Hornhautkorrektur mit Lasern

Martin Schroer
Hornhautkorrektur mit Lasern
Seminar „Medizinphysik“
Prof. Suter
Hornhautkorrektur mit Lasern
0. Einführung / Gliederung
Diese Seminararbeit hat es sich zum Ziel gesetzt, Grundlegendes über die refraktive
Hornhautchirurgie mit Lasern darzustellen. Seit den achtziger Jahren wurden verschiedene
klinische Methoden entwickelt, die Fehlsichtigkeiten des menschlichen Auges zu korrigieren.
Dabei hat die Medizin stark von den Ergebnissen der Laser-Forschung profitiert.
Es wird versucht, die wichtigsten Operationsmethoden auf diesem Gebiet vorzustellen. Dafür
werden zuvor wichtige Grundlagen über den Aufbau der Hornhaut (Kap. 1), die
Abbildungsfehler des Auges (Kap. 2), die Hornhauttopographie (Kap. 3) und die
Wechselwirkung von Laserstrahlung mit Gewebe (Kap. 4) dargestellt.
Kap. 5 beschäftigt sich danach mit dem eigentlichem Eingriff und den wichtigsten, heute
klinisch verwendeten Lasersystemen (Excimer-Laser, Femtosekunden-Laser).
Die Arbeit schließt dann in Kap. 6 damit ab, dass kurz auf weitere Anwendung von Lasern in
der Ophthalmologie (Augenheilkunde) eingegangen wird.
1. Die Hornhaut (Cornea)
Die durchschnittliche Hornhaut des Erwachsenen hat einen Durchmesser von ca. 11,5 mm.
Im Zentrum hat die Hornhaut eine Dicke von 0,50 mm, in der Peripherie beträgt sie 0,65 mm.
Sie ist wie ein Uhrglas in die schwächer gewölbte Scelera eingelassen. Die Randfurche
zwischen Cornea und Lederhaut bezeichnet man als Limbus corneae.
Die Cornea ist das einzige transparente Gewebe des menschlichen Körpers. Sie ist zudem die
stärkste brechende Fläche des optischen Systems mit einer Brechkraft von 43 dpt bei einem
Gesamtbrechungsindex nc = 1,3375. Zum Vergleich: das gesamte Auge hat eine totale
Brechkraft von 59 dpt, d.h. die Hornhaut trägt zu ca. 73 % zur gesamt Brechkraft bei.
Die Cornea besteht aus fünf übereinander gelagerten Schichten: dem Epithel, der BowmanMembran, dem Hornhautstroma, der Descemet-Membran und dem Endothel.
Das mehrschichtige, nicht verhornte Plattenepithel bildet die Oberfläche der Hornhaut. Es hat
eine Dicke von ca. 40 μm und enthält in der untersten Schicht Basalzellen, die sich selbst
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regenerieren können. Dafür müssen die Limbusstammzellen, die sich im Limbus corneae
befinden, intakt sein. Die Regenerationszeit beträgt wenige Stunden, und ist somit rasch.
Die Aufgabe des Epithels besteht darin, als Barriere gegen das Eindringen von Bakterien und
Stoffen. Zudem dient sie dem Transport von Nährstoffen aus der Tränenflüssigkeit.
Die Basalzellen des Epithels sind durch die dünne Basalmembran (1 μm) fest mit der
Bowman-Membran – auch Bowman-Lamelle genannt – verankert. Die Bowman-Membran
hat eine Dicke von 8 – 14 μm und besteht aus einer dicht gepackten Schicht von
Kollagenfasern. Sie ist azellulär und nicht regenerationsfähig.
Ihre Hauptaufgabe liegt in der Stabilisierung der Cornea. Auch wird eine Barrierefunktion
gegen Infektionen vermutet.
Es schließt sich das Hornhautstroma an, das mit einer Dicke von ca. 450 μm den
Hauptbestandteil der Cornea darstellt. Es besteht aus ca. 50 Schichten von Kollagenfasern, die
etwas dünner gepackt sind als in der Bowman-Membran. Die Schichten sind parallel zur
Oberfläche angeordnet, und besitzen somit eine periodische, gitterartige Struktur.
Der Stoffwechsel im Gewebe ist sehr träge, so dass die Regeneration lange dauert.
Die Aufgabe des Stromas ist die Stabilität der Hornhaut zu erhalten. Aufgrund der
periodischen Anordnung der Kollagenfasern und dem geringen Wassergehalt von etwa 70 %
ergibt sich die Transparenz der Cornea. Sein Brechungsindex beträgt 1,376.
Es folgt mit einer Dicke von 5 – 10 μm die Descemet-Membran. Sie hat eine ähnliche
Struktur wie die Bowman-Membran. Sie zeichnet sich durch ihre hohe Widerstandsfähigkeit
aus und sorgt somit ebenfalls für die Stabilität. Sie kann durch Endothelzellen regeneriert
werden.
Das Endothel mit einer Dicke von 4 μm schließt die Hornhaut zur Vorderkammer ab. Sie
besteht aus einer bis zwei Zellschichten. Diese Endothelzellen sind nicht regenerationsfähig.
Bei einem Defekt innerhalb des Epithels findet Zellvergrößerung und Zellmigration statt.
Somit ist bei der Hornhautchirurgie besonders darauf zu achten, dass das Epithel nicht verletzt
wird. Das Epithel sorgt für die Entquellung des Stromas, um den Wassergehalt konstant zu
halten. Dabei findet ein aktiver Ionentransport von Natrium, Kalium und Hydrogenkarbonat
statt. Außerdem ergibt sich durch die Abdichtung der Epithelzellen untereinander ein Schutz
vor dem Eindringen von Kammerwasser in das Stroma.
