Experimentelle untersuchungen zur gewebereduzierenden wirkung and zu morphologischen veränderungen an der leichenbandscheibe durch den holmium- und den neodym-yag-laser

Lasermedizin 13: 45-49 (1997) © by Gustav Fischer Verlag _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __

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ExperimenteLLe Untersuchungen zur gewebereduzierenden Wirkung und zu morphoLogischen Veranderungen an der Leichenbandscheibe durch den HoLmium- und den Neodym-YAG-Laser ExperimentaL Investigations about the Mass Reduction and about MorphoLogicaL ALterations of the IntervertebraL Disc Using an HoLmium and an Neodym-YAG-Laser H. MERK, H. WISSEL und B. WAHL Orthopadische Universitatsklinik Magdeburg (Klinikdirektor: Prof. Dr. med. H. W. NEUMANN) Received: Marz 1997· Revised: Marz 1997

Urn die Gewebereduktion an der Bandscheibe durch den Holmium- und den Neodym-Laser vergleichen sowie die jeweiligen morphologischen Veranderungen beurteilen zu konnen, fUhrten wir Experimente an 12 Leichenbandscheiben durch. Dabei wurden die Gewebereduktion durch Wiegen vor und nach Laserenergieapplikation ermittelt und die morphologischen Veranderungen anhand verschiedener Schnittebenen untersucht. Mit dem Neodym-Laser war mit 0,73 g gegeniiber 0,35 g bei je 1000 J eine hohere Gewebereduktion moglich. Der Holmium-Laser produzierte deutlich sichtbare Gewebedefekte mit schmalem Karbonisationssaum, wahrend der Neodym-Laser keine Defekte, dafUr diffus ausstrahlende Zonen struktureller Veranderung hervorrief. Den Grund fUr die Diskrepanz zwischen der Menge der Gewebereduktion und den morphologischen Veranderungen sehen wir im unterschiedlichen Wirkungsmechanismus des Holmium- (Photoablation) und des Neodym-Lasers (therrnische Wirkung). Schliisselworte: Diskusdekompression, Laser, Ablationsrate

We examined 12 human autopsy specimen in order to compare the mass reduction and morphological alterations of the intervertebral disc using an Holmium- and an Neodym-YAG-Iaser. The mass reduction was represented by the difference between the pre- and postlasing weights, morphological alterations were examinated at different disc sections, evaluating macroscopic changes. The mass reduction of the Neodym-Iaser was superior with

0,73 g compared 0.35 g achieved with the Holmium-laser at 1000 J. The Holmium-laser caused clearly visible lesions within the disc with a small zone of carbonisation. After Neodym-Iaser treatment no such lesions could be observed and the area of structural changes involved diffusly the surrounding tissue. The reason for the differences in mass reduction and morphological changes have to be seen in close connection with the different physical effects of the Neodym- (thermal reaction) and the Holmium-laser (photoablation). Keywords: discus decompression, laser, ablation rate

Einleitung Als eine Alternative zu den anderen perkutanen Methoden zur Behandlung bandscheibenbedingter Erkrankungen wurde die Entwicklung der Perkutanen Diskus Dekompression mittels Lasertechnik in der ersten Halfte der 80er Jahre besonders in den USA vorangebracht. Nach umfangreichen Studien zur Laserwirkung am Bandscheibengewebe (3, 11, 15, 18) erfolgte die erstmalige klinische Umsetzung der gewonnenen Erkenntnisse im Februar 1986 an der Neurochirurgischen Klinik der Universitat Graz, wo CHOY und ASCHER die erste Perkutane Laser Diskus Dekompression (PLDD) durchftihrten. Grundgedanke der PLDD ist, mittels Laserenergie eine Volumenreduktion an der Bandscheibe zu bewirken und so

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eine betrachtliche Druckreduktion intradiskal zu erzielen (4). Damit kann erreicht werden, daB vorgefallenes Bandscheibengewebe sich wieder zurUckveriagert und die bedrangte Nervenwurzel entlastet wird. Das Laserkabel wird dabei tiber den bekannten posterolateralen Zugang in den Bandscheibenraum eingebracht. Neben dem dafiir meist verwendeten Neodym-YAG-Laser kommt in den letzten Jahren vermehrt auch der HolmiumYAG-Laser bei der PLDD zur Anwendung. Bei den von uns durchgefiihrten Experimenten wurden die gewebereduzierende Wirkung dieser beiden Lasersysteme verglichen und die hervorgerufenen morphologischen Veranderungen an der Bandscheibe selbst untersucht.

