Kavitationsblasendynamik und Stoßwellenabstrahlung bei der Augenchirurgie mit gepulsten Neodym: YAG-Lasern

Zusammenfassung

In einem Modellexperiment mit Polyäthylenfolie in physiologischer Kochsalzlösung wurden hochfre-quenzkinematografische und akustische Untersuchungen der Vorgänge bei der hinteren Kapsulotomie mit Nd:YAG Laserlichtpulsen durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass im Fokuspunkt Kavitationsblasen entstehen, die schon bei 5 mJ Pulsenergie 1,5 bis 2,3 mm Maximaldurchmesser haben, deren räumliche Ausdehnung also viel größer ist als die der beobachteten Rupturen. Außerdem werden bei dem optischen Durchbruch und dem Blasenkollaps Stoßwellen abgestrahlt, deren Druckwerte in 18 mm Abstand bei 9 bis lobar liegen oder zwischen 162 und 288 bar in 1 mm Entfernung. Bisherige Schätzwerte lagen zwischen 0,1 bar in 15 mm Abstand und einigen Kilobar in einem Millimeter Entfernung. Die Energie der Kavitationsblasen und der Stoßwellen ist oberhalb eines Schwellwertes annähernd proportional zur Energie der Laserpulse, mit denen sie erzeugt werden. Bei gleicher Pulsenergie ist der Durchmesser der von gütegeschalteten Lasern erzeugten Blasen etwa anderthalbmal so groß wie beim modengekoppelten Laser - die Blasenenergien sind mehr als dreimal so hoch. Die Stoßwellenamplituden nach Q-switched Pulsen sind ebenfalls anderthalbmal so groß wie nach modelokked-Pulsen und die Stoßwellenenergien betragen ungefähr das Doppelte. Dennoch ist die Größe der in Polyäthylenfolie erzeugten Rupturen bei 2 mJ bis 5 mJ Pulsenergie unabhängig von der Betriebsart des Lasers. Bei der Membran aus Polyäthylen konnten wir also keine starke Korrelation zwischen der auf sie einwirkenden mechanischen Energie und der Größe der entstandenen Löcher feststellen. Bei der Gewebetrennung durch Nd:YAG Laserpulse sind thermische Effekte anscheinend ziemlich wichtig: die Verdampfung in der Umgebung des Plasmas schafft den Angriffspunkt für die mechanische Zerstörung. Diese Einschätzung wird durch die Energiebilanz für das eingestrahlte Laserlicht bestätigt. Die Energie der Kavitationsblase beträgt - je nach Betriebsart des Lasers und Pulsenergie - nur etwa 4 bis 12% der Energie des Lichtpulses, die Energie einer Stoßwelle lediglich 1,5 bis 3%. Etwa 55 bis 70% der Lichtenergie wird in der Umgebung des Laserfokus direkt als Wärmeenergie aufgenommen, der beim optischen Durchbruch nicht absorbierte Rest ist für den Mechanismus der Gewebetrennung nicht relevant. Die hochfrequenzkinematografischen Untersuchungen legen den Schluß nahe, dass bei der hinteren Kapsulotomie das Beschädigungsrisiko für die intraokulare Linse ohne Verminderung der chirurgischen Wirkung gesenkt werden kann, indem um Bruchteile eines Millimeters hinter die zu trennende Membran fokussiert wird. Allerdings müßten zur Rechtfertigung dieser klinischen Konsequenz die Ergebnisse unseres Modellversuchs noch durch Experimente mit biologischen Membranen abgesichert werden.

Summary

In a model experiment using polyethylene membrane in balanced salt solution the processes which take place during posterior capsulotomy with pulsed Nd: YAG lasers were investigated by means of highspeed photography and hydrophone measurements. It was found that cavitation bubbles with a maximum diameter of 1.5 to 2.3 mm develop at the focal point even with a pulse energy of 5 mJ; i.e., their spatial extent is much greater than that of the ruptures observed. Furthermore, during optical breakthrough and when the bubble collapses shock waves are generated with a pressure amplitude of 9 to 16 bar at a distance of 18 mm or 162 to 288 bar at 1 mm. Previous estimates ranged from more than 0.1 bar at 15 mm to several kilobar at 1 mm. Above a certain threshold value the energy of the cavitation bubble and of the shock waves is approximately proportional to the energy of the laser pulses with which they are generated. At the same pulse energy the diameter of the bubbles generated by Q-switched lasers is around 1.5 times as large as those generated by mode-locked lasers - the bubble energies are more than three times as great. The shock wave amplitudes after Q-switched pulses are likewise 1.5 times as great as after mode-locked pulses and the energy of the shock waves is approximately double. Nevertheless, the size of the holes caused in a polyethylene membrane with a pulse energy of 2 mJ to 5 mJ does not depend on the laser operating mode. Thus, with the polyethylene membrane, no great correlation was found between the mechanical energy acting on it and the size of the holes thus created. Thermal effects appear to be fairly important in discission of tissue by Nd: YAG laser pulses: the vaporization in the vicinity of the plasma creates the point of attack for mechanical destruction. This is confirmed by the energy balance for the irradiated laser light. Depending on the mode of operation of the laser, the energy of the cavitation bubble is only about 4 to 12% of the energy of the light pulse, and the energy of a shock wave no more than 1.5 to 3%. Some 55 to 70% of the light energy is absorbed directly as thermal energy in the vicinity of the laser focus; the remainder which is not absorbed during the optical breakthrough plays no part in the mechanism of tissue discission. It was not possible to establish on the basis of these model experiments whether the different-sized bubbles and shock wave pressures generated by the different types of laser may also lead to more or less severe side-effects. To determine this, investigations with biologic tissue would be necessary; they would clarify whether the size of the holes created in laser surgery on the eye depends solely on the pulse energy applied, or whether the desired effect can be achieved with lower pulse energy by using a Q-switched laser, because it converts more light energy into mechanical work than a mode-locked laser. Additionally, it would be necessary to have more detailed knowledge of the short-term and long-term effects of short, powerful pressure pulses on biologic tissue. Until such knowledge is available, and in view of the bubble sizes and shock wave amplitudes observed even with pulse energies of 5 mJ, great caution appears to be called for in the use of high laser pulse energies. These investigations using highspeed photography support the conclusion that in posterior capsulotomy the risk of damage to the intraocular lens can be reduced, without diminishing the surgical effect, by focussing fractions of a millimeter behind the membrane to be dissected. However, to justify adoption of this in clinical practice, the results of our model experiment ought to be verified by experiments with biologic membranes.