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Die gesunde Hornhaut besitzt keine Gefäße, so dass die Ernährung des Gewebes durch
aktiven Transport der Nährstoffe erfolgt. Dabei werden diese Stoffe durch Austausch aus der
Tränenflüssigkeit an der Oberfläche und dem Kammerwasser an der Innenseite erhalten.
Von der Seite erfolgt Diffusion aus dem Randschlingennetz der Bindehaut.
Aufgrund des Fehlens eines Blutgefäßsystems ergibt sich die Möglichkeit, eine
Hornhauttransplantation ohne vorherige Gewebetypisierung durchzuführen.
Der Tränenfilm auf dem Epithel besteht aus drei Schichten: der äußeren Lipidschicht, der
zentralen Wasserschicht und der Muzinschicht.
Die Lipidschicht schützt die Wasserschicht vor dem Verdunsten und sorgt durch das
Herabsetzen der Oberflächenspannung für eine bessere Benetzung. Die Muzinschicht lässt die
Wasserschicht auf dem Epithel haften.
Neben der Ernährung der Cornea und dem Schutz vor Infektionen, glättet der Tränenfilm die
Hornhaut, was zu einem scharfen Sehen führt.
Die hohe Transparenz der Hornhaut ergibt sich aus der periodischen Anordnung der
Kollagenfasern und dem konstanten Wassergehalt, welcher durch das Endothel gesteuert
wird. Deshalb ist auch eine hohe Endothelzellendichte notwendig.
2. Abbildungsfehler des menschlichen Auges
Das menschliche Auge ist kein perfektes optisches System, sondern es kann zu unscharfen
Abbildungen kommen, die die Qualität des Bildes auf der Netzhaut reduziert.
Es treten verschiedene Aberrationen auf, d.h. eine aus dem Auge austretende Welle
unterscheidet sich je nach Ordnung dieser Abbildungsfehler verschieden stark von einer
idealen sphärischen Welle.
Die Aberrationen niedrigster Ordnung sind Defokus und Astigmatismus.
Beim Defokus unterscheidet man zwischen Myopie (Kurzsichtigkeit) und Hyperopie
(Weitsichtigkeit). Beim myopen Auge ist der Augapfel im Vergleich zur Brennweite zu lang.
Der Brennpunkt liegt vor der Netzhaut. Zur Korrektur wird eine Brille mit negativer
Brechkraft verwendet.
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Im Gegensatz dazu ist das hyperope Auge zu klein, so dass der Brennpunkt hinter der Retina
liegt. Es wird dann ein Brille mit positiver Brechkraft verschrieben, die die Lichtstrahlen
stärker bricht.
Streng zu unterscheiden ist die Alterweitsichtigkeit (Presbyopie). Da die Linse des Auges
zeitlebens wächst, aber keine Zellen abstoßen kann, kommt es zu einer Vergrößerung des
Linsenkerns. Dies führt zu einer Versteifung der Linse, deren Krümmungsradius kann sich
nicht mehr stark genug ändern und dadurch sinkt die Akkommodationsbreite.
Fällt der Brennpunkt genau auf die Netzhaut, so liegt Normalsichtigkeit (Emmetropie) vor.
Bei Astigmatismus (Stabsichtigkeit) ist die Cornea nicht radiärsymmetrisch, sondern es liegt
eine Fehlkrümmung dieser vor. Beim „Astigmatismus mit der Regel“ ist die vertikale Achse
der Hornhaut stärker gekrümmt als die horizontale. Das führt dazu, dass der vertikale
Brennpunkt vor dem horizontalen liegt. Aus einem Punkt wird somit entweder ein Strich oder
eine elliptische Scheibe.
Beim regulären Astigmatismus stehen die beiden Meridiane maximaler und minimaler
Brechkraft nahezu senkrecht aufeinander (± 10°), beim schiefen A. schräg und beim
irregulären sind sie nicht auszumachen.
Regulärer und schiefer Astigmatismus können durch zylindrische Brillengläser kompensiert
werden. Beim irregulären können nur Kontaktlinsen verwendet werden.
Die refraktive Hornhautchirurgie sorgt nun dafür, diese Aberrationen niedrigster Ordnung
(Defokus, Astigmatismus) zu entfernen.
3. Hornhauttopographie
Bevor die Operation durchgeführt werden kann, ist es notwendig, die genaue Form der
Hornhaut zu kennen. Für diese Hornhauttopographie wurden im Lauf der Jahre verschiedene
Methoden
entwickelt,
von
welchen
hier
die
Moirè-Interferometrie,
die
Rasterphotogrammetrie und die Wellenfrontanalyse vorgestellt werden.
Die ersten beiden werden als Beispiele für ältere Verfahren angeführt, wohingegen die
Wellenfrontanalyse als aktuelles Verfahren zur Unterstützung der LASIK präsentiert wird.
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Bei der Moirè-Interferometrie werden zwei Sätze von parallelen Linien aus verschiedenen
Winkeln auf die Hornhaut projiziert. Diese auf der Cornea gekrümmten Gitterprojektionen
interferieren derart, dass sich ein ringförmiges Muster ergibt. Dieses wird dann von einer
Kamera aufgenommen. Eine Realisierung hiervon besteht darin, das erste Liniengitter mit
einer Halogenlampe auf die Hornhaut abzubilden. Unter einem bestimmten Winkel wird diese
Projektion auf das zweite Liniengitter abgebildet, so dass diese interferieren.
Wegen der Transparenz der Hornhaut wird zuvor Fluoreszin auf das Auge getropft, so dass
der Tränenfilm, wenn er mit blauem Licht beleuchtet wird, grün-gelb fluoresziert.
Anhand der Breite der Interferenzringe, die sich mit zunehmende Krümmung ändert, lässt
sich dann das Höhenprofil ohne mathematische Annahmen oder Modellrechnungen direkt
ermitteln.