Material und Methode Ftir die Untersuchung der gewebereduzierenden Wirkung der beiden Lasersysteme verwendeten wir Leichenbandscheiben aus den Wirbelsaulensegmenten von Th l2-S I. Die Experimente

Abb. 1. Versuchsanordnung mit Praparat, angeschlossenem Laser (Holmium-YAG) und Ktihlsystem.

Tabelle 1. Technische Parameter der verwendeten Lasersysteme.

Wellenlange Pulsenergie Pulsdauer Pulshochst1eistung Pulsfrequenz mittlere Leistung

Holmium-YAG-Laser

Neodym-YAG-Laser

2100 Nanometer 1,2 Joule 0,25 Millisekunden 4800 Watt

1320 Nanometer 3,1 Joule 10,3 Millisekunden 300 Watt

10 pro Sekunde 12 Watt

10 pro Sekunde 31 Watt

wurden innerhalb von 24 Stunden nach Entnahme der Praparate durchgefiihrt (Abb. I). Zur Anwendung kamen dabei ein Neodym-YAG- und ein Holmium-YAG-Laser, deren technische Parameter in Tabelle 1 aufgefiihrt sind. Die verwendeten Praparate bestanden aus je einer oder zwei Bandscheiben mit den sie begrenzenden Wirbelkorpem. Der Zugang zur Bandscheibe wurde freiprapariert und von dorsal oder aus Grunden der Ubersicht von ventral mit der Punktionskaniile punktiert (Abb. 2). 1m AnschluB daran wurde das Praparat mit der Kaniile gewogen, urn das Ausgangsgewicht festzustellen. Mit einer Ftihrungskaniile, an die das Spiil- bzw. Ktihlsystem angeschlossen war, brachten wir das Laserkabel tiber die Punktionskaniile in den Bandscheibenraum ein. Bei den Experimenten mit dem Holmium-Laser wurde die Faserspitze mit einer Fliissigkeit gektihlt, wahrend bei Neodym-Laser zusiitzlich die direkte Umgebung der Laserfaserspitze mit einer isotonischen Losung gesptilt wurde. Bei Erreichen der jeweiligen Laserenergiemenge entfemten wir das Laserkabel aus der Punktionskantile und wogen das Praparat zur Feststellung der Gewebereduktion erneut. Nach AbschluB der Laserenergieapplikation wurden die Praparate in Hohe der Punktionsstelle in sagittaler und horizontaler Richtung mit einer Sage aufgeschnitten, urn die makroskopischen Veranderungen an der Bandscheibe beurteilen zu konnen.

Abb. 2. Praparat mit Punktionssystem (Holmium-YAG) von dorsal.

Gewebereduzierende Wirkung durch den Holmium- und den Neodym-YAG-Laser

Ergebnisse

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Morphologische Veranderungen am Bandscheibengewebe nach der Laseranwendung

Gewebereduzierende Wirkung nach Holmium- und Neodym-YAG-Laserenergieapplikation Mit dem Neodym-Laser war eine deutlich htihere Gewebereduktion an den Praparaten feststellbar. Bei jeweils 1000 Joule Energieabgabe betrug sie beim Holmium-YAG-Laser im Durchschnitt 0,35 g, wahrend mit dem Neodym-YAG-Laser das Gewicht des Praparates urn 0,73 g reduziert wurde. Mit dem Holmium-Laser wurde ein hoher Anteil der gesamten gewebereduzierenden Wirkung wahrend der ersten Phase der Laserenergieabgabe erzielt. Dagegen erreichte der Neodym-Laser eine nahezu kontinuierliche Zunahme der Gewebereduktion bei steigender Laserenergiemenge (Abb. 3).

3,5

Der Holmium-Laser produzierte deutlich sichtbare Defekte an der Bandscheibe. In der Umgebung der Gewebedefekte waren schmale, scharf begrenzte Zonen der Karbonisation zu erkennen. Das nicht in direkter Umgebung der Laserfaserspitze gelegene Bandscheibengewebe wies keine sichtbaren strukturellen Veranderungen auf (Abb. 4). Die Bandscheibenpraparate nach Energieapplikation mit einem Neodym-Laser zeigten keine deutlichen Gewebedefekte. Die Struktur der gesamten Bandscheibe erschien aufgelockert und aufgeweicht. Es waren diffus in das umgebende Gewebe ausstrahlende Areale mit diesen Strukturveranderungen zu erkennen (Abb. 5).

