Nieuwe biomedische lasertoepassingen

Transcriptie

1 Return-Path: Date: Tue, 16 Dec :41: From: Sarah Schols User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows; U; Windows NT 5.1; en-us; rv:1.4) Gecko/ X-Accept-Language: en-us, en To: Subject: Studieopdracht Sarah Schols en Sofie Put X-Virus-Scanned: by KULeuven Antivirus Cluster X-Spam-Status: No, hits=0.0 tagged_above= required=6.0 X-Spam-Level: Beste, In bijlage vindt u onze studieopdracht Nieuwe biomedische lasertoepassingen Met vriendelijke groeten, Sarah Schols Sofie Put

2 Inhoudsopgave 1 De kracht van licht 2 2 Confocale Laser Scanning Microscopie Principe fluorescentie microscopie Principe confocale microscopie Voordelen Beperkingen Keuze van de laser Multifoton Microscopie Twee-foton excitatie Drie-foton excitatie Voordelen Beperkingen Ultrasnelle lasers voor chirurgische toepassingen Inleiding Fotodisruptie De Pulsbreedte Verband tussen fotodisruptie en de pulsbreedte Verband tussen energie en pulsbreedte Voordelen tov conventionele medische lasers Toepassingen Bibliografie 12 1

3 1 De kracht van licht De laser is vandaag de dag een veel gebruikt hulpmiddel in de medische wereld. De unieke karakteristieken van laserlicht bepalen hoe het licht gaat interageren met menselijk weefsel. De golflengte, coherentie, polarisatie, intensiteit, richting en pulsbreedte kan immers veranderen door de interactie van het licht met weefsel. Hierdoor wordt het licht een krachtig middel voor beeldvorming en chirurgische toepassingen. [1] Aangezien er heel veel biomedische toepassingen van lasers bestaan, zullen we ons hier beperken tot 2 onderwerpen, nl. het gebruik van lasers voor medische beeldvorming en laser-toepassingen in de chirurgie. Hierbij hebben we gekozen voor het uitwerken van respectievelijk confocale en multifoton microscopie en ultra snelle lasers voor chirurgische toepassingen. 2 Confocale Laser Scanning Microscopie 2.1 Principe fluorescentie microscopie Fluorescentie microscopie is gebaseerd op het fenomeen dat bepaalde materialen, wanneer het bestraald wordt met licht van een bepaalde golflengte, energie uitzenden dat als zichtbaar licht detecteerbaar is. Het materiaal kan ofwel van nature fluorescent zijn, ofwel behandeld zijn met fluorescente chemicaliën. [2] Figuur 1: Principe van fluorescentie 1. Energie wordt geabsorbeerd door het atoom dat hierdoor geëxiciteerd wordt. 2. Het elektron springt naar een hoger energieniveau. 3. Wanneer het elektron terugvalt naar het grondniveau wordt er een foton uitgezonden. Het atoom is fluorescent. 2.2 Principe confocale microscopie Bij confocale microscopie wordt het materiaal puntsgewijs verlicht door een gefocusseerde lichtstraal. [3] Het licht dat weerkaatst of uitgezonden wordt door het fluorescente materiaal, wordt op een kleine detector gefocusseerd. Op die manier kan men beelden van dunne lagen maken zonder in het materiaal te moeten snijden. Door beelden van verschillende diepte te verzamelen kan men een driedimensionaal beeld vormen. 2

4 Figuur 2: Opstelling De laserstraal komt in bovenstaande figuur langs beneden en valt in op een beamsplitter, ook wel chromatische reflector genoemd. De chromatische reflector heeft als eigenschap dat licht met korte golflengten gereflecteerd wordt en lange golflengten doorgelaten worden. [4] Door een goede keuze van de golflengte van het invallend licht wordt de lichtstraal hier dus naar links gereflecteerd. De gereflecteerd laserstraal wordt gefocusseerd in een punt. Dit punt ligt in het focaal vlak van het objectief. Het fluorescent of gereflecteerd licht plant zich voort door het objectief en wordt doorgelaten door de chromatische reflector aangezien het dit licht een grotere golflengte heeft. Lenzen focusseren het licht in de detector opening. Enkel het licht dat door de opening gaat, valt in op de fotodetector. De stippellijn op figuur 2 duidt de voortgang van een lichtstraal van een object dat niet gefocusseerd is. Er wordt een grotere oppervlakte belicht met mindere intensiteit als gevolg. Dit licht wordt niet in de detector opening gefocusseerd en geeft dus een veel zwakkere contributie aan het signaal van de detector. In figuur 3 wordt het verschil aangegeven tussen beeldvorming zonder een detector opening (niet-confocaal) en met een detector opening (confocaal). Meestal is de detector opening aanpasbaar. Zo geeft een kleine opening een hogere resolutie, maar een lager signaal. [5] Figuur 3: Verschil tussen niet confocaal (links) en confocaal (rechts) 3

