„Kurzpuls-Laser-Modifizierung der Abstrahlung von Lichtleitfasern angepasst an verschiedene Lasertherapien“ Dr. Jürgen Helfmann Verena Knappe Manuela Schwagmeier Laser- und Medizin-Technologie GmbH Berlin 07.Mai 2015 Agenda 1. Lasertherapie 2. Lichtleiter - konventionelle Diffusoren 3. Laser-Modifizierung von Lichtleitfasern 4. Neue Diffusoren 5/11/2015 Presentation page 2 Network History Laser-Medizin-Zentrum GmbH Berlin (LMZ) since 1985 Festkörper-Laser-Institut Berlin (FLI) since 1987 Fusion 1995 2015 Founder Member of Universities Cooperation • Freie Universität Berlin Industry • Technische Universität Berlin Structure Medicine • Charité • Elisabeth-Klinik 5/11/2015 Presentation page 3 Die LMTB Laser- und Medizin-Technologie GmbH, Berlin • 26 Mitarbeiter - davon 23 Wissenschaftler • 30 Jahre gemeinnützige Industrieforschungseinrichtung und Dienstleister 5/11/2015 Presentation page 4 Therapie-Effekte mittels Laserstrahlung I. Low Level Therapie / Biostimulation z.B. Laser-Akupunktur Diffusoren II. Phototoxische Reaktion biochemische Zellschädigung z.B. Photodynamische Therapie [PDT] III. Thermische Koagulation / Proteindenaturierung z.B. Laserinduzierte Thermotherapie [LITT] IV. Verdampfen von Gewebe z.B. Schneiden / Durchtrennen von Gewebe V. Abtrag / Disruption z.B. Hornhaut- oder Hautabtrag, Knorpel- und Hartgewebe, Steinzertrümmerung 5/11/2015 Presentation page 5 Laser-Gewebe-Wirkung Koagulation: Denaturierung der Proteine Auflösung der Protein-Tertiärstruktur Irreversible Zellschädigung ab ca. 60 C, 1s Temperatur Makroskopische Optische Biologische °C Effekte Effekte Effekte Erwärmung keine Enzym-Deaktivierung 45-100 Protein- Ausbleichen, Zellschrumfung, Pyknose, Denaturierung erhöhte Streuung Hyperchromasie, LITT 40-45 100-300 >300 5/11/2015 (Koagulation) Membranruptur, Kollagen-Hyalinisierung Wasserverdampfung "Popcorn"-Effekt Zellschrumfung, extrazelluläre Gasblasen Karbonisation, Ablation Schwärzung, Rauch, Auflösung der erhöhte Absorption Gewebematrix Presentation page 6 Gewebeoptik - Eindringtiefe 7 Optisches Fenster Nd:YAG Laser, 1064 nm Eindringtiefe [mm] 6 humane Haut 5 4 Diodenlaser, 980 nm 3 2 Diodenlaser, 1470 nm 1 0 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900 2100 2300 2500 Wellenlänge [nm] 5/11/2015 Presentation page 7 Therapeutische Anwendung - LITT Therapielaser • Nd:YAG • Diodenlaser • Diodenlaser Indikationen 1064 nm 800 – 980 nm 1470 nm cw-Betrieb, 3 – 30 W, 3 – 30 min. • Bösartige solide Tumore Lebermetastasen, Gehirn, Lunge • Gutartige Gewebsentartungen Prostatahyperplasie • Gefäßentartungen Hämangiome / Blutschwamm •Gefäßverödungen Varikose Koagulation in der Leber 5/11/2015 Presentation page 8 Lichtleitfaser - Aufbau und Funktion Ceram Optec GmbH grenz Kern Coating / Buffer 5/11/2015 Presentation opt. Mantel / Cladding page 9 Laserapplikatoren (Bare Fiber) Multimode Lichtleitfasern zur Lichtübertragung vom Laser zur Zielregion Präparierung der Faserspitze: Kerndurchmesser ca. 400µm Problem: hohe Leistungsdichten Überhitzung bei > 5 W cw bei interstitieller Applikation Bare Fiber mit typischer prograder Abstrahlung 5/11/2015 Presentation page 10 Diffusor Applikatoren für die Lasertherapie LMTB Historie in der Entwicklung von LITT/ITT 10 mm starrer Diffusor mit Glasdom, A = 0,95 mm, 1064nm/8W 30 mm starrer Diffusor mit Glasdom, A = 1,15 mm, 1064nm/30W in gekühltem Katheter Weiterentwicklung 30 mm flexibler Diffusor with PTFE Schlauch, A = 1,15 mm 1064nm/25W in gekühltem Katheter, Minimal-invasive-Therapie, z.B. für Lebertumore Zusätzliche Entwicklung Wiederverwendbares Punktier-Set, A = 3,25 mm mit internem Diffusor und Kühlung z.B. für offene Chirurgie von Lebertumoren 5/11/2015 Presentation page 11 Diffusor Applikatoren