Zeitaufgelöste Untersuchung der Einwirkung gepulster Laserstrahlung auf Gewebe-Modellsubstanzen

ORIGINALARBEITEN

Zeitaufgeloste Untersuchung der Einwirkung gepulster Laserstrahlung auf Gewebe-Modellsubstanzen H. Schmidt-Kloiber, G. Paltauf Abteilung Biophysik, Institut fUr Experimentalphys ik, Karl-Franzens-Universitat Graz

Zu sammenfassung

Mit Hilfe eines gepulsten Nd: YAG Lasers (Wellenliinge 1064 nm. Pulsdauer 8 ns oder 100 us) und einer absorbierenden Fliissigkeit als Gewebe-Modellsubstanz werden die Mechanismen der Materialabtra gung untersucht. Da beide Pulsdauern kiirzer sind als die thermische Relaxationszeit, wird der Wiirmetransport aus dem bestrahlten Yolumen wiihrend des Laserpulses verhindert. Die experimente lle Methode ist die Photographie mit kurzer Belicht ung durch einen zweiten Laserpuls und variabler verzogerung zwischen dem ausliisenden und dem Beleuchtungspuls. Die langen Laserpulse verursachen Materia labtragung durch Verdampfung.falls die Energie ausreicht, die Temperatur im bestrahlten Volumen auf den Siedepunk t zu erhiihen. Durell die kurzen Pulse wird das Material isochor erwdrmt, Bei der Relaxation des dabei entstehenden Uberdruckes in der Ndhe einer fre ien Oberfldche wird eine Zugspannung erzeugt, welche eine Zerstiirung und Abtragung von Material ausliisen kann , ohne daft verdampfu ng notwendig ist. Dieser Effekt wird als Laserspallation bezeichnet. Zuletzt wird als besonders wirksamer Abtragungsmechanismus eine Kombinat ion von Laserspallation lind Yerdampfu ng demonstriert. Abstract

By use of a pulsed Nd:YAG laser (wavelength 1064 nm , pulse duration 8 ns or 100 us} and an absor bing liquid as a tissue model the mechanisms of material removal are investiga ted. Since both pulse durations are shorter than the thermal relaxation time, heal transport out of the irradiated volume during the laser pulse is inhibited. The experim ental method is short-expos ure photography by a second laser pulse, with variable delay between the irradiating and the illuminating pulses. The long laser pulses are causing material removal through vaporization, if the energy is sufficiently high to raise the temperature in the irradiated volume to the boiling point, The short pulses lead to isochoric heating of the material. The relaxation of the pressure thereby produced near a fr ee surface creates a tension that can cause destruction and removal of material without vaporization. This effect is called laser spallation. Finally, a very efficie nt ablation mechanism is demonstrated that comhines laser spallation with vaporization. Key wor ds: Gepulste Laserstrahl ung, Spallation , Ablation

Einle itung Bei laserchirurgischen Eingriffen gewi nnt neben kontinuierlich einges trahltem Licht der Einsatz gepulster Laserstrahlung zune hmend an Bede utung , da damit thermi sch bedingte Veranderu ngen in den Randzo nen deutlich vermindert oder iiberhaupt vermie den werden konnen, Zur Abtragung von Gewcbe mit Hilfe von Laserstrahl ung werden verschiedene Lasersysteme mit unterschi edlichen Betriebsarten verwc ndet, wodurch ein unmittelbarer Vergleich der Wirku ngsmechanismen nur schw er moglich ist. Die vorliege nden Unters uchungen betrafen die Einwirkung von d:YAG-Lasc rstrahlung bei 1064 nm Wellenlange

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mit unte rschiedlicher Pulsdauer und Pulsenergie auf Modellsubstanzen. Ziel der Experimente war es, unter moglichst vergle ichbaren Rahmenbedingungen die unter schiedlichen Wirkung smechanismen deutlich aufzuzeigen , urn damit zu einem besseren physikalischen Verstandnis der Vorgange zu gelangen. Dieses Verstandnis ist die Voraussetzung, ein gestelltes medizinisches Laserproblem einer optimalcn Losung zuzuftihren.

