fluoreszierenden Proteins" (GFP)

Was wird bei der Durchflusszytometrie (flow cytometry) gemessen?

Simultane Detektion von Vorwärts- und Seitwärtsstreuung

Wie kann man mittels Analyse der Vorwärts - und Seitwärtsstreuung (forward and side scatter) im Durchflusszytometer verschiedene Zelltypen unterscheiden?

Forward Scatter (FSC) ~ Größe und

Side Scatter (SSC) ~ innere Struktur

Was versteht man unter "Kerr Lens Mode Locking"?

Selbstfokussierung durch Kerr-Effekt

Was sind die primären Zielstrukturen der PDT?

Singulett Sauerstoff

  • Lebensdauer in Gewebe: ca. 100ns
  • Reichweite in Gewebe: ca. 20-100nm
  • Reagiert mit ungesättigten Lipiden (z.B. an Membranen), aromatischen Aminosäuren und Nukleotiden

Wie kann man unter Ausnutzung des Reziprozitätsgesetzes von Bunsen und Roscoe photochemische Effekte von photothermischer Denaturierung unterscheiden?

  • Photothermische Effekte hängen stark von der Leistung ( Temperatur) ab
  • Bei photochemischen Effekten zählt nur die Dosis (Anzahl der Photonen)
  • Bei gleicher Dosis Leistung erhöhen
    • verstärkt sich der Effekt, so ist es photothermische Denaturierung

Benennen Sie einige Anwendungen der Gewebeabtragung ("Ablation") mit Pulslasern.

  • Photoablation - refraktive Chirurgie
    • Excimer Laser Ablation, Eindringtiefe 0,25um - sehr genau
  • Photoablation - kosmetische Chirurgie
    • Hautmodellierung ER:YAG vs. CO2

Benennen Sie die Hauptkriterien bei der Auswahl von Laserparametern für eine mögöichst präzise Gewebsabtragung mit wenig Schäden im verbleibenden Gewebe.

  • Laserwellenlänge mit geringer optischer Eindringtiefe
  • Einsatz von hinreichend kurzen Pulsdauern, so dass thermischer und Druckeinschluss garantiert sind
  • Thermischer Einschluss: Laserpulsdauer < thermische Diffusionszeit (verhindert thermische Schäden im umliegenden Gewebe) ttherm<d²/k , k= thermische Diffusionskonstante
  • Druckeinschluss: Laserpulsdauer < Spannungsrelaxationszeit (Druckausdehnungszeit) tac<d/c

Warum kann man mit Arf Excimerlaserpulsen mit Submikrometergenauigkeit und minimalen thermischen Nebenwirkungen Gewebe abtragen?

Ursache: hohe Präzision bei der Excimer Laserablation

  • Wellenlänge hat eine geringe optische Eindringtiefe
  • Pulsdauer ist ausreichend kurz im thermische Diffusion zu vermeiden

Skizzieren sie die Druck-Temperaturprojektion des thermodynamischen Phasendiagramms mit den wesentlichen stabilen und metastabilen Bereichen und benennen sie die Grenzlinen zwischen den Bereichen.

Dann guck mal fix in Vertiefung 2, Folie 22 nach.

Welche Art von Phasenübergängen (Flüssigkeit-Dampf) unterscheidet man im Hinblick auf Ablationsprozesse? Unter welchen Bedingungen treten diese jeweils auf?

  • Oberflächenverdampfung (binodale Grenze)
  • Kochen (pDampf(T)>patm)
  • Phasenexplosion (spinodale Grenze)
    • nur die Hälfte wird verdampft, Rest fliegt weg, zu geringe Enthalpie)
  • Dampfexplosion (volumetrische Energiedichte > Verdampfungsenthalpie 2,56 kj/cm³)

Welche Art von Phasenübergängen bewirken einen besonders effizienten Materialabtrag?

Phasenexplosion (spinodale Grenze) - spart die Hälfte zu vollständiger Verdampfung

Was ist eine "Phasenexplosion"?

Eine Phasenexplosion entsteht dann, wenn die Temperatur die Überhitzungsgrenze erreicht ("Spinodale"). In diesem Moment findet ein explosiver Phasenübergang vom Überhitzen in den gasförmigen Zustand statt. Da die Energie nicht ausreicht, um das gesamte Flüssigkeitsvolumen zu verdampfen, werden Dampf und Flüssigkeit gemeinsam explosiv ausgeworfen.

Wie beeinflusst die Gewebsmatrix den Ablationsvorgang?

  • Schwachhe Matrix: Phasenexplosion und direkte Ablation
  • Starke Matrix: Phasenexplosion gefolgt von Kochen unter Druckeinschluss
    • Ablation, wenn Festigkeit der Matrix überschritten wird. Für sehr starke Gewebsmatrizen findet die Ablation oberhalb des kritischen Punktes statt.

Erläutern sie die Bedingungen für Druckeinschluss (Stress confinement).

Druckeinschluss: Laserpulsdauer < Spannungsrelaxationszeit tac< d/c

(Druckausdehnungszeit)
 

Erläutern Sie, warum Ablation unter Druckeinschlussbedingungen zu verringerten thermischen Nebenwirkungen führt.

