Medizinische Physik 3: Medizinische Laserphysik

Josef F. Bille, Wolfgang C. Schlegel9783540652557, 3540652558

Die medizinische Physik hat sich in den letzten Jahren zunehmend als interdisziplinäres Gebiet profiliert. Um dem Bedarf nach systematischer Weiterbildung von Physikern, die an medizinischen Einrichtungen tätig sind, gerecht zu werden, wurde das vorliegende Werk geschaffen. Es basiert auf dem Heidelberger Kurs für medizinische Physik. Die drei Bände vermitteln das für die Fachanerkennung als Medizinphysiker notwendige medizinische und physikalische Wissen. Im Band I werden die medizinischen, medizintechnischen und biomathematischen Grundlagen behandelt. Band II ist der medizinischen Strahlenphysik, Tomographie, Ultraschalldiagnose, Nuklearmedizin und dem Strahlenschutz gewidmet. Band III stellt Grundlagen und Anwendung der medizinischen Laserphysik und Optik vor.

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Table of contents :
Vorwort……Page 5
Inhaltsverzeichnis……Page 8
Mitarbeiter……Page 17
1.1.1 Physiologie des menschlichen Auges……Page 19
1.1.2 Das optische System des Auges……Page 20
1.1.3 Modelle des menschlichen Auges……Page 21
1.2.1 Auflösungsvermögen (Visus)……Page 23
1.2.2 Einfluss der Beugungseffekten……Page 24
1.2.3 Abbildungsfehler des menschlichen Auges……Page 27
1.2.4 Rezeptorendichte der Netzhaut……Page 28
1.3 Optische Qualität des Auges……Page 30
1.4.1 Messmethoden……Page 33
1.4.3 Ausblick……Page 39
1.5.1 Messmethoden……Page 40
1.5.2 Darstellung der Ergebnisse……Page 43
1.6.1 Einführung……Page 46
1.6.2 Die wellenfrontgesteuerte LASIK……Page 49
1.6.3 Erste klinische Ergebnisse der wellenfrontgesteuerten LASIK verglichen mit Daten der konventionellen LASIK-Methode……Page 51
1.6.4 Ausblick……Page 55
Literatur……Page 56
2.1 Eigenschaften von optischen Substraten……Page 57
2.2.1 Linsen……Page 59
2.2.3 Lichtfasern……Page 60
2.3.1 Metallische Beschichtungen……Page 62
2.3.2 Dielektrische Beschichtungen……Page 63
2.4.1 Polarisatoren……Page 64
2.4.3 Pockel-Zellen……Page 65
2.5 Lichtmodulatoren……Page 66
2.6.2 Charge-Coupled Devices (CCD)……Page 67
2.6.4 Streak-Kameras……Page 68
Literatur……Page 69
3.1.3 Das Huygens-Fresnel-Prinzip……Page 70
3.1.4 Die Beugung am Doppelspalt……Page 71
3.1.5 Die Beugung am Einzelspalt……Page 72
3.1.6 Die Beugung am Gitter……Page 73
3.2 Die Theorie der Beugung……Page 74
3.2.1 Das Beugungsintegral……Page 75
3.2.2 Das Babinet-Prinzip……Page 76
3.3 Die Fraunhofer-Beugung……Page 77
3.3.1 Die Berechnung einer rechteckigen Blende……Page 78
3.3.2 Die Beugung an einer kreisförmigen Blende……Page 79
3.4 Fresnel-Beugung……Page 83
3.4.1 Die Cornu-Spirale……Page 86
Literatur……Page 88
4.1.1 Interferenzfähigkeit des Lichts……Page 89
4.1.2 Zeitliche Kohärenz……Page 91
4.1.3 Räumliche Kohärenz……Page 93
4.2 Ausbreitung von Laserlicht: der Gauß-Strahl……Page 94
4.3.1 Elektromagnetische Welle im polarisierbaren Medium……Page 98
4.3.2 Klassisches Oszillatormodell: Absorption und Dispersion……Page 100
4.3.3 Verbindung zur Quantenmechanik und Lasertheorie……Page 101
Literatur……Page 103
5.1 Ausbreitung elektromagnetischer Wellen……Page 104
5.2.1 Dispersion……Page 105
5.3 Nichtlineare Wellenausbreitung……Page 108
5.3.1 Die nichtlineare Suszeptibilität……Page 109
5.3.2 Wichtige nichtlineare Prozesse……Page 111
5.4 Erzeugung von kurzen Laserpulsen……Page 114
5.5.1 Aktive Güteschaltung……Page 116
5.5.2 Passive Güteschaltung……Page 117
5.6.1 Aktive Modenkopplung……Page 118
5.6.2 Passive Modenkopplung……Page 120
5.7.1 Kompakter diodengepumpter modengekoppelter Laser……Page 122
Literatur……Page 123
6.1.1 Laserinduzierte Fluoreszenz (LIF)……Page 125
6.1.2 Zweiniveaumodell der LIF……Page 127
6.2.1 Absorption und Dispersion……Page 130
