Medizinische Physik 3 (eBook)

Vorwort 6
Inhaltsverzeichnis 10
Mitarbeiter 20
1 Das visuelle System des Menschen 22
1.1 Die Optik des Auges 22
1.1.1 Physiologie des menschlichen Auges 22
1.1.2 Das optische System des Auges 23
1.1.3 Modelle des menschlichen Auges 24
1.2 Grenzen der räumlichen Auflösung des Auges 26
1.2.1 Auflösungsvermögen ( Visus) 26
1.2.2 Einfluss der Beugungseffekten 27
1.2.3 Abbildungsfehler des menschlichen Auges 30
1.2.4 Rezeptorendichte der Netzhaut 31
1.3 Optische Qualität des Auges 33
1.4 Hornhauttopographie 36
1.4.1 Messmethoden 36
1.4.2 Darstellung der Hornhauttopographie 42
1.4.3 Ausblick 42
1.5 Aberrometrie 43
1.5.1 Messmethoden 43
1.5.2 Darstellung der Ergebnisse 46
1.6 Wellenfrontbasierte Optimierung der optischen Abbildung des menschlichen Auges mittels refraktiver Laserchirurgie 49
1.6.1 Einführung 49
1.6.2 Die wellenfrontgesteuerte LASIK 52
1.6.3 Erste klinische Ergebnisse 54
1.6.4 Ausblick 58
Literatur 59
2 Optische Komponenten 60
2.1 Eigenschaften von optischen Substraten 60
2.2 Brechende Medien 62
2.2.1 Linsen 62
2.2.2 Prismen 63
2.2.3 Lichtfasern 63
2.3 Beschichtungen, Spiegel und Filter 65
2.3.1 Metallische Beschichtungen 65
2.3.2 Dielektrische Beschichtungen 66
2.4 Polarisationsemp.ndliche Optiken 67
2.4.1 Polarisatoren 67
2.4.2 Verzögerungsplatten 68
2.4.3 Pockel-Zellen 68
2.4.4 Faraday-Rotatoren 69
2.5 Lichtmodulatoren 69
2.6 Optische Detektoren 70
2.6.1 Photodioden 70
2.6.2 Charge-Coupled Devices (CCD) 70
2.6.3 Photomultiplier 71
2.6.4 Streak-Kameras 71
Literatur 72
3 Beugungsoptik 74
3.1 Einführung und einfache Beispiele 74
3.1.1 Was ist Beugung? 74
3.1.2 Beispiele für Beugung 74
3.1.3 Das Huygens-Fresnel-Prinzip 74
3.1.4 Die Beugung am Doppelspalt 75
3.1.5 Die Beugung am Einzelspalt 76
3.1.6 Die Beugung am Gitter 77
3.1.7 Der Einfluss der endlichen Spaltbreite 78
3.2 Die Theorie der Beugung 78
3.2.1 Das Beugungsintegral 79
3.2.2 Das Babinet-Prinzip 80
3.3 Die Fraunhofer-Beugung 81
3.3.1 Die Berechnung einer rechteckigen Blende 82
3.3.2 Die Beugung an einer kreisförmigen Blende 83
3.3.3 Das Auflösungsvermögen eines optischen Instruments 87
3.4 Fresnel-Beugung 87
3.4.1 Die Cornu-Spirale 90
Literatur 92
4 Kohärente Optik 94
4.1 Der Kohärenzbegriff 94
4.1.1 Interferenzf ¨ ahigkeit des Lichts 94
4.1.2 Zeitliche Koh ¨ arenz 96
r 97
4.1.3 R ¨ aumliche Koh¨ arenz 98
4.2 Ausbreitung von Laserlicht: der Gauß-Strahl 99
4.3 Resonante Wechselwirkung von Laserlicht und Materie 103
4.3.1 Elektromagnetische Welle im polarisierbaren Medium 103
4.3.2 Klassisches Oszillatormodell: Absorption und Dispersion 105
4.3.3 Verbindung zur Quantenmechanik und Lasertheorie 106
Literatur 108
5 Nichtlineare Optik und kurze Laserpulse 110
5.1 Ausbreitung elektromagnetischer Wellen 110
5.2 Lineare Wellenausbreitung 111
5.2.1 Dispersion 111
5.2.2 Dämpfung und Verstärkung 114
5.3 Nichtlineare Wellenausbreitung 114
5.3.1 Die nichtlineare Suszeptibilität 115
5.3.2 Wichtige nichtlineare Prozesse 117
5.4 Erzeugung von kurzen Laserpulsen 120
5.5 Güteschaltung 122
5.5.1 Aktive Güteschaltung 122
