Renate Jahn

Thermische Nebeneffekte nach Anwendung gepulster IR-Laser am Meniskus- und Knochengewebe

Thermal effects on meniscus and bone tissue after application of 314 boreholes using five different infrared (IR) lasers: Nd:YAG, Tm:YAG, Ho:YAG, Er:YAG, Cr,Er:YSGG (application energy 200 mJ, 400 mJ, 600 mJ, 800 mJ, 1000 mJ; repetition rate 2 Hz, 5 Hz; medium air, water rinse) were analyzed. The experimental set-up comprised for the beam guiding a focussing lens (f = 100 mm) or a flexible fiber (Ho:YAG). Damaged tissue was investigated macroscopically, histologically, and by scanning electron microscopy. Application in air caused carbonisation in all cases. Application in water showed thermal brown discoloring using Tm:YAG, Ho:YAG laser on meniscus tissue. The Nd:YAG did not ablate. The Er:YAG laser showed macroscopically precise boreholes without any discoloring of the adjacent tissue as well in meniscus as in bone. Cr:ErYSGG laser results were comparable with the results using an Er:YAG laser although ablation on bone tissue created higher thermal effects. For the aim of developing minimal invasive operating techniques the Er:YAG laser showed best results.ZusammenfassungDie thermischen Nebenwirkungen fünf verschiedener Infrarot-(IR-)Laser (Nd:YAG, Tm:YAG, Ho:YAG, Er:YAG, Cr,Er:YSGG) wurden untersucht. In Meniskus- und Knochengewebe von Schlachttieren wurden insgesamt 314 Laserbohrungen gesetzt; Applikationsenergie 200 mJ, 400 mJ, 600 mJ, 800 mJ, 1000 mJ; Repetitionsrate 2 Hz, 5 Hz; Arbeitsmedium: Luft, Wasser. Der Laseraufbau erfolgte unter experimentellen Standardbedingungen. Für die Strahlführung wurde eine fokussierende Linse (f=100 mm) oder eine 600 μm Lichtleitfaser (Ho:YAG-Laser) eingesetzt. Die bohrlochnahen Gewebsschädigungen wurden makroskopisch, lichtmikroskopisch und rasterelektronenmikroskopisch untersucht. Applikationen an Luft verursachten bei allen fünf Lasern bereits makroskopisch deutlich sichtbare thermische Schädigungen. Unter Wasserspülung zeigten der Tm:YAG- und Ho:YAG Laser am Meniskus braune Gewebsverfärbungen; mit dem Nd:YAG-Laser war keine Abtragung an diesem Gewebe zu beobachten. Der Er:YAG Laser wies makroskopisch präzise Bohrlöcher auf und keine Gewebsverfärbungen. Bohrungen am Knochen mit Wasserspülung zeigten ebenfallst nur bei Anwendung des Er:YAG-Lasers saubere, thermisch nicht verfärbte Ränder. Die Ergebnisse des Cr:ErYSGG Lasers sind vergleichbar mit denen des Er:YAG-Lasers, jedoch stellte sich am Knochen eine höhere thermische Wirkung dar. Lichtmikroskopisch und rasterelektronenmikroskopisch bestätigte sich die oligothermische Wirkung des Er:YAG-Laser. Für die Zielstellung der Entwicklung minimal invasiver Operations-techniken am Hartgewebe mit IR-Lasern zeigte sich der Er:YAG-Laser daher als am besten geeignet.AbstractThermal effects on meniscus and bone tissue after application of 314 boreholes using five different infrared (IR) lasers: Nd:YAG, Tm:YAG, Ho:YAG, Er:YAG, Cr,Er:YSGG (application energy 200 mJ, 400 mJ, 600 mJ, 800 mJ, 100 mJ; repetition rate 2 Hz, 5 Hz; medium air, water rinse) were analyzed. The experimental set-up comprised for the beam guiding a focussing lens (f=100 mm) or a flexible fiber (Ho:YAG). Damaged tissue was investigated macroscopically, histologically, and by scanning electron microscopy. Application in air caused carbonisation in all cases. Application in water showed thermal brown discoloring using Tm:YAG, Ho:YAG laser on meniscus tissue. The Nd:YAG did not ablate. The Er:YAG laser showed macroscopically precise boreholes without any discoloring of the adjacent tissue as well in meniscus as in bone. Cr:ErYSGG laser results were comparable with the results using an Er:YAG laser although ablation on bone tissue created higher thermal effects. For the aim of developing minimal invasive operating techniques the Er:YAG laser showed best results.