5 2.3 Voordelen Confocale microscopie gaat, omwille van het verwerpen van de out-of-focus interferentie, altijd beter zijn dan de standaard epifluorescentie microscopie. [5] De out-of-focus verwerping wordt op 2 manieren bereikt: Er wordt slechts een enkel punt belicht zodat de lichtintensiteit snel afneemt boven en onder het brandvlak van de lens. Men maakt gebruik van een detector opening waardoor enkel het licht dat afkomstig is van de focus de detector bereikt. De resolutie die bekomen wordt met confocale microscopie is tot een factor 1.4 beter dan de resolutie bekomen met conventionele microscopie. 2.4 Beperkingen De fluorophore moleculen, dit is de stof die het sample fluorescent maakt, hebben in geëxciteerde toestand een significante levensduur (in de orde van nsec). Bij gemiddelde exitatie, zal de hoeveelheid uitgezonden licht evenredig zijn met de invallende excitatie. Bij hoge excitatieniveaus kan het echter gebeuren dat de grondtoestand volledig gedepleteerd wordt. Alle moleculen bevinden zich dan in geëxciteerde toestand. Er treed saturatie op waardoor er geen extra signaal meer bekomen kan worden als we de flux van de excitatiebron verhogen. Meestal worden er bij confocale microscopie laser-excitatiebronnen gebruikt van ongeveer 10mW. Wanneer de spectraallijn in de nabijheid van de excitatiepiek van de fluorophore wordt gebruikt, leidt dit tot saturatie, waardoor beelddegradatie ontstaat. Men bekomt betere beelden wanneer we het vermogen een factor 10 tot 100 verlagen. Dit gaat echter de snelheid waarmee we beelden kunnen maken, beperken indien de signaalruisverhouding constant gehouden wordt. De reden hiervoor is de beperkte hoeveelheid licht die we verkrijgen van de fluorophoren, gelegen ter hoogte van de focus. Een oplossing hiervoor is parallellisme. [5] Een reeks van stralen kan in parallel gebruikt worden. Dit noemt men multiple-beam confocale microscopie en heeft toepassingen in het in beeld brengen van hoge-snelheids intracellulaire veranderingen zoals de visualisatie van het transport van calcium ionen. 2.5 Keuze van de laser Voor confocale microscopie gaat men typisch gebruik maken van de luchtgekoelde argon-ion laser. Deze levert een multilijn output vermogen van een tiental milliwatt in het blauw/groen golflengtegebied, nl. het gebied tussen 457 en 514 nm. [6] Een multilijn output is noodzakelijk aangezien dit de mogelijkheid biedt om verschillende fluorophoren te exciteren, wat nodig is voor het in beeld brengen van cellen. Luchtgekoelde ionen lasers hebben deze flexibiliteit, samen met een hoge betrouwbaarheid en een uitstekende stabiliteit van de beam-focus, wat essentieel is voor toepassingen zoals confocale microscopie. [7] Om de golflengte selectiviteit nog te verhogen wordt vaak ook gebruik gemaakt van een additionele rode diode laser of een HeNe laser. [6] 4

