WHITE PAPER: Die Verwendung von periodisch gepoltem µm (PPLN) in medizinischen Lasern

Die Anwendung von Lasern in der Medizin

Die Website der US-amerikanischen Arzneimittelbehörde FDA definiert medizinische Laser als „medizinische Geräte, die präzise fokussierte Lichtquellen zur Behandlung oder Entfernung von Gewebe einsetzen“ ^.¹ In den letzten Jahren werden Laser zunehmend zur Diagnose und Behandlung einer wachsenden Zahl von Erkrankungen verwendet µm Die laufende Forschung im Bereich der Lasertherapie durch medizinische Einrichtungen und Unternehmen entwickelt kontinuierlich neue, wirksame und patientenfreundliche Alternativen zu herkömmlichen Behandlungsmethoden. Darüber hinaus wird die Pathologiediagnostik in den nächsten 10 bis 15 Jahren durch photonikbasierte Miniaturchips revolutioniert werden.

Laut einem 2022 von Research and Markets veröffentlichten Bericht erreichte der globale Markt für medizinische Laser im Jahr 2021 einen Wert von 3,70 Milliarden US-Dollar und wird voraussichtlich bis 2027 auf 7,01 Milliarden US-Dollar ansteigen.² ^Der Wertzuwachs in diesem cto unterstreicht die neuen Behandlungsmethoden und Krankheitsbilder, die mit Lasertechnologien erfolgreich und kosteneffektiv behandelt werden.

Im Vereinigten Königreich beschäftigt der NHS derzeit 25.000 Mitarbeiter in Pathologielaboren, die alle photonische µm zur Untersuchung von Patientenproben einsetzen. Dies kostet den NHS jährlich 2 Milliarden US-Dollar, was 4 % seines Budgets entspricht.³

Medizinische Zustände, die mit Lasern diagnostiziert und behandelt werden

Laser können für eine Reihe medizinischer Eingriffe eingesetzt werden, da der Strahl selbst so klein und präzise ist, dass er es Chirurgen ermöglicht, Gewebe sicher und effektiv zu behandeln, ohne das umliegende Gewebe zu verletzen.

Kosmetische Dermatologen setzen Laser zur effektiven Entfernung oder Behandlung von Tätowierungen, Narben, Dehnungsstreifen, Pigmentflecken, Falten, Muttermalen, Besenreisern und unerwünschter Behaarung ein. Auch andere Spezialisten im Bereich der Kosmetik nutzen Laser seit Kurzem, beispielsweise zur Zahnaufhellung.

Abseits des Kosmetikmarktes werden Laser in einem immer breiteren Spektrum medizinischer Behandlungen eingesetzt. Augenärzte nutzen Laser bereits seit Ende der 1980er-Jahre in der Augenchirurgie und behandeln damit verschiedene Erkrankungen wie Fehlsichtigkeiten, Nachstar, µm Star, diabetische Retinopathie und Netzhautrisse. Auch in anderen Bereichen der Chirurgie werden Laser erfolgreich zur Behandlung bestimmter Erkrankungen eingesetzt; so werden beispielsweise Nierensteine ​​und Prostatavergrößerungen routinemäßig mit Lasern entfernt.

Die Vorteile von Laserbehandlungen gegenüber traditionellen chirurgischen Verfahren sind µm . Zwar bergen Laserbehandlungen dieselben Risiken wie offene Operationen – darunter Schmerzen, Blutungen und Narbenbildung –, doch die Genesungszeit für den Patienten und damit die Kosten für das Krankenhaus sind nachweislich deutlich kürzer. Zudem stellt der Laserstrahl im Gegensatz zu anderen Behandlungen, wie beispielsweise der Strahlentherapie, kein Gesundheitsrisiko für Patient und medizinisches Personal dar.

Die Zukunft der Laser in der Medizin

Angesichts der weltweit wachsenden und alternden Bevölkerung sind die traditionellen zentralen Pathologielabore sowohl unerschwinglich als auch nicht zukunftsfähig. Es wird erwartet, dass bis 2035 dank Fortschritten in der integrierten Photonik patientennahe Tests (Point-of-Care-Tests, POTS) mithilfe von Miniaturchips direkt in der Arztpraxis oder am Krankenbett durchgeführt werden können. Schätzungen zufolge wird der Markt für POTS bis 2025 ein Volumen von 31 Milliarden US-Dollar erreichen und den Bedarf an Labortests um bis zu ein Viertel reduzieren.⁴

Der Einsatz von Lasern in der Medizin bietet eine Vielzahl weiterer potenzieller Anwendungen für die Zukunft, z. B. die Verwendung der Spektroskopie zur Überwachung des Blutzuckerspiegels, die hochlokalisierte Bestrahlung für lichtaktivierte Krebsbehandlungen durch minimalinvasive Chirurgie gehören zu einer großen Bandbreite anderer Diagnose- und Behandlungsmethoden, die derzeit bereits eingesetzt werden oder sich in aktiven Studien befinden.^{5, 6}

Die Gewährleistung, dass diese Pioniere im Gesundheitswesen über die richtigen Wellenlängen und andere Laserlichteigenschaften verfügen, um der kontinuierlichen Weiterentwicklung medizinischer Anwendungen gerecht zu werden, ist ein wichtiger Schwerpunkt für Hersteller von Laser- und Medizingeräten.