Gewichtsreduktion in Gramm 3,05

3 2,5 2

1,5

0,5

o Abb. 3. Gewebereduktion an der Bandscheibe durch den Holmium- und den Neodym-Laser.

o

500

1000

1200

1500

2000

3000

4000

5000

6000

L.aserenergie in Joule I--Holmium-laser

"-@i· Neodym-Laser

4

Abb.4. Praparat (LS/Sl) nach Holmium-Laserenergieapplikation mit grof3em zentralen Defekt. Abb.5. Praparat (L4ILS und LS/S 1) nach Neodym-Laserenergieapplikation ohne sichtbare Gewebedefekte.

5

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H. MERK,

H. WISSEL und B. WAHL

Diskussion Flir den Lasereinsatz an der Bandscheibe spielen die thermischen Wirkungen und die Photoablation eine besondere Rolle. Wird Bandscheibengewebe mit Laserlicht bestrahlt, so kommt es zur Absorption der Laserenergie und zur Umwandlung zum groBten Teil in Warme (10). Je nach Hohe der erzielten Temperaturen entstehen Reaktionen wie Aufwarmung, EiweiBdenaturierung, Austrocknung sowie Karbonisation und Vaporisation von Gewebe (1, 7). Die Photoablation wird zu den nichtlinearen Prozessen der Laserwirkung gerechnet. Sie HiBt sich mit Laserpulsen von kurzer Dauer und hoher Leistungsdichte erreichen. Mittels der kurzen Hochleistungsimpulse kann das bestrahlte Gewebe in einen gasfOrmigen oder plasmatischen Zustand liberfUhrt werden (8, 9). Die Photoablation wird durch Lasersysteme erzielt, die geringe Eindringtiefen in das Gewebe zeigen und dabei eine hohe Leistung pro Laserpuls erzeugen. Die Wirkung des Lasers hiingt in groBem MaBe vom Grad der Absorption des Laserlichtes in der Bandscheibe abo Da humanes Bandscheibengewebe in Abhiingigkeit vom Alter zu 70-85% aus Wasser besteht, ist die Wasserabsorption von Licht ein gutes Kriterium fUr die Absorption in der Bandscheibe (13). Bei der Untersuchung des Absorptionskoeffizienten von Wasser bei verschiedenen Wellenliingen wurde deutlich, daB die Absorption fUr Licht der Wellenliinge des Holmium-Lasers (2100 nm) hoch ist, wiihrend sie fUr Licht der Wellenliinge des Neodym-Lasers (1320 nm) wesentlich niedriger liegt. Je hCiher die Absorption, desto geringer ist die Eindringtiefe in das Gewebe, desto starker ist die Wirkung des Laserlichtes an der Bandscheibe selbst und urn so weniger kann sich die entstehende Hitze in die Umgebung verteilen und andere Strukturen schiidigen (5). Auf der Suche nach den am besten geeigneten Lasersystemen flir die PLDD wurde von verschiedenen Autoren die Ablationsrate, also die Gewichts- bzw. Volumenreduktion am Bandscheibengewebe durch verschiedene Lasersysteme untersucht (Tab. 2). Einschrankend ist aber zu Tab. 2 anzumerken, daB die Experimente zur Gewebereduktion nicht unter identischen Bedingungen durchgeflihrt wurden. CHOY untersuchte die Gewichtsreduktion an Bandscheibenpriiparaten von 500 mg, wiihrend unsere Experimente an einem ganzen Wir-

Tabelle 2. Gewebereduktion an der Bandscheibe durch den Hol-

mium- und den Neodym-Laser.

Lasersystem

Gewebereduktion in Gramm SIEBERT

1993 (16) bei 1000 Joule

Holmium-YAG 0,22 Neodym-YAG 0,11

1991 (3) bei 600 Joule

eigene Ergebnisse bei 1000 Joule

0,079 0,093

0,35 0,73

CHOY

et a1.

