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Hamburg, Carl von Ossietzky

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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-92932
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2018/9293/


Studies of Laser Ablation, Biodiagnostics, and new Laser Surgery Applications under Conditions of Ultrafast Desorption by Impulsive Vibrational Excitation (DIVE)

Studien zur Laserablation, Biodiagnostik und neuen Anwendungen der Laserchirurgie unter Bedingungen der ultraschnellen Desorption durch impulsive Anregung von Vibrationsmoden (DIVE)

Maier, Stephanie

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SWD-Schlagwörter: Laser , Massenspektrometrie
Freie Schlagwörter (Deutsch): Biodiagnostik , Laser-Gewebe-Wechselwirkung , medizinische Laseranwendungen
Freie Schlagwörter (Englisch): laser , biodiagnostics , laser tissue interaction , mass spectrometry , medical laser applications
Basisklassifikation: 33.05
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Miller, R. J. Dwayne (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 19.02.2018
Erstellungsjahr: 2017
Publikationsdatum: 10.09.2018
Kurzfassung auf Englisch: Minimal invasive procedures are becoming increasingly important for numerous surgical disciplines. Medical lasers contribute to this development providing a high precision and intrinsic sterility, and are therefore the tool of choice for many applications. In addition, laser-based systems offer additional advantages for real-time bio-diagnostics when coupled with mass spectrometry.
Ultrafast Desorption by Impulsive Vibrational Excitation (DIVE) is a recently developed, ultra-soft laser ablation mechanism with promising medical and bio-diagnostic applications. In the DIVE-regime a Picosecond Infrared Laser (PIRL) is used to ablate tissue. The PIRL selectively excites the vibrational modes of water molecules in tissue within only a few picoseconds and thus drives an ultrafast transition from the liquid to the gaseous phase. This enables a rapid ablation process avoiding thermal and shock wave induced collateral damage to the surrounding tissue. In particular, the soft ablation process extracts tissue constituents, such as small molecules, proteins and protein complexes, undamaged and with intact biological functions.
This thesis describes laser ablation characterization studies, bio-diagnostic techniques, and new laser surgery applications using the DIVE regime. The cutting speed is a critical parameter for the acceptance of a new surgical method in clinical daily routine. Therefore, the ablation rates and ablations depths as a function of PIRL peak fluence are studied for different soft tissues. Furthermore, limitations of future PIRL laser designs due to laser-induced optical breakdown in the ablated tissue are analyzed. A new surgical laser scalpel concept utilizing a tapered fibre tip is developed and compared to incisions performed by a classical scalpel. Further investigations within this work compare the efficiency of two laser ablation methods with infrared lasers of different pulse durations and comparisons are made for proteome analysis. Finally, two new PIRL-based surgical techniques are presented which treat otosclerosis in otorhinolaryngology and glaucoma in ophthalmology.
Overall, the results demonstrate the substantial benefits of the DIVE process compared to conventional laser ablation techniques and emphasize the unique characteristics of the PIRL laser. These capabilities further distinguish PIRL as a valuable tool for surgical laser applications and bio-diagnostics in the near future.
Kurzfassung auf Deutsch: Minimal-invasive Verfahren gewinnen zunehmend an Bedeutung in zahlreichen chirurgischen Fachdisziplinen. Aufgrund ihrer hohen Präzision und ihrer inhärenten Sterilität sind medizinische Laser für einige dieser Anwendungen das Werkzeug der Wahl. Darüber hinaus können laserbasierte Systeme in Verbindung mit der Massenspektrometrie zusätzliche Vorteile für die Echtzeit-Biodiagnostik bieten.
Ultraschnelle Desorption durch impulsive Anregung von Vibrationsmoden (DIVE) ist ein neu entwickelter und besonders schonender Laserablationsmechanismus, mit vielversprechenden Anwendungen in der Medizin und Biodiagnostik. Ein Pikosekunden-Infrarot-Laser (PIRL) wird zum Abtragen von Gewebe innerhalb des DIVE-Regimes eingesetzt. Der PIRL regt die Schwingungsmoden von Wassermolekülen im Gewebe innerhalb weniger Pikosekunden selektiv an und treibt so einen ultraschnellen Übergang von der flüssigen in die gasförmige Phase an. Dies ermöglicht einen schnellen Ablationsprozess, der Kollateralschäden im umgebenden Gewebe durch thermische Effekte und Stoßwellenausbreitung vermeidet. Entscheidend ist dabei, dass durch den sanften Ablationsprozess Gewebebestandteile wie kleine Moleküle, Proteine und Proteinkomplexe unbeschädigt und mit intakten biologischen Funktionen extrahiert werden.
Die vorliegende Arbeit umfasst mehrere Studien zur Charakterisierung der Laserablation, Biodiagnostik, und neuen chirurgischen Laseranwendungen unter Verwendung des DIVE- Ablationsmechanismus. Für die Akzeptanz neuer chirurgischer Methoden im klinischen Alltag ist die Schneidegeschwindigkeit von erheblicher Bedeutung. Die Arbeit untersucht deshalb Ablationsraten und Ablationstiefen für den Pikosekunden-Infrarot-Laser in verschiedenen Weichgeweben in Abhängigkeit von der Laser-Fluenz. Des Weiteren werden die Grenzen zukünftiger PIRL-Laserdesigns hinsichtlich einer laser-induzierten optischen Plasmabildung im abgetragenen Gewebe analysiert. Ein neues Konzept für ein chirurgisches Laser-Skalpell mit einer abgeschrägten Faserspitze wird entwickelt und mit den Inzisionen eines klassischen Skalpells verglichen. In weiteren Untersuchungen wird die Effizienz zweier Laserablationsmethoden mit Infrarotlasern unterschiedlicher Pulsdauern verglichen und Unterschiede im Hinblick auf eine Proteinanalyse dargestellt. Schließlich werden zwei neue Operationstechniken mit PIRL zur Behandlung von Otosklerose in der Hals-Nasen-Ohren-Heilkunde und Glaukom in der Augenheilkunde vorgestellt.
Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit die erheblichen Vorteile des DIVE-Prozesses gegenüber herkömmlichen Laserablationsmethoden und betonen die einzigartigen Eigenschaften des Pikosekunden-Infrarot-Lasers (PIRL). Diese Besonderheiten zeichnen PIRL als ein wertvolles Werkzeug für chirurgische Laseranwendung und Biodiagnostik in der Zukunft aus.

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