6 3 Multifoton Microscopie Om wille van de grote verstrooiing van zichtbaar licht, kan confocale microscopie slechts gebruikt worden voor kleine penetratiedieptes. Bovendien zal er altijd enige out-of-focus emissie zijn die de detector bereikt en op die manier de signaalruisverhouding gaat reduceren. Deze beperkingen kunnen geëlimineerd worden door gebruik te maken van multifoton microscopie. Multifoton imaging is een techniek die gebaseerd is op het feit dat een ultrasnelle (femtoseconden of picoseconden) laser met een gemiddeld vermogen van 2W een piekvermogen kan leveren van enkele kilowatts. [6] Karakteristiek voor multifoton microscopie is het gebruik van twee-foton of drie-foton excitatie. 3.1 Twee-foton excitatie Bij twee-foton excitatie wordt het materiaal belicht met een golflengte die twee keer de golflengte is van de absorptiepiek van het gebruikte fluorophore. [8] Deze elektronen bezitten dus de helft van de energie van de fotonen gebruikt voor confocale microscopie. Wanneer er nu een hoog piek-vermogen gepulste laser gebruikt wordt gaan er zich twee-foton effecten voordoen ter hoogte van de focus. Op dit punt is de fotondichtheid groot genoeg zodat twee fotonen tegelijk kunnen worden geabsorbeerd. [9] Dit is aangegeven op figuur 4. Op deze manier gaat fluorophore excitatie enkel in de focus gebeuren en wordt de out-of-focus excitatie geëlimineerd. Figuur 4: Enkel-foton excitatie (links) en multifoton excitatie (rechts) 3.2 Drie-foton excitatie In dit geval worden drie fotonen tegelijk geabsorbeerd. Hierdoor kunnen fluorophoren die normaal door UV-licht worden geëxciteerd in beeld gebracht worden met behulp van IR-excitatie (langere golflengte). Omdat de excitatieniveaus afhankelijk zijn van de derde macht van het vermogen, en dus de energie, wordt de resolutie verhoogd in vergelijking met twee-foton excitatie waar er een kwadratische vermogenafhankelijkheid is. 5

7 3.3 Voordelen Met behulp van multifoton microscopie is het mogelijk om optische beelden te verkrijgen van dieper gelegen delen binnen in het weefsel. Hiervoor zijn er drie hoofdredenen: de excitatiebron wordt niet afgezwakt doordat het fluorophore boven het brandvlak van de lens de fotonen niet absorbeert. langere excitatiegolflengten hebben minder last van verstrooiing. het fluorescent signaal wordt niet gedegradeerd door verstrooiing als het niet in beeld wordt gebracht. Wanneer beelden diep in een materiaal worden verkregen met behulp van confocale microscopie, wordt het fluorescent signaal afgezwakt door verstrooiing van het licht. Ook zal licht dat afkomstig is van gebieden, die niet in de buurt van het punt dat belicht wordt liggen, verstrooid worden. Op die manier is het mogelijk dat er toch out-of-focus licht door de detector opening geraakt en zo zorgt voor extra ruis. Multifoton microscopie is immuun voor deze effecten. Er wordt immers zeer weinig fluorescent licht gegenereerd in gebieden die niet in de buurt van het belichte punt liggen. Op figuur 5is duidelijk te zien dat er bij confocale microscopie een toename is van de achtergrondruis wat resulteert in een beeld met weinig contrast. Bij multifoton microscopie behouden we het contrast, zelfs tot diep in het weefsel. Figuur 5: Vergelijking confocaal en multi-foton op verschillende dieptes 6

8 Multifoton imaging heeft ook enkele andere voordelen ten opzichte van confocale microscopie: Niet-radiatieve transities van de fluorophoren naar de grondtoestant kan leiden tot het vrijkomen van enkelvoudige zuurstof atomen, wat toxisch is. In tegenstelling tot confocale microscopie worden bij multifoton imaging enkel fluorophoren in het focaal vlak geexciteerd en niet in de bulk van het materiaal. Dit zorgt voor een sterke reductie van het vrijkomen van toxische producten. Alle geëexciteerde fotonen kunnen gebruikt worden om het beeld te vormen. Er is dus geen extra systeem nodig om out-of-focus licht tegen te houden. 3.4 Beperkingen Multifoton microscopie heeft echter ook een aantal nadelen: Een iets lagere resolutie in vergelijking met confocale microscopie. Dit verlies in resolutie kan geëlimineerd worden door het gebruik van een confocale opening net voor de detector met verlies van het signaal als gevolg. Multifoton imaging werkt enkel met fluorescentie microscopie. De techniek is momenteel vrij duur. 7