Der Verlauf der Großteil der Hornhaut wie auch deren Peripherie lassen sich mit einer
Genauigkeit von ± 0,005 mm bestimmen, wohingegen die zentrale Cornea schlechter erfasst
wird. Dies liegt daran, dass sich die Interferenzringe nicht beliebig klein lassen machen.
Ein Verfahren, dass die gesamte Hornhaut erfasst, dafür aber einer mathematischen
Verarbeitung bedarf, ist die Rasterphotogrammetrie. Hierbei wird ein Muster paralleler,
vertikaler Linien auf die Hornhaut projiziert, welches dann mit einer Videokamera
aufgenommen wird. Anhand der Verzerrung der Linien gegenüber einer Referenzaufnahme,
die an einer ebenen Fläche aufgenommen wurde, lässt sich der topographische Verlauf der
Hornhaut errechnen.
Auch hierbei wird Fluoreszin verwendet.
Die Wellenfrontanalyse ist ein moderneres Verfahren zur Hornhauttopographie. Es kann auch
allgemeiner zur Messung von höheren Aberrationen des gesamten Auges verwendet werden.
Das Prinzip ist wie folgt: Ein He-Ne-Laser (632,8 nm; 1,5 mW) emittiert Licht, welches
kollimiert wird, sodass eine ebene Wellenfront auf das zu untersuchende Auge fällt. Bei der
Topographie wird das einfallende Licht mittels eines Objektives so gebündelt, dass es auf den
Krümmungsmittelpunkt der Hornhaut trifft. Bei einer idealen sphärischen Form der Cornea
werden die Lichtstrahlen in sich selbst reflektiert. Liegt diese Form nicht vor, tritt eine
veränderte Wellenform aus dem Auge aus. Mittels eines Hartmann-Shack-Sensors (HSS)
können die Abweichungen von der ebenen Wellenfront gemessen werden, und damit die
aktuelle Wellenfront sowie auch die Form der Hornhaut errechnet werden.
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Bei der Anwendung als Aberrometer, welches die Aberrationen über das gesamte optische
System messen kann, wird der einfallende Strahl auf der Retina gebündelt. Diese Punkt dient
dann als eigentliche Lichtquelle der Messung.
Zum besseren Verständnis und der Bedeutung für die refraktive Hornhautchirurgie
angemessen, werden der Aufbau der HSS und die theoretischen Grundlagen genauer erläutert.
Der HSS besteht aus einer Anordnung von Mikrolinsen, die jede einen Teil der austretenden
Wellenfront auf einen CCD-Chip fokussiert. Dieses Linsenarray entsteht aus zwei identischen
Schichten zylindrischer Linsen, welche um 90° gegeneinander vorschoben sind, so dass sich
eine zweidimensionale Schicht sphärischer Linsen ergibt. Eine typische Anordnung besteht
aus 15 x 15 Linsen mit einer Brennweite von 170 mm.
Diese Anordnung ermöglicht es, die Abweichungen auf dem CCD-Chip zu messen, die von
der aus dem Auge austretenden Wellenfront gegenüber einer ebenen Welle entstehen.
Diese Abweichungen stellen die Aberration W(x,y) des Auges dar. Aus den detektierten
Verschiebungen ergibt sich die lokale Steigung der austretenden Welle, die gleich der
Steigung der Aberrationsfunktion W ist. Es gilt nämlich:
(3.1a)
∂W ( X , Y ) ΔX
=
∂X
f
(3.1.b)
∂W ( X , Y ) ΔY
=
,
∂Y
f
mit den Verschiebungen ΔX, ΔY und der Brennweite f.
Um aus den ermittelten Steigungen die Wellenfront zu erhalten, wird für diese folgender
Ansatz gemacht:
(3.2)
14
W ( X , Y ) = ∑ Ci Z i ( X , Y ) ,
i =0
wobei Zi(X,Y) die Zernike-Polynome darstellen und Ci die zugehörigen ZernikeKoeffizienten. Es folgt nämlich aus der Theorie der Aberrationen, dass sich eine
Aberrationsfunktion als Reihe aus einem vollständigen Satz von orthogonalen Polynomen
darstellen lässt (s. z. Bsp. Born-Wolf). Dabei stellen die Zernike-Polynome n-ter Ordnung die
Abbildungsfehler gleicher Ordnung dar. Der zugehörige Koeffizient ist dann ein Maß dafür,
wie stark der jeweilige Fehler auftritt.
In der hier verwendeten Darstellung, die von der konventionellen abweicht, wird nur bis zur
der Ordnungen entwickelt, die mit den gewöhnlichen Aberrationen übereinstimmt.
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Aus (3.1) und (3.2) ergibt sich dann
(3.3)
∂Z ( X , Y )
∂W ( X , Y ) 14
; α = X,Y .
= ∑ Ci i
∂α
∂α
i =0
Dieses Gleichungssystem lässt mit einer Ausgleichsrechnung nach den Koeffizienten Ci
lösen, woraus man dann die aus dem Auge austretende Wellenfront erhält.
Sowohl die Detektion der Abweichungen mit dem CCD-Chip als auch die Berechnung erfolgt
elektronisch.
Es zeigt sich, dass der Großteil der Abbildungsfehler des menschlichen Auges durch die
Aberrationen zweiter Ordnung (Defokus, Astigmatismus) generiert wird. In folge dessen führt
eine Korrektur dieser Fehler zur einer besseren Abbildungsqualität.
