Übersicht
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Update Femtosekundenlaser-Technologien in der Augenheilkunde
Autor
H. Lubatschowski
Institut
ROWIAK GmbH, Hannover
Schlüsselwörter " Kataraktchirurgie l " refraktive Chirurgie l " Femtosekundenlaser l " Ultrakurzpulslaser l
Zusammenfassung
Abstract
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Femtosekundenlaser (fs-Laser) haben sich in der refraktiven Chirurgie gegenüber dem klassischen Mikrokeratom innerhalb eines Jahrzehnts einen Marktanteil von über 55 % erobert. In der Kataraktchirurgie könnten wir vor einer ähnlichen Revolution stehen. Was macht diese Technologie so besonders und in welchen Anwendungsbereichen könnte der fs-Laser darüber hinaus Einzug halten? In dieser Übersicht werden die wichtigsten physikalisch-technischen Eigenschaften der Femtosekundenlaser beschrieben. Das Verständnis dafür soll dem Leser einerseits einen besseren Überblick über die derzeitige Marktsituation verschaffen. Darüber hinaus lässt sich darauf aufbauend abschätzen, welche kurz- und langfristige weitere Entwicklung diese Technologie einschlagen könnte.
Femtosecond (fs) lasers for LASIK flap creation have increased their market share from 0 percent in 2001 to over 55 percent in 2010. Now, in cataract surgery a similar revolution may take place. What makes this technology so special and which new areas of surgery will furthermore be entered in the future? This review elucidates the most important technical features of the fs lasers and interaction processes with the tissue. This understanding is intended to provide a better overview of the current market situation on the one hand. In addition, it can be estimated what kind of short- and long-term development this technology could take in the future.
Einleitung
auch eine erhöhte Sicherheit oder gar ein besseres visuelles Ergebnis durch den Einsatz von Femtosekundenlasern in der Kataraktchirurgie zu erwarten sind, ist noch nicht eindeutig bewiesen. In dieser Übersicht soll ein Verständnis der wichtigsten Eigenschaften der Lasertechnologie geschaffen werden, um das Potenzial dieser Technik besser einschätzen zu können. Darüber hinaus soll ein Blick in die Zukunft andeuten, welche technologischen Verbesserungen unmittelbar zu erwarten sind und welche potenziellen neuen Anwendungen vor der Tür stehen.
Key words " cataract surgery l " refractive surgery l " femtosecond laser l " ultrafast laser l
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eingereicht 17. 9. 2013 akzeptiert 10. 10. 2013 Bibliografie DOI http://dx.doi.org/ 10.1055/s-0033-1351058 Klin Monatsbl Augenheilkd 2013; 230: 1207–1212 © Georg Thieme Verlag KG Stuttgart · New York · ISSN 0023-2165 Korrespondenzadresse Holger Lubatschowski ROWIAK GmbH Garbsener Landstraße 10 30419 Hannover Tel.: ++ 49/5 11/2 77 29 50 Fax: ++ 49/5 11/2 77 29 59 [email protected]
Die fs-Technologie ist dabei, die Mikrochirurgie des Auges zu revolutionieren. Bei der LASIK haben es die Laser geschafft, innerhalb einer Dekade (2001–2010) das klassische Mikrokeratom auf unter 45% Marktanteil zu verdrängen [1]. Zahlreiche weitere Eingriffe an der Hornhaut werden durch die Ultrakurzpulslaser vereinfacht oder gar erst ermöglicht. Glaubt man der Industrie, steht auch die Phakoemulsifikation kurz vor einer ähnlichen Wende. Was bewegt die Chirurgen dazu, in eine um mehr als das 10-fach teurere Technologie zu investieren, die in dem ohnehin engen OP-Raum auch noch zusätzliche Platzprobleme verursacht und den Arbeitsablauf einer klassischen Kataraktoperation eher verlangsamt? Ohne Frage sind es höhere Präzision und deutlich bessere Reproduzierbarkeit, welche die neue Technologie in den OP-Saal mit einbringt. Ob
Warum ultrakurze Pulse? !
Eine weit verbreitete, aber falsche Vermutung sieht die Notwendigkeit der ultrakurzen Pulse in der Minimierung der thermischen Schädigung des Gewebes. Eine scheinbar „kalte“ Wechselwirkung zeichnet sich schließlich dadurch aus, dass
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Update on fs Laser Technology in Ophthalmology
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Tab. 1 Die thermische Diffusionslänge ist ein Maß, wie tief eine an einer Oberfläche deponierte Wärme über die Wärmeleitung ins Gewebe eindringt. Puls-Dauer
thermische Diffusionslänge (Lth)
100 ns 1 µs 10 µs 100 µs
0,2 µm 0,7 µm 2,3 µm 7,2 µm
aufgrund der kurzen Einwirkzeit die thermische Diffusion nicht zum Zuge kommt. Die extrem präzise und schonende Abtragung der Kornea mittels Excimer-Laserpulsen, deren Pulsdauer mit 10 ns immerhin 10 Millionen mal länger (!) ist als die der fs-Laser, legt den Trugschluss dieser Hypothese offen. Eine vergleichsweise einfache thermodynamische Betrachtung zeigt sogar, dass auch der Excimer-Laser mit längeren Pulsen nicht mehr thermische Nekrosezonen erzeugen würde. Löst man die sog. Wärmegleichung [2], bekommt man mit der thermischen Diffusionslänge [3] ein Maß, mit der die Wärme sich im " Tab. 1). Hier zeigt sich, dass – selbst bei Gewebe ausbreitet (l einer Pulsdauer von 1 μs – die Wärmefront im Gewebe um weniger als 1 μm voranschreitet. Der tatsächliche Grund, warum man auf ultrakurze Pulse zurückgreifen muss, um intraokular mit höchster Präzision arbeiten zu können, lässt sich vielmehr quantenoptisch (aber dennoch verständlich) erklären. Der Wechselwirkungsmechanismus der Material- und Gewebebearbeitung mittels Femtosekundenpulsen basiert auf der sog. Photodisruption. Photodisruption findet statt, wenn Licht auf Intensitäten in der Größenordnung von 1011 bis 1012 W/cm² fokussiert wird. Bei einer derart hohen Photonendichte können sich mehrere energiearme, infrarote Photonen zu energiereichen UV-Photonen vereinigen. Diese wiederum sind in der Lage, das Medium, in dem sie sich befinden, schlagartig zu ionisieren (Plasmagenerierung) [4]. Findet dieser Vorgang in transparentem Material (Wasser, Glas, Hornhautgewebe) statt, bezeichnet man ihn als ‚optischen‘ Durchbruch. Aufgrund der explosionsartigen Ausdehnung des laserinduzierten Plasmas entwickelt sich eine starke Stoßfront und – falls der Vorgang in flüssiger Umgebung stattfindet – entsteht eine Kavitationsblase. Die Stoßfront ebenso wie die Kavitationsblase kann ein erhebliches mechanisches Schädigungspotenzial für das umliegende Gewebe darstellen. Das Ausmaß der Druckamplituden und der Kavitation skaliert mit der Laserpulsenergie. Je kürzer ein Puls ist, umso weniger Energie transportiert er bei gleich hoher Intensität " Abb. 1). (l Fokussiert man einen 100-fs-Puls auf einen Fleck von nur wenigen μm Durchmesser, wird schon bei Pulsenergien im μJ-Bereich [5] oder darunter [6] der optische Durchbruch eingeleitet. Bei Pulsdauern im ns-Bereich (Nachstar-Kapsulotomie mit Nd : YAGLaser) benötigt man dazu mit einigen mJ das Tausendfache an Energie. Folglich sinken die thermischen und mechanischen Nebeneffekte bei Femtosekundenpulsen so dramatisch in ihrer Wirkung, dass sie beinahe gänzlich vernachlässigt werden können.
