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E-Book

Medizinische Physik 3

Medizinische Laserphysik

VerlagSpringer-Verlag
Erscheinungsjahr2005
Seitenanzahl453 Seiten
ISBN9783540266303
FormatPDF
KopierschutzDRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis86,99 EUR
Die medizinische Physik hat sich in den letzten Jahren zunehmend als interdisziplinäres Gebiet profiliert. Um dem Bedarf nach systematischer Weiterbildung von Physikern, die an medizinischen Einrichtungen tätig sind, gerecht zu werden, wurde das vorliegende Werk geschaffen. Es basiert auf dem Heidelberger Kurs für medizinische Physik. Die drei Bände vermitteln das für die Fachanerkennung als Medizinphysiker notwendige medizinische und physikalische Wissen. Im Band I werden die medizinischen, medizintechnischen und biomathematischen Grundlagen behandelt. Band II ist der medizinischen Strahlenphysik, Tomographie, Ultraschalldiagnose, Nuklearmedizin und dem Strahlenschutz gewidmet. Band III stellt Grundlagen und Anwendung der medizinischen Laserphysik und Optik vor.

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Leseprobe

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.

Inhaltsverzeichnis
Vorwort6
Inhaltsverzeichnis10
Mitarbeiter20
1 Das visuelle System des Menschen22
1.1 Die Optik des Auges22
1.1.1 Physiologie des menschlichen Auges22
1.1.2 Das optische System des Auges23
1.1.3 Modelle des menschlichen Auges24
1.2 Grenzen der räumlichen Auflösung des Auges26
1.2.1 Auflösungsvermögen ( Visus)26
1.2.2 Einfluss der Beugungseffekten27
1.2.3 Abbildungsfehler des menschlichen Auges30
1.2.4 Rezeptorendichte der Netzhaut31
1.3 Optische Qualität des Auges33
1.4 Hornhauttopographie36
1.4.1 Messmethoden36
1.4.2 Darstellung der Hornhauttopographie42
1.4.3 Ausblick42
1.5 Aberrometrie43
1.5.1 Messmethoden43
1.5.2 Darstellung der Ergebnisse46
1.6 Wellenfrontbasierte Optimierung der optischen Abbildung des menschlichen Auges mittels refraktiver Laserchirurgie49
1.6.1 Einführung49
1.6.2 Die wellenfrontgesteuerte LASIK52
1.6.3 Erste klinische Ergebnisse54
1.6.4 Ausblick58
Literatur59
2 Optische Komponenten60
2.1 Eigenschaften von optischen Substraten60
2.2 Brechende Medien62
2.2.1 Linsen62
2.2.2 Prismen63
2.2.3 Lichtfasern63
2.3 Beschichtungen, Spiegel und Filter65
2.3.1 Metallische Beschichtungen65
2.3.2 Dielektrische Beschichtungen66
2.4 Polarisationsemp.ndliche Optiken67
2.4.1 Polarisatoren67
2.4.2 Verzögerungsplatten68
2.4.3 Pockel-Zellen68
2.4.4 Faraday-Rotatoren69
2.5 Lichtmodulatoren69
2.6 Optische Detektoren70
2.6.1 Photodioden70
2.6.2 Charge-Coupled Devices (CCD)70
2.6.3 Photomultiplier71
2.6.4 Streak-Kameras71
Literatur72
3 Beugungsoptik74
3.1 Einführung und einfache Beispiele74
3.1.1 Was ist Beugung?74
3.1.2 Beispiele für Beugung74
3.1.3 Das Huygens-Fresnel-Prinzip74
3.1.4 Die Beugung am Doppelspalt75
3.1.5 Die Beugung am Einzelspalt76
3.1.6 Die Beugung am Gitter77
3.1.7 Der Einfluss der endlichen Spaltbreite78
3.2 Die Theorie der Beugung78
3.2.1 Das Beugungsintegral79
3.2.2 Das Babinet-Prinzip80
3.3 Die Fraunhofer-Beugung81
3.3.1 Die Berechnung einer rechteckigen Blende82
3.3.2 Die Beugung an einer kreisförmigen Blende83
3.3.3 Das Auflösungsvermögen eines optischen Instruments87
3.4 Fresnel-Beugung87
3.4.1 Die Cornu-Spirale90
Literatur92
4 Kohärente Optik94
4.1 Der Kohärenzbegriff94
4.1.1 Interferenzf ¨ ahigkeit des Lichts94
4.1.2 Zeitliche Koh ¨ arenz96
r97
4.1.3 R ¨ aumliche Koh¨ arenz98
4.2 Ausbreitung von Laserlicht: der Gauß-Strahl99
4.3 Resonante Wechselwirkung von Laserlicht und Materie103
4.3.1 Elektromagnetische Welle im polarisierbaren Medium