Der Vorteil der wellengesteuerten Topographie wie auch der Aberrometrie besteht darin, dass
sich eine genaue, ortsaufgelöste Darstellung der austretenden Wellenfront ergibt. Die
Darstellung dieser als Wellenfrontkarte ermöglich es dem Arzt fest zustellen, welchen Teil
der Hornhaut er entfernen muss, um eine bestmögliche Sehschärfe zu erhalten. Neue
Verfahren gestatten es, die Ergebnisse der Wellenfrontanalyse direkt an den Laser zu
übermitteln. so dass die optische Oberfläche optimiert werden kann.
4. Laser – Gewebe - Wechselwirkung als Anwendung in der Hornhautchirurgie
Um die Hornhaut geeignet mit Laserstrahlung behandeln zu können, ist die Kenntnis über die
Art der Wechselwirkung mit dem Gewebe unerlässlich. An dieser Stelle werden kurz
grundlegende Kenntnisse aufgeführt, die in späteren Kapitel geeignet ergänzt werden.
In der Hornhautchirurgie sind die wichtigsten Arten der Wechselwirkung Photoablation und
plasmainduzierte Wechselwirkung.
Die Photoablation tritt bei der Verwendung von Excimer-Laserpulsen mit Pulsdauern im
Nanosekundenbereich auf. Durch die Absorption energiereicher Photonen kommt es zu einer
elektronischen Anregung von Gewebemolekülen, welche zu einem Aufbrechen der
Bindungen führt. Typische Energien sind 5 – 7 eV. Um die geeigneten Energiedichten zu
erreichen, können die Laserstrahlen gebündelt werden.
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Die energiereichen Fragmente werden aus dem Laserfokus herausgeschleudert. Bei hohen
Energiedichten ist der Vorgang explosionsartig mit nachfolgenden Effekten ähnlich dem
optischen Durchbruch. Es findet dennoch auch bei geringeren Energiedichten eine
Gewebeabtragung statt.
Für die Ablationstiefe ergibt sich ein Schwellenverhalten in Abhängigkeit von der
Energiedichte. Es muss zunächst ein Schwellenwert an Energie erreicht werden, der für die
Aufspaltung der Moleküle notwendig ist. Mit zunehmende Energiedichte steigt die
Ablationstiefe an, bis sie einen oberen Sättigungswert erreicht. Hierbei handelt es sich um die
Schwelle zur Plasmabildung. Höhere Energien führen nun nur zu einem Aufheizen des
Plasmas.
Licht höherer Wellenlänge besitzt eine geringere Photonenenergie, so dass dieses nicht zum
direkten Aufbrechen der intermolekularen Verbindungen verwendet werden kann. Ebenso ist
die Hornhaut auch transparent für diese Art von Licht. Um dennoch einen Gewebeabtrag zu
erhalten, wird dieses auf oder im Gewebe in Form von kurzen Pulsen stark fokussiert. Der
Fokusdurchmesser entspricht dabei in etwa der Wellenlänge.
Dadurch entstehen lokal derart hohe elektrische Feldstärken, die durch Multiphotonkopplung
zur Bildung eines Plasmas führen. Man spricht dann von Laser induziertem optischen
Durchbruch (LIOB: laser induced optical breakdown). Dieses aufgeheizte Plasma dehnt sich
mit Überschallgeschwindigkeit aus und führt dadurch zu dem erwünschtem Gewebeabtrag
(Plasmainduzierte Ablation).
Verringert sich die Plasmaausbreitung, so entstehen im Gewebe Schockwellen, die Energie
verlieren und sich in akustische Wellen verwandeln.
Die adiabatische Expansion des Plasma findet auf einer Zeitskala statt, die klein ist im
Vergleich zur thermischen Diffusion, so dass die Zone thermischer Zerstörung stark
eingeschränkt ist. Diese ist etwas größerer als der Fokus.
Beim Abkühlen verdampft das Plasma ein geringes Gewebevolumen, welches zur Bildung
von Kavitationsblasen führt. Diese Blasen können beim Auftreffen auf andere Strukturen zu
einer Jet-Bildung führen, die dann ebenfalls zu einer Zerstörung von Gewebe führt.
Der primäre Abtragungsmechanismus ist Plasmabildung und -ausdehnung. Die Schockwellen,
Kavitationsblasen und Jets sind unerwünschte sekundäre Prozesse (Plasmadisruption). Deren
Zerstörungsbereich skaliert sich mit E1/3, d.h. durch Verringerung der eingestrahlten Energie
können die sekundären Prozesse reduziert werden. Um den optischen Durchbruch zu
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erreichen muss eine Schwellenenergie erreicht werden. Diese fällt allerdings mit
abnehmender Pulslänge τ.
Es gilt nämlich:
(4.1)
E ~ τ1/2 ,
bis τ in der Größe von Femtosekundenpulsen. Der Gewebeabtrag ist additiv aus den einzelnen
Pulsen.
Für die chirurgische Anwendung werden also kurze Pulse geringer Energie und höher
Repetitionszeiten verwendet, um den gewünschten Gewebeabtrag zu erhalten. Dieser kann
sowohl an der Oberfläche der Cornea wie auch innerhalb der Gewebes erfolgen.
5. Refraktive Hornhautchirurgie
Da die Hornhaut den größten Beitrag zur Brechkraft des Auges liefert, führen Änderungen
ihrer Form zu einer veränderten Abbildungsqualität. Dies bedeutet, dass durch chirurgische
Eingriffe an der Cornea die Abbildungsfehler des menschliche Auges verringert werden
können. Man spricht dann von refraktiver Hornhautchirurgie. Wie bereits erwähnt, gilt dies
hauptsächlich zur Korrektur von Myopie, Hyperopie und Astigmatismus.
Es haben sich im Laufe der Zeit verschieden Methoden entwickelt, bei welchen die
Verwendung von Lasern unerlässlich ist. Als solche sollen hier die photorefraktive
Keratektomie (PRK) und die Laser-in-situ-Keratomileusis (LASIK) vorgestellt werden.
