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Ablation of hard biological tissue and osteotomy with pulsed CO_1tn2 lasers [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Martin Werner

De
165 pages
Ablation of hard biological tissue and osteotomy with pulsed CO lasers 2 Inaugural-Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf vorgelegt von Martin Werner aus Essen 2006 Aus dem Institut für Lasermedizin der Heinrich-Heine Universität Düsseldorf Gedruckt mit der Genehmigung der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf Referent: Prof. Dr. P. Hering Koreferent: r. K. Schierbaum Tag der mündlichen Prüfung: 16.11.2006 Meinem Bruder Summary This thesis describes a variety of experiments and results concerning the ablation of hard biological tissue, mainly compact bone, with pulsed CO lasers. Laser processing 2of bone is a very complicated task since bone consists of different components with very different physical properties that give bone its combination of flexibility and solidity. While the mineral bone component melts at temperatures above 1280°C, bone cells will already be damaged by minor temperature rises above 42°C. The process model for hard tissue ablation with pulsed IR lasers is the so-called thermo-mechanical ablation.
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Ablation of hard biological tissue
and osteotomy with pulsed CO lasers 2







Inaugural-Dissertation
zur
Erlangung des Doktorgrades der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät
der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf















vorgelegt von
Martin Werner
aus Essen
2006




Aus dem Institut für Lasermedizin
der Heinrich-Heine Universität Düsseldorf





















Gedruckt mit der Genehmigung der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der
Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf

Referent: Prof. Dr. P. Hering
Koreferent: r. K. Schierbaum

Tag der mündlichen Prüfung: 16.11.2006



















Meinem Bruder Summary
This thesis describes a variety of experiments and results concerning the ablation of
hard biological tissue, mainly compact bone, with pulsed CO lasers. Laser processing 2
of bone is a very complicated task since bone consists of different components with very
different physical properties that give bone its combination of flexibility and solidity.
While the mineral bone component melts at temperatures above 1280°C, bone cells will
already be damaged by minor temperature rises above 42°C.
The process model for hard tissue ablation with pulsed IR lasers is the so-called
thermo-mechanical ablation. It is based on the fast evaporation of the enclosed tissue
water and the resulting strong pressure increase that tears the tissue apart and ejects
parts of the tissue. The very strong absorption of the CO laser radiation in the bone 2
enables a highly localised energy deposition.
One aim of this thesis is the detailed analysis of the ablation process of bone with
pulsed CO lasers. The dependence of the ablation efficiency on the water content of 2
the bone tissue was examined. Therefore, bone samples with different water contents
were irradiated with a pulsed CO laser. For analysis, optical measurements of the 2
ablation depth and -volume, morphological examinations of the surface of the laser
incisions with scanning electron microscopy (SEM) were conducted. The chemical
composition of cut surfaces was determined with energy dispersive X-ray fluorescence
spectroscopy (EDX). The results of these examinations support the thermo-mechanical
process model for hard tissue ablation with pulsed CO lasers. 2
Temperature measurements with an IR camera showed only minor temperature
rises of the surrounding tissue during the correct application of the multi pass scan
procedure in combination with a fine water spray, a procedure for bone tissue ablation
that was developed in our research group and presented in this thesis.
Moreover, comparative measurements of the ablation efficiency with different
CO lasers and an excimer laser system as well as measurements with a scanning 2
technique for widening the laser incision were conducted. This gave valuable insights
into the practical use of this technique. An additional, artificial widening of the incisions
enables deep incisions (up to 20 mm). As a result, the multi pass scan procedure in
combination with a cut dilation technique presented in this thesis makes a practical
medical application of laser osteotomy in hard tissue surgery possible for the first time. Kurzfassung
In dieser Arbeit wird die Ablation von biologischem Hartgewebe, hauptsächlich
kompaktem Knochen, mit gepulsten CO -Lasern untersucht. Knochengewebe ist ein 2
sehr schwieriges Material für die Laserbearbeitung, da es aus verschiedenen
Komponenten zusammengesetzt ist, deren Eigenschaften dem Knochen seine
Kombination von Flexibilität und Festigkeit geben. Während der mineralische
Knochenbestandteil erst bei Temperaturen oberhalb 1280°C schmilzt, können
Knochenzellen schon bei leichtem Temperaturanstieg über 42°C geschädigt werden.
Das Prozessmodell für die Ablation von Hartgewebe mit gepulsten IR Lasern ist
die so genannte thermo-mechanische Ablation. Sie beruht auf der schnellen
Verdampfung des eingeschlossenen Gewebswassers, verbunden mit einem starken
Druckanstieg, der das Gewebe zerreißt. Die sehr starke Absorption der Strahlung des
CO Lasers im Knochen ermöglicht eine sehr lokalisierte Energiedeponierung. 2
Ein Ziel dieser Arbeit ist die genaue Analyse des Ablationsprozesses von
Knochen mit gepulsten CO Lasern. Untersucht wurde die Abhängigkeit der 2
Ablationseffizienz vom Wassergehalt des Knochengewebes. Hierfür wurden Knochen
mit unterschiedlichem Wassergehalt mit einem gepulsten CO Laser bestrahlt. Zur 2
Auswertung wurden optische Messungen der Ablationstiefe, des Ablationsvolumens
sowie morphologische Untersuchungen der Oberflächen der Schnitte mittels
Rasterelektronenmikroskopie (REM) durchgeführt. Für die Bestimmung der chemischen
Zusammensetzung der Schnittoberflächen wurde die energiedispersive
Röntgenfluoreszenzspektroskopie (EDX) verwendet. Die gewonnenen Daten
unterstützen das thermo-mechanische Prozessmodell der Hartgewebeablation mit
gepulsten CO Lasern. 2
Temperaturmessungen mit einer IR Kamera belegen eine nur geringe
Erwärmung des umliegenden Gewebes bei korrekter Anwendung des in der
Arbeitsgruppe entwickelten und in dieser Arbeit vorgestellten Multi-Pass-Scan-
Verfahrens für Knochenschnitte bei gleichzeitiger Verwendung eines feinen
Wassersprays während der Lasereinwirkung.
Weiterhin werden für die praktische Anwendung des Verfahrens relevante
Untersuchungen zum Vergleich der Abtragseffizienz von verschiedenen CO - und 2
einem Excimerlaser sowie Techniken zur Schnittaufweitung durchgeführt. Eine
künstliche Erweiterung der Spaltbreite des Laserschnittes ermöglicht es tiefe Schnitte zu
erzielen (bis 20 mm). Das vorgestellte Multi-Pass-Scan-Verfahren in Kombination mit
einer Schnittaufweitung ermöglicht erstmals eine praktische Anwendung der
Laserosteotomie in der Hartgewebechirurgie.

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