für die Lasertherapie Flexible Polymer Diffusoren anschließend an Quarzglas Lichtleiter: … mit Vorteilen: • • • • • • Hochflexibel für kleine Biegeradien Kompatibel mit minimalinvasiven Kathetern und Endoskopen Homogene Abstrahlprofile Stabil bis 30W/1064nm in gekühlten Kathetern 100% Qualitätskontrolle mit 20W/60s in Luft 100% Messung Abstrahlprofil inklusive Vorwärtsanteil ≤ 10% Laserstrahlung flexibler Polmer Schlauch Streuzentren in Polymer-Matrix Bare-Fiber Buffer … aber auch einigen Nachteilen: • • • • • • 5/11/2015 Viele manuelle Fertigungsschritte Erfahrene Mitarbeiter notwendig (Ausschussquote) Starke Qualitätsschwankungen Schwierig zu automatisieren für Großserien-Produktion Niedrige temperaturbedingte Zerstörschwelle (150 C) Jede Designänderung (Diffusorlänge, Durchmesser) erfordert Neuentwicklung Presentation Neues Fertigungsverfahren page 12 Laserinduzierte Materialumwandlung in Quarzglas Laser Parameter Plasma (heiße Elektronen) Energietransfer zum Gitter Materialreaktion 0.4 mm 2 mm Streuzentren im Lichtleiter QR-code in Quarzglas Dauerhafte Materialveränderung (micro-dots) 5/11/2015 Presentation page 13 Diffusor Applikatoren für die Lasertherapie Neues Fertigungsverfahren: Laser-induzierte Streuzentren micro-dots Laserstrahl Core Cladding Coating Buffer 400 µm 9 µm 5/11/2015 Presentation page 16 Ergebnisse • Verschiedene aktive Längen 5 bis 30mm • Getestet für 1064nm, bis zu 24W in Lebergewebe • Bis zu 90% seitliche Abstrahlung (abhängig von Díffusorlänge) • Thermische Stabilität drastisch verbessert • Hohe Laserleistung möglich (ungekühlt) > 10W • Homogene Abstrahlung, rotationssymmetrisch • Abstand Diffusorbereich-Faserende = 1 mm 10 mm-Diffusor Laser Beam 30 mm-Diffusor Abstrahlcharakteristik 5/11/2015 Presentation page 17 Neue Möglichkeiten Aktuelle Spezifikationen: • Verschiedene Abstrahllängen (z.Zt. 5-30 mm) • Vorwärtsanteil einstellbar • Für Wellenlängen von UV bis NIR • volle Designfreiheit radial und axial und asymmetrisch (Winkel) • Faserende abschneiden und mattieren (Vorwärtsanteil, Hot Spots) • Starrer Diffusor (etabliert) und flexibel (in Entwicklung) • Innenmodifikation in gestrippter Faser (etabliert) und ungestrippter Faser (in Entwicklung) 5/11/2015 Presentation page 18 Validierungsstudien Für Lasertherapie mit 1064 nm und 1470 nm IR - 141_LM~1.IMG 122,3 °C 120 100 80 60 40 Gewebeveränderung: Koagulation 20 13,7 LMTB Thermokamera Temperaturverteilung (Gewebe) Beispiel: 15 mm Diffusor, 1470 nm, 3W/180s, Lebergewebe 5/11/2015 Presentation page 20 Zusammenfassung • Diffusoren bieten breiten Einsatzbereich bei LITT und PDT • Stand der konventionellen Herstellung der Diffusoren ist unbefriedigend • Neue Fertigungstechnologie mit "Micro-Dots" beseitigt die Nachteile durch: o Auf Applikation zugeschnittene Diffusoren mit vielen Freiheitsgraden o Automatisierung einfach möglich, dadurch Serienproduktion o geringe Ausschussquote o Faserende kann präpariert werden - Abschneiden und Mattieren • Qualitätskontrolle durch Abstrahlprofil und Temperaturmessung • Validierung an Gewebe durch Temperaturverteilung und Gewebewirkung • Starre Diffusoren sind etabliert - flexible befinden sich in Entwicklung • Bearbeitung gestrippter Fasern ist etabliert - ungestrippter in Entwicklung 5/11/2015 Presentation page 21 Danksagung Gefördert durch den Senat von Berlin kofinanziert mit Mitteln der Europäischen Union (EFRE) EUROPÄISCHE UNION Europäischer Fonds für regionale Entwicklung Investition in Ihre Zukunft LMTB winner of „Ideen finden Stadt“ 2013/2014 with „Mobile Telemonitoring of chronic heart failure“ 5/11/2015 Presentation page 22 Was das LMTB sonst noch bietet 5/11/2015 Presentation page 23
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