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2 Biologische Grundlagen

Optische Strahlung von Lasern und konventionellen Lichtquellen unterscheidet sich nicht grundsätzlich in ihren biologischen Wirkungen. Durch die starke Bündelung der Laserstrahlung können jedoch so hohe Intensitäten (Bestrahlungsstärken bzw. Bestrahlungen) erreicht werden, dass damit spezielle Gewebereaktionen hervorgerufen werden können,die besonders für medizinisch-therapeutische Anwendungen ausgenutzt werden. Generell hängen die Gewebereaktionen von zwei Eigenschaften ab, zum einen von den Bestrahlungsparametern der Laserstrahlung selber, wie Leistungs-/Energiedichte, Wellenlänge und Impulsdauer, zum anderen von den "optischen" Eigenschaften des Gewebes, wie vor allem Reflexion, Streuung und Absorption.

2.1 Primärreaktionen

Wenn Laserstrahlung auf die Gewebeoberfläche fällt, wird dabei ein Teil der Strahlung reflektiert. Der Anteil der Reflexion hängt im Wesentlichen von der Oberflächenrauheit, aber auch von den Gewebeveränderungen ab, die durch die Laserbestrahlung selbst am Gewebe hervorgerufen wurde (z.B. denaturiertes Eiweiß).

Sobald die Laserstrahlung in das Gewebe eingedrungen ist, wirkt sie auf die molekularen und zellulären Gewebestrukturen. Die Strahlausbreitung wird nur in untergeordnetem Maße von der Reflexion, wie z.B. an Schichten mit unterschiedlichen Brechzahlen, bestimmt. Der größte Teil der Strahlung wird durch die Gewebebestandteile und -strukturen aus der Ausbreitungsrichtung abgelenkt (gestreut). Als Richtwert für die meisten Gewebearten gilt, dass auf etwa 100 bis 1000 Streuprozesse, abhängig von der Wellenlänge, ein Absorptionsprozess erfolgt. Findet diese Streuung ohne Energieverlust statt (elastische Streuung), hängt es insbesondere von den Abmessungen der streuenden Strukturen (Moleküle, zelluläre Organisation usw.) in Bezug auf die Wellenlänge ab (Abnahme der Streuung mit zunehmender Wellenlänge), wie stark und in welcher Richtung die Strahlung bevorzugt gestreut wird, z.B. auch in rückwärtige Richtung.Zusammen mit ebenfalls rückwärtig orientierten Reflexionen an Gewebeschichten unterschiedlicher Brechzahlen kann bei Dauerstrichbetrieb durch Überlagerung in geringer Gewebetiefe die Bestrahlungsstärke der Laserstrahlung sogar höher sein als die des einfallenden Strahles selbst (bis zu 2-4- fach erhöht). Als Folge von Streuprozessen kommt es zu Phasenverschiebungen und daher mit zunehmender Anzahl zu einer steigenden Störung der Kohärenz. Im Experiment konnte gezeigt werden, dass die Kohärenzlänge im Gewebe unter 1 mm liegt [Ham 94]. Aufgrund der in tieferen Gewebeschichten nicht mehr nachweisbaren Kohärenz liegt daher der Schluss nahe, dass die Kohärenz keine oder eine nur untergeordnete gewebespezifische Bedeutung hat.

Das spricht auch gegen die Hypothese, nach der "kohärente Photonen" auf die intrazelluläre Signalübertragung Einfluss nehmen.

Damit es zu einer Gewebereaktion kommen kann, muss die Laserstrahlung im Gewebe absorbiert werden. Die damit verbundenen zeitlichen Abfolgen photophysikalischer und biologischer Reaktionen sind in Tabelle 2 aufgeführt [Sch 92].

Tab. 2: Zeitliche Abfolge photophysikalischer und biologischer Reaktionen

Die Gewebeausdehnung, innerhalb derer eine solche Reaktion stattfinden kann,wird einerseits durch die Streuung der Laserstrahlung im Gewebe bestimmt,andererseits hängt es auch von der jeweiligen Wellenlänge der Laserstrahlung ab, wie tief diese von einem vorgegebenen Punkt in das umliegende Gewebe eindringt, bis die Bestrahlungsstärke soweit reduziert ist, dass keine Gewebereaktion mehr stattfinden kann. Auf der Grundlage obiger Primärreaktionen hat sich für die vornehmlich auftretenden thermischen Gewebsreaktionen in erster Näherung der Ansatz durch das Lambert-Beersche Gesetz bewährt:

E (r,z) = E (r) e^{- µz},

wobei E (r) die radiale Bestrahlungsstärkeverteilung, z die Entfernung von der Strahlenquelle und µ der Absorptionskoeffizient(bzw. 14 µ = z_e, mittlere Eindringtiefe)darstellen. Die Gleichung ist jedoch im Allgemeinen nicht erfüllt, da der wichtige Parameter g wegen der Heterogenität des Gewebes keine Konstante ist und sich darüber hinaus während der Bestrahlung ändern kann. Der Einfluss der elastischen Streuprozesse auf die Bestrahlungsstärkeverteilung E (r,z) ist weiterhin nur bei starker Absorption vernachlässigbar, bei großen Eindringtiefen wird er jedoch entscheidend und muss berücksichtigt werden.

Für die Bestandteile des Gewebes ist das Absorptionsverhalten in Abhängigkeit der Wellenlänge in Abbildung 2 dargestellt. Im kurzwelligen und langweiligen Bereich wird die Absorption durch die Körperflüssigkeit Wasser, im sichtbaren Bereich und angrenzenden nahen Infrarot durch das Hämoglobin und Melanin bestimmt [Bou 86].

Abb. 2: Absorptionsspektren von Wasser, Hämoglobin und Melanin [Bou 86]

Darstellung des molaren Extinktions-Koeffizienten für HbO₂und Melanin bzw. des Absorptionskoeffizienten für Wasser in Wellenlängenabhängigkeit