5.5.2 Passive Güteschaltung 123
5.6 Modenkopplung 124
5.6.1 Aktive Modenkopplung 124
5.6.2 Passive Modenkopplung 126
5.7 Lasersysteme 128
5.7.1 Kompakter diodengepumpter modengekoppelter Laser 128
5.7.2 Regenerativer Verstärker 129
Literatur 129
6 Lineare Laserspektroskopiemethoden 132
6.1 Lineare Laserspektroskopiemethoden 132
6.1.1 Laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) 132
6.1.2 Zweiniveaumodell der LIF 134
6.2 Absorptionsspektroskopie 137
6.2.1 Absorption und Dispersion 137
6.2.2 Absorptionsspektroskopie mit Lasern 139
Literatur 146
7 Nichtlineare Laserspektroskopiemethoden 148
7.1 Die nichtlineare Wechselwirkung von quantenmechanischen Systemen mit Licht 148
7.1.1 Nichtlineare Raman-Prozesse 148
7.2 Nichtlineare Absorptionsspektroskopie 153
7.2.1 DFWM 154
7.2.2 Lasermassenspektroskopie 156
Literatur 157
8 Konfokale Mikroskopie in der Genomforschung 158
8.1 Problemstellung 158
8.2 Methodische Grundlagen der dreidimensionalen Mikroskopie 160
8.2.1 Grundprinzip 160
8.2.2 Konfokale Fluoreszenzmikroskopie 161
8.2.3 Fluoreszenzmarkierungstechniken 165
8.2.4 Dreidimensionale Digitale Bildverarbeitung 166
8.2.5 Experimentelle Kalibrierungsmessungen 169
8.2.6 Modelle zur Architektur von Zellkern und Chromosomen 176
8.3 Ergebnisse 179
8.3.1 Ausdehnung individueller Chromosomenterritorien 179
8.3.2 Exklusivität der Chromosomenterritorien 180
8.3.3 Morphologie von Chromosomenterritorien 180
8.3.4 Topologie der Chromosomenterritorien 183
8.3.5 Dynamik der Kernarchitektur 185
8.4 Perspektiven 186
8.4.1 Bedeutung einer dreidimensionalen Kernarchitektur 186
8.4.2 Weiterentwicklung der konfokalen Mikroskopie 187
8.4.3 Verbesserung von Markierungsmethoden 190
8.4.4 Weiterentwicklung von Computermodellen 190
Danksagung 192
Literatur 192
9 Hochauflösende 3D- Lichtmikroskopie 200
9.1 Grundlegendes zur Auflösung 200
9.2 Die Punktabbildungsfunktion als dreidimensionale Sonde 203
9.2.1 Das konfokale Fluoreszenzrastermikroskop 203
9.2.2 Das Multiphotonen.uoreszenzrastermikroskop 208
9.2.3 Anregung durch Ein- und Multiphotonenabsorption 210
9.2.4 Limitierende E.ekte in der Multiphotonenmikroskopie 217
9.2.5 Die Detektionse.zienz eines Rastermikroskops 219
9.2.6 Anwendungsbeispiele der Multiphotonenmikroskopie 219
9.2.7 Auflösung der Ein- und Multiphotonenmikroskopie 223
9.2.8 Konfokale Multiphotonenmikroskopie 223
9.3 Point-Spread-Function-Engineering als Ansatz zur Auflösungserhöhung im Fernfeldmikroskop 224
9.3.1 Grundlagen der 4p-konfokalen Mikroskopie 225
9.3.2 Multiphotonen-4p-konfokale Mikroskopie 229
9.3.3 Hochstauflösung in lateraler Richtung: Neuere Konzepte 233
9.4 Zusammenfassung und Ausblick 234
Literatur 235
10 Flusszytometrie 236
10.1 Historie 237
10.2 Allgemeiner Aufbau und Prinzip eines Flusszytometers 238
10.3 Technische Aspekte 241
10.3.1 Lichtquellen 241
10.3.2 Anregungsoptik 241
10.3.3 Detektionsoptik 244
10.3.4 Hydrodynamik von Jet- in- Air - Tröpfchensortern 246
10.4 Fluoreszenzmarkierung 251
10.5 Slit-Scan-Analyse und Sortierung 252
Literatur 255
11 Optische Datenerfassung und - verarbeitung 258