5.a. Photorefraktive Keratektomie (PRK)
Mittels eines ArF-Excimer-Lasers wird Stromagewebe entfernt, so dass sich die Form der
Hornhaut je nach Therapiezweck ändert. Dabei wird auch ein Großteil der Bowman-Membran
abgetragen, welches nicht wieder nachwachsen kann.
Zum Aufbau des Excimer-Lasers:
Bei Excimeren handelt es sich um Moleküle, die nur im angeregten Zustand existieren
können. Hierbei handelt es sich typischerweise um Edelgashalogenide. Nach kurzer Zeit
(einige ns) zerfallen diese dann wieder. Für die Anwendung als Lasersystem bedeutet dass,
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das allein durch die Bildung der Excimere eine Besetzungsinversion vorliegt. Damit liegt
bereits ein Laser-fähiges System vor.
Die Excimere entstehen durch Hochspannungsentladung innerhalb eines Gasgemisches aus
Edelgasen und Halogen sowie eines Puffergases.
Die hauptsächlichen Reaktionskanäle sind:
R+ + X- + M → RX* + M
R* + X2 → RX* + X
Hierbei bezeichnet R das Edelgas, X das Halogenatom und M das Puffergas. Letzteres dient
als Stoßpartner zur Gewährleistung von Impuls- und Energieerhaltung.
Typische Leistungsdichten der Entladung liegen im Bereich von 200 MW/L. Da sich solche
Leistungen nicht über längere Zeit aufrecht halten lassen, sondern durch eine
Glimmendladung zusammen brechen, ist der austretende Laserstrahl gepulst. Typischerweise
beträgt die Pulsdauer 10 – 30 ns.
Die austretende Laserstrahlung besteht aus einer hohen Anzahl von Moden, was zur folge hat,
das der Strahl nur schwach fokussiert werden kann. Somit sind für den klinischen Einsatz
geeignete Blenden zu verwenden.
Die Wellenlänge des ArF-Excimer-Lasers beträgt 193 nm, liegt also somit im fernen
ultraviolettem Spektrum. Licht dieser Wellenlänge hat eine hohe Absorption in den
Hornhautgewebschichten.
Der ArF-Excimer-Lasers emittiert Photonen mit einer Energie 6,4 eV. Dieser Wert entspricht
etwa der Bindungsenergie von organischen Stoffen. Die maximale Ablationstiefe, die mit
diesem Lasertyp erreicht werden kann, ist ca. 1 μm pro Puls für eine Energiedichte von
1 J/cm2.
Aus den Eigenschaften des Excimer-Laser folgt, dass dieser nicht im Gewebe fokussiert
werden kann. Um an das Stroma zu gelangen, müssen somit die darüber liegenden Schichten
entfernt werden. Dafür wird das Epithelgewebe zunächst mechanisch abradiert, so dass die
Bowman-Schicht das erste zu entfernende Gewebe ist. Dies geschieht, da das Entfernen des
Epithels mit Laserstrahlung einer höheren Energie bedarf als die Bowman-Schicht und das
Stroma. Der Grund liegt in der inhomogenen Struktur dieser äußersten Schicht. Die darunter
liegende Bowman-Schicht ist dem gegenüber viel homogener, so dass diese mit geringeren
Energiedichten entfernt werden kann.
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Für typische Ablationstiefen von 0,3 – 0,5 μm pro Puls werden Energiedichten von etwa
200 – 400 mJ/cm2 verwendet. Die Repetitionsrate beträgt ca. 10 – 20 Hz. Die Pulslänge für
der ArF-Excimer-Laser ist 14 ns. Um die Bowman-Schicht (8 – 14 μm) zu entfernen sind
somit in etwa 10 –20 Pulse erforderlich.
Der eigentliche Abtragungsvorgang bezieht sich auf das Stroma. Diese dickste Schicht in der
Cornea erlaubt einen großflächigen Abtrag an Gewebe. Es gilt als Faustformel, dass ein
Abtrag von 4 –6 μm zu einer Änderung von einer Dioptrie führt.
Bei der Korrektur von Myopie wird hauptsächlich Gewebe in der zentralen optischen Zone
der Hornhaut entfernt. Dadurch wird diese flacher, d.h. der Krümmungsradius wird geringer
und die Brechkraft reduziert. Die Gewebeablation erfolgt auf einer Fläche von 3 – 5 mm.
Zur Hyperopiekorrektur wird Gewebe am äußeren Rand der Hornhaut abgetragen, wodurch
diese steiler und die Brechkraft erhöht wird
Astigmatismen lassen sich durch eine Änderung des vertikalen bzw. horizontalen
Krümmungsradius behandeln.
Der abzutragende Bereich wird durch den gezielten Einsatz geeigneter Blenden von dem
Laserstrahl getroffen.
Die Hauptanwendung der PRK bezieht sich auf die Myopiekorrektur, so dass hierfür klinische
Daten vorliegen. Die besten Ergebnisse werden für Myopien bis zu – 6 dpt erreicht.
In 85 – 95 % der Fälle wird der angestrebte Wert in einem Jahr nach Durchführung der
Operation auf ± 1 dpt erzielt. Für höhere Myopien wird die LASIK herangezogen.
Nach Behandlung tritt eine Pseudomembran auf. Dabei handelt es sich um ein
Proteinkondensat der abgetragenen Hornhautoberflächenanteile. Diese 0,3 bis 0,5 μm dicke
Schicht entsteht durch thermische Wechselwirkung bei der Laserbehandlung. Sie überzieht
die neu geschaffene Oberfläche und dient dem nachwachsende Epithelgewebe als Leitschiene.
Die Regeneration der äußersten Schicht dauert allerdings länger als auf einer intakten
Bowman-Schicht, welche selbst nicht wiederhergestellt wird. Nach einigen Tagen
verschwindet die Pseudomembran wieder, so dass sie nicht als bleibender Ersatz für die
Bowman-Schicht dient.