Abb. 1 Zwei Laserpulse mit derselben Pulsenergie (rote und blaue Fläche). Der rot markierte Puls ist in Raum (starke Fokussierung) und Zeit (ultrakurz) komprimiert und kann folglich aufgrund seiner Intensität die Schwelle zur Photodisruption überschreiten.
ein Laserpuls, umso besser ist er für mikrochirurgische Anwendungen geeignet, ist aber dennoch nicht ganz richtig. Zum einen nimmt der technische Aufwand – und damit die Kosten –, kürzere Pulse zu erzeugen, überproportional zu. Darüber hinaus wird die Strahlführung mit kürzeren Pulsen beliebig kompliziert. Je kürzer ein Puls, umso breiter ist seine spektrale Zusammensetzung. Aufgrund von Dispersion läuft der Puls zeitlich auseinander (blaues Licht pflanzt sich in Glas und Gewebe schneller fort als rotes). Im Strahlführungsarm eines Lasers lässt sich die Dispersion noch durch entsprechende Wahl der Glassorten kompensieren. Bei Pulsdauern um 10 fs spielt aber schon der kurze Weg des Lasers durch Kornea und Vorderkammer eine entscheidende Rolle, sodass aus Femtosekunden wieder Pikosekunden werden, wenn sie im Zielgebiet angekommen sind. Da jedes Auge leicht unterschiedlich ist, lassen sich diese Effekte nicht so einfach im Laser pauschal kompensieren. Schließlich gibt es noch sog. nicht lineare optische Effekte, bei denen sich bspw. der Laserstrahl selbst fokussiert [7] oder die vordere Flanke des Laserpulses das Gewebe schon vor der Fokussierung so verändert, dass kein effizienter optischer Durchbruch mehr stattfinden kann [8]. Eigene, bislang noch nicht veröffentlichte Untersuchungen haben ergeben, dass die optimale Pulsdauer für mikrochirurgische Anwendungen am Auge wohl bei ca. 200 fs liegt. Möglicherweise ergeben sich hier die präzisesten Schnitte bei vergleichsweise beherrschbarem technischem Aufwand. Die meisten kommerziellen ophthalmologischen Systeme haben ihre Pulsdauer derzeit eher bei 400 fs bis 900 fs.
Numerische Apertur !
Die Präzision eines laserchirurgischen Eingriffs hängt unmittelbar mit der Größe des Laserfokus zusammen. Doch nicht nur die räumliche Begrenzung der Lasereinwirkung hat einen Einfluss auf die Genauigkeit. Je größer das Fokusvolumen, umso mehr Energie muss der Laserpuls mitbringen, um über die Intensitätsschwelle zur Photodisruption zu gelangen. Das Volumen eines Laserfokus ist gegeben durch den lateralen Fokusdurchmesser und dessen axiale Ausdehnung. Unter Annahme eines sog. Gaußʼschen Strahlprofils [9] ergibt sich für das Fokusvolumen V die Beziehung [10]: V¼
Drei Faktoren beeinflussen die Schneidequalität !
Pulsdauer Je kürzer ein Laserpuls bei gleichbleibender Intensität, umso weniger Energie transportiert er und umso weniger Schädigungspotenzial birgt er in sich. Die direkte Schlussfolgerung, je kürzer
3 1 3 NA4
1
Hierbei bedeutet λ die Wellenlänge und NA die sog. numerische Apertur der Fokussieroptik. Sie ist definiert durch das Verhältnis von Durchmesser der Fokussierlinse zu deren Brennweite " Abb. 2). Bemerkenswert ist die extrem starke Abhängigkeit (l des Fokusvolumens von der NA in der 4. Potenz. Je größer die
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Welche Rolle spielt die Wellenlänge? !
Ausnahmslos alle derzeit kommerziell angebotenen fs-Systeme für die Ophthalmologie emittieren ihre Strahlung im nah-infraroten Bereich um 1040 nm Wellenlänge. Dies hat 3 Gründe. Zum einen lassen sich bei dieser Wellenlänge die ultrakurzen Pulse am günstigsten herstellen. Zum anderen dringt dieses Licht weit genug in die okularen Medien ein, ohne dabei gestreut oder absorbiert zu werden. Und schließlich kann der Patient das Licht nicht sehen. Er wird davon also nicht irritiert. Neben der Überlegung, die Wellenlänge noch weiter ins Infrarote zu verschieben, um Streuung gerade bei trüben Hornhäuten noch weiter zu verringern [11], gibt es Tendenzen, auf kürzere Wellenlängen im ultravioletten Spektralbereich auszuweichen. Im UVBereich trägt ein Photon ein Vielfaches an Energie mit sich, verglichen mit dem Photon im nahen IR. Folglich werden weniger Photonen pro Puls benötigt, um eine Photodisruption zu bewirken. Damit sinken die Schwellenergie [12] und die damit gekoppelten Kollateralschäden. Hinzu kommt, dass die kurzwellige Strahlung viel stärker fokussiert werden kann. Der Lasereingriff würde also noch einmal sehr viel präziser werden. Es stellt sich die Frage, ob eine höhere Präzision als die derzeit gegebene überhaupt noch erforderlich ist. Im Falle der intrastromalen LentikelExtraktion (ReLEx®-Verfahren), bei welcher der fs-Laser den Excimer-Laser komplett ersetzen soll, könnte dieser Präzisionsgewinn eine entscheidende Rolle spielen. Denn anders als beim reinen Flapschneiden hat hier die Schnittpräzision – wie jeder Puls bei der Excimer-Laser-Ablation – einen direkten Einfluss auf das refraktive Ergebnis. Die Schnittpräzision ist über das Fokusvolumen gegeben (s. o.), welches wiederum direkt von der Wellenlänge abhängig ist. In axialer Richtung lässt sich ein Laserpuls etwa in der Größenordnung seiner Wellenlänge positionie-
Abb. 2 Die numerische Apertur (NA) ist definiert durch das Verhältnis von Durchmesser der Fokussierlinse zu deren Brennweite. Je größer die NA, umso kleiner ist das Fokusvolumen und damit notwendige Schwellenergie für Photodisruption.
ren. Excimer-Laser haben eine Ablationsrate und damit eine Genauigkeit von weniger als einem Mikrometer. Um mittels fs-Laser an diese Präzision heranzukommen, muss der entsprechende fsPuls eine Wellenlänge unter einem Mikrometer haben. Mit den Methoden der Frequenzvervielfachung lassen sich UV-Femtosekundenpulse erzeugen [13]. Eine kürzere Wellenlänge lässt sich darüber hinaus noch in einer anderen Richtung ausnutzen. Wenn mit abnehmender Wellenlänge die Schwellenergie zur Photodisruption fällt, kann man sich mit UV-Photonen längere Laserpulse erlauben, um eine vergleichbare Präzision im Gewebe zu erzeugen [12]. Diesen Weg verfolgt die Firma Schwind, die mit ihrem SIRAMA-System intrastromales Schneiden mittels Nanosekundenpulsen realisieren möchte (zum Zeitpunkt der Manuskripterstellung gab es lediglich eine Ankündigung eines solchen Systems). Das Lasersystem emittiert bei 355 nm Wellenlänge wenige ns lange Pulse und erreicht vergleichbare Schneideergebnisse wie ein fs-System im nahen Infrarot. Neben den Vorteilen der höheren Präzision haben die UV-Wellenlängen allerdings einen deutlichen Nachteil. Aufgrund der Absorptionseigenschaften von Kornea und Kammerwasser ist die Strahlung hauptsächlich zur Bearbeitung der Kornea geeignet. Hinzu kommt, dass UV-Strahlung unvergleichlich stärker gestreut wird als IR-Strahlung. Folglich sind Anwendungen an eingetrübter Kornea (Keratoplastik) auch eher unwahrscheinlich.
Einer für alles !