Problemstellung An Hand experimenteller zeitaufgeloster Beobachtung der Einwirkung gepulster Laserstrahlung auf eine Modell-

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Zeitaufgel6 ste Unl ersuchung der Einwirkung gepu !ster Laserstrahlung auf Gewebe ·Modell substanzen

subs tanz soli en die wesentlichen materialabtragenden Mechanismen aufgezeigt werden. D abei werden laserseit ig Wellcnlan ge und geometrische Strahleigenschaften, probenseitig die A bsorptionskonstante (0:) und die mechanischthermischen Eigenschaften konstant gehalten. Variiert werden hingegen die Laserpulsdauer sowie die Laserpulsenergie. Let ztere bestimmt die der Probe zugefu hrte .Bestrahlung" (E nergie pro Flache; Zei tin tegral de r Irradianz). Unter die sen Versuchsbedingungen gel ingt es, die Mechanismen der Laser-A blat ion vo n de r Laserspallation [3,4] zu unterscheiden . Vorgange der Laser-Dis ruption [5,6], deren Ursache der sogenannte laserinduzierte Durchbruch (LI B) ist, werden in dieser Ar beit nicht naher untersu ch t.

Experimentelle Untersuchungen Als Lasersystem wird ein Nd:YAG-Laser mit der Wellen lange 1064 nm verwendet. Der Laseraufbau ermoglicht die Abgabe von Pulsen mit 100 J-Ls Dauer, bzw. mit 8 ns Dauer nach Aktivierung eines Gtitescha lters. Falls notwendig , kann die Be strahlung an der Probenoberflache in beiden Fallen so groB gemacht werden, daB die absorbierte Energie ausreichen wilrde, urn im bes trahlten Material die Temperatur tiber den Siedepunkt hinaus zu erhohen, Ais Modellsubstanz dient Wasser, dessen Absorptionskonstante durch Zugabe von CUS04 au f den Wert a = 19 em - 1 eingestellt wird. A bbi ldung I zeigt den gewahlten Experimentieraufbau: In eine randvoll mit Probesubstanz gefiillte Kiivette wirken von oben die Laserpulse ein und losen die zu untersuchenden Vorgange aus. Durch Veranderu ng des Abstandes zwischen de r Linse und der Probe ka nn der Strahldurchmesser an der Prob enoberflache variien werden. Mi t einstellbarer Zei tverzogerung zwischen und 1000 us wir d im rechten Winkel dazu ein Beleuchtungslaserpuls (8 ns ) eingestrahlt und der Vorgang mit Hilfe einer Schliercnanordnung au f cinen photographisch en Film so abgebildct, daB aus dem Strah lengang abgelenktes L icht die Filmebene nicht erreichen kann. Da her e rscheinen die bcobachteten Ereignisse d unkel auf hel lem Hinte rgru nd. Die Wellenlange de s Beleuchtungslichtes (532 nm) wird von der Probensubstanz nur geringfiigig ab sorbiert, wo durch Vorgange, die oberhalb der Pro be und im Proben inneren ablaufen, gleichzeitig beobachtet werden konnen. Die schmal gehaltene Probenktivette erzeugt nur ge ringe Un terschiede der opt ischen Wegl ange, und cs werden be ide Bereiche hinreichend scharf auf der Filmebene abgebildet. Das Photoobje ktiv ist wahrend eines langeren Zci tra ume s geoffnet, wo durc h ncben dem kurzzeitbelichteten Vorgang auch aile selbstleuchtenden Ereignisse , beispielsweise die Plasmab ildung bei Bestrah lungswerten in der Nahe de r Sc hwelle des optischen D urchbruchs, festgehalten werden. Mit diese r Anordnung er halt man zeitaufgeloste, sc harfe Bilder, bei welchen die Grenzflache zwi schen Probenflussigkeit und Lu ft nur einen schmalen dunklen Saum bildet. Mehrfach bclicht ungen eines Einzelvorganges mit kurzem zeitli-

a

lASER 1

1064 om

lASER 2

532 om

Abbildung 1 Versuchsaufbau fiir die zeitaufgeliiste Schlierenphotographie

chen Abstand sind mit dieser Anordnung nicht moglich, und es muB Sorge dafur getragen we rden, daB die Vorgange innerhalb einer Serie von Experimenten rnoglichst reproduzierbar ablaufen.