11.1 Optische Datenspeicherung und -wiedergabe bei CD 258
11.1.1 Konfokale Mikroskopie 260
11.1.2 Bildübertragung 262
11.1.3 Konfokale Fluoreszenzmikroskopie 264
11.1.4 Beobachtung 265
Literatur 269
12 Holographie und holographische Interferometrie 270
12.1 Aufzeichnung, Speicherung und Rekonstruktion des Hologramms 270
12.1.1 Aufzeichnung des Hologramms 270
12.1.2 Rekonstruktion des Hologramms 271
12.1.3 Holographische Interferometrie 272
Literatur 276
13 Optische Interferometrie 278
13.1 Grundbegri.e der Interferometrie 278
13.1.1 Linienbreite der Lichtquelle und Kohärenzlänge 278
13.1.2 Räumliche Kohärenz 280
13.1.3 Zweistrahlinterferenz 280
13.1.4 Zweistrahlinterferenzanordnungen 281
13.2 Einige Interferenzanordnungen in der Messtechnik 282
13.2.1 Fizeau-Interferenzgerät 282
13.2.2 Michelson-Anordnung 283
13.2.3 Twyman-Green-Interferometer 284
13.2.4 Interferometrie in der Längenmessung 285
13.2.5 Mach-Zehnder-Interferometer 285
13.2.6 Wellenfrontscherungsinterferometer 286
13.3 Digitale interferometrische Messtechnik 287
13.3.1 Phasenschiebeverfahren 288
13.3.2 Anwendung der Interferenzmethoden in der Mikroskopie 290
13.4 Heterodynverfahren 292
13.5 Interferometrische Längenmessung 293
13.5.1 Interferometrische Messung geometrischer Größen und Fehlerquellen 295
13.5.2 Fehlerquellen 296
13.6 Weitere Verfahren der interferometrischen Messtechnik 296
13.6.1 Zweiwellenlängen- (2l)- Verfahren 296
13.6.2 Interferometer mit computergeneriertem Prüfhologramm 297
13.6.3 Weißlichtinterferometrie 297
Literatur 298
14 Lasersysteme 300
14.1 Gaslaser 300
14.1.1 Helium-Neon-(HeNe-)Laser 300
14.1.2 Argon-Ionen-( Ar+-)Laser 302
14.1.3 Kohlendioxid-( CO2-) Laser 303
14.1.4 Excimerlaser 307
14.1.5 Konstruktion 309
14.1.6 Farbstoffaser 311
14.1.7 Laseraufbau 314
14.2 Festkörperlaser 316
14.2.1 Rubinlaser 317
14.2.2 Neodym-YAG-Laser (inkl. Erbium-, Holmiumlaser) 318
14.2.3 Halbleiterlaser 321
14.3 Diodengepumpte Festkörperlaser 324
14.4 Ultrakurzpulslaser 326
14.4.1 Pikosekundenlaser im IR, sichtbaren 326
14.4.2 Ti:Saphir-Femtosekundenlaser 335
14.5 Freie-Elektronen-Laser 340
14.5.1 Physikalisches Prinzip der Freie-Elektronen-Laser 340
14.5.2 Die Freie-Elektronen-Laser FELIX und S-DALINAC 341
14.5.3 Medizinische Forschung mit FEL 342
Literatur 343
15 Laser-Gewebe-Wechselwirkungen 344
15.1 Überblick über die Arten der Laser- Gewebe- Wechselwirkungen 344
15.1.1 Klassiffzierung nach Wechselwirkungszeiten 344
15.1.2 Beispiele für die klinische Lasertherapien 345
15.2 Photochemische Wechselwirkung 346
15.2.1 Grundlagen der photochemischen Wechselwirkung 346
15.2.2 Prinzip der photodynamischen Therapie 347
15.3 Photothermische Wechselwirkung 347
15.3.1 Grundlagen der photothermischen Wechselwirkung 347
15.3.2 Modell der photothermischen Wechselwirkung 349
15.4 Photoablative Wechselwirkung 352
15.4.1 Grundlagen der photoablativen Wechselwirkung 352
15.4.2 Modell der photoablativen Wechselwirkung 354
15.5 Photodisruptive/plasmainduzierte Wechselwirkung 356
15.5.1 Grundlagen der photodisruptiven/plasmainduzierten 356