Elaboration of excimer lasers dosimetry for bone and meniscus cutting and drilling using optical fibers

In order to optimize bone and cartilage ablation, various excimer laser systems at 308 nm wavelength (pulse width 28 ns, 60 ns, 300 ns) and tapered fibers (core diameter 400 micrometers , 600 micrometers , 1000 micrometers ) were combined. By varying the major parameters such as fluence, pulselength, repetition rate, fiber diameter, medium, manner of application (drilling, cutting); analysis was made of the interaction of the excimer laser beam with different organic material (meniscus, bone tissue). More than 300 cuts and drillings have been realized with different parameters. The ablation rate mainly depends on fluence, repetition rate and pulse duration. The achieved ablation rate was 3 micrometers /pulse in bone. The drilling speed of the meniscus was 6 mm/s. The samples showed no carbonization at all, when being cut or drilled in liquid medium. This might be a breakthrough in fiber guided excimer laser surgery. From these and further experiments the authors obtained the dosimetry, which will be the basis for the elaboration of necessary operation guidelines for accident surgery.

Effects of pulsed lasers on hard biological tissue

The interaction of various pulsed lasers with meniscus and bone of freshly slaughtered bovines and pigs was examined. Our aim was to find lasers useful for accident surgical operations (e.g. bone or callus dystopy inside joints or nearby important vessels or nerves after fractures). Laser wavelengths of the UV- and infrared spectral range were investigated: XeCl- excimer lasers (wavelength 308 nm, pulse duration 28 ns, 60 ns, 300 ns) Nd:YAG (1.06 micrometers , 400 microsecond(s) ), Tm:YAG (2.01 micrometers , 400 microsecond(s) ), Ho:YAG (2.12 micrometers , 400 microsecond(s) ), CrEr:YSGG (2.79 micrometers , 400 microsecond(s) ), and Er:YAG (2.94 micrometers , 400 microsecond(s) ). The excimer laser radiation was guided by a tapered fused silica fiber, whereas for all other lasers the tissue samples were positioned in the focus of a lens with 100 mm focal length. Ablation rates were determined by perforating samples of defined thickness, and the effects of laser ablation on tissue were controlled macroscopically, by light microscopy and by scanning electron microscopy.

Abtragung von biologischem Hartgewebe mit dem Excimerlaser

ZusammenfassungDie durchgeführten Experimente zeigen die Schneid- und Bohrmöglichkeiten einer Excimerlaser-Faser-Kombination am Knochen- und Meniskusgewebe auf. Für die Abtragungsvorgänge am Meniskus konnten bereits akzeptable Operationsgeschwindigkeiten erzielt werden. An den Hart- wie auch an den Weichgeweben hinterlassen die Ablationsvorgänge dabei nur begrenzte, mikroskopisch eben erkennbare Zell- und Gewebsschädigungen. Eine weitere Steigerung der Abtragrate für Hartgewebe erscheint technisch durch eine Erhöhung der Transmissionsenergie via Faser erreichbar zu sein. Die damit verbundene Beschleunigung der Gewebeablation und der Schneidevorgänge rückt Laserstrahlung mit hoher Energiedichte wieder in das Interesse der Unfallchirurgen.AbstractCutting and drilling of bone- and meniscus tissue were performed using a XeCl-excimer laser combined with a tapered fiber. Ablation speed on meniscus tissue is already sufficient, the thermal damage of the adjacent tissue is minimal. Increasing of energy transmission through special fibers promises higher ablation rates also on hard biological tissue and that promoted the interest in lasers again for accident surgeons.Die durchgeführten Experimente zeigen die Schneid- und Bohrmöglichkeiten einer Excimerlaser-Faser-Kombination am Knochen- und Meniskusgewebe auf. Für die Abtragungsvorgänge am Meniskus konnten bereits akzeptable Operationsgeschwindigkeiten erzielt werden. An den Hart- wie auch an den Weichgeweben hinterlassen die Ablationsvorgänge dabei nur begrenzte, mikroskopisch eben erkennbare Zell- und Gewebsschädigungen. Eine weitere Steigerung der Abtragrate für Hartgewebe erscheint technisch durch eine Erhöhung der Transmissionsenergie via Faser erreichbar zu sein. Die damit verbundene Beschleunigung der Gewebeablation und der Schneidevorgänge rückt Laserstrahlung mit hoher Energiedichte wieder in das Interesse der Unfallchirurgen. Cutting and drilling of bone- and meniscus tissue were performed using a XeCl-excimer laser combined with a tapered fiber. Ablation speed on meniscus tissue is already sufficient, the thermal damage of the adjacent tissue is minimal. Increasing of energy transmission through special fibers promises higher ablation rates also on hard biological tissue and that promoted the interest in lasers again for accident surgeons.Cutting and drilling of bone- and meniscus tissue were performed using a XeCl-excimer laser combined with a tapered fiber. Ablation speed on meniscus tissue is already sufficient, the thermal damage of the adjacent tissue is minimal. Increasing of energy transmission through special fibers promises higher ablation rates also on hard biological tissue and that promoted the interest in lasers again for accident surgeons.