9 4 Ultrasnelle lasers voor chirurgische toepassingen 4.1 Inleiding De toepassingen van ultra snelle lasers situeren zich van hoge-precisie industriële micromachining tot medische beeldvorming. Maar ook chirurgische toepassingen kunnen profiteren van de unieke licht-materie interactie van deze lasers. Zo kan biologisch weefsel met minimale schade verwijdert worden. 4.2 Fotodisruptie Chirurgie op basis deze ultra snelle technologie is gebaseerd op laser-induced opitical breakdown (LIOB). [10] Indien het vermogen van de laser groot genoeg is, worden atomen en moleculen ter hoogte van de focus van de laserstraal getransformeerd tot een plasma. Dit plasma is een heet gas van ionen en elektronen en bevindt zich dus op een heel hoge temperatuur en druk. Dergelijk plasma gaat afkoelen door te expanderen, het omringende materiaal op te warmen of door licht uit te zenden. Het grootste gedeelte van de energie in de optische puls gaat gewoon door het materiaal. Enkel een klein gedeelte van de invallende laserenergie van de laser wordt geabsorbeerd om bovenstaand plasma te creëren. Hierdoor blijft de schade beperkt. [11] Figuur 6: Vorming van het plasma ter hoogte van de focus De initieel hoge druk in het plasma veroorzaakt een schokgolf die gaat propageren. [12]Hiermee moet rekening gehouden worden aangezien de druk lokaal groter kan worden dan de sterkte van het weefsel en op die manier dus extra schade kan aanrichten. Door de temperatuur gaat het hete plasma ook gedeeltelijk verdampen om zo een microbel te creëeren. Deze bel gaat een paar keer expanderen en terug inkrimpen voor ze uiteindelijk in elkaar klapt. Er wordt dus materiaal verwijderd door het ionisatie-proces van het plasma LIOB en de geassocieerde secundaire effecten, zoals schokgolfpropagatie, worden fotodisruptie genoemd wanneer het zich voordoet in een vloeibaar of semi-vloeibaar materiaal, zoals weefsel. 8

10 4.3 De Pulsbreedte Verband tussen fotodisruptie en de pulsbreedte Wanneer het elektrisch veld in de puls intens genoeg is gaat het de materie ioniseren. Dit proces bestaat uit 2 delen: het genereren van vrije ladingsdragers (foto-ionisatie) en lawine-ionisatie. [13] Voor sterke velden is de foto-ionisatie hoofdzakelijk te wijten aan ionisatie door tunneling. Het elektrisch veld verandert de bandenstruktuur zodat de ladingsdragers in de conductieband kunnen tunnelen. Voor lage velden domineert multifoton-ionisatie. Bij dit proces gaan electronen pas in de conductieband terecht komen nadat ze voldoende fotonen geabsorbeerd hebben. Eens de vrije ladingsdragers in de conductieband voldoende energie hebben, neemt het lawineproces het over. De ladingsdragers absorberen energie van de puls en gebruiken dit om andere gebonden ladingsdragers los te slaan. Lawine-ionisatie domineert altijd, tenzij voor extreem korte pulsen(< 50 fs), want dan is er geen tijd genoeg om het lawineproces op gang te brengen. Het gevolg hiervan is dat voor korte pulsen fotodisruptie deterministisch (reproduceerbaar) is. De elektromagnetische golven zijn in dit geval hoog genoeg om vrije ladingsdragers te genereren zonder afhankelijk te zijn van de intrinsieke ladingsdragers (in het materiaal dat belicht wordt). Bij langere pulsen gaat het lawineproces een belangrijke rol spelen, waardoor de hoeveelheid vrije ladingsdragers gaat fluctueren. Dus bij langere pulsen is fotodisruptie niet deterministisch. In figuur 7 wordt het gevormde plasma vergeleken voor het geval van picoseconden en femtoseconden laserpulsen. In de twee gevallen is de afstand tussen de verschillende spots hetzelfde. We zien duidelijk dat bij ps-pulsen de vorming van het plasma niet bij elke locatie gebeurt en als ze zich voordoet is het ongecontroleerd. In het geval van fs-pulsen, wordt het plasma gevormd op een reproduceerbare manier. Figuur 7: Vergelijking picoseconden en femtoseconden laserpulsen Verband tussen energie en pulsbreedte Een bepaalde minimale hoeveelheid energie is nodig in de puls om schade te veroorzaken. Als de energie lager is dan een bepaalde drempel, wordt het materiaal niet beschadigd. In figuur 8 is deze drempelenergie uitgezet in functie van de pulsbreedte 9