Ergebnisse E inwi r ku ng eines "en er giereichen" , 100 J-Ls langen E inz el p u lses Die verwendete Charakterisieru ng des Laserpulses als "energiere ich" bzw. "e nerg iearm" hat folgende Bedeutung: Das yom Lascrlicht bes trah lte Volumen kann in gu ter Naherung durch den Lasers trahlquerschnitt beim Auftreten auf die Probe und durch die mittlere optische Reichweite (d) angegeben werden. Ein Laserpu ls wird als "energiereich" bezeichnet, wenn das im bestrahlten Volurnen enthaltene Material so viel Energie absorbiert, daB seine Siedetemperatur ilberschrittcn wird, was gleichbedeutend mit der Moglichkeit einer teilweisen Verdampfung des Materials ist. Re icht die Energie nicht zur Temperaturerhoh ung bis zu m Siedcpunkt aus , so wird der Laserpuls als "energiearm " bezeichnet. Ftir Laserpulse mi t 100 JLs bzw, 8 ns Pulsdauer konnen die Energiewerte du rch Angabe der Bestrahlung quantitativ ausgedriickt we rdcn, da diese Zei ten weit unterhalb der the rmischen Relaxationszeit (trh) liegen und daher wahrend der Einstrahlung kein ne nnenswerter Energiebetrag in die Umgebung abflieBen kann. D ie thermische Relaxationszeit wird als

Q

tlh = I

( I)

defin iert , wobei Q die im bestrahlten Material deponierte Energie und I den aus dem be strah lten Volumen abftieBenden Warmestrom bezeichnet. D ie thermische Relaxationszeit ist ein MaB fur de n Temperatura usgleich cines erwarrnten Volumens mit sei ner Umgebung. Unte r den gewahltcn Versuchsbedingungen betragt tlh ca . a,s s. Der Schwcllwert der Bestrah lung, be i dem ge radc die Siedetcmperatur erreicht wird, betrag t 17 J/cm 2 •

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Zeilau tgelOsle Unl ersuchung dcr Einwirkung gepulster Laserslrahlung auf Gewebe-Modellsubstan zen

Imm. Abbildung 2 Schli erenaufnahmen wiihrend und nach der langen Einstrahlung eines von oben kommenden , 100 us dauernden Laserpulses mit der Bestrahlun g 26 Jlcm 2 auf die Ob erfldche einer CuS04 -Losung. Verziigerungszeiten relativ zum Anfa ng des La serpulses a) 80 us , b) 100 ILS, c) 150 us , d) 250 us

bestrahlte Oberflache ist, DaB sich die ebenfalls gut sichtbaren therrnisch bedingten Schlieren wahrend der gesamten Beobachtungsdauer nicht wesentlich verandern, bestatigt die Annahme, daB Warmeleitung keine nennenswerte Rolle spielt.

Einwirkung eines "energiea r mcn", 8 ns langen Lascrpulses

Abb. 2 zeigt die Vorgange wahrend und nach der Einwirku ng ei nes Laserpulses mit einer Bestrahlung von 26 J/cm 2 • Man erkennt aus der Bildfolge , daB die mit Materialauswurf verbundene Phasen umwandlung noch wahrend der Lascreinwirkung cinse tzt. Ausgehend von der Oberflache bewegt sich ein Stro m von Tropfchen , verrni scht mit Wasserdampf, mit einer Geschwindigkeit zwischen 10 m/s und 20 m/s dem einfall cndcn Lascrstrahl entgegen. 1m bestrahlten Mater ial bildet sich ei n etwa halbkugelformiger Hohl raum, dessen Querschnittsflache grolier als die urspriinglich

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1m folgenden Experiment wird die Laserpulsdauer mit Hilfe des Giiteschalters auf 8 ns vcrkiirzt und die Bestrahlung durch Vergroflerung des Strahldurchmessers an der Probenoberflache auf 12 J/cm 2 reduziert. Aile anderen ex perimentelien Randbedingungen bleiben unverandert. Die Bildfolge in Abb. 3 zeigt das zunachst iiberraschende Ergebni s: Obwohl aufgrund der niedrigen Bestrahlung die Temperatur im Probekorper nur ca. 80·e erreicht, wird Material mit ca . 27 m/s ausgeschleudert. lnnerhalb der Fliissig keit erkennt man einen parallel zur Oberflache vcrlaufenden dunklen Balken, der sich mit Schallgeschwindigkeit in das Fliissigkeitsinnere bewegt. Zwischen diesem Balken und der Oberflache bilden sich Kavitationsblasen aus, deren Volurnenvergroberung mit dem beobachtcten Materialauswurf im Zu sammenhang steht.