Die herausragende Eigenschaft der fs-Laser ist ihre Fähigkeit, im gesamten vorderen Abschnitt des Auges das Gewebe mit höchster Präzision und minimaler kollateraler Schädigung 3-dimensional schneiden zu können. Angesichts der hohen Kosten und des großen Platzbedarfs drängt sich die Frage auf, warum ein für die Kornea konzipiertes System nicht für die Linse einsetzbar ist und umgekehrt. Mittlerweile gibt es Hersteller, die beide Einsatzbereiche für ihr System proklamieren, wissenschaftliche Studienergebnisse gibt es dazu allerdings noch nicht. Einem einfachen Verschieben des Arbeitsbereichs von der Kornea zur Linse stehen die hohen Anforderungen an die Fokussieroptik entgegen. Für korneale Einsätze (Schneiden von Flaps) muss der Laser eine extrem glatte Schnittfläche hinterlassen. Die Präzision soll über eine vergleichsweise große laterale Ausdehnung
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NA, umso kleiner ist nicht nur das Schneidevolumen, sondern auch die notwendige Schwellenergie. Womit auch das Schädigungspotenzial durch Kavitation und Druckwellen dramatisch sinkt. Lasersysteme für die refraktive Hornhautchirurgie mit hohen Ansprüchen an die Präzision besitzen daher eine vergleichsweise hohe numerische Apertur (NA = 0,2–0,3). Um eine hohe NA zu erzeugen, gibt es 2 Wege. Zum einen kann man den Durchmesser des optischen Systems erhöhen. In der Regel ist das aufwendig und teuer. Alternativ kann man den Arbeitsabstand verringern. Hier kommt man mit kleineren Linsen aus. Dafür muss man die Optiken sehr nahe an das Zielobjekt heranbringen und diese darüber hinaus über dem Zielgebiet verfahren, um einen entsprechend großen lateralen Arbeitsbereich zu bekommen. Der 2. Weg wird einzig von den Ziemer-Systemen begangen. Mit einem beweglichen Handstück führen diese die Optomechanik sehr dicht über die Kornea. Mikromechanische Komponenten, wie man sie aus der traditionellen Uhrenindustrie kennt, sorgen für eine mikrometergenaue Bewegung des Laserfokus. Die Ziemer-Lasersysteme besitzen von allen Anbietern die mit Abstand höchste numerische Apertur, was sich in der geringen Pulsenergie (wenige nJ) niederschlägt. Eine hohe NA führt jedoch zu technischen Schwierigkeiten in der Strahlführung, wenn man die Fokusqualität über einen weiten Arbeitsbereich aufrechterhalten muss. Lasersysteme für die Kataraktchirurgie, die ein vergleichsweise großes Volumen in der Linse des Auges adressieren, haben daher eher eine relativ kleine numerische Apertur (NA < 0,2).
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Abb. 3 Wurde die Laseroptik so konzipiert, dass sie in der Kornea einen nahezu beugungsbegrenzten Fokus erzeugt (links), sorgen gekrümmte Flächen wie die Rückseite der Kornea und die Passage durch Medien mit unterschiedlichen Brechungsindices (Kornea, Kammerwasser, Linse) für signifikante Aberrationen des Laserstrahls, falls man diesen ohne zusätzliche Korrekturen tiefer in das Auge verfährt. Das gleiche gilt für eine auf die Linse optimierte Optik. Hier käme es zu verminderter Fokusqualität in der Kornea.
(> 12 mm) aufrechterhalten werden. Die axiale Fokusausdehnung sollte möglichst kurz sein, um wenig korneale Substanz beim Schneideprozess zu verlieren. Dies erreicht man am besten mit " Abb. 2). Wurde die einer hohen NA und geringer Pulsenergie (l Laseroptik so konzipiert, dass sie in der Kornea einen nahezu beugungsbegrenzten Fokus erzeugt, sorgen gekrümmte Flächen wie die Rückseite der Kornea und die Passage durch Medien mit unterschiedlichen Brechungsindices (Kornea, Kammerwasser, Linse) für signifikante Aberrationen des Laserstrahls, falls man diesen ohne zusätzliche Korrekturen tiefer in das Auge verfährt " Abb. 3). (l Laser für die Kataraktchirurgie benötigen beim Fragmentieren der Linse und selbst bei der Kapsulotomie deutlich weniger Präzision, müssen dafür statt einer Fläche ein großes Volumen adressieren. Auch der Anspruch an Präzision für korneale Inzisionen ist vergleichsweise gering. Die Anforderungen an einen Kataraktlaser erreicht man am besten mit einer kleineren numerischen Apertur. Aufgrund der stark streuenden, sklerotisierten Linse sind für einen klinischen Einsatz höhere Pulsenergien erforderlich. Darüber hinaus brauchen diese Systeme eine Bildgebung, um in der Vorderkammer des Auges navigieren zu können. Ein für beide Einsatzbereiche optimal funktionierendes System ist technisch sicher realisierbar. Jedoch sind die gegenwärtigen Laser wohl eher mit den Anfängen der Büroeletronik vergleichbar. Es brauchte auch seine Zeit, bis Drucker, Kopierer, Faxgeräte und Scanner sich zu einem System vereinigten und dabei keine Kompromisse mehr in Funktion und Gebrauchstauglichkeit forderten. Neben der technischen Realisierung der Strahlführung zeichnet sich darüber hinaus eine Herausforderung in der richtigen Platzierung des Kombilasersystems ab. Der Hornhautlaser sollte, sofern er Flaps für die LASIK präpariert, vorzugsweise in der Nähe eines Excimer-Lasers positioniert werden, um den Platzwechsel für den Patienten vom Femto-System zum Excimer-Laser mit wenig Aufwand und Risiko zu gewährleisten. Für eine Katarakt-OP wiederum ist eher zu erwarten, dass der Laser vorzugsweise im sterilen OP platziert wird, um den Patienten möglichst wenig bewegen zu müssen und den gesamten Workflow der OP nicht allzu sehr zu stören. Oftmals werden refraktive Prozeduren wie die LASIK jedoch in anderen Räumlichkeiten durchgeführt als die Katarakt-OPs. Ein fs-Laser, der für beide Einsätze vorgesehen ist, wäre somit in zahlreichen Kliniken am besten klein und mobil, um für die jeweiligen Einsatzorte den optimalen Standort einzunehmen.
Marktübersicht !
Die derzeit auf dem Markt befindlichen fs-Systeme sind in " Tab. 2 zusammengefasst. Technische Daten sind oftmals l schwer in Erfahrung zu bringen bzw. ändern sich mit der Zeit. Für tiefergehende Beschreibungen der Systeme sei auf die wissenschaftliche Literatur (refraktiv/Kornea: [14–23]; Katarakt: [24–36] bzw. auf die Internetseiten der Hersteller verwiesen. Operateure, die über die Anschaffung eine fs-Lasersystems nachdenken, können durch Abfragen folgender Schlüsselparameter eine Entscheidungshilfe bei der Anschaffung eines Systems bekommen: Pulsenergie, Pulsdauer und numerische Apertur: Je geringer die einzustellende Pulsenergie des Lasersystems, umso präziser und schonender ist gewöhnlich die Schnittführung und umso geringer ist die Produktion von Gasbläschen während des Schneidens. In der Regel wird eine geringe Pulsenergie durch kürzere Pulse und hohe numerische Apertur erzielt. Dauer des Eingriffs (Strahlzeit): In erster Linie gibt die Pulswiederholrate ein Maß für die Geschwindigkeit der Laserprozedur wieder. Höhere Pulsenergien und größere räumliche Pulsabstände können die OP-Zeit auch verkürzen, führen aber zu einer gröberen Schnittführung. Patientenliege: Einige Systeme besitzen einen starren Strahlführungsarm. In diesen Fällen wird der Patient auf einer elektronisch gesteuerten Patientenliege an den Laser herangeführt. Die Liege ist Teil des Gesamtsystems. Für die LASIK bieten einige Hersteller sog. Refractive Suites an, in denen die Patientenliege mit Patient zwischen fs-Laser zur Flap-Präparation und Excimer-Laser zur Hornhautablation verschoben werden kann. Beide Systeme stehen sehr nahe beieinander. Ist eine solche Kombination nicht vorhanden, wird ein Umbetten des Patienten erforderlich. Bei der Kataraktchirurgie ist eine fest mit dem Laser verbundene Patientenliege sehr unvorteilhaft. Hier sind Lasersysteme mit beweglichem Strahlführungsarm im Vorteil. Der Patienten kann hier mit einer fahrbaren Standardliege herangeführt und muss nicht umgebettet werden. Augenfixation, andocken: Ein mechanisches Fixieren des Patientenauges mittels Saugring ist für den Lasereingriff unabdingbar und bei allen Anbietern üblich. Waren zu Beginn der Femtosekunden-Ära noch Applanation (flaches Kontaktglas auf der Kornea) üblich, werden heute zunehmend konkave Interfaces verwendet, deren Krümmungsradius in etwa dem der Kornea entspricht. Dadurch wird die Hornhaut weniger verformt und der intraokulare Druck steigt weniger dramatisch an. Für die Katarakt-OPs werden teilweise auch sogenannte Flüssigkeits-(Liquid-)Interfaces verwendet. Ein Zylinder wird mittels Unterdruck
