Fundamentals of Laser Light Interaction with Human Tissue, Especially in the Cardiovascular System

Summary

The absorption of Single photons in the molecules of biological tissue can induce various reactions. For the most medical laser applications the transformation from radiation energy into heat is relevant. The laser beam is used for coagulation or vaporization of tissue. The changes in tissue, which are created by light of different wavelengths depends on the thermal and optical properties (absorption and scatting) of tissue but also on the Parameters of irradiation. As an example measurements from human skin are discussed.

In the cardiovascular System laser light must have a clearly defined effect. Atherosclerotic plaques of different consistence have to be vaporized without damage of the vessel walls. From different reasons the usual medical CW-lasers, Argon-laser, CO2-laser and Nd:YAG-laser, are not optimal for direct ablation of arterial occlusions. In order to mimize reocclusion the walls of the Channels have to be completely smooth and free of coagulation necrosis. This can be obtained by short laser pulses. Selection of a light wavelength, which is stronger absorbed in atherosclerotic plaques than in vessel walls and additional selective staining are two ways to reduce the risk of damaging the vessel walls.

Zusammenfassung

Die Absorption von einzelnen Lichtquanten in den Molekülen von biologischem Gewebe kann verschiedenartige Prozesse auslösen. Für die meisten medizinischen Laseranwendungen ist die Umwandlung der Strahlungsenergie in Wärme relevant. Der Laserstrahl wird zum Koagulieren oder Vaporisieren von Gewebe genutzt. Am Beispiel der Haut wird die Wirkung von Licht verschiedener Wellenlänge diskutiert, die von den thermischen Eigenschaften des Gewebes und insbesondere von dessen optischen Eigenschaften (Absorption und Streuung) - aber auch von den Bestrahlungsparametern - abhängt.

Im Bereich des kardiovaskulären Systems ist eine relativ begrenzte Einwirkung des Laserlichtes, insbesondere in kleinen Gefäßen, erforderlich, um z. B. bei der Abtragung atherosklerotischer Plaques verschiedener Konsistenz die Nebenwirkungen auf angrenzende Wandabschnitte des Gefäßes möglichst gering zu halten. Aus verschiedenen Gründen sind die üblichen medizinischen Dauerstrichlaser - CO2-Laser, Argonlaser und Nd:YAG-Laser - für die direkte Abtragung von arteriellen Verschlüssen nicht ideal. Um nach der Laserrekanalisation von koronaren Arterien die Rezidivneigung möglichst gering zu halten, müssen die Kanalwände völlig glatt und frei von Koagulationsnekrosen sein. Diese Forderung kann durch Anwendung kurzer Laserimpulse erfüllt werden. Die Auswahl einer Lichwellenlänge, die in den atheriosklerotischen Plaques stärker absorbiert wird als in den Gefäßwänden, und zusätzliche selektive Einfärbung sind Wege, um die Gefahr der Wandschädigung zu reduzieren.

Key words

Human tissue - Thermal properties - Optical properties - Coagulation - Vaporization - CW laser - Pulse laser - Angioplasty - Plaques - Blood vessels walls - Hot tip.