6.2.2 Absorptionsspektroskopie mit Lasern……Page 132
Literatur……Page 139
7.1.1 Nichtlineare Raman-Prozesse……Page 140
7.2 Nichtlineare Absorptionsspektroskopie……Page 145
7.2.1 DFWM……Page 146
7.2.2 Lasermassenspektroskopie……Page 148
Literatur……Page 149
8.1 Problemstellung……Page 150
8.2.1 Grundprinzip……Page 152
8.2.2 Konfokale Fluoreszenzmikroskopie……Page 153
8.2.3 Fluoreszenzmarkierungstechniken für die 3D-Mikroskopie des Genoms……Page 157
8.2.4 Dreidimensionale Digitale Bildverarbeitung……Page 158
8.2.5 Experimentelle Kalibrierungsmessungen……Page 161
8.2.6 Modelle zur Architektur von Zellkern und Chromosomen……Page 168
8.3.1 Ausdehnung individueller Chromosomenterritorien im Zellkern: Vergleich mit quantitativen Voraussagen……Page 171
8.3.3 Morphologie von Chromosomenterritorien……Page 172
8.3.4 Topologie der Chromosomenterritorien……Page 175
8.3.5 Dynamik der Kernarchitektur……Page 177
8.4.1 Bedeutung einer dreidimensionalen Kernarchitektur……Page 178
8.4.2 Weiterentwicklung der konfokalen Mikroskopie……Page 179
8.4.4 Weiterentwicklung von Computermodellen……Page 182
Literatur……Page 184
9.1 Grundlegendes zur Auflösung……Page 191
9.2.1 Das konfokale Fluoreszenzrastermikroskop……Page 194
9.2.2 Das Multiphotonenfluoreszenzrastermikroskop……Page 199
9.2.3 Anregung durch Ein- und Multiphotonenabsorption……Page 201
9.2.4 Limitierende Effekte in der Multiphotonenmikroskopie……Page 208
9.2.6 Anwendungsbeispiele der Multiphotonenmikroskopie……Page 210
9.2.8 Konfokale Multiphotonenmikroskopie……Page 214
9.3 Point-Spread-Function-Engineering als Ansatz zur Auflösungserhöhung im Fernfeldmikroskop……Page 215
9.3.1 Grundlagen der 4pi-konfokalen Mikroskopie……Page 216
9.3.2 Multiphotonen-4pi-konfokale Mikroskopie……Page 220
9.3.3 Höchstauflösung in lateraler Richtung: Neuere Konzepte……Page 224
9.4 Zusammenfassung und Ausblick……Page 225
Literatur……Page 226
10 Flusszytometrie……Page 227
10.1 Historie……Page 228
10.2 Allgemeiner Aufbau und Prinzip eines Flusszytometers……Page 229
10.3.2 Anregungsoptik……Page 232
10.3.3 Detektionsoptik……Page 235
10.3.4 Hydrodynamik von ” Jet-in-Air“-Tröpfchensortern……Page 237
10.4 Fluoreszenzmarkierung……Page 242
10.5 Slit-Scan-Analyse und Sortierung……Page 243
Literatur……Page 246
11.1 Optische Datenspeicherung und -wiedergabe bei CD……Page 249
11.1.1 Konfokale Mikroskopie……Page 251
11.1.2 Bildübertragung……Page 253
11.1.3 Konfokale Fluoreszenzmikroskopie……Page 255
11.1.4 Beobachtung……Page 256
Literatur……Page 260
12.1.1 Aufzeichnung des Hologramms……Page 261
12.1.2 Rekonstruktion des Hologramms……Page 262
12.1.3 Holographische Interferometrie……Page 263
Literatur……Page 267
13.1.1 Linienbreite der Lichtquelle und Kohärenzlänge……Page 268
13.1.3 Zweistrahlinterferenz……Page 270
13.1.4 Zweistrahlinterferenzanordnungen……Page 271
13.2.1 Fizeau-Interferenzgerät……Page 272
13.2.2 Michelson-Anordnung……Page 273
13.2.3 Twyman-Green-Interferometer……Page 274
13.2.5 Mach-Zehnder-Interferometer……Page 275
13.2.6 Wellenfrontscherungsinterferometer……Page 276
13.3 Digitale interferometrische Messtechnik……Page 277
13.3.1 Phasenschiebeverfahren……Page 278
13.3.2 Anwendung der Interferenzmethoden in der Mikroskopie……Page 280
13.4 Heterodynverfahren……Page 282
13.5 Interferometrische Längenmessung……Page 283
13.5.1 Interferometrische Messung geometrischer Größen und Fehlerquellen……Page 285
13.6.1 Zweiwellenlängen-(2λ)-Verfahren……Page 286
13.6.3 Weißlichtinterferometrie……Page 287
Literatur……Page 288
14.1.1 Helium-Neon-(HeNe-)Laser……Page 290
14.1.2 Argon-Ionen-(Ar+-)Laser……Page 292
14.1.3 Kohlendioxid-(CO2-)Laser……Page 293
14.1.4 Excimerlaser……Page 297
14.1.5 Konstruktion……Page 299
14.1.6 Farbstoffaser……Page 301
14.1.7 Laseraufbau……Page 304
14.2 Festkörperlaser……Page 306