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Tab. 2 Überblick derzeit kommerziell erhältlicher Femtosekunden-Systeme für die Ophthalmologie. Anwendung
Docking
korneal/refraktiv Abott Medical Optics/ IntraLase FS/iFS Alcon – WaveLight/ WaveLight FS200 Alcon – LenSx
Flaps, Keratoplastik, Inzisionen, Pockets Flaps, Keratoplastik, Inzisionen Inzisionen
Bausch + Lomb Technolas/Victus
Flaps, Keratoplastik, Inzisionen, Pockets
LENSAR/LENSAR Laser System Optimedica (Abott) Catalys ROWIAK/MyFemto
Inzisionen
Zeiss Meditec/VisuMax
Flaps, Keratoplastik, Inzisionen, Pockets Flaps, Keratoplastik, Inzisionen, Pockets
Ziemer/Femto-LDV Z8
Inzisionen nach Kundenspezifikation
Bild-
Besonderheiten
gebung
Katarakt Applanation
erstes fs-System überhaupt, umfangreiche Erfahrung
Applanation Kapsulotomie, Fragmentation Kapsulotomie, Fragmentation
konkaves Interface mit weicher Kontaktlinse konkaves Interface
OCT
Kapsulotomie, Fragmentation Kapsulotomie, Fragmentation nach Kundenspezifikation
Ankopplung über Flüssigkeit („Liquid Interface“) Ankopplung über Flüssigkeit („Liquid Interface“) nach Kundenspezifikation
Scheimpflug OCT
OCT
erstes fs-Kataraktsystem, derzeit Marktführer Einziges in Serie gefertigtes System, das sowohl korneale Flaps als auch Kataraktanwendungen anbietet. Wissenschaftliche Publikationen dazu sind bislang nicht bekannt. Picosekunden-Laser als Strahlquelle
OCT
individualisiertes System, wird nach Kundenwunsch gefertigt; noch keine klinischen Ergebnisse publiziert
OCT
kompaktes System, einziges mobiles System
konkaves Interface Kapsulotomie, Fragmentation
refraktiv: Applanation Katarakt: Liquid Interface
auf der Sklera fixiert. In den Zylinder wird eine Flüssigkeit gefüllt (BSS), in der die Optik des Lasersystems eintaucht. Dies bewirkt eine gute optische Kopplung zwischen Laser und Auge ohne Verformung der Hornhaut. Rein mechanische Kopplungen können dazu führen, dass sich beim Anbringen des Kontaktglases auf der Kornea auf deren Rückseite kleine Falten bilden, die den Strahlengang des Lasers ungünstig beeinflussen [35]. Überdies gibt es zahlreiche Detaillösungen wie die Benutzerführung, das Handling des Docking-Systems, die klinische Erfahrung des Herstellers und nicht zuletzt der Preis und die Folgekosten, in der sich die jeweiligen Systeme unterscheiden und die der Operateur individuell für seine Belange bewerten muss.
Ein Blick in die Zukunft !
„Prognosen sind schwierig, besonders wenn sie die Zukunft betreffen“ – so lautet ein Bonmot, das Niels Bohr zugeschrieben wird. Dies gilt natürlich auch für die sich rasch entwickelnde Femtosekundentechnologie. Dennoch darf man 2 Erwartungen hegen: kurzfristig wird es technische Verbesserungen bei den bestehenden Systemen geben und langfristig wird die Femtosekundentechnologie auch weiterhin neue Anwendungsgebiete in der Ophthalmochirurgie eröffnen. So sind neben den All-in-One-Systemen (refraktiv und Katarakt) insbesondere in der Kataraktchirurgie schrittweise Fortschritte zu erwarten. Hierzu gehören die Minimierung der Gasblasenproduktion bei noch stärkerer Fragmentierung des Linsenkerns, eine weitere Beschleunigung der Prozedur sowie deutlich vereinfachtes Andocken des Patientenauges. Die vergleichsweise hohe Anzahl von Anbietern und die fortschreitenden Entwicklung in der Ultrakurzpulstechnologie lässt auf eine Abnahme der Anschaffungskosten hoffen. Allerdings wird, wie etwa in der Computerindustrie, die Performance der Systeme stärker steigen als die Preise der Systeme fallen. Ein Preisniveau eines fs-Lasers auf dem einer konventionellen Phako-Maschine ist sehr unwahrscheinlich.
Volkswirtschaftlich lässt sich ein Szenario vorstellen, bei dem vielleicht die Technologie nicht billiger wird, aber die Durchführung der OP insgesamt preiswerter ausfällt. Wenn bspw. eines Tages der Lasereingriff so einfach und sicher gestaltet würde, dass dieser durch Hilfspersonal durchgeführt werden könnte, würden zumindest die Personalkosten in der OP-Abrechnung fallen. Auch hinsichtlich völlig neuer Anwendungen darf spekuliert werden. In einer Arbeitsgruppe am Laser Zentrum Hannover beschäftigt man sich mit der Erhöhung der Akkommodationsamplitude der Linse bei presbyopen Augen. Mittels fs-Pulse eingebrachte Gleitebenen in der Linse soll die innere Reibung von Linsenkern und Rinde verringert und somit die Linse flexibler gemacht werden. Ex-vivo-Untersuchungen haben wichtige Indizien für die Wirksamkeit der Methode erbracht [37, 38]. Tierexperimentelle Studien liefern Hinweise darauf, dass die behandelten Linsen klar bleiben und nicht, wie von manchen Experten befürchtet, eine Katarakt induzieren [39, 40]. Erste klinische Studien dazu haben bereits begonnen. Eine dänische Arbeitsgruppe hat gezeigt, dass mittels ultrakurzer Pulse die gelbe Einfärbung der alternden Linse ausgeblichen werden kann. Bei Intensitäten knapp unterhalb der Schwelle zum optischen Durchbruch werden aufgrund von Multiphotonenabsorption die entsprechenden Proteinaggregationen photochemisch zerstört. In einem Experiment wurden humane Spenderlinsen mit fs-Pulsen der Wellenlänge 800 nm bestrahlt [41]. Nach Bestrahlung konnte ein deutliches Aufklaren der altersbedingten Gelbfärbung in der Linse nachgewiesen werden. Inwieweit dies künftig von klinischer Relevanz sein könnte, ist derzeit noch ungewiss. Ebenfalls mit Laserintensitäten knapp unterhalb der Schwelle zur Photodisruption können bleibende Veränderungen im optischen Brechungsindex von Kornea und Linse erzeugt werden. Eine Arbeitsgruppe um Wayne Knox arbeitet daran, diesen Effekt zur Korrektur von Fehlsichtigkeiten zu nutzen. In einem Tierexperiment konnte eine gezielte Veränderung des Brechungsindex über Wochen und Monate aufrechterhalten werden [42]. Den nahezu selben Effekt, jedoch an implantierten Intraokularlinsen, will
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Hersteller/Typ
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eine Gruppe um Josef Bille nutzen, um die eingesetzten Linsen in ihrer Brechkraft optimal nachjustieren zu können [43]. Am Laser Zentrum Hannover wagt man sich mit den fs-Pulsen noch tiefer in das Auge hinein, um mittels Photodisruption Bindegewebsmembranen (traktive Amotio retinae) zu schneiden und kondensierte Kollagenfibrillen (Mouches volantes) aufzulösen. In tiefer liegenden Regionen des Glaskörpers kommen Aberrationen durch die unterschiedlichen Augenmedien immer stärker zum Tragen. Um die Präzision des fs-Lasers, wie man sie in Hornhaut und Linse kennt, auf tiefere Schichten zu übertragen, müssen die Aberrationen, die im Auge entstehen, mittels verformbarer Spiegel (sog. adaptiver Optik) in der Strahlführung des Lasers vorkompensiert werden [44]. Der Femtosekundenlaser hat die Hornhautchirurgie im vergangenen Jahrzehnt deutlich geprägt. Ob er den gleichen Erfolg an der Linse haben wird, bleibt abzuwarten. Die bisherigen Erfolge und sein Potenzial für weitere Anwendungen lassen jedoch stark vermuten, dass wir gerade erst am Beginn einer neuen Ära der Mikrochirurgie des Auges mittels Femtosekundenlaser stehen.
Interessenkonflikt !
Der Autor ist Geschäftsführer der ROWIAK GmbH und berät die Firma Ziemer Ophthalmic Systems AG.
