Folien

Martin Schroer
Hornhautkorrektur mit Lasern
Seminar „Medizinphysik“ WS 06/07
Prof. Suter
Martin Schroer
Seminar „Medizinphysik“ WS 06/07
Prof. Suter
Gliederung
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•
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)
•
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•
•
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.