14.2.1 Rubinlaser……Page 307
14.2.2 Neodym-YAG-Laser (inkl. Erbium-, Holmiumlaser)……Page 308
14.2.3 Halbleiterlaser……Page 311
14.3 Diodengepumpte Festkörperlaser……Page 314
14.4.1 Pikosekundenlaser im IR, sichtbaren und UV-Spektralbereich……Page 316
14.4.2 Ti:Saphir-Femtosekundenlaser……Page 325
14.5.1 Physikalisches Prinzip der Freie-Elektronen-Laser……Page 330
14.5.2 Die Freie-Elektronen-Laser FELIX und S-DALINAC……Page 331
14.5.3 Medizinische Forschung mit FEL……Page 332
Literatur……Page 333
15.1.1 Klassifizierung nach Wechselwirkungszeiten……Page 334
15.1.2 Beispiele für die klinische Lasertherapien……Page 335
15.2.1 Grundlagen der photochemischen Wechselwirkung……Page 336
15.3.1 Grundlagen der photothermischen Wechselwirkung……Page 337
15.3.2 Modell der photothermischen Wechselwirkung……Page 339
15.4.1 Grundlagen der photoablativen Wechselwirkung……Page 342
15.4.2 Modell der photoablativen Wechselwirkung……Page 344
15.5.1 Grundlagen der photodisruptiven/plasmainduzierten Wechselwirkung……Page 346
15.5.2 Theoretisches Modell der plasmainduzierten Ablation……Page 350
15.5.3 Dynamik des Ablationsprozesse……Page 352
Literatur……Page 354
16 Laser in der Augenheilkunde……Page 356
16.1 Diagnostische Laseranwendungen……Page 358
16.1.1 Laserscanningtomographie zur Glaukomdiagnostik (“grüner Star“)……Page 359
16.1.2 Aktiv-optische Verbesserung der Tiefenauflösung……Page 360
16.1.3 Fourier-ellipsometrische Vermessung der Nervenfaserschicht……Page 361
16.2.1 Die Netzhaut……Page 363
16.2.2 Die Linse……Page 364
16.2.3 Die Iris……Page 366
16.2.5 Die Sklera……Page 367
16.2.6 Die Hornhaut……Page 368
16.3 Ausblick……Page 372
Literatur……Page 373
17.2 Minimal-invasive Behandlung von Deformierungen der Wirbelsäule durch Laserablation……Page 375
17.2.1 Physikalische Eigenschaften von Knochengewebe……Page 376
17.2.2 Minimal-invasive Skoliosebehandlung mit dem Ho:YAG-Laser……Page 378
17.3 LITT von Knochentumoren unter MRT-Temperaturkontrolle……Page 385
17.3.1 Experimenteller Aufbau……Page 387
17.3.2 Histologische Untersuchungen……Page 389
17.3.3 Knochenkoagulation mit dem Nd:YAG-Laser……Page 390
17.3.4 Knochenkoagulation mit dem Diodenlaser……Page 391
17.3.5 Online-MRI-Temperaturkontrolle w¨ahrend Laserkoagulation von Knochengewebe……Page 393
Literatur……Page 397
18 Stereotaktische Laserneurochirurgie……Page 400
18.1 Stereotaktische Bestrahlungstechniken……Page 403
18.1.1 Stereotaxie……Page 404
18.2.1 Laserlichtquellen……Page 405
18.2.2 Laserablation von Hirngewebe……Page 407
18.2.3 Stereotaktische Lasersonde……Page 409
18.2.4 Eine zukünftige Strategie……Page 410
18.3.1 Fluoreszenzmikroskopie……Page 412
18.3.2 Autofluoreszenz……Page 413
18.3.3 OCSA……Page 415
18.3.4 Adaptive Optik……Page 416
Literatur……Page 419
19.1.2 Hardlaser……Page 421
19.2 Anwendungsobjekt Zahn……Page 422
19.3.1 Photothermische-, thermomechanische Wirkung……Page 424
19.3.3 Photoablative Wirkung……Page 425
19.4 In Erprobung befindliche Lasersysteme für die Bearbeitung von Zahnhartsubstanzen……Page 426
19.5.1 Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie……Page 431
19.5.2 Parodontologie……Page 432
19.5.4 Endodontologie……Page 433
19.5.6 Kariesprophylaxe……Page 435
19.5.8 Laserschweißen……Page 436
19.6 Ausblick……Page 437
Literatur……Page 439
20.2 Medizinproduktegesetz……Page 442
20.2.2 Grundlegende Anforderungen……Page 443
20.2.3 Risikoklassen……Page 444
20.2.4 Konformit¨atsbewertungsverfahren……Page 445
20.2.5 Betreiberverordnung über aktive Medizinproduke……Page 446
20.3 Technische Normen für medizinische Laser……Page 447
20.3.1 Bezeichungen……Page 449
20.3.3 Die Norm DINEN60825-1……Page 450
20.3.4 Die Vornorm DINV18734 (Medizinisch-Therapeutische Lasergeräte)……Page 451
Literatur……Page 452
Sachverzeichnis……Page 453