Ablationsmechanismen von biologischem Hartgewebe bei Bestrahlung mit kurzgepulsten CO2-Lasern

In dieser Arbeit wurde der thermomechanische Ablationsprozess von Knochen mit CO2 Lasern erforscht und daraufhin die unterschiedlichen Laserparameter so optimiert, dass ein Schneiden von Hartgewebe mit CO2 Lasern effektiv und ohne thermische Schadigung moglich wird. Auf der Basis dieser Optimierung wurde ein CO2 Lasersystem entwickelt, das als Prototyp im Operationssaal einsetzbar ist und bereits in Tierversuchen erfolgreich verwendet wurde. Bei den Experimenten der wellenlangeabhangigen Ablation von Hartgewebe wurde festegestellt, dass fur kurze Pulse (40 ns FWHM) die Ablation deutlich effektiver bei der 9,6 µm Linie als bei der 10,6 µm Linie erfolgt. Bei langeren Pulsen (215 µs FWHM) verschwindet aber der Vorteil der Linie 9,6 µm gegenuber der Linie 10,6 µm bei der Ablation von Knochen. Dies liegt daran, dass die Wellenlangeabhangigkeit der Ablation verschwindet, wenn die thermische Relaxationszeit kurzer als die Pulsdauer ist. Diese Feststellung ermoglichte uns eine breitere Auswahl der einsetzbaren Lasern. Experimente zur Abhangigkeit des Ablationsprozesses von der Laserpulsdauer zeigten, dass sich die Effektivitat der Ablation und des Materialabtrages sehr unterschiedlich mit steigenden Laserschnitttiefen fur kurze (ca. 1 µs) und fur lange Pulsen mit 80-200 µs Dauer andern. Die kurzen Pulsen waren effektiver bei groser Schnitttiefe im Vergleich zu langeren Pulsen. An der Oberflache der Schnitte sind die langeren Pulse effektiver als die kurzen Pulse. Die Ursache dieses Ergebnisses liegt an den Mengen und der Verteilung der Ablationsprodukte (Debris). Diese ist an der Oberflache bei kurzen Pulsen dicht, wahrend sie bei langen Pulsen nicht so dicht ist und so den Rest des Pulses durchlasst. In der Tiefe bleibt die Debris bei kurzen Pulsen gleichmasig dicht, wahrend bei langen Pulsen sich die Debris im Schnittspalt sammelt und das Ankommen des gesamten Laserpulses verhindert. In weiteren Experimenten wurde die Wirkung des knocheneigenen Wassers und des vom ausen zugefuhrten Wassers auf den thermomechanischen Ablationsprozess untersucht. Durch Vergleich der Ablation vom getrockneten und frischen Knochen wurde die Beteiligung des knocheneigenen Wassers im Ablationsprozess nachgewiesen. Durch Kombination des Lasers mit einem 3D-Scanner und einem Spiegelgelenkarm konnte man ein relativ kompaktes geschlossenes Lasersystem entwickeln, das vom Computer aus gesteuert wird. Der computergesteuerte Strahlscanner ermoglicht das exakte Ausfuhren beliebig komplizierter Schnittgeometrien, die mit einer Sage nicht durchfuhrbar sind. Der aus diesem Lasersystem entwickelte Prototyp ermoglichte uns bereits den Transport und den flexiblen Einsatz des Systems im Operationssaal fur erste Tierversuche. Wahrend der in dieser Arbeit vorgestellten Tierexperimente wurden Laserschnitte an Hundeunterkiefer (mit dem Menschen ahnlicher Knochenkonstitution) durchgefuhrt. Die Ergebnisse zeigten erstmalig bei Tierversuchen eine besseren Heilungsprozess innerhalb von 3 Wochen nach einer Laserosteotomie der Knochen im Vergleich zu konventionellen Sageschnitten.