Wellenlängenmanipulation mithilfe nichtlinearer optischer Kristalle

Nichtlineare optische (NLO) Kristalle bieten eine äußerst flexible Lösung zur Erzeugung neuer Wellenlängen aus handelsüblichen Laserquellen. Obwohl eine Vielzahl kommerzieller Laserquellen den erweiterten optischen Spektralbereich im Mikrometerbereich abdeckt, µm es dennoch nicht immer möglich, für alle Anwendungen eine direkte oder kostengünstige Lichtquelle zu finden. Gerade in diesen Fällen,
in denen keine praktikable, direkte Quelle verfügbar ist, bietet die Wellenlängenkonversion mithilfe hocheffizienter, nichtlinearer optischer Kristalle eine leistungsstarke Lösung.

Bei der Betrachtung nichtlinearer optischer Kristallmaterialien µm (LiNbO₃) aufgrund seines sehr hohen nichtlinearen Koeffizienten eine besonders attraktive Option dar  . Mit seiner hohen Effizienz, der Möglichkeit zur periodischen Polung und der breiten optischen Transmission bietet MgO-dotiertes, periodisch gepoltes Lithiumniobat µm MgO:PPLN) eine äußerst flexible Lösung zur Erzeugung von Wellenlängen von 400 nm bis 5 µm.

Beispiele für für medizinische Anwendungen benötigte Wellenlängen

Laser werden in der Augenheilkunde häufiger eingesetzt als in jedem anderen medizinischen Fachgebiet. Die Transparenz des µm ermöglicht die gezielte Behandlung intraokularer Strukturen ohne Endoskopie oder separate Operation. Zu den relevanten Wellenlängen gehört 689 nm, das in der photodynamischen Therapie (PDT) verwendet wird. PDT ist eine Behandlungsmethode, bei der lichtempfindliche Medikamente und eine Lichtquelle zur Zerstörung abnormaler Zellen eingesetzt werden. PDT wird zur Behandlung der altersbedingten Makuladegeneration (AMD) eingesetzt ^{. ,} der häufigsten Laserbehandlungsmethode bei Augenmelanomen. TTT nutzt Infrarotlicht, um die Zellen zu erhitzen und µm .

Die Durchflusszytometrie ist eine weit verbreitete Methode in der biomedizinischen Forschung und zunehmend auch in der klinischen Diagnostik.^⁹ Sie ist eine leistungsstarke und schnelle Technik zur Analyse der physikalischen und chemischen Eigenschaften einzelner Zellen oder Partikel, die in einer Flüssigkeit suspendiert sind und in einem schmalen Strahl einen Laserstrahl passieren. Die Fluoreszenz wird zusammen mit dem gestreuten Laserlicht gefiltert, detektiert und analysiert. Viele Durchflusszytometer können neben der Analyse auch Zellpopulationen von Interesse für nachfolgende Analysen sortieren und reinigen, basierend auf den identifizierten Eigenschaften der Zellen oder Partikel. Laser werden aufgrund ihrer Leistung, ihrer gleichmäßigen und fokussierten Lichtintensität im Mikrometerbereich ausschließlich für die Durchflusszytometrie eingesetzt µm Mehrere monochromatische Laserwellenlängen ermöglichen multiparametrische Detektionsmöglichkeiten mit verschiedenen Fluoreszenzmarkern. Die am häufigsten verwendeten Antikörpermarker in den Biowissenschaften fluoreszieren bei den folgenden Wellenlängen: 405, 445, 488, 532, 561, 633, 640, 660 und 810 nm.<sup> ¹⁰

In beiden Beispielen decken die relevanten Wellenlängen den sichtbaren und den nahinfraroten Bereich des optischen Spektrums ab µm . Die nichtlineare Wellenlängenkonversion ist eine leistungsstarke Methode zur Erzeugung sichtbarer Wellenlängen aus IR-Laserquellen und kann daher genutzt werden, um die Wellenlängenlücken zwischen direkten Laserquellen zu schließen.

Erzeugung von sichtbarem Wellenlängen

Wellenlängen im sichtbaren Bereich des optischen Spektrums µm können mittels Frequenzverdopplung (SHG) oder Frequenzerzeugung (SFG) erzeugt werden. Durch geeignete Wahl der p-Laser ( µm µm lässt sich entweder eine feste oder eine abstimmbare Wellenlänge erzielen.

