Eindringen von Licht in lebendes Gewebe

von Lars Hode

Irgendwann in den prägenden Jahren jedes jungen Wissenschaftlers hat er oder sie experimentiert, indem sie mit einer Taschenlampe durch ihre Finger oder, noch lustiger, durch ihre eigene Nase, um zu entdecken, dass das weiße Licht der Taschenlampe nicht nur durch ihre Anhängsel, sondern leuchtet auch auf der anderen Seite rot auf und führt sie so zu der Schlussfolgerung dass etwas Licht, aber nicht alles, durch das Gewebe dringen kann. Jetzt ist unser junger Wissenschaftler älter und mehr gelernt, und sie versteht, dass lebendes Gewebe ein hochkomplexes ist, dynamisches trübes Medium, dessen optische Eigenschaften durch unterschiedliche Raten von Absorption, Streuung, Transmission und Reflexion. Sie weiß auch, dass unterschiedliche Bildgebende Verfahren, wie optische Kohärenztomographie (OCT), Laser-Doppler Durchflussmessung (LDF) und transmissive Laser-Speckle-Imaging (TLSI), beruhen auf einem Verständnis dieser komplexen optischen Eigenschaften.

Eindringen in lebendes Gewebe hängt von Parametern wie Wellenlänge, Intensität, Polarisation und Kohärenz der Lichtquelle, Gewebekompression und die des Gewebes selbst, wie Pigmentierung, fibrotische Struktur, Hydratation und Zusammensetzung, zusätzlich zu mehr offensichtliche Faktoren wie Haare und Kleidung. (Danke Peter für diese elegante Formulierung!)

Für viele Indikationen in der Laserphototherapie ist eine gute Penetration durch Gewebe von Vorteil. 

Wellenlänge 

Nun hat unser junger Wissenschaftler bereits gemerkt, dass rotes Licht gut durch das Gewebe geht. Aber was passiert dann mit dem Rest des Lichts – den blauen, grünen und gelben Teilen? Es wirddurch das Gewebe absorbiert und wird in Wärmeenergie umgewandelt. Sie können dies selbst testen: Vergleichen Sie einen roten und grünen Laserpointer mit der gleichen Leistung, d.h. von 5 mW (in den meisten Ländern legal) – das rote Licht geht durch den Finger, das Grün nicht. Für infrarotes Licht benötigen wir einen IR-Visualisierungskonverter, der für die verwendete Wellenlänge ausreichend empfindlich ist. Dieses Spektrum wurde mit einem sehr empfindlichen Spektrophotometer aufgenommen, wobei die Hand in enger Nachbarschaft zur Photokathode lag (unveröffentlichte Daten von Karl H. Norris, aus The Science of Photobiology, KC Smith, Hrsg., Plenum Press, 1977; S. 400). Wie man sehen kann, liegt die beste Transmission durch eine Hand ungefähr zwischen 670 nm und 910 nm und dann ab etwa 1050 nm und aufwärts. Ursprüngliche Website: Photobiological Sciences Online (PSO) (photobiology.info)

Abbildung 1: Absorptionsspektrum der menschlichen Hand

Hier können wir schätzen, dass die O.D. (Optical Density) für 980 nm etwa 4,7 und für 810 nm etwa 3,3 beträgt. Transmission (T) und Optical Density (OD) sind zwei gängige Möglichkeiten, um den Durchsatz eines Filters oder eines anderen Objekts wie Gewebe auszudrücken. Die Übertragung kann als T = l0^-ODausgedrücktwerden.  Dies bedeutet, dass die Übertragung für das 810 nm Licht 25-mal höher ist als für das 980 nm-Licht (T_3.3  = 0.0005 bzw. T_4.7  = 0.00002).   

Abbildung 2: Ein weiteres interessantes Diagramm ist das folgende          

Dies deckt sich ziemlich gut mit der gezeigten spektralen Übertragung einer Hand. In beiden Fällen verwenden wir kontinuierliches (oder geschaltetes) Licht. Herkömmliches Pulsieren hat keinen Einfluss auf die Penetration.