Neben dem Verlust der Bowman-Schicht, welche die Hornhaut mitstabilisiert, kann es zu
einer Hornhauttrübung (Corneal Haze) kommen, welche wohl durch die Verwendung von
UV-Strahlung entsteht. Diese Trübung ist noch nach Jahren fest zu stellen. Die UV-Strahlung
ruft zytotoxische und mutagene Nebenwirkungen hervor. Allerdings ist bekannt, dass die
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Absorption von der Wellenlänge 193 nm in DNA und RNA gering ist. Die genaue
Auswirkungen sind noch nicht voll bekannt.
Die Abtragung von Epithel und Bowman-Schicht wird zudem als schmerzhaft empfunden und
birgt mögliche Narbenbildung in sich. Um diese Narbenbildung zu vermeiden, wird über
längere Kortison verabreicht, was wiederum den Augeninnendruck erhöht.
Anhand dieser Nachteile ist offensichtlich, dass andere Verfahren zur Hornhautkorrektur
notwendig sind.
5.b. Laser-in–situ–Keratomileusis (LASIK)
Ein Verfahren, welches die Bowman-Membran erhält, ist die Laser-in-situ-Keratomileusis
(LASIK). Hierbei wird mittels einer Diamantklinge, dem Mikrokeratom, eine oberflächliche
Hornhautlamelle (Flap) unvollständig abgeschnitten. Dieser ca. 150 μm Flap ist über einen
kleinen Steg immer noch mit der restlichen Hornhaut verbunden. Dieser wird dann
umgeklappt, so dass das Stroma offenliegt. Mit einem ArF-Excimer-Laser wird nun das
erwünschte Hornhautprofil modelliert. Ist dieser Vorgang beendet, wird der Flap wieder
zurückgeklappt und fixiert sich über Adhäsionskräfte selbst. Nach einigen Tagen ist dieser
wieder fest angewachsen.
Typische Energiedichten sind 120 – 600 mJ/cm2.
Mit diesem Verfahren lassen sich auch Myopien höheren Grades(6 – 12 dpt) behandeln.
Durch die Erhaltung der Bowman-Memebran ist der Vernarbungsprozess stark reduziert. Der
Eingriff ist zu dem weniger schmerzhaft.
Bei der LASIK handelt es sich um die heute am häufigsten verwendete Methode der
Hornhautkorrektur. In der Anwendung unterscheitet man zwischen konventioneller und
wellengesteuerter LASIK.
Bei der konventionellen LASIK nimmt der Augenarzt eine subjektive Refraktionsbestimmung
durch. Diese wird durch Messung eines Aberrometers und durch Hornhauttopographie
ergänzt. Mit dem Patienten wird dann das Endziel des Eingriffes besprochen.
Bei der wellengesteuerten LASIK werden die Ergebnisse verwendet, die bei der
Wellenfrontanalyse erhalten worden sind. Ziel ist die bestmögliche Fernkorrektur des
Patientenauges. Das sich ergebende Abtragungsprofil wird dann an den Excimer-Laser
übertragen. Diese neuere Methode ist dann am sinnvollsten, wenn Aberrationen höherer
Ordnung vorliegen. Sind diese sehr gering, wird das konventionelle Verfahren angewendet.
Erste klinische Daten zeigen, dass die wellengesteuerte LASIK gegenüber der
konventionellen eine höhere Sehleistung liefert.
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Nachteilig bei der LASIK ist die Verwendung des Mikrokeratoms, dass nur eine begrenzte
Genauigkeit besitzt. Ebenso ist die Verwendung des Excimer-Lasers zu nennen. Es wäre
wünschenswert, das mechanische Aufschneiden durch ein lasergesteuertes Verfahren zu
ersetzen bzw. den invasiven Eingriff ganz zu vermeiden. Dafür eigenen sich Lasersysteme,
die Licht aus dem Infraroten emittieren und kurze Pulslängen besitzen. Dadurch lässt sich
auch der Einsatz von Excimer-Lasern vermeiden.
5.c. Femtosekundenlaser / Intrastromale Ablation und LASIK
Die heute neusten Methoden zur Hornhautkorrektur verwenden Femtosekunden-Laser. Bei
Pulslängen der Größenordnung 10-14 – 10-13 s können Energien von nur wenigen Nanojoule
verwendet werden. Das führt zu Fokusdurchmessern von 5 μm und einem begrenzten
Wechselwirkungsbereich. Schäden durch sekundäre Effekte sind fast völlig auszuschließen.
Erzeugung ultrakurzer Pulse:
Die Erzeugung von ultrakurzen Pulsen geschieht durch Modenkopplung.
Besitzt ein Laser eine relativ große Bandbreite des Laserübergangs, d.h. ein breites
Verstärkungsprofil, so können zahlreiche longitudinale Resonatormoden simultan schwingen.
Haben diese Moden die selbe Amplitude E0 und eine feste Phasenbeziehung, so Überlagern
sie sich derart, dass kurze Pulse entstehen. Es ergibt sich dann
(5.1)
E (t ) =
n
∑E
q =− n
= E0 ⋅
0
[
]
exp{2iπ (υ 0 + qΔυ q ,q +1 )t + qφ }
[
sin ( 2n + 1)(2πΔυ q ,q +1t + φ ) / 2
[
sin ( 2πΔυ q ,q +1t + φ ) / 2
]
] ⋅ exp(2iπυ t ) ,
0
mit dem festen Phasenwinkel Φ und dem Frequenzabstand benachbarter Moden
Δυq,q+1 = c/2L. Diese so entstandenen Pulse haben eine Repetitionszeit τP = 2L/c. Die
Pulslänge ergibt sich aus der Bandbreite Δυ; es gilt dann ΔτP ≈ (Δυ)-1.
