Schädigungspotential ultrakurzer Laserpulse für die Netzhaut bei refraktiv- chirurgischen Eingriffen

Abstract

Seit Anfang der 90er Jahre wird das LASIK-Verfahren als erfolgreiche ophthalmologische, refraktiv-chirurgische Methode zur Korrektur von Fehlsichtigkeit am Patienten eingesetzt. Diese lange Zeit dominierende Behandlungsmethode wird heute zusehends durch eine neue Lasertechnologie ergänzt, bei der eine Fehlsichtigkeitskorrektur ohne mechanische Einwirkung zum Tragen kommt; hierbei werden ultrakurze Laserpulse von wenigen hundert Femtosekunden Länge zum Einsatz gebracht. Bei diesem fs-LASIK-Verfahren wird der Schneideffekt im Inneren der Cornea durch den im Fokus auftretenden optischen Durchbruch (LIB) erzielt. Dabei wird nur ein Teil der Pulsenergie im Fokus deponiert, der Laserstrahl propagiert weiter durch die klaren Augenmedien hindurch und trifft defokussiert auf die dahinter liegenden Schichten. Bei den herkömmlichen Standardverfahren in der refraktiven Chirurgie, wie PRK und LASIK, kann eine Schädigung des retinalen Gewebes aufgrund der vollständigen Absorption der UV-Strahlung vom cornealen Gewebe während des Abtragungsprozesses ausgeschlossen werden [1]. Ziel der vorliegenden Studie ist daher die Untersuchung und Einschätzung des möglichen Netzhautschädigungspotentials während der fs-LASIK. Die Untersuchung wird an enukleiertem, porkinem Gewebe mit Hilfe einer Simulation des fs-LASIK- Prozesses durchgeführt. Zu diesem Zweck wird zunächst der Prozessaufbau zur Simulation erstellt, ein reproduzierbares Probenhandlings-Verfahren zur Durchführung entwickelt und die möglichen Schädigungsmechanismen eingehend charakterisiert, sowie die Schwellwerte in Abhängigkeit der Einflussfaktoren Nachweisverfahren, Gewebe, Laserparameter, Prozessparameter und der medizinisch-experimentellen Einflussfaktoren eruiert. Zum Einsatz kommen ein Titan-Saphir-Laser im cw-Betrieb im Wellenlängenbereich von 780nm und ein Laser mit einer Pulslänge im fs-Bereich von 1031nm, die mittels fokussierender Linsen mit unterschiedlichen numerischen Aperturen den Bestrahlungsprozess ex- vivo simulieren. Die Ergebnisse aus diesen Untersuchungen zeigen, dass neben vielen anderen Einflussfaktoren die natürlich gegebenen biologischen Variationen der individuellen Gewebeproben einen starken Einfluss auf die Temperaturverteilung an der Retina und somit auf die Netzhautschädigungs- schwellwerte haben. Die Retina-Studien belegen weiterhin, dass durch den Einsatz von fokussierenden Optiken mit höheren numerischen Aperturen bis NA=0,5 das Netzhaut-schädigungsrisiko verringert werden kann. Bei Pulsdauern von 600fs-800fs, einer maximalen Pulsamplitude von 8,3mW mit einer Repetitionsrate von 60kHz, wie sie unter anderem derzeit von Herstellern auf dem Markt angeboten werden, kann nach diesen Studien mit einer NA=0,3 der Einsatz als gefahrlos eingestuft werden.

Since the beginning of the 1990s, laser in situ keratomileusis procedure (LASIK) has been successfully implemented in refractive eye surgery to correct ametropia. Nowadays this long time commanding treatment method is enhanced by implementing a new laser technology. It is based on correcting ametropia by applying ultrashort laser pulses in the fs-regime without using mechanical effect. Within this new technique the cutting process inside the cornea is achieved by a laser induced breakdown (LIB) in the focus. During this process, not all of the pulse energy is deposited onto the cornea, but rather the laser beam propagates through clear ocular media of the eye and reaches the absorbing layers behind defocused. In the current standard refractive surgery procedures, such as PRK and LASIK, retina tissue damage is excluded because of the complete absorption of UV-irradiation from corneal tissue during ablation [1]. Therefore the aim of this project is the investigation and evaluation of the possible retina damage during fs-LASIK. By using enucleated porcine tissue this study is conducted with the help of a fs-LASIK simulation process. Therefore the setting for the process-simulation is generated, a replicating tissue procedure is developed and the possible damage mechanisms are characterized. As a function of the influencing factors verification procedure, tissue, laser-, process- and medical-experimental- parameters the thresholds are determined. A Titan-Sapphire-laser system in the cw-mode with 780nm and a fs-laser with 1031nm wavelength are used simulating ex-vivo the LASIK process using focusing lenses with varying numerical apertures. The results of these studies prove that aside from factors mentioned above, natural biological variations of individual tissues can have tremendous influences on the temperature distribution of the retina, and therefore on the retina damage threshold as well. By using focussing lenses with numerical apertures up to NA=0.5 our clinical trials show a decreasing risk of retina tissue damage. Based on these studies the application of fs-laser pulses as offered in the current market by medical supply companies amongst others, can be classified as safe with a pulse duration of 600fs-800fs, 8.3mW maximum pulse amplitude by a repetition rate of 60kHz and a numerical aperture of NA=0.3.