11 in water. Wanneer de puls korter wordt, gaat de hoeveelheid energie die nodig is om LIOB te veroorzaken dalen. Ook de onzekerheid in de drempelenergie gaat afnemen. Bijgevolg gaan femtoseconden pulsen het meest reproduceerbaar zijn en de meest nauwkeurige resultaten geven. [11][13] Figuur 8: De LIOB drempelenergie in functie van de pulsbreedte 4.4 Voordelen tov conventionele medische lasers Ultra snelle lasers hebben een aantal voordelen ten opzichte van de conventionele medische lasers [14][11]: Minimale collaterale schade: LIOB komt enkel voor daar waar de laserstraal het meest intens is, nl. de focus van de straal. Hierdoor blijft het grootste deel van het weefsel onaangeroerd wanneer de laserstraal erdoor passeert. Bijgevolg is er dus zeer weinig thermische en akoestische schade aan het omringende weefsel. Chirurgie onder het oppervlak: De intensiteit van de laserstraal kan zo ingesteld worden, dat fotodisrupie aan de focus van de straal voorkomt. Als er dan onder het weefsel gefocusseerd wordt, kan er een plasma gevormd worden in het inwendige van het weefsel zonder het bovenliggende weefsel te beschadigen. Een onmiddellijke toepassing hiervan is chirurgie zonder snijden. Reproduceerbare microsneden: Hoe korter de pulsduur, des te minder energie er nodig is om LIOB te veroorzaken. Ook de onzekerheid op de energie gaat afnemen. Hierdoor kunnen kleinere, meer precieze microsneden gemaakt worden. De ontwikkeling van ultra snelle lasers resulteert in biomedische instrumenten die veiliger zijn, minder chirurgische complicaties veroorzaken en minder vaardigheden van de chirurg vragen. 10

12 4.5 Toepassingen Het behandelen van bijziendheid is één van de toepassingen van ultra snelle pulslasers. Door het gebruik van deze korte laser pulsen is het niet meer nodig om te snijden in het hoornvlies. [12] De laserstraal wordt in dit geval gefocuseerd op een bepaalde diepte binnen in het hoornvlies. Het plasma dat daar ontstaat zorgt voor het verwijderen van kleine hoeveelheden weefsel door middel van verdamping. Het gegenereerde gas kan dan diffunderen door het hoornvlies. Het grote voordeel is hier dus dat er geen wonde ontstaat waardoor helingsproces dus sneller gaat. Het los-snijden van een flap van het hoornvlies en het voor-snijden van kanalen voor hoornvlies implantaten zijn andere voorbeelden die al gerealiseerd zijn. In de toekomst zullen gehele nieuwe chirurgische procedures mogelijk zijn, zoals: transsclerale fotodisruptie voor de behandeling van glaucoma [15], voor-snijden voor het plaatsen van implantaten van presbyopie en fotodisruptie van de lens voor cataractchirugie. Niet optische toepassingen zijn mogelijk in de dermatologie en de neurochirugie. [14] 11

13 Referenties [1] Paula Noaker Powell. Shedding light on cancer diagnosis. Laser Focus World, pages , May [2] The Nobel Foundation. microscopes/fluorescence. [3] Kjell Carlsson Anders Liljeborg. [4] Stanford University Medical Center. cocoa_techsup.html#clsm. [5] Laboratory for Optical and Computational Instrumentation. Confocal imaging. [6] Arnd Krueger. Lasers play a bigger role in biomedical applications. Photonics Spectra, pages 80 83, May [7] Donna Z.Berns. Air-cooled ion lasers see strong biomedical demand. Laser Focus World, pages , November [8] Laboratory for Optical and Computational Instrumentation. Multiplephoton excitation fluorescence microscopy. multiphoton/mp.html#3photon. [9] Carl Zeiss. Origin of fluorescence. allbysubject/8569f633e0a8772bc1256aea004d9021. [10] Laser Zentrum Hannover e.v. Femto_Optischer_Durchbruch/femto_optischer_durchbruch.html. [11] Gabrielle Marre Ron M. Kurtza Tibor Juhasz Gerard Mourou Zachary S. Sacks, Gregory Spooner. Subsurface photodisruption in scattering biological tissues. [12] Frieder H. Loesel. Ultrafast surgical lasers provide vision correction. Laser Focus World, pages , January [13] University of Michigan Center for Ultrafast Optical Science. Principles of ultrafast laser surgery. Photodisruption.html. [14] University of Michigan Center for Ultrafast Optical Science. umich.edu/cuos/index.html. [15] Tibor Juhasz Gerard A. Mourou Zachary S.Sacks, Ron M. Kurtz. Femtosecond subsurface photodisruption in scattering human tissue using long infrared wavelengths. 12