ZeitaufgeloS1e Untersuchung der Einwirkung gepulsler Lase rstrahlung auf Gewebe-Modellsu bstanzen

Lmm Abbildung 3 Spallation mit Materialauswurf, hervorgerufen dutch einen 8 ns langen Laserpuls mit der Bestrahlung J2 Jlcm 2 _ Verzogerungszeiten a) 0 .63 l IS . b) 20 lIS. c) 50 JLS . d) 75 JLs

Dieser Vorgang, der zu Materialzerstorun g bzw. zur Malerialabtragung fuhrt , ohne daB eine Aggre gatzustandsanderung notwendi g ist, wird als Spallation - in diesem Fall Pholospallation - bezeichnet [3). Die Reduktion der Pulsdauer von 100 l IS auf 8 ns bedeutet , daB die mil der Material erwarmung verbundene Zustandsanderung isochor erfolgt . Innerhalb der kurzen Zeit entsteht eine groBe Druckspannung, deren Abbau erst nach beendeter Einstrahlung voll einsetzt. Auch der Spallationsvorgang kann durch eine Zeit , die akustische Transitzeit (t"d , charakterisiert werden . t ak

d I = - =-C Q . c

(2)

Hierbci ist d die mittlere optische Reichweite und c die Schallgeschwindigkeit. Bei den von uns gcwahlten Bedin gungen errechnet man die akustische Transitzeit mit ca. 300 ns. Sie ist wesentlich grofser als die Laserpulsdauer. Der Druckverlauf im Materialinneren folgt analog der Energiedichteverteilung und kann , einfache Absorption vorausgesetzt, mit Hilfe einer Exponentialfunktion beschrie ben werden. Der Druckabbau erfolgt als Druckwe llc, die in das Materi alinnere lauf], gefolgt von einem an der freien Oberflache als Zugspannungswelle reftektierten AnteiI. Es entsteht eine bipolare Welle mil einem raumlich scharf begrenzten Ubergang von einem Druck- in einen Zugspannungsbereich [1,2). Uberschreitet die Zugspannung die

Festigkeitsgrenze des Materi als, so reiBt dieses in Schich ten parallel zur Oberfliiche auf. In Fltlssigkeiten entstehcn Kavitationsblasen (Abb. 4) .

Einwirkung eines "energiereichen", 8 ns langen Laserpulses Unter Beibehaltung der Pulsdauer von 8 ns und der sonstigen experimentellen Bedingunge n wird nunmehr die Bestrahlung wieder auf 26 J/cm2 erhoht, Dieser Wert wilrde

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Zeitaufgeloste Untersuchu ng der Einwirkung gep ulster Laserstrah lung auf Gewebe-Mode tlsubstanzen

_____ LUFT GRENZFLAECHE KAVITATION DRUCK BIPOLARE V'ELLE

I mm

~ --

ausreichen, die Temperatur des betroffe nen Materials auf ca. l50·C zu erhohen. An Hand der Bildfolge in Abb. 5 erke nnt man, daB der Materialauswurf unmittelbar nach dem Ende des Laserpul ses auBerst heftig einset zt, wobei Auswurfgeschwindigkeiten von ca. 1100 m/s auftreten. Daher erkennt man auch deutl ich neben der bipolaren Welle eine StoBwelle, die in beide Medien hinein abgestrahlt wird. Anders als bei den 100 us langen Pulsen , wo mit dem Erreichen der Siedetemperatur der Materialau swurf einsetzt, wird bei der kurzen Pulsdauer von 8 ns die Energie zunachst gespeichert. Dabci tritt Uberhitzung auf, da durch den auf-

AUSBREITUNGSRICHTUNG "-. FLUESSIGKEIT

Abbildung 4 Kavitation , hervorgerufen durch eine bipolare Dru ckw elle nach der Einwirkung eines 8 ns langen Laserpulses mit der Bestrahlung 3,4 Item" , Verziig erungszeit 0,5 us

Abbildu ng 5 Spallation und explosive verdampfung nach der Einstrahlung ei- '. nes 8 ns langen Laserpulses mit der Bestrahlung 26 Jl cni". Verzogerun gszeiten

1 m.m

a) 0.3 us, b) 0.75 us, c) J us, d) J,5 us

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Zeitaufgel6ste Untersucl1ung der Einwirkung gepulster Laserstrah lung au! Gewebe-Modellsubstanzen

gebauten Uberdru ck die Temperatur tiber de n normalen Siedepunkt hinaus erhoht werde n kann. Beim Druckabbau , und besonders unte rstutzt durch den Ubergang in den Zu gsp annungsbereich , sctzt dann die Verdampfung der Fliissigke it schlagart ig e in. Damit steht ein weiterer, wirkungsvoller rnaterialzerstorcnder ProzeB zur Verftigung. Zu grolseren Pulsenergien hin iSIder Pro zeB jedoch begrenzt, da mit steigender Bestrahlung auch die mittlere elektrische Feldstarke steigt, wodurch die Grenze zum laserinduzierten Durchbruch erreicht wird. Bei die sem Vorgan g wird ein gro Ber Teil der Lase rpulsenergie im entstehenden Plasma umge setzt und steht ftir Photospallation bzw. Verdampfung im Inneren der Pro be nicht mehr zur Verftigung.