Verwendet man zur Kopplung elektronische Schaltungen, so handelt es sich um aktive
Modenkopplung; werden nicht-lineare Effekte in Materie benutzt, so spricht man von passiver
Modenkopplung.
Es gibt zwei große Anwendungsmöglichkeiten dieser Laser-Systeme: das präzise Schneiden
von Flaps und die intrastromale Ablation.
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Bei der LASIK ist derjenige Schritt, welcher zu den größten Problemen führt, das Schneiden
des Flaps. In 5 % der Eingriffe treten intraoperative und postoperative Komplikationen bei
dem mechanischen Aufschneiden der Cornea auf. Bei den intraoperativen Problemen handelt
es sich u.a. um unvollständige Schnitte oder um eine unterschiedliche Form der Lamelle. Es
kann auch dazu kommen, dass sich die Lamelle vollständig von der Hornhaut löst.
Postoperativ kann es dazu kommen, dass das Epithel ins Stroma hinein wächst.
Um diese,
durch
den
Gebrauch
des
mechanischen Mikrokeratoms
entstehenden
Komplikationen zu vermeiden, verwendet man stattdessen Femtosekundenlaser. Deren
Genauigkeit im Höhenprofil beträgt 12 μm bezogen auf eine 120 μm dicke Schicht.
Bei der Durchführung der LASIK wird ein Ti:Saphir-Laser verwendet, der Pulse von 75 fs im
80 MHz Betrieb liefert. Der Abstimmbereich liegt zwischen etwas mehr als 750 – 850 nm. Es
werden Pulsenergien von 1 – 3 nJ verwendet.
Um den Flap zu schneiden, wird das Auge mittels eines Ansaugringes fixiert. Am Ende des
Lasersystems befindet sich eine Kontaktlinse. Diese Linse kann so an dem Ansaugring
eingespannt werden, dass die Hornhaut durch diese abgeflacht wird. Dadurch ist das Auge
direkt mit dem Lasersystem verbunden. Damit wird gewährleistet, dass eine genaue
Brennebene für den Femtosekundelaser vorliegt.
In einer vorgegebenen Tiefe wird dann das Stroma spiralförmig verdampft. Es folgen
halbkreisförmige Schnitte mit abnehmender Tiefe, bis die Oberfläche erreicht ist. Nachdem
dies geschehen ist, werden Ansaugring und Kontaktglas entfernt, und die Lamelle angehoben.
Es folgt dann der Einsatz des Excimer-Lasers wie bei der klassischen LASIK.
Mit diesem Verfahren lassen sich Lamellen einheitlicher Dicke generieren. Die oben
angeführten Komplikationen treten hierbei nicht auf. Die angestrebte Verbesserung der
Sehleistung wird nahezu vollständig erreicht. Studien weisen darauf hin, dass der Einsatz von
Femtosekunden-Lasern zum Schneiden einer Schicht, wie dies hierbei geschieht, keinen
merklichen Gewebeabtrag liefert. Das bedeutet, dass dieser Eingriff bei der Erstellung des
Abtragungsprofils im Vorfeld nicht berücksichtig werden muss.
Eine zweite Anwendungsmöglichkeit für Femtosekunden-Laser ist die intrastromale Ablation.
Diese wurde bereits mit Pikosekunden-Lasern durchgeführt, und zeichnet sich diesen
gegenüber durch höhere Präzision aus. Es liegen noch keine größeren klinischen Studien für
dieses Verfahren vor.
Das Prinzip dieses Verfahren ist es, im Stroma durch Ablation Hohlräume zu erzeugen,
welche dann nach kurzer Zeit zusammen brechen, und somit die Form der Hornhaut ändern.
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Hornhautkorrektur mit Lasern
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Der Vorteil hierbei ist, dass die äußeren Schichten unangetastet bleiben, was die Wundheilung
und Narbenbildung minimiert.
Dazu wird der Laser in einer Tiefe von 120 μm fokussiert und in dieser Schicht eine Fläche
bestimmter Größe abgetragen. Durch Variation der Tiefe lassen sich dann beliebig große
Hohlraum erzeugen.
Während der Durchführung werden kleine Gasblasen erzeugt; Photodisruption ist jedoch
nicht zu erkennen. Diese Blasen verschwinden nach kurzer Zeit. Der Zusammenbruch der
Hohlräume findet nach ca. 1 Stunde statt. Nach 4 – 7 Tagen sind keinerlei Hohlräume mehr
zu erkennen. Nach 90 Tagen weist das Gewebe keinerlei Veränderung mehr auf. Während der
gesamten Heilphase wird die Transparenz der Hornhaut erhalten.
6. Weitere Anwendungen von Lasern in der Ophthalmologie
Laser finden nicht nur in der refraktiven Hornhautchirurgie einen Einsatz. Auch für andere
therapeutische Maßnahmen werden Laser in der Augenheilkunde verwendet. Daher sollen
zum Abschluss kurz noch andere Anwendungen vorgestellt werden.
Häufige Anwendung findet der Argon-Ionen-Laser, um Löcher in der Netzhaut zu schließen
und die sich ablösende Netzhaut zu fixieren. Dafür wird die grüne Emissionslinie (514,5 nm)
verwendet. Bei Einwirkzeiten von 0,1 – 1 s und mittleren Leistungen von 0,1 – 1 W wird
Gewebe koaguliert. Dadurch wird die Netzhaut mit der darunter liegenden Aderhaut
verschweißt.