Characteristic Tissue Fluorescence Induced by XeCl Excimer Laser Ablation

Fluorescence radiation is induced following ablation of tissue by a 308nm wavelength excimer laser pulses. This fluorescence is determined by the composition of the ablated tissue, mainly minerals and proteins. The fluorescence is guided retrograde through the ablation fiber to an optical multichannel analyser (OMA), spectroscopically analysed on-line using a PC, and stored.

Fluorescence Guidance of Surgical Excimer Laser Systems

An elegant approach to guide surgical laser systems makes use of laser induced fluorescence (LIF) emission during the ablation process. The possibility of a controlled laser ablation by means of LIF spectra as feedback signal has been investigated. A XeCl excimer laser pulse (wavelength λ = 308 nm, pulse width Δτ = 30 ns), transmitted through an optical fiber, is used to perform an efficient ablation of different tissue types. The same laser delivery fiber also probes the fluorescence radiation, which is then recorded by an intensified optical multi-channel analyzer (OMA). Samples of bone, cartilage, meniscus, and soft tissues have been under investigation to evaluate fluorescence characteristics. In general the fluorescence light from the ablation plume is dominated by broad-band emission spectra, typical for complex organic molecules. The influence of surrounding media on the LIF spectra, e.g. air, blood or saline solution, has also been investigated.

Reaction of Cultivated Bacteria After Ablation with Er:YAG and Excimer Laser

Er:YAG laser and Excimer laser represent very interesting wavelengths for applications in trauma surgery. Both laser are able to cut bone and meniscus tissue without carbonization and wide damage of the adjacent areas. Because of, there are also operations of infected tissue in trauma surgery, question reveales if biological activ material will be transported from the surface into the depth of laser formed crater.

Excimer Laser: A Powerful Tool in Accident Surgery Laser als Ersatz für Säge und Schere in der Unfallchirurgie?

Die Entwicklung des Excimeriasers und dessen athermischer Abtragungsvorgang (Photoablation) eroffnen viele Moglichkeiten des Einsatzes in dem Gebiet der Unfallchirurgie, seitdem es mit Hilfe eines spezieilen Einkoppeiverfahrens gelungen ist, sehr hohe Strahlintensitaten durch Glasfasern zu transportieren. Die Charakteristika von Schnitten und Bohrungen an avitalem Meniskusknorpel und Knochen, die wir zum Studium der Gewebetrennung mit Hilfe von fasergefuhrten Excimerlasern durchfuhrten, sind vergleichbar zu konventionellen chirurgischen Methoden.

Abtragung von Knorpel- und Knochengewebe mittels fasergeführtem Excimerlaserstrahl

Die Anwendung des Lasers als Schneidinstrument in der Medizin beschrankt sich seit nunmehr fast drei Jahrzehnten ausschlieslich auf Weichgewebe. Chirurgische Fachgebiete, wie z.B. die Unfallchirurgie, bei denen vorwiegend Trennverfahren (Sagen, Bohren. Meiseln) am biologischen Hartgewebe (Knorpel, Knochen) vorgenommen werden mussen, waren bislang von der Anwendung des Lasers ausgenommen. Das Schneiden von Hartgewebe erfordert hohe Applikationsenergien, die sich bei Anwendung herkommlicher, meist kontinuierlicher Laser aus dem nahen und fernen infraroten Spektralbereich (Nd:YAG-, CO2-Laser) bislang in heilungshemmende thermische Wirkungen umsetzten, gekennzeichnet durch breite Nekrose- und Karbonisationszonen insbesondere im Knochengewebe [1], Die ersten Versuche, gepulste Laser aus dem UV-Bereich (Excimerlaser) einzusetzen zeigten zwar nur geringe thermische Nebenwirkungen, doch scheiterten sie vor allem an der geringen Transmissionsfahigkeit von Lichtleitfasern [2] und damit der geringen Abtragsraten.

Gross and histological results on bone and meniscus cuts by XeCl-excimer laser radiation

Ablation of hard biological tissue using XeCl-excimer lasers (wavelength 308 nm) yielded promising results. The 308 nm radiation was guided by tapered quartz fibers with core diameters of 400 - 1000 micrometers . Applying pulse energy of up to 70 mJ (pulse duration 28 ns, 60 ns, 300 ns) at different repetition rates, we found no noticeable thermal damage. The samples were immersed in water during irradiation. Bone specimens cut by the excimer laser did not show any melted hydroxylapatite crystals as described in the CO2-cutting experiments performed by HORCH (4). The gross, histological, and scanning electron microscope examination of cuts and bore holes produced by excimer laser ablation of meniscus and bone tissue will be presented.