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Update Femtosekundenlaser-Technologien in der Augenheilkunde
Autor
H. Lubatschowski
Institut
ROWIAK GmbH, Hannover
Schlüsselwörter " Kataraktchirurgie l " refraktive Chirurgie l " Femtosekundenlaser l " Ultrakurzpulslaser l
Zusammenfassung
Abstract
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Femtosekundenlaser (fs-Laser) haben sich in der refraktiven Chirurgie gegenüber dem klassischen Mikrokeratom innerhalb eines Jahrzehnts einen Marktanteil von über 55 % erobert. In der Kataraktchirurgie könnten wir vor einer ähnlichen Revolution stehen. Was macht diese Technologie so besonders und in welchen Anwendungsbereichen könnte der fs-Laser darüber hinaus Einzug halten? In dieser Übersicht werden die wichtigsten physikalisch-technischen Eigenschaften der Femtosekundenlaser beschrieben. Das Verständnis dafür soll dem Leser einerseits einen besseren Überblick über die derzeitige Marktsituation verschaffen. Darüber hinaus lässt sich darauf aufbauend abschätzen, welche kurz- und langfristige weitere Entwicklung diese Technologie einschlagen könnte.
Femtosecond (fs) lasers for LASIK flap creation have increased their market share from 0 percent in 2001 to over 55 percent in 2010. Now, in cataract surgery a similar revolution may take place. What makes this technology so special and which new areas of surgery will furthermore be entered in the future? This review elucidates the most important technical features of the fs lasers and interaction processes with the tissue. This understanding is intended to provide a better overview of the current market situation on the one hand. In addition, it can be estimated what kind of short- and long-term development this technology could take in the future.
Einleitung
auch eine erhöhte Sicherheit oder gar ein besseres visuelles Ergebnis durch den Einsatz von Femtosekundenlasern in der Kataraktchirurgie zu erwarten sind, ist noch nicht eindeutig bewiesen. In dieser Übersicht soll ein Verständnis der wichtigsten Eigenschaften der Lasertechnologie geschaffen werden, um das Potenzial dieser Technik besser einschätzen zu können. Darüber hinaus soll ein Blick in die Zukunft andeuten, welche technologischen Verbesserungen unmittelbar zu erwarten sind und welche potenziellen neuen Anwendungen vor der Tür stehen.
Key words " cataract surgery l " refractive surgery l " femtosecond laser l " ultrafast laser l
!
eingereicht 17. 9. 2013 akzeptiert 10. 10. 2013 Bibliografie DOI http://dx.doi.org/ 10.1055/s-0033-1351058 Klin Monatsbl Augenheilkd 2013; 230: 1207–1212 © Georg Thieme Verlag KG Stuttgart · New York · ISSN 0023-2165 Korrespondenzadresse Holger Lubatschowski ROWIAK GmbH Garbsener Landstraße 10 30419 Hannover Tel.: ++ 49/5 11/2 77 29 50 Fax: ++ 49/5 11/2 77 29 59 [email protected]
Die fs-Technologie ist dabei, die Mikrochirurgie des Auges zu revolutionieren. Bei der LASIK haben es die Laser geschafft, innerhalb einer Dekade (2001–2010) das klassische Mikrokeratom auf unter 45% Marktanteil zu verdrängen [1]. Zahlreiche weitere Eingriffe an der Hornhaut werden durch die Ultrakurzpulslaser vereinfacht oder gar erst ermöglicht. Glaubt man der Industrie, steht auch die Phakoemulsifikation kurz vor einer ähnlichen Wende. Was bewegt die Chirurgen dazu, in eine um mehr als das 10-fach teurere Technologie zu investieren, die in dem ohnehin engen OP-Raum auch noch zusätzliche Platzprobleme verursacht und den Arbeitsablauf einer klassischen Kataraktoperation eher verlangsamt? Ohne Frage sind es höhere Präzision und deutlich bessere Reproduzierbarkeit, welche die neue Technologie in den OP-Saal mit einbringt. Ob
Warum ultrakurze Pulse? !
Eine weit verbreitete, aber falsche Vermutung sieht die Notwendigkeit der ultrakurzen Pulse in der Minimierung der thermischen Schädigung des Gewebes. Eine scheinbar „kalte“ Wechselwirkung zeichnet sich schließlich dadurch aus, dass
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Update on fs Laser Technology in Ophthalmology
Übersicht
Tab. 1 Die thermische Diffusionslänge ist ein Maß, wie tief eine an einer Oberfläche deponierte Wärme über die Wärmeleitung ins Gewebe eindringt. Puls-Dauer
thermische Diffusionslänge (Lth)
100 ns 1 µs 10 µs 100 µs
0,2 µm 0,7 µm 2,3 µm 7,2 µm
aufgrund der kurzen Einwirkzeit die thermische Diffusion nicht zum Zuge kommt. Die extrem präzise und schonende Abtragung der Kornea mittels Excimer-Laserpulsen, deren Pulsdauer mit 10 ns immerhin 10 Millionen mal länger (!) ist als die der fs-Laser, legt den Trugschluss dieser Hypothese offen. Eine vergleichsweise einfache thermodynamische Betrachtung zeigt sogar, dass auch der Excimer-Laser mit längeren Pulsen nicht mehr thermische Nekrosezonen erzeugen würde. Löst man die sog. Wärmegleichung [2], bekommt man mit der thermischen Diffusionslänge [3] ein Maß, mit der die Wärme sich im " Tab. 1). Hier zeigt sich, dass – selbst bei Gewebe ausbreitet (l einer Pulsdauer von 1 μs – die Wärmefront im Gewebe um weniger als 1 μm voranschreitet. Der tatsächliche Grund, warum man auf ultrakurze Pulse zurückgreifen muss, um intraokular mit höchster Präzision arbeiten zu können, lässt sich vielmehr quantenoptisch (aber dennoch verständlich) erklären. Der Wechselwirkungsmechanismus der Material- und Gewebebearbeitung mittels Femtosekundenpulsen basiert auf der sog. Photodisruption. Photodisruption findet statt, wenn Licht auf Intensitäten in der Größenordnung von 1011 bis 1012 W/cm² fokussiert wird. Bei einer derart hohen Photonendichte können sich mehrere energiearme, infrarote Photonen zu energiereichen UV-Photonen vereinigen. Diese wiederum sind in der Lage, das Medium, in dem sie sich befinden, schlagartig zu ionisieren (Plasmagenerierung) [4]. Findet dieser Vorgang in transparentem Material (Wasser, Glas, Hornhautgewebe) statt, bezeichnet man ihn als ‚optischen‘ Durchbruch. Aufgrund der explosionsartigen Ausdehnung des laserinduzierten Plasmas entwickelt sich eine starke Stoßfront und – falls der Vorgang in flüssiger Umgebung stattfindet – entsteht eine Kavitationsblase. Die Stoßfront ebenso wie die Kavitationsblase kann ein erhebliches mechanisches Schädigungspotenzial für das umliegende Gewebe darstellen. Das Ausmaß der Druckamplituden und der Kavitation skaliert mit der Laserpulsenergie. Je kürzer ein Puls ist, umso weniger Energie transportiert er bei gleich hoher Intensität " Abb. 1). (l Fokussiert man einen 100-fs-Puls auf einen Fleck von nur wenigen μm Durchmesser, wird schon bei Pulsenergien im μJ-Bereich [5] oder darunter [6] der optische Durchbruch eingeleitet. Bei Pulsdauern im ns-Bereich (Nachstar-Kapsulotomie mit Nd : YAGLaser) benötigt man dazu mit einigen mJ das Tausendfache an Energie. Folglich sinken die thermischen und mechanischen Nebeneffekte bei Femtosekundenpulsen so dramatisch in ihrer Wirkung, dass sie beinahe gänzlich vernachlässigt werden können.