Die erste Barriere für das Licht ist in der Regel die Haut. Die Übertragung durch die Haut wurde in mehreren Studien untersucht. Jan  Bjordal und Kollegen haben die Hautübertragung mit verschiedenen Lasern zusammengefasst. 

Eine systematische Überprüfung der Low-Level-Lasertherapie  mit ortsspezifischen Dosen auf Schmerzen durch Gelenkerkrankungen. Bjordal  JM,  Couppé  C, Chow RT,  Tunér J und  Ljunggren  AE (2003).  Australian Journal of Physiotherapy  49: 107-116

“Wir gehen davon aus, dass der Energieverlust durch die Hautbarriere bei kontinuierlichen HeNe-Lasern (632 nm) 90 %, bei kontinuierlichen GaAlAs-Lasern (820 nm) und NdYag-IR-Lasern 80 % und bei GaAs-Infrarot-Pulslasern (904 nm) 50 % beträgt. Der weitere Energieverlust wird gemäß dem Penetrationsmodell für Schweine mit 5 % pro mm Gewebe für Infrarotlaser als linear angenommen. Für rote HeNe-Laser gehen wir von einem weiteren Energieverlust von 10 % pro mm Gewebe aus."

Der überraschendste Teil davon ist, dass sich die GaAs so stark von den anderen unterscheiden. Was ist so besonders an dieser Wellenlänge – 904 nm? Nichts! Es ist nicht die Wellenlänge, es ist das extreme Pulsieren (Superpulsing). Heute ist es möglich, GaAlAs-Laser mit der Wellenlänge von 904 nm zu finden und dann beträgt der Energieverlust durch die Hautbarriere etwa 80%.

 Bjordal erklärt weiter:

"In-vivo-Studien  mit 904 nm Pulslasern haben gezeigt, dass diese Laser ähnliche Effekte auf die Kollagenproduktion mit weit niedrigeren Dosen auf der Haut des Tieres erzielen als Laser mit kontinuierlicher Leistung (Enwemeka  1991a; van der Veen und  Lievens  2000). Dieser Effekt ca wird auf das Photobleichphänomen zurückgeführt, bei dem der erste starke Puls die undurchsichtige Barriere des Gewebes bleicht und den zweiten Puls mit weniger Energieverlust durch die Gewebsbarriere passieren lässt (Kusnetzow et al. 2001), (Abb. 7)". Dies wurde von Jon Joensen weiter untersucht und von ihm selbst auf der WALT-Tagung im September 2010 in Bergen, Norwegen, vorgestellt. Abbildung 3 und 4.

Andere Faktoren
Starkes Licht dringt tiefer ein als schwaches. Die doppelte Leistung bedeutet jedoch nicht doppelt so tief, sondern vielleicht 5-10% tiefer. Nehmen wir an, dass ein 100-mW-Laser bei 10 mm Tiefe eine bestimmte Intensität hat. Wenn wir denselben Laser härter treiben, so dass er 200 mW ausstrahlt, wird die erwähnte bestimmte Intensität auf 10,5 - 11 mm Tiefe gefunden, und wenn wir die Leistung auf 400 mW erhöhen, wird die Tiefe auf 11 bis 12 mm zunehmen.

Ein weiterer Faktor, der die Penetration beeinflusst, ist die Kompression des Gewebes - eine Sonde, die mechanisch gegen die Haut gedrückt wird, zwingt das davor befindliche Blut dazu, sich vom eindringenden Strahl wegzubewegen. Die Pigmentierung kann einen großen Teil des einfallenden Lichts absorbieren.

Fazit
Die wichtigsten Faktoren, die die Lichtdurchdringung im Gewebe beeinflussen, sind Wellenlänge, Superimpuls, Leistung, Intensität, Gewebekontakt und Kompression. Weitere zu berücksichtigende Faktoren sind Polarisation und Kohärenz. Siehe z.B. L. Hode, The Importance of the Coherency. Photomedizin und Laserchirurgie. Jahrgang 23, Nummer 4, 2005, S. 431– 434