15.5.2 Theoretisches Modell der plasmainduzierten Ablation 360
15.5.3 Dynamik des Ablationsprozesse 362
Literatur 364
16 Laser in der Augenheilkunde 366
16.1 Diagnostische Laseranwendungen 368
16.1.1 Laserscanningtomographie zur Glaukomdiagnostik 369
16.1.2 Aktiv-optische Verbesserung der Tiefenau. ¨ osung 370
16.1.3 Fourier-ellipsometrische Vermessung 371
16.2 Therapeutische Laseranwendungen 373
16.2.1 Die Netzhaut 373
16.2.2 Die Linse 374
16.2.3 Die Iris 376
16.2.4 Das Trabekelwerk 377
16.2.5 Die Sklera 377
16.2.6 Die Hornhaut 378
16.3 Ausblick 382
Literatur 383
17 Laseranwendung in der Ortopädie 386
17.1 Einführung 386
17.2 Minimal-invasive Behandlung von Deformierungen der Wirbelsäule durch Laserablation 386
17.2.1 Physikalische Eigenschaften von Knochengewebe 387
17.2.2 Minimal-invasive Skoliosebehandlung 389
17.3 LITT von Knochentumoren unter MRT- Temperaturkontrolle 396
17.3.1 Experimenteller Aufbau 398
17.3.2 Histologische Untersuchungen 400
17.3.3 Knochenkoagulation mit dem Nd:YAG-Laser 401
17.3.4 Knochenkoagulation mit dem Diodenlaser 402
17.3.5 Online-MRI-Temperaturkontrolle 404
Zusammenfassung 407
Literatur 408
18 Stereotaktische Laserneurochirurgie 412
18.1 Stereotaktische Bestrahlungstechniken 415
18.1.1 Stereotaxie 416
18.2 Laserneurochirurgie 417
18.2.1 Laserlichtquellen 417
18.2.2 Laserablation von Hirngewebe 419
18.2.3 Stereotaktische Lasersonde 421
18.2.4 Eine zukünftige Strategie 422
18.3 Diagnosesysteme 424
18.3.1 Fluoreszenzmikroskopie 424
18.3.2 Autofluoreszenz 425
18.3.3 OCSA 427
18.3.4 Adaptive Optik 428
Literatur 431
19 Anwendungen der Lasertechnik in der Zahnarztpraxis 434
19.1 Softlaser und Hardlaser 434
19.1.1 Softlaser 434
19.1.2 Hardlaser 434
19.2 Anwendungsobjekt Zahn 435
19.3 Wechselwirkungen mit Zahnhartsubstanzen 437
19.3.1 Photothermische-, thermomechanische Wirkung 437
19.3.2 Photochemische Wirkung 438
19.3.3 Photoablative Wirkung 438
19.3.4 Photodisruptive Wirkung 439
19.4 In Erprobung be.ndliche Lasersysteme für die Bearbeitung von Zahnhartsubstanzen 439
19.5 Laseranwendungen in verschiedenen Bereichen der Zahnheilkunde 444
19.5.1 Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie 444
19.5.2 Parodontologie 445
19.5.3 Zahnüberempfindlichkeiten 446
19.5.4 Endodontologie 446
19.5.5 Füllungen 448
19.5.6 Kariesprophylaxe 448
19.5.7 "Laserbiostimulation" und Lokalanästhesie 449
19.5.8 Laserschweißen 449
19.5.9 Diagnostik 450
19.6 Ausblick 450
Literatur 452
20 Lasersicherheit Gerätetechnik: Medizinproduktegesetz und Technische Normen 456
20.1 Einleitung 456
20.2 Medizinproduktegesetz 456
20.2.1 Zertifizierung – Akkreditierung – Prüfung (Benannte Stellen) 457
20.2.2 Grundlegende Anforderungen 457
20.2.3 Risikoklassen 458
20.2.4 Konformitätsbewertungsverfahren 459
20.2.5 Betreiberverordnung über aktive Medizinproduke 460
20.2.6 Für die klinische Prüfung bestimmte Produkte 461
20.3 Technische Normen für medizinische Laser 461
20.3.1 Bezeichungen 463
20.3.2 Die zehn Grundgedanken der Normung 464
20.3.3 Die Norm DINEN60825-1 464
20.3.4 Die Vornorm DINV18734 465
Literatur 466
Sachverzeichnis 468