Abb. 1 Zwei Laserpulse mit derselben Pulsenergie (rote und blaue Fläche). Der rot markierte Puls ist in Raum (starke Fokussierung) und Zeit (ultrakurz) komprimiert und kann folglich aufgrund seiner Intensität die Schwelle zur Photodisruption überschreiten.
ein Laserpuls, umso besser ist er für mikrochirurgische Anwendungen geeignet, ist aber dennoch nicht ganz richtig. Zum einen nimmt der technische Aufwand – und damit die Kosten –, kürzere Pulse zu erzeugen, überproportional zu. Darüber hinaus wird die Strahlführung mit kürzeren Pulsen beliebig kompliziert. Je kürzer ein Puls, umso breiter ist seine spektrale Zusammensetzung. Aufgrund von Dispersion läuft der Puls zeitlich auseinander (blaues Licht pflanzt sich in Glas und Gewebe schneller fort als rotes). Im Strahlführungsarm eines Lasers lässt sich die Dispersion noch durch entsprechende Wahl der Glassorten kompensieren. Bei Pulsdauern um 10 fs spielt aber schon der kurze Weg des Lasers durch Kornea und Vorderkammer eine entscheidende Rolle, sodass aus Femtosekunden wieder Pikosekunden werden, wenn sie im Zielgebiet angekommen sind. Da jedes Auge leicht unterschiedlich ist, lassen sich diese Effekte nicht so einfach im Laser pauschal kompensieren. Schließlich gibt es noch sog. nicht lineare optische Effekte, bei denen sich bspw. der Laserstrahl selbst fokussiert [7] oder die vordere Flanke des Laserpulses das Gewebe schon vor der Fokussierung so verändert, dass kein effizienter optischer Durchbruch mehr stattfinden kann [8]. Eigene, bislang noch nicht veröffentlichte Untersuchungen haben ergeben, dass die optimale Pulsdauer für mikrochirurgische Anwendungen am Auge wohl bei ca. 200 fs liegt. Möglicherweise ergeben sich hier die präzisesten Schnitte bei vergleichsweise beherrschbarem technischem Aufwand. Die meisten kommerziellen ophthalmologischen Systeme haben ihre Pulsdauer derzeit eher bei 400 fs bis 900 fs.
Numerische Apertur !
Die Präzision eines laserchirurgischen Eingriffs hängt unmittelbar mit der Größe des Laserfokus zusammen. Doch nicht nur die räumliche Begrenzung der Lasereinwirkung hat einen Einfluss auf die Genauigkeit. Je größer das Fokusvolumen, umso mehr Energie muss der Laserpuls mitbringen, um über die Intensitätsschwelle zur Photodisruption zu gelangen. Das Volumen eines Laserfokus ist gegeben durch den lateralen Fokusdurchmesser und dessen axiale Ausdehnung. Unter Annahme eines sog. Gaußʼschen Strahlprofils [9] ergibt sich für das Fokusvolumen V die Beziehung [10]: V¼
Drei Faktoren beeinflussen die Schneidequalität !
Pulsdauer Je kürzer ein Laserpuls bei gleichbleibender Intensität, umso weniger Energie transportiert er und umso weniger Schädigungspotenzial birgt er in sich. Die direkte Schlussfolgerung, je kürzer
3 1 3 NA4
1
Hierbei bedeutet λ die Wellenlänge und NA die sog. numerische Apertur der Fokussieroptik. Sie ist definiert durch das Verhältnis von Durchmesser der Fokussierlinse zu deren Brennweite " Abb. 2). Bemerkenswert ist die extrem starke Abhängigkeit (l des Fokusvolumens von der NA in der 4. Potenz. Je größer die
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Übersicht
Welche Rolle spielt die Wellenlänge? !
Ausnahmslos alle derzeit kommerziell angebotenen fs-Systeme für die Ophthalmologie emittieren ihre Strahlung im nah-infraroten Bereich um 1040 nm Wellenlänge. Dies hat 3 Gründe. Zum einen lassen sich bei dieser Wellenlänge die ultrakurzen Pulse am günstigsten herstellen. Zum anderen dringt dieses Licht weit genug in die okularen Medien ein, ohne dabei gestreut oder absorbiert zu werden. Und schließlich kann der Patient das Licht nicht sehen. Er wird davon also nicht irritiert. Neben der Überlegung, die Wellenlänge noch weiter ins Infrarote zu verschieben, um Streuung gerade bei trüben Hornhäuten noch weiter zu verringern [11], gibt es Tendenzen, auf kürzere Wellenlängen im ultravioletten Spektralbereich auszuweichen. Im UVBereich trägt ein Photon ein Vielfaches an Energie mit sich, verglichen mit dem Photon im nahen IR. Folglich werden weniger Photonen pro Puls benötigt, um eine Photodisruption zu bewirken. Damit sinken die Schwellenergie [12] und die damit gekoppelten Kollateralschäden. Hinzu kommt, dass die kurzwellige Strahlung viel stärker fokussiert werden kann. Der Lasereingriff würde also noch einmal sehr viel präziser werden. Es stellt sich die Frage, ob eine höhere Präzision als die derzeit gegebene überhaupt noch erforderlich ist. Im Falle der intrastromalen LentikelExtraktion (ReLEx®-Verfahren), bei welcher der fs-Laser den Excimer-Laser komplett ersetzen soll, könnte dieser Präzisionsgewinn eine entscheidende Rolle spielen. Denn anders als beim reinen Flapschneiden hat hier die Schnittpräzision – wie jeder Puls bei der Excimer-Laser-Ablation – einen direkten Einfluss auf das refraktive Ergebnis. Die Schnittpräzision ist über das Fokusvolumen gegeben (s. o.), welches wiederum direkt von der Wellenlänge abhängig ist. In axialer Richtung lässt sich ein Laserpuls etwa in der Größenordnung seiner Wellenlänge positionie-
Abb. 2 Die numerische Apertur (NA) ist definiert durch das Verhältnis von Durchmesser der Fokussierlinse zu deren Brennweite. Je größer die NA, umso kleiner ist das Fokusvolumen und damit notwendige Schwellenergie für Photodisruption.
ren. Excimer-Laser haben eine Ablationsrate und damit eine Genauigkeit von weniger als einem Mikrometer. Um mittels fs-Laser an diese Präzision heranzukommen, muss der entsprechende fsPuls eine Wellenlänge unter einem Mikrometer haben. Mit den Methoden der Frequenzvervielfachung lassen sich UV-Femtosekundenpulse erzeugen [13]. Eine kürzere Wellenlänge lässt sich darüber hinaus noch in einer anderen Richtung ausnutzen. Wenn mit abnehmender Wellenlänge die Schwellenergie zur Photodisruption fällt, kann man sich mit UV-Photonen längere Laserpulse erlauben, um eine vergleichbare Präzision im Gewebe zu erzeugen [12]. Diesen Weg verfolgt die Firma Schwind, die mit ihrem SIRAMA-System intrastromales Schneiden mittels Nanosekundenpulsen realisieren möchte (zum Zeitpunkt der Manuskripterstellung gab es lediglich eine Ankündigung eines solchen Systems). Das Lasersystem emittiert bei 355 nm Wellenlänge wenige ns lange Pulse und erreicht vergleichbare Schneideergebnisse wie ein fs-System im nahen Infrarot. Neben den Vorteilen der höheren Präzision haben die UV-Wellenlängen allerdings einen deutlichen Nachteil. Aufgrund der Absorptionseigenschaften von Kornea und Kammerwasser ist die Strahlung hauptsächlich zur Bearbeitung der Kornea geeignet. Hinzu kommt, dass UV-Strahlung unvergleichlich stärker gestreut wird als IR-Strahlung. Folglich sind Anwendungen an eingetrübter Kornea (Keratoplastik) auch eher unwahrscheinlich.
Einer für alles !