Siehe Vertiefung 2, Folie 26

Zugspannung erhöht Ablationseffizienz --> Reduzierung thermischer Nebeneffekte

Warum kommt es bei Ablation in Flüssigkeitsumgebung leichter zu mechanischen Zerreißungen als bei Ablation in Gasumgebung?

  • Ablation in Luft -> Ablationswolke
  • Ablation in Flüssigkeit -> Blasen und (für kurze Pulse) Stoßwellen
  • Flüssigkeits- oder Gewebeeinschluss erhöht die mechanischen Nebeneffekte über Stoßwellen und Blasenbildung
  • Konversion in mechanische Energie steigt mit sinkender Pulsdauer.
    • Viel höher für ns Pulse als für us Pulse (danach nahezu konstant)

Wie kann man mechanische Zerreißungen bei Ablation in Flüssigkeitsumgebung unter Beibehaltung der Ablationseffizienz verringern?

  • Vorpuls erzeugt leere Kavität, die dann mit der Ablationswolke des Hauptpulses gefüllt wird, ohne weitere Kavitation zu erzeugen
  • Nicht-Kondensierbares Gas der Ablationsprodukte dämpft den Blasenkollaps
  • Blase des Vorpulses erhöht Transmission zum Gewebe

Wodurch entstehen zeitliche Fluktuationen (Spikes) auf einem regulären Nanosekundenpuls?

  • Langer Q-switch Resonator - viele Longitudinalmoden
  • statistische Phasenbeziehung der Moden
  • Statistische Interferenz - Spikes auf der Einhüllenden

Wie lautet die Abbildungsgleichung einer Linse ("Linsengleichung") und wie ist die Vergrößerung definiert?

Linsengleichung:

\(\frac {1} {g} + \frac {1} {b} = \frac {1} {f}\)

Vergrößerung:

\(V= \frac {B} {G} = \frac {b} {g}\)

Siehe auch Vertiefung 2, Folie 39

Was sind sphärische Aberrationen eines optischen Abbildungssystems?

Öffnungsfehler durch kugelförmige Linsenoberflächen

  • Paraxiale Fokusebene
  • Longitudinale sphärische Aberration

Siehe auch Vertiefung 2, Folie 40

Was sind chromatische Aberrationen eines optischen Abbildunssystems?

Der Brechungsindex ist wellenlängenabhängig ("Dispersion").

Er nimmt normalerweise für kurze Wellenlängen zu.

Siehe Vertiefung 2, Folie 40

Zeichnen Sie auf, wie man eine Plankonvexlinse orientieren muss, um einen parallelen Strahl mit minimalen sphärischen Aberrationen zu fokussieren.

Mit der Runden Seite zu den Parallelstrahlen, die Plane seite zum Fokus.

Dabei die Brechung auf beide Flächen verteilen.

Siehe Vertiefung 2, Folie 41

Mit welcher Kombination von einfachen Linsen lassen sich sphärische und chromatische Aberrationen korrigieren?

Achromatisches Dublett.

Konvex-und Konkavlinsen haben sphärische Aberrationen  mit entgegengesetztem Vorzeichen. Durch Kombination von Konvex- und Konkavlinsen in einem Dublett mit n2>n1 kann man sphärische und chromatische Aberrationen korrigieren.

Siehe auch Vertiefung 2, Folie 42

Definieren Sie die numerische Apertur (NA) eines Abbildungssystems und drücken Sie mit Hilfe der NA den Punktbilddurchmesser d und das laterale Auflösungsvermögen A aus.

Die Auflösung ist nicht durch die Vergrößerung gegeben, sondern durch den Öffnungswinkel (numerische Apertur) der abbildenden Optik.

  • Numerische Apertur: \(NA=n*sin(\alpha)\)
  • Fokusdurchmesser: \(d=1,22* \frac {\lambda} {NA}\)
  • Auflösung: \(A= \frac {NA} {0,61*\lambda}\)

Skizzieren Sie Beleuchtungs- und Abbildungsstrahlengang eines Mikroskops für ein Objektiv mit unendlich Strahlengang und passender Tubuslinse.

Sie Vertiefung 2, Folie 44

Wie setzt sich die Gesamtvergrößerung eines Mikroskops aus Objektiv- und Okularvergrößerung zusammen?

MGesamt = MObjektiv * MOkular

Welhe Verfahren gibt es, um optische Schnitte (optival sectioning) im Gewebe zu erzeugen?

  • Konfokale Mikroskopie
  • Multiphotonenmikroskope

Skizieren und erläutern Sie das konfokale Prinziep, um Streulicht aus Ebenen vor oder hinter der Schärfenebene des Mikroskops zu unterdrücken.

Siehe Vertiefung 2, Folie 48

Worauf beruht die Bildgebung bei einem Zwei-Photonenmikroskop und wieso erreicht man damit sowohl einen optischen Schnitt sowie eine hohe Eindringtiefe?

Anregung mit Pulszug (80MHz) eines Femtosekundenoszillators im IR Bereich. Anregung nur im Fokus (dort so hohe Intensitäten, dass 2-Photonenanregung möglich). Hohe Eindringtiefe mit IR, vergleiche Absorptionskoeffizientendiagramm in Wellenlängenabhängigkeit.

Étudier