Knochenablation mittels ultrakurzer Laserpulse. Eine neue Technik für die Mittelohrchirurgie

Zusammenfassung

Einleitung: Die Anwendung verschiedener Laser in der Mittelohrchirurgie wird mittlerweile routinemäßig durchgeführt. Die zum Einsatz kommenden Lasersysteme sind vor allem der CO₂-, der Argon-, KTP- und Erbium-YAG-Laser. Nachteile entstehen jedoch entweder aufgrund akustischer Belastung oder durch Hitzeentwicklung. Ein neuartiger Laser mit ultrakurzen Pulsen wurde auf seine Tauglichkeit für Eingriffe in der Paukenhöhle hinsichtlich der Ablationscharakteristik untersucht.

Material und Methoden: Die Messungen wurden mit einem Femtosekundenlaser an humanen Ossikeln und Schweinekompakta durchgeführt. In erster Linie wurden die Abhängigkeit der Schwellenenergien von der Pulsdauer sowie die Ablationsraten bei verschiedenen Pulsenergien untersucht. Rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen der erzeugten Kavitäten wurden durchgeführt, um die Qualität der optischen Bohrungen zu beurteilen und um eventuell auftretende Schädigungen durch Hitzeeintrag abzuschätzen.

Ergebnisse: Die Messungen zeigen, dass die benötigte Schwellenenergie deutlich niedriger liegt als bei konventionellen Lasersystemen. Bei einer Pulsdauer von 180 fs liegt die geringstmögliche Fluenz, die zu einem Ablationseffekt führt, bei Werten unter 1 J/cm². Mit steigender Pulsdauer steigt auch die erforderliche Schwellenenergie. Durch die geringen Energielevel und die extrem kurzen Pulse mit sehr hoher Leistung entstehen weniger thermische Schäden am umgebenden Gewebe im Vergleich zu herkömmlichen Lasersystemen. Die Analysen der rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen demonstrieren die extreme Präzision der erzeugten Kavitäten. Optische Bohrungen können mit einer Genauigkeit im Mikrometerbereich durchgeführt werden.

Schlussfolgerungen: Der Femtosekundenlaser stellt eine neue Möglichkeit dar, Mittelohrstrukturen berührungsfrei zu bearbeiten. In seiner hohen Präzision und der geringeren Schädigung umliegenden Gewebes ist ein Vorteil gegenüber konventionellen Lasersystemen zu sehen. Neben der Perforation der Stapesfußplatte sind weitere Einsatzmöglichkeiten in der Bearbeitung des Ambosses, z. B. für eine verbesserte Ankopplung implantierbarer Hörgeräte oder passiver Mittelohrprothesen, zu erwarten.

Abstract

Objectives: Laser applications within the tympanic cavity area are widely accepted. Commonly used systems are CO₂, argon, KTP and erbium devices. The disadvantages are heat development and/or acoustic load of the inner ear. A new laser with ultra short pulses was examined concerning its ablation characteristics and tested for possible applications in the tympanic cavity.

Methods: Investigations on human ossicles and bovine compacta were performed with a femtosecond laser in order to determine the ablation parameters. This included measurements of the dependency of the threshold energy on the pulse duration and the determination of the ablation ratio using different pulse energy levels. On the basis of histological slices the thermal damages of the bone were examined. Additionally, the processed samples were analyzed with an optical microscope and with a scanning electron microscope in order to evaluate the quality of the perforations.

Results: The measurements showed that the threshold energy has a lower level than the threshold energy of the conventional laser systems. At a pulse duration of 180 fs the smallest fluence, with which an erosion can be achieved, is below 1 J/cm². With increasing pulse duration the necessary threshold energy also rises. Due to the low energy level necessary for ablation and the extremely short pulse duration, less thermal damage is induced to the surrounding bone tissue as compared to conventional laser systems. The analysis of the scanning electron microscope demonstrates the extreme precision of this laser system. The achieved accuracy of the incisions and drillings ranges in the µm-area.

Conclusions: The fs laser represents a new surgical tool for middle ear surgery. It works efficiently and in a touch-free procedure. Due to its high precision and the reduced side effects an advantage in the handling of bony structures is to be expected in relation to other laser systems. Apart from the perforation of the stapes footplate, in particular the handling and modelling of the incus, a further field of applications includes enhanced coupling, e. g. for implantable hearing aids and ossicular chain replacement prosthesis.

Schlüsselwörter

Femtosekundenlaser - Stapes - Ti:Saphir - Knochen - Rasterelektronenmikroskop - Abtragverhalten

Key words

Femtosecond-laser - stapes - Ti : sapphire - bone - scanning electron microscope - ablation characteristics

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