8 Konfokale Mikroskopie in der Genomforschung (S. 137-138)

C. Cremer

In dem hier vorgelegten Übersichtsbeitrag wird die Anwendung der konfokalen Laserscanning.uoreszenzmikroskopie (LSFM) in der Genomforschung an einigen konkreten Beispielen verdeutlicht, wobei Fragen der digitalen Mikroskopie und Bildverarbeitung im Vordergrund stehen. Insbesondere werden neue methodische Ansätze skizziert, mit Hilfe einer Kombination multispektraler molekularbiologischer Markierungstechniken mit Verfahren der konfokalen Mikroskopie und ihrer Weiterentwicklung, eine "spektrale Hochpräzisionsmikroskopie" jenseits der klassischen Auflösungsgrenzen der Fernfeldlichtmikroskopie "dicker", transparenter biologischer Objekte zu realisieren. Langfristig zeichnen sich damit Möglichkeiten ab, lichtmikroskopische Untersuchungen zur räumlichen Topologie des Genoms in dreidimensional konservierten ("intakten") Zellkernen mit molekularem Auflösungs "äquivalent" durchzuführen und damit zu einem vertieften Verständnis der Struktur-Funktions- Beziehung des menschlichen Genoms beizutragen.

8.1 Problemstellung
Die Erfindung des zusammengesetzten Mikroskops durch holländische, italienische und englische Optiker und Forscher vor rund drei Jahrhunderten bezeichnet den Beginn einer Entwicklung, die im Verlauf des 19. Jahrhunderts fundamentale Entdeckungen ermöglichte. Diese wurden zur Grundlage der modernen Biologie: Zelle, Zytoplasma, Zellkern und Chromosomen sind auch im Zeitalter der molekularen Medizin zentrale Begriffe der Wisenschaft vom Leben geblieben. Zellkerne im Körper von Säugern, beim Menschen beispielsweise, haben einen typischen Durchmesser von etwa 5–10 µm, während die in ihnen enthaltenen DNA-Stränge der 46 Chromosomen insgesamt etwa 7 Mrd. Basenpaare enthalten und rund 2m lang sind.

Diese zwei Meter DNA-Doppelhelix müssen in einem Volumen untergebracht werden, das einen rund zweihunderttausendmal kleineren Durchmesser hat, und zwar in einer Weise, die eine geordnete, vom Differenzierungsgrad der Zelle abhängige Transkription der in der DNA enthaltenen Information in RNA erlaubt. Darüber hinaus muss die Unterbringung dieser großen Menge von DNA im Zellkern so erfolgen, dass eine zuverlässige Verdopplung (Replikation) der chromosomalen DNA sowie eine e.ziente Reparatur von DNA-Schäden möglich ist.

Dies bedeutet, dass die entsprechenden Abschnitte der DNA in geeigneter Weise für die bei diesen Prozessen benötigten großen Proteinkomplexe zugänglich sein müssen. Weiterhin müssen die primären, bis zu hunderten von Kilobasen umfassenden RNA-Transkriptionsprodukte weiteren spezifischen Modifikationen (dem Splicing) unterworfen und anschließend (vermutlich an spezifischen Stellen, den Kernporen) aus dem Zellkern hinausgeschleust werden.

Schließlich müssen diese Probleme so gelöst werden, dass ein rascher Übergang der Zelle von der stoffwechselaktiven Interphase zur Mitose und umgekehrt statt.nden kann. Diese grundlegenden Bedingungen lassen eine geordnete dreidimensionale (3D) Genomorganisation vermuten, eine "Architektur" des Zellkerns, die sich im Laufe der Evolution als optimale Lösung des Struktur- Funktions-Problems entwickelt hat. Aus einer funktionellen Bedeutung der 3D-Genomorganisation ergibt sich als Konsequenz ihre Relevanz auch für pathologische Prozesse. Im Folgenden seien einige Beispiele genannt:

1. Die Schädigung der DNA durch ionisierende Strahlung oder andere Agentien, resultierend z.B. in DNA Doppelstrangbrüchen (DSB), führt je nach der Lokalisation im Genom in unterschiedlicher Häufigkeit zu sichtbaren Veränderungen (Aberrationen) an den Chromosomen (hot und cold spots). Es wird vermutet, dass dabei die jeweilige Sequenz der DNA sowie die Struktur und der Regulationszustand des Chromatins (Gesamtheit der chromosomalen DNA-/Proteinkomplexe) des Zellkerns von Bedeutung sind. Ebenso sind die zahlreichen Prozesse, durch die die Schäden repariert werden, abhängig von DNA Sequenz und Chromatinstruktur. So ist es z.B. wahrscheinlich, dass ionisierende Strahlung nur dann zu der mit einer chronisch myeloischen Leukämie (Ph+) funktionell korrelierten Chromosomentranslokation führt, wenn die 3D-Struktur der beteiligten Regionen auf Chromosom 9 und 22 die für die Bildung einer Translokation erforderliche gleichzeitige Bindung der Bruchpunktstellen an demselben Reparaturkomplex zulässt.