Untersuchungen zur Übertragung und Wirkung kombinierter Ultraschall-Laserstrahlung für die Chirurgie: Aufbau und Validierung eines neuen Applikationssystems
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Landsberg
Ecomed
1999
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| adam_text | Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
1.1 Aufgabenstellung 4
1.1.1 Medizinische Aufgabenstellung 4
1.1.2 Physikalisch-technische Aufgabenstellung 4
2 Stand der Technik 8
2.1 Anwendungen des Lasers in der Medizin 8
2.1.1 Laserphysik 8
2.1.1.1 Lasermedien, Laserarten und Wellenlängen 9
2.1.1.2 Betriebsarten und Kenngrößen eines Lasers 10
2.1.1.3 Strahlführungssysteme 11
2.1.2 Laserwirkung auf biologische Systeme 12
2.1.3 Optische Eigenschaften von Gewebe 15
2.1.4 Thermische Eigenschaften von Gewebe 16
2.1.4.1 Thermische Wirkung der Laserstrahlung 17
2.1.5 Laseranwendung zur Therapie 18
2.1.5.1 Einsatzgebiete 18
2.2 Anwendungen des Ultraschalls in der Medizin 19
2.2.1 Ultraschallwirkung auf biologische Systeme 19
2.2.1.1 Sicherheits- und Grenzwertbetrachtungen 20
2.2.2 Therapeutische Anwendungen des Ultraschalls 21
2.2.2.1 Ultraschallschneiden in der Chirurgie (CUSA) 21
2.2.2.2 Wirkmechanismen 22
2.2.2.3 Medizinische Anwendungsgebiete 23
2.2.3 Übertragung von akustischen Signalen über Lichtwellenleiter 25
2.2.3.1 Übertragung von Stoßwellen 26
Theoretischer Teil
3 Analyse der intrinsischen Wechselwirkung von licht und Schall 28
3.1 Einfluß von Schallwellen auf die optischen Transmissionseigenschaften 28
3.1.1 Einfluß der Schallintensität auf die Änderung der optischen Brechzahl 28
3.1.2 Einfluß der Schallfrequenz und Auslenkung auf die Änderung
der optischen Brechzahl 28
3.1.3 Einfluß der Schalleistung und der Geometrie auf die optische Brechzahl 28
3.2 Einfluß von gepulsten Lasern auf die akustischen Transmissionseigenschaften 29
3.3 Schlußfolgerung 31
4 Akustisches Übertragungsverhalten von Lichtwellenleiter 33
4.1 Übertragung von niederfrequentem Ultraschall über Quarzglasfasern 33
4.1.1 Ausbreitung von akustischen Wellen inhomogenen Glasstäben 34
4.1.1.1 Schallfeldgrößen 34
4.1.1.2 Dehnwellen in Glasstäben 35
4.1.1.3 Biegewellen in Glasstäben 38
4.1.1.4 Torsionswellen in Glasstäben 39
4.1.1.5 Rayleighwellen in Glasstäben 40
4.1.2 Ausbreitung von akustischen Wellen in Stäben mit koaxialem Cladding 40
4.1.3 Einfluß der Dämpfung 41
4.1.3.1 Intrinsische Verluste 41
4.1.3.2 Verluste durch die Elastizität des Materials 42
4.1.3.3 Einfluß des Kunststoffcoarings auf die Schallübertragung 44
4.1.3.4 Verluste durch Rayleighstreuung 46
4.1.3.5 Extrinsische Verluste 47
4.1.4 Schallausbreitung an Grenzschichten 47
4.1.5 Theoretische Bestimmung der Leistungsparameter 50
4.1.5.1 Übertragbare Leistungen 51
4.1.5.2 Festigkeit, Knick-, Zug- und Druckbelastung 52
4.1.5.3 Transferfunktion 53
4.1.5.4 Einfluß der Biegung 54
4.1.5.5 Berechnung des akustischen Ubertragungsverhaltens 59
5 Konzeption zum Aufbau eines kombinierten Laser-Schallübertragungssystems 62
5.1 Präzisieren der Aufgabenstellung 62
5.1.1 Funktionsstruktur (Gesamt- und Teilfunktionen) 63
5.1.2 Aufgliedern in Teilfunktionen 63
5.2 Konzept des Gesamtsystems 64
5.2.1 Systemstruktur der einzelnen Baugruppen des
Laser-Ultraschall-Kombinationssystems 65
5.2.2 Ultraschallwandler 66
5.2.3 Ansteuerung des Ultraschallwandlers (US-Generator) 68
5.2.4 Opto-akustischer Wellenleiter 68
5.2.4.1 Standardfaser als opto-akustischer Wellenleiter 69
5.2.5 Faserkoppelelement 69
5.2.6 Verbindungstechnik von US-Wandler und opto-akustischem Wellenleiter 69