(auch Zweite-Harmonische-Erzeugung, SHG) ist der am häufigsten verwendete nichtlineare Prozess zweiter Ordnung. Bei der SHG werden zwei Eingangsphotonen p µm p mit der gleichen Wellenlänge λ _{P SHG} zu erzeugen , wobei λ _SHG = λ _P /2 (oder in Bezug auf die Frequenz f _SHG = 2f _P ) gilt.

MgO:PPLN SHG-Kristalle können so hergestellt werden, dass sie mit einer breiten Palette von handelsüblichen p µm p-Laserwellenlängen von 976 nm bis 2100 nm funktionieren und die Erzeugung von frequenzverdoppeltem Licht zwischen 488 nm und 1050 nm ermöglichen.

Beispiel: Durch hocheffiziente Frequenzverdopplung (SHG) von 1064 nm Licht mittels PPLN kann 532 nm Licht mit einer Leistung von 5 Watt erzeugt werden, die für die Hautbehandlung geeignet ist, einschließlich der Entfernung von Feuermalen, Muttermalen, Melanomen, Tätowierungen und Haaren.

Die S µm -Frequenzerzeugung (SFG) kombiniert zwei Eingangsphotonen mit den Wellenlängen λ_{_P} und λ _{_S} zu einem Ausgangsphoton mit der Wellenlänge λ _{_SFG , wobei λ _{_SFG} = (1/λ _P} + 1/λ _{_S} ) - 1 (oder, ausgedrückt in Frequenzen, f _{_SHG} = f _P</sub> + f _{_S} µm mit fester Wellenlänge (z. B. 1550 nm) und abstimmbaren Wellenlängen (z. B. 780/810 nm) können MgO:PPLN-SFG-Kristalle abstimmbares Ausgangslicht im Bereich von 500–700 nm erzeugen.

Beispiel: Mit PPLN kann eine hocheffiziente SFG eine abstimmbare 1560nm- und eine feste 1064nm-Quelle kombinieren, um Licht um 633nm für die Durchflusszytometrie zu erzeugen.

Benutzerfreundlichkeit

MgO:PPLN lässt sich problemlos in verschiedenen Formen – vom Bulk-Kristall bis zum Wellenleiter – herstellen und bietet so ein breites Anwendungsspektrum sowie eine verbesserte Konversionseffizienz. Wellenlängenkonvertierungschips, ob als Bulk-Kristall oder Wellenleiter, können einfach mit fasergekoppelten Ein- und Ausgängen ausgestattet werden – für eine komfortable Handhabung. Die Kombination aus fasergekoppeltem Gehäuse und hochpräziser Temperaturregelung ergibt eine sofort einsatzbereite Wellenlängenkonvertierungslösung für den Laboreinsatz oder die OEM-Integration.

S µm Mary

Zusammenfassend bietet PPLN eine praktische Lösung zur Erzeugung eines breiten Wellenlängenspektrums, das für medizinische Anwendungen von Bedeutung ist. Es stellt eine Alternative zu bestehenden, kostspieligen Laserquellen dar und ermöglicht die Erzeugung von Wellenlängen, die mit direkten Laserquellen nicht ohne Weiteres zugänglich sind. Dieses hocheffiziente Material lässt sich zu Komponenten verarbeiten, die direkt in OEM-Laser und medizinische Geräte integriert werden können.

Als führender Anbieter von PPLN-basierten Wellenlängenkonvertierungsprodukten bietet Covesion kundenspezifische Beratung sowie technischen Support bei Einrichtung, Anwendung und Optimierung. Mit einem umfangreichen Portfolio an Standardprodukten und kundenspezifischen Entwicklungskapazitäten ist Covesion bestens aufgestellt, um ein breites Spektrum an Wellenlängenkonvertierungsanwendungen zu unterstützen.

Referenzen

1. https://www.fda.gov/radiation-emitting-products/surgical-and-therapeutic-products/medical-lasers
2. https://www.researchandmarkets.com/reports/5615173/medical-lasers-market-global-industry-trends?gclid=EAIaIQobCh MI9Nztl9nW_gIVieDtCh2HAQ13EAAYAiAAEgIYnPD
3. https://photonicsuk.org/wp-content/uploads/2021/10/Photonics_2035_Vision_Web_1.0.pdf
4. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7349820/
5. https://www.azooptics.com/Article.aspx?ArticleID=2146
6. M. Houe et al., J. Phys. D Appl. Phys., 28:1747–1763, 1995
7. Photodynamische Therapie bei altersbedingter Makuladegeneration | Johns Hopkins Medizin
8. B. Faisting et al, Medical Laser Application, Vol µm e 25, Ausgabe 4, November 2010, Seiten 214-222
9. Funktionsweise eines Durchflusszytometers | Thermo Fisher Scientific – Großbritannien
10. Trends bei Durchflusszytometrie-Lasern erfordern mehr neue Wellenlängen | Laser Focus World