Die herausragende Eigenschaft der fs-Laser ist ihre Fähigkeit, im gesamten vorderen Abschnitt des Auges das Gewebe mit höchster Präzision und minimaler kollateraler Schädigung 3-dimensional schneiden zu können. Angesichts der hohen Kosten und des großen Platzbedarfs drängt sich die Frage auf, warum ein für die Kornea konzipiertes System nicht für die Linse einsetzbar ist und umgekehrt. Mittlerweile gibt es Hersteller, die beide Einsatzbereiche für ihr System proklamieren, wissenschaftliche Studienergebnisse gibt es dazu allerdings noch nicht. Einem einfachen Verschieben des Arbeitsbereichs von der Kornea zur Linse stehen die hohen Anforderungen an die Fokussieroptik entgegen. Für korneale Einsätze (Schneiden von Flaps) muss der Laser eine extrem glatte Schnittfläche hinterlassen. Die Präzision soll über eine vergleichsweise große laterale Ausdehnung
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NA, umso kleiner ist nicht nur das Schneidevolumen, sondern auch die notwendige Schwellenergie. Womit auch das Schädigungspotenzial durch Kavitation und Druckwellen dramatisch sinkt. Lasersysteme für die refraktive Hornhautchirurgie mit hohen Ansprüchen an die Präzision besitzen daher eine vergleichsweise hohe numerische Apertur (NA = 0,2–0,3). Um eine hohe NA zu erzeugen, gibt es 2 Wege. Zum einen kann man den Durchmesser des optischen Systems erhöhen. In der Regel ist das aufwendig und teuer. Alternativ kann man den Arbeitsabstand verringern. Hier kommt man mit kleineren Linsen aus. Dafür muss man die Optiken sehr nahe an das Zielobjekt heranbringen und diese darüber hinaus über dem Zielgebiet verfahren, um einen entsprechend großen lateralen Arbeitsbereich zu bekommen. Der 2. Weg wird einzig von den Ziemer-Systemen begangen. Mit einem beweglichen Handstück führen diese die Optomechanik sehr dicht über die Kornea. Mikromechanische Komponenten, wie man sie aus der traditionellen Uhrenindustrie kennt, sorgen für eine mikrometergenaue Bewegung des Laserfokus. Die Ziemer-Lasersysteme besitzen von allen Anbietern die mit Abstand höchste numerische Apertur, was sich in der geringen Pulsenergie (wenige nJ) niederschlägt. Eine hohe NA führt jedoch zu technischen Schwierigkeiten in der Strahlführung, wenn man die Fokusqualität über einen weiten Arbeitsbereich aufrechterhalten muss. Lasersysteme für die Kataraktchirurgie, die ein vergleichsweise großes Volumen in der Linse des Auges adressieren, haben daher eher eine relativ kleine numerische Apertur (NA < 0,2).
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Übersicht
Abb. 3 Wurde die Laseroptik so konzipiert, dass sie in der Kornea einen nahezu beugungsbegrenzten Fokus erzeugt (links), sorgen gekrümmte Flächen wie die Rückseite der Kornea und die Passage durch Medien mit unterschiedlichen Brechungsindices (Kornea, Kammerwasser, Linse) für signifikante Aberrationen des Laserstrahls, falls man diesen ohne zusätzliche Korrekturen tiefer in das Auge verfährt. Das gleiche gilt für eine auf die Linse optimierte Optik. Hier käme es zu verminderter Fokusqualität in der Kornea.
(> 12 mm) aufrechterhalten werden. Die axiale Fokusausdehnung sollte möglichst kurz sein, um wenig korneale Substanz beim Schneideprozess zu verlieren. Dies erreicht man am besten mit " Abb. 2). Wurde die einer hohen NA und geringer Pulsenergie (l Laseroptik so konzipiert, dass sie in der Kornea einen nahezu beugungsbegrenzten Fokus erzeugt, sorgen gekrümmte Flächen wie die Rückseite der Kornea und die Passage durch Medien mit unterschiedlichen Brechungsindices (Kornea, Kammerwasser, Linse) für signifikante Aberrationen des Laserstrahls, falls man diesen ohne zusätzliche Korrekturen tiefer in das Auge verfährt " Abb. 3). (l Laser für die Kataraktchirurgie benötigen beim Fragmentieren der Linse und selbst bei der Kapsulotomie deutlich weniger Präzision, müssen dafür statt einer Fläche ein großes Volumen adressieren. Auch der Anspruch an Präzision für korneale Inzisionen ist vergleichsweise gering. Die Anforderungen an einen Kataraktlaser erreicht man am besten mit einer kleineren numerischen Apertur. Aufgrund der stark streuenden, sklerotisierten Linse sind für einen klinischen Einsatz höhere Pulsenergien erforderlich. Darüber hinaus brauchen diese Systeme eine Bildgebung, um in der Vorderkammer des Auges navigieren zu können. Ein für beide Einsatzbereiche optimal funktionierendes System ist technisch sicher realisierbar. Jedoch sind die gegenwärtigen Laser wohl eher mit den Anfängen der Büroeletronik vergleichbar. Es brauchte auch seine Zeit, bis Drucker, Kopierer, Faxgeräte und Scanner sich zu einem System vereinigten und dabei keine Kompromisse mehr in Funktion und Gebrauchstauglichkeit forderten. Neben der technischen Realisierung der Strahlführung zeichnet sich darüber hinaus eine Herausforderung in der richtigen Platzierung des Kombilasersystems ab. Der Hornhautlaser sollte, sofern er Flaps für die LASIK präpariert, vorzugsweise in der Nähe eines Excimer-Lasers positioniert werden, um den Platzwechsel für den Patienten vom Femto-System zum Excimer-Laser mit wenig Aufwand und Risiko zu gewährleisten. Für eine Katarakt-OP wiederum ist eher zu erwarten, dass der Laser vorzugsweise im sterilen OP platziert wird, um den Patienten möglichst wenig bewegen zu müssen und den gesamten Workflow der OP nicht allzu sehr zu stören. Oftmals werden refraktive Prozeduren wie die LASIK jedoch in anderen Räumlichkeiten durchgeführt als die Katarakt-OPs. Ein fs-Laser, der für beide Einsätze vorgesehen ist, wäre somit in zahlreichen Kliniken am besten klein und mobil, um für die jeweiligen Einsatzorte den optimalen Standort einzunehmen.
Marktübersicht !
Die derzeit auf dem Markt befindlichen fs-Systeme sind in " Tab. 2 zusammengefasst. Technische Daten sind oftmals l schwer in Erfahrung zu bringen bzw. ändern sich mit der Zeit. Für tiefergehende Beschreibungen der Systeme sei auf die wissenschaftliche Literatur (refraktiv/Kornea: [14–23]; Katarakt: [24–36] bzw. auf die Internetseiten der Hersteller verwiesen. Operateure, die über die Anschaffung eine fs-Lasersystems nachdenken, können durch Abfragen folgender Schlüsselparameter eine Entscheidungshilfe bei der Anschaffung eines Systems bekommen: Pulsenergie, Pulsdauer und numerische Apertur: Je geringer die einzustellende Pulsenergie des Lasersystems, umso präziser und schonender ist gewöhnlich die Schnittführung und umso geringer ist die Produktion von Gasbläschen während des Schneidens. In der Regel wird eine geringe Pulsenergie durch kürzere Pulse und hohe numerische Apertur erzielt. Dauer des Eingriffs (Strahlzeit): In erster Linie gibt die Pulswiederholrate ein Maß für die Geschwindigkeit der Laserprozedur wieder. Höhere Pulsenergien und größere räumliche Pulsabstände können die OP-Zeit auch verkürzen, führen aber zu einer gröberen Schnittführung. Patientenliege: Einige Systeme besitzen einen starren Strahlführungsarm. In diesen Fällen wird der Patient auf einer elektronisch gesteuerten Patientenliege an den Laser herangeführt. Die Liege ist Teil des Gesamtsystems. Für die LASIK bieten einige Hersteller sog. Refractive Suites an, in denen die Patientenliege mit Patient zwischen fs-Laser zur Flap-Präparation und Excimer-Laser zur Hornhautablation verschoben werden kann. Beide Systeme stehen sehr nahe beieinander. Ist eine solche Kombination nicht vorhanden, wird ein Umbetten des Patienten erforderlich. Bei der Kataraktchirurgie ist eine fest mit dem Laser verbundene Patientenliege sehr unvorteilhaft. Hier sind Lasersysteme mit beweglichem Strahlführungsarm im Vorteil. Der Patienten kann hier mit einer fahrbaren Standardliege herangeführt und muss nicht umgebettet werden. Augenfixation, andocken: Ein mechanisches Fixieren des Patientenauges mittels Saugring ist für den Lasereingriff unabdingbar und bei allen Anbietern üblich. Waren zu Beginn der Femtosekunden-Ära noch Applanation (flaches Kontaktglas auf der Kornea) üblich, werden heute zunehmend konkave Interfaces verwendet, deren Krümmungsradius in etwa dem der Kornea entspricht. Dadurch wird die Hornhaut weniger verformt und der intraokulare Druck steigt weniger dramatisch an. Für die Katarakt-OPs werden teilweise auch sogenannte Flüssigkeits-(Liquid-)Interfaces verwendet. Ein Zylinder wird mittels Unterdruck