Der Nd:YAG-Laser (1064 nm) wird bei der Nachstaroperation angewendet. Bei grauem Star
(Katarakt) trübt sich die Linse so stark, dass diese operativ entfernt werden muss und durch
eine Kunstlinse ersetzt wird. Nach dem Eingriff bildet sich häufig eine trübe
Nachstarmembran. Diese Membran kann durch Photodisruption zerstört werden. Dafür
werden 30 ns – Pulse mit einer Pulsenergie von etwa 5 mJ und Fokusgröße von 50 μm
verwendet. Neuere Methoden verwenden Pikosekunden-Nd:YAG-Laser zur direkten
Zerstörung und Verflüssigung der Linse.
Sowohl der Nd:YAG-Laser wie auch der Argon-Ionen-Laser können ebenfalls bei der
Therapie von grünem Star (Glaukom) herangezogen werden. Bei dieser Erkrankung ist der
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Augeninnendruck (normalerweise 12 – 22 mmHg) stark erhöht. Dieser kann bis zu 60 mmHg
ansteigen. Dies liegt daran, dass das Kammerwasser nicht richtig abfließen kann. Das
Kammerwasser wird in den Ziliarfortsetzen gebildet, fließt zwischen Iris und Linse durch die
Pupille und dann über das Trabekelwerk im Kammerwinkel über der Schlemm`schen Kanal
ab. Im Fall des Glaukoms ist dieser Abfluss gestört.
Beim akuten Glaukom liegt ein erhöhter Druckgradient vor. Dann wird eine Iridotomie
durchgeführt. Dabei wird ein Loch in die Iris gebohrt, so dass das Kammerwasser abfließen
kann. Dafür reichen mit dem Nd:YAG-Laser etwa 20 Pulse mit Energien von 1 – 3 mJ.
Im primärchronischen Fall wird eine Trabekuloplastik durchgeführt. Dafür werden mit einem
Argon-Ionen-Laser mehrer kleine Narben im Trabekelwerk erzeugt. Durch die folgende
Kontraktion des Gewebes öffnen die Verstopfungen des Trabekelwerks und ermöglichen den
Abfluss des Kammerwassers. Für die Operation werden ca. 100 Einschüsse mit einer
Fokusgröße von je 50 μm verwendet. Die Expositionszeit beträgt 0,1 s. Langzeitstudien
zeigen, dass bei einem Innendruck unter 35 mmHg gute Ergebnisse erzielt werden können.
Literaturliste:
An dieser Stelle wird die in jedem Kapitel verwendeten Literatur in alphabetischer
Reihenfolge angegeben.
zu Kapitel 1:
- Bille, Schlegel; Medizinische Physik 3: Laserphysik; Springer-Verlag 1999-2005
- Lang; Augenheilkunde: Verstehen – Lernen – Anwenden; Georg Thieme Verlag
- Leydhecker, Grehn; Augenheilkunde; Springer -Verlag
zu Kapitel 2:
- Bille, Schlegel; Medizinische Physik 3: Laserphysik; Springer-Verlag 1999-2005
- Deetjen, Speckmann; Physiologie; Urban & Schwarzenberg 1992
zu Kapitel 3:
- Bille, Schlegel; Medizinische Physik 3: Laserphysik; Springer-Verlag 1999-2005
- Born, Wolf; Principles of optics; Pergamon press; 1991
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- Kawara; “Corneal topography using moiré contour fringes”; Applied Optics 18; pp. 3675 –
3678; 1979
- Liang, Grimm, Gölz, Bille; “Objective measurement of wave aberrations of the human eye
with the use of a Hartmann-Shack wave-front sensor”; J. Opt. Soc. Am. A 11; pp. 1949 –
1957; 1994
- Warnicki et al.; “Corneal topography using computer rasterstereographic images”; Applied
Optics 27; pp. 1135 – 1140; 1988
zu Kapitel 4:
- Bille, Schlegel; Medizinische Physik 3: Laserphysik; Springer-Verlag 1999-2005
- Loesel, Niemz, Bille, Juhasz; “Laser-induced optical breakdown on hard and soft tissue and
its dependence on the puls duration“; IEEE J. Quantum Electron. 32; pp. 1717 – 1722; 1996
- Puliafito, Steinert; “Short-pulsed Nd:YAG laser microsurgery of the eye: biophysical
considerations“; IEEE J. Quantum Electron. 20; pp. 1442 – 1448; 1984
- Vogel et al.; “Intraocular Nd:YAG laser surgery: Light-tissue interaction, damage range, and
reduction of collateral effects”; IEEE J. Quantum Electron. 26; pp. 2240 – 2260; 1990
zu Kapitel 5:
- Bille, Schlegel; Medizinische Physik 3: Laserphysik; Springer-Verlag 1999-2005
- Juhasz et al.; “Corneal refractive surgery with femtosecond lasers”; IEEE J. Selec. Top.
Quantum Electron. 5; pp. 902 – 910; 1999
- Juhasz et al.; “Femtosecond laser eye surgery: The first clinical experience”; Commercial
and Biomedical Applications of Ultrafast and Free-Electron Lasers, pp. 1 – 10; 2002
- Lang; Augenheilkunde: Verstehen – Lernen – Anwenden; Georg Thieme Verlag
- Leydhecker, Grehn; Augenheilkunde; Springer -Verlag
- Kermani, Lubatschschowski; „Photoablative refraktive Chirurgie“; Z. prakt. Augenheilkund.
11; S. 208 – 222; 1990
- Kneubühl, Sigrist; Laser; B.G. Teubner; 1991
- König, Wang, Rieman, Kobow: „Cornea surgery with nanojoule laser pulses“; Ophthalmic
Technologies XV; pp. 288 – 293; 2005
zu Kap. 6:
- Bille, Schlegel; Medizinische Physik 3: Laserphysik; Springer-Verlag 1999-2005
- Deetjen, Speckmann; Physiologie; Urban & Schwarzenberg 1992
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