belsiiulensegment erfolgten. Ais Fehlerquelle bei unseren Untersuchungen mit dem Neodym-Laser ist die zusiitzliche Spi.ilung des Bandscheibengewebes in unmittelbarer Umgebung der Laserfaserspitze zu nennen, die moglicherweise auch EinfluB auf die Messung der Gewebereduktion nahm. SIEBERTS Ergebnisse wurden durch die Experimente von SHERK et a1. (14) bestiitigt, die den durch die Laserenergie produzierten Defekt im Bandscheibengewebe untersuchten. Sie stellten nach 1200 Joule Laserenergieabgabe beim Neodym-Laser einen Defekt von 1,7x0,4 cm GroBe fest, wiihrend dieser beim Holmium-Laser 2,5xl,6xO,6 cm betrug. Vergleicht man die fUr die Art und Weise der Laserwirkung entscheidenden optischen Eigenschaften des emittierten Lichtes und die Laserparameter wie Pulsdauer und Pulshochstleistung der von uns untersuchten Lasersysteme miteinander, so wird der unterschiedliche Wirkungsmechanismus deutlich. Die Absorption von biologischem Gewebe flir Licht im Wellenliingenbereich des Neodym-Lasers ist gering. Flir Licht dieser Wellenliinge (1320 nm) wurden Eindringtiefen in das Gewebe von 1,25 mm ermittelt (6). Das bedeutet, daB die eingestrahlte Laserenergie sich in Form von Warme in die Umgebung verteilen kann. Die gewebereduzierende Wirkung an der Bandscheibe wird vorrangig durch thermische Effekte erzeugt. Die Bandscheibe wird dabei ausgetrocknet und daraus resultiert eine Schrumpfungo Der Holmium-Laser emittiert Licht der Wellenliinge von 2100 nm, welches gut im biologischen Gewebe absorbiert wird. Bei einer Eindringtiefe von nur 0,28 mm (6) wird der gewebereduzierende Effekt hauptsiichlich durch Vaporisation des Gewebes erreicht. Die thermischen Effekte sind deutlich weniger ausgepriigt als beim NeodymLaser und damit auch die Gefahr der Hitzeschiidigung fUr das angrenzende Gewebe. Bezliglich der Laserparameter der untersuchten Systeme wies der Holmium-Laser gegenliber dem Neodym-Laser eine 16fach groBere PulshCichstleistung (4800 W gegenliber 300 W) und eine 4lfach klirzere Pulsdauer (0,25 ms gegenliber 10,3 ms) auf und bewirkte mit dies en kurzen Hochleistungsimpulsen eine Photoablation von Gewebe. Hinsichtlich der Gewichtsreduktion der untersuchten Priiparate waren beim Neodym-Laser (0,73 g bei 1000 J) deutlich hCihere Werte als beim Holmium-Laser (0,35 g bei 1000 J) zu registrieren. Dieses Ergebnis lieB sich aber anhand der makroskopisch sichtbaren Veranderungen am Bandscheibegewebe nicht reproduzieren. Hier waren Gewebedefekte nach Holmium-Laserenergieapplikation sichtbar, wiihrend solche nach Neodym-Laserbehandlung nicht auftraten. Der Grund fur diesen Widerspruch zwischen hoher Gewichtsreduktion einerseits und den nicht adiiquaten morphologischen Veranderungen andererseits ist in der Wirkungsweise des Neodym-Lasers zu suchen. Durch die geringe Absorption fur Licht der Wellenliinge 1320 nm im Gewebe und die oben genannten Laserparameter konnte

Gewebereduzierende Wirkung durch den Holmium- und den Neodym-YAG-Laser

sich die entstehende Wiirme in die Umgebung der Laserfaserspitze ausbreiten. Die hOhere Gewichtsreduktion des Praparates beim Neodym-Laser entstand also mehr durch Austrocknungsund Schrumpfungsprozesse an der Bandscheibe und weniger durch direkte Entfemung von Bandscheibengewebe (17).

Dagegen erlaubten die kurzen Hochleistungsimpulse beim Holmium-Laser und die gute Absorption in biologischem Gewebe fUr Licht der Wellenlange von 2100 nm keine Hitzeausbreitung in die Umgebung. Die Wirkung des Laserlichtes entfaltet sich also ausschlieBlich in direkter Umgebung der Laserfaserspitze, was auch in den beobachteten morphologischen Veranderungen in Form von Gewebedefekten mit einer schmalen Karbonisationszone zum Ausdruck kam und von anderen Untersuchem bestatigt wird (2, 12).

Schlu6folgerung Eine effektive Gewebereduktion an der Bandscheibe ist sowohl mit dem Neodym- als auch mit dem HolmiumLaser moglich. Der Holmium-Laser bietet gegeniiber dem Neodym-Laser aufgrund der genannten physikalischen Eigenschaften den Vorteil einer gezielteren und damit besser steuerbaren Gewebereduktion. Wegen der sich ausschlieBlich in direkter Umgebung der Laserfaserspitze entfaltenden Wirkung ist die Gefahr der thermischen Schadigung fUr angrenzende Strukturen minimal, und im Vergleich zum Neodym-Laser lassen sich mit dem Holmium-Laser grofiere Gewebedefekte erzielen.

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Korrespondenzadresse: Priv.-Doz. Dr. med. H. MERK, Orthopiidische Universitiitsklinik Magdeburg, Leipziger StraBe 44, D - 39120 Magdeburg. Tel.: 0391-6714032; Fax: 0391-67190149; e-mail:[email protected]