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Übersicht
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Tab. 2 Überblick derzeit kommerziell erhältlicher Femtosekunden-Systeme für die Ophthalmologie. Anwendung
Docking
korneal/refraktiv Abott Medical Optics/ IntraLase FS/iFS Alcon – WaveLight/ WaveLight FS200 Alcon – LenSx
Flaps, Keratoplastik, Inzisionen, Pockets Flaps, Keratoplastik, Inzisionen Inzisionen
Bausch + Lomb Technolas/Victus
Flaps, Keratoplastik, Inzisionen, Pockets
LENSAR/LENSAR Laser System Optimedica (Abott) Catalys ROWIAK/MyFemto
Inzisionen
Zeiss Meditec/VisuMax
Flaps, Keratoplastik, Inzisionen, Pockets Flaps, Keratoplastik, Inzisionen, Pockets
Ziemer/Femto-LDV Z8
Inzisionen nach Kundenspezifikation
Bild-
Besonderheiten
gebung
Katarakt Applanation
erstes fs-System überhaupt, umfangreiche Erfahrung
Applanation Kapsulotomie, Fragmentation Kapsulotomie, Fragmentation
konkaves Interface mit weicher Kontaktlinse konkaves Interface
OCT
Kapsulotomie, Fragmentation Kapsulotomie, Fragmentation nach Kundenspezifikation
Ankopplung über Flüssigkeit („Liquid Interface“) Ankopplung über Flüssigkeit („Liquid Interface“) nach Kundenspezifikation
Scheimpflug OCT
OCT
erstes fs-Kataraktsystem, derzeit Marktführer Einziges in Serie gefertigtes System, das sowohl korneale Flaps als auch Kataraktanwendungen anbietet. Wissenschaftliche Publikationen dazu sind bislang nicht bekannt. Picosekunden-Laser als Strahlquelle
OCT
individualisiertes System, wird nach Kundenwunsch gefertigt; noch keine klinischen Ergebnisse publiziert
OCT
kompaktes System, einziges mobiles System
konkaves Interface Kapsulotomie, Fragmentation
refraktiv: Applanation Katarakt: Liquid Interface
auf der Sklera fixiert. In den Zylinder wird eine Flüssigkeit gefüllt (BSS), in der die Optik des Lasersystems eintaucht. Dies bewirkt eine gute optische Kopplung zwischen Laser und Auge ohne Verformung der Hornhaut. Rein mechanische Kopplungen können dazu führen, dass sich beim Anbringen des Kontaktglases auf der Kornea auf deren Rückseite kleine Falten bilden, die den Strahlengang des Lasers ungünstig beeinflussen [35]. Überdies gibt es zahlreiche Detaillösungen wie die Benutzerführung, das Handling des Docking-Systems, die klinische Erfahrung des Herstellers und nicht zuletzt der Preis und die Folgekosten, in der sich die jeweiligen Systeme unterscheiden und die der Operateur individuell für seine Belange bewerten muss.
Ein Blick in die Zukunft !
„Prognosen sind schwierig, besonders wenn sie die Zukunft betreffen“ – so lautet ein Bonmot, das Niels Bohr zugeschrieben wird. Dies gilt natürlich auch für die sich rasch entwickelnde Femtosekundentechnologie. Dennoch darf man 2 Erwartungen hegen: kurzfristig wird es technische Verbesserungen bei den bestehenden Systemen geben und langfristig wird die Femtosekundentechnologie auch weiterhin neue Anwendungsgebiete in der Ophthalmochirurgie eröffnen. So sind neben den All-in-One-Systemen (refraktiv und Katarakt) insbesondere in der Kataraktchirurgie schrittweise Fortschritte zu erwarten. Hierzu gehören die Minimierung der Gasblasenproduktion bei noch stärkerer Fragmentierung des Linsenkerns, eine weitere Beschleunigung der Prozedur sowie deutlich vereinfachtes Andocken des Patientenauges. Die vergleichsweise hohe Anzahl von Anbietern und die fortschreitenden Entwicklung in der Ultrakurzpulstechnologie lässt auf eine Abnahme der Anschaffungskosten hoffen. Allerdings wird, wie etwa in der Computerindustrie, die Performance der Systeme stärker steigen als die Preise der Systeme fallen. Ein Preisniveau eines fs-Lasers auf dem einer konventionellen Phako-Maschine ist sehr unwahrscheinlich.
Volkswirtschaftlich lässt sich ein Szenario vorstellen, bei dem vielleicht die Technologie nicht billiger wird, aber die Durchführung der OP insgesamt preiswerter ausfällt. Wenn bspw. eines Tages der Lasereingriff so einfach und sicher gestaltet würde, dass dieser durch Hilfspersonal durchgeführt werden könnte, würden zumindest die Personalkosten in der OP-Abrechnung fallen. Auch hinsichtlich völlig neuer Anwendungen darf spekuliert werden. In einer Arbeitsgruppe am Laser Zentrum Hannover beschäftigt man sich mit der Erhöhung der Akkommodationsamplitude der Linse bei presbyopen Augen. Mittels fs-Pulse eingebrachte Gleitebenen in der Linse soll die innere Reibung von Linsenkern und Rinde verringert und somit die Linse flexibler gemacht werden. Ex-vivo-Untersuchungen haben wichtige Indizien für die Wirksamkeit der Methode erbracht [37, 38]. Tierexperimentelle Studien liefern Hinweise darauf, dass die behandelten Linsen klar bleiben und nicht, wie von manchen Experten befürchtet, eine Katarakt induzieren [39, 40]. Erste klinische Studien dazu haben bereits begonnen. Eine dänische Arbeitsgruppe hat gezeigt, dass mittels ultrakurzer Pulse die gelbe Einfärbung der alternden Linse ausgeblichen werden kann. Bei Intensitäten knapp unterhalb der Schwelle zum optischen Durchbruch werden aufgrund von Multiphotonenabsorption die entsprechenden Proteinaggregationen photochemisch zerstört. In einem Experiment wurden humane Spenderlinsen mit fs-Pulsen der Wellenlänge 800 nm bestrahlt [41]. Nach Bestrahlung konnte ein deutliches Aufklaren der altersbedingten Gelbfärbung in der Linse nachgewiesen werden. Inwieweit dies künftig von klinischer Relevanz sein könnte, ist derzeit noch ungewiss. Ebenfalls mit Laserintensitäten knapp unterhalb der Schwelle zur Photodisruption können bleibende Veränderungen im optischen Brechungsindex von Kornea und Linse erzeugt werden. Eine Arbeitsgruppe um Wayne Knox arbeitet daran, diesen Effekt zur Korrektur von Fehlsichtigkeiten zu nutzen. In einem Tierexperiment konnte eine gezielte Veränderung des Brechungsindex über Wochen und Monate aufrechterhalten werden [42]. Den nahezu selben Effekt, jedoch an implantierten Intraokularlinsen, will
Lubatschowski H Update Femtosekundenlaser-Technologien … Klin Monatsbl Augenheilkd 2013; 230: 1207–1212
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Hersteller/Typ
Übersicht
eine Gruppe um Josef Bille nutzen, um die eingesetzten Linsen in ihrer Brechkraft optimal nachjustieren zu können [43]. Am Laser Zentrum Hannover wagt man sich mit den fs-Pulsen noch tiefer in das Auge hinein, um mittels Photodisruption Bindegewebsmembranen (traktive Amotio retinae) zu schneiden und kondensierte Kollagenfibrillen (Mouches volantes) aufzulösen. In tiefer liegenden Regionen des Glaskörpers kommen Aberrationen durch die unterschiedlichen Augenmedien immer stärker zum Tragen. Um die Präzision des fs-Lasers, wie man sie in Hornhaut und Linse kennt, auf tiefere Schichten zu übertragen, müssen die Aberrationen, die im Auge entstehen, mittels verformbarer Spiegel (sog. adaptiver Optik) in der Strahlführung des Lasers vorkompensiert werden [44]. Der Femtosekundenlaser hat die Hornhautchirurgie im vergangenen Jahrzehnt deutlich geprägt. Ob er den gleichen Erfolg an der Linse haben wird, bleibt abzuwarten. Die bisherigen Erfolge und sein Potenzial für weitere Anwendungen lassen jedoch stark vermuten, dass wir gerade erst am Beginn einer neuen Ära der Mikrochirurgie des Auges mittels Femtosekundenlaser stehen.
Interessenkonflikt !
Der Autor ist Geschäftsführer der ROWIAK GmbH und berät die Firma Ziemer Ophthalmic Systems AG.
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