Diskussion Anhand der einfachen Modellsubstanz, einer absorbierenden Flu ssigkelt, konnten unter gut reproduzierbaren Bedingungen zwei unterschiedliche Abtragungsmechani smen untersucht und klar unterschieden werden. Die gezeigten expe rimentellen Ergebnisse demonstrierten die Wirkung gepulster Laserstrahlung in Abhangigkeit von Pulsdauer und Be strahlung. Be i einem langen Laserpuls ( 100 /1s), de ssen Energie ausreicht, die Temperatur des bestrahlten Materials tiber die Siedetemperatur hin au s zu erhohen, beg innt die Materialabtragung von der Oberflache ausgehend noch wahrend der Lasereinstrahlung. Man beobachtet aus einem erustehe nden Hohlraum abgetrag enes Material , das dem ein fallenden Laserstra hl entgegen strornt. Ob wohl haufig eine Mate ria lkonzentration in den auBeren Bereichen der Strornung au ftritt , kann dadurch eine Ab schwachung der Bestrahlung an der Pro benoberflache verursacht werden. Wird die Wellenlange auf die opti schen Malerialeigenschaften abgestirnrnt, so konncn, abhangig von der Pulsenergie, tiefe Locher (bzw, Schnitte) erzeugt werden [7]. Besonders wirkungsvoll kann dic scr Abtragungsmechanismus eingesetzt werden, wenn fur einen akliven Abtransport des heiBen Materials gesorgt wird. Bei medizinischer Anwendung konnten dadurch auc h therm ische Schaden, d ie durch Kondensation de s heiBen Ma terials an den Schnittr ande rn entst ehen, ve rmie den we rden. Verkiirzt man die Laserpulsdauer au f Wert e klein er als d ie aku stisch e Tran sitzeit , so entstehen auch dann noch mechanische Defekte, wenn die Pulsenergie nicht ausreicht, urn die Schwell e zur Verdampfung zu erre ichen. Bei diesem als Photospallation be zeichneten Vorgan g wird die cinge strahlte Energie zunachst im betroffenen Materi al gespe ichert. Die mech an isch e Rcaktion sctzt erst nach beendctcr Ein strah lun g voll ein . Dabei entsteht an der Grenze zu einer frei en Oberfl ache ei ne Zu gspannungswelle . Ube rschreitet dere n Ampli tude die Fest igk eitsgrenze des Ma terials, so treten je nach Ma terialeigenscha ften zunac hst RiBbiidungen und Kavitation auf, die in wei terer Folge Materialabtragung bewirken . Wird die Bestrahlung tiber die Siedesch welle hin-

aus erhoht, so wirkt zu satzlich zur Zugspannungswe lle auch der Dampfdru ck des iibe rhitz ten Materia ls als treibe nde Kraft Ilir den Au sw urf von Ma teri c. Als Obergrenze der Ene rgie findet ma n jcne Wert e, bei de nen ein laserinduzierter Durchbruch au sgelost wird. Irn Unterschied zu ande ren Photoabl ationsmechani smen, be i de nen die Wirkung vo n einer nahezu punktform igen Energiekonze ntration ausge ht, werden Spallat ion se ffekt e dann besonders wirk sam , wen n de r D urchmesser der bestrah lten Flache grof gegen d ie m ittlere optische Reichweit e ist. Wichtig filr die me dizi nsc he Anwen dung ist d ie Tatsa che, daB der Sp allat ion seffekt schon du rch geringe prim are Tcmpcraturerhohung ausgelos t werden kann. Eins chrankungen sind mo glicherweise dad urch gege ben , daB de r Sp all ation seffekt eher flachenform ig ausge lost werden muB und e ine Steigerung der Bestrahlung durch den auft reten den lase rinduzierten Durchbruch begrenzt ist.

Danksagung Die vorliegende Arbe it wurde durch den Osterreic hisch en Forschungsfonds, Projekt Nr. P 8886 Med unterstiitzt. Eingegan gen am 27.7.1993; zum Druck angenommen am 3.1.1994 .

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Korrespondenzanschrift tit. ao. Prof. Dr. H. Schm idt-Kloiber, lnstitut fllr Experimentalphysik. Karl-Franzcns -Universitat Graz Universitatsplatz 5 A-8010 Graz

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