5.2.6.1 Fügen der Faser/des Tapers durch An- und Einpressen 70
5.2.6.2 Fügen der Faser durch Kleben 71
5.2.6.3 Konfiguration der Klebeverbindung 71
5.2.6.4 Klebstoffe 73
5.2.6.5 Klebstoffreihenuntersuchung 74
5.2.6.6 Analyse des Schwingungszustandes in der Klebeverbindung 76
5.2.7 Quarzglastaper als Lichtwellenleiter 79
5.2.8 Bestimmung des Faserabstandes bei der Lasereinkopplung 82
5.2.9 Faserführung des Lichtwellenleiters durch das System 82
5.2.10 Implementierung einer Absaugung und Spülung 83
5.2.10.1 Konzept der Absaugung und zusätzlicher Spülung zur Integration
in einEndoskop 84
5.2.11 Gehäuse 84
Experimenteller Teil
6 Material und Methoden 90
6.1 Aufbau des Meßplatzes 90
6.1.1 Detektion der Schwingung 92
6.1.2 Fügen der Faser 93
6.1.3 Akustische Abstimmung des Schwingsystems 93
7 Konstruktion eines kombinierten Laser- Schallübertragungssystems 96
7.1 Ultraschallwandler 96
7.2 Ultraschall-Generator, ungeregelt 98
7.2.1 Aufbau des Hochfrequenzgenerators mit Leistungsendstufe 98
7.2.2 Funktionsgenerator 98
7.2.3 Breitbandleistungsverstärker 98
7.2.4 Impedanzanpassung (Blindleistungskompensation) 100
7.3 Ultraschall-Generator, geregelt 100
7.3.1 Generatorspezifizierung (Amplituden- und Resonanzregelung) 101
7.3.1.1 Funktion des geregelten Generators 102
7.3.1.2 Anschwingbegrenzung 103
7.4 Opto-akustischer Wellenleiter 103
7.5 Faserkoppelelement und Verbindungstechnik von US-Wandler und
opto-akustischem Wellenleiter 103
7.5.1 Fügen der Faser durch An- und Einpressen 106
7.5.2 Fügen der Faser durch Kleben 109
7.5.2.1 Optimierung von Klebespalt und Fügelänge 109
7.5.2.2 Untersuchungen zur weiteren Spezifikation 109
7.5.2.3 Diskussion 112
7.6 Lasereinkopplung 113
7.7 Gehäuse 115
7.8 Faserführung 116
7.9 Darstellung des Gesamtsystems 117
7.10 Numerische Simulation des Gesamtsystems 119
8 Ergebnisse 124
8.1 Experimentelle Evaluierung des Applikationssystems zur Ultraschaflübertragung 124
8.1.1 Alleinige Betrachtung der Quarzglasfaser 124
8.1.2 Betrachtung des kompletten Applikationssystems 125
8.1.3 Leistungsübertragung bei Kontakt mit wäßrigem Medium 129
8.1.4 Untersuchungen zum Absaug- und Spülsystem 131
8.2 Experimentelle Evaluierung des Applikationssystems zur kombinierten
Laser- und Ultraschallüberttagung 132
8.2.1 Akustische Leistungsparameter 132
8.2.1.1 Bestimmung der maximal übertragbaren Amplitude 132
8.2.1.2 Bestimmung der maximal übertragbaren akustischen Leistung 133
8.2.2 Optische Leistungsparameter 133
8.2.3 Ultraschall-Gewebe-Wechselwirkung 133
8.2.4 Untersuchung der Wirkung von Ultraschall an In-vitro-Proben 135
8.2.4.1 Einfluß der Frequenz und der Absaugung 136
8.2.4.2 Einfluß der Leistung 137
8.2.4.3 Vergleich mit konventionellem CUSA-System 138
8.2.5 Untersuchung der Wirkung von NIR-Laserstrahlung und Ultraschall
auf biologisches Gewebe 139
8.2.5.1 Makroskopische Untersuchungen 140
8.2.5.2 Untersuchungen an Lebergewebe 140
8.2.5.3 Untersuchungen an Nierengewebe 142
8.2.5.4 Untersuchungen an Hirngewebe 142
8.2.6 Histologische Untersuchungen 143
8.2.6.1 Aufbereitung der Präparate 143
8.2.6.2 Untersuchungen an Lebergewebe 144
8.2.6.3 Untersuchungen an Nierengewebe 145
8.2.6.4 Untersuchungen an Himgewebe 147
8.2.7 Raster-Elektronen-Mikroskopische Untersuchungen 148
8.2.7.1 Aufbereitung der Präparate 148
9 Schlußfolgerungen, Nutzbarkeit der Resultate und Ausblick. 149
9.1 Schlußfolgerungen 149
9.2 Nutzbarkeit der Resultate und Ausblick 150
10 Literaturverzeichnis 152
11 Verzeichnis der Formelgrößen und Abkürzungen 162
Anhang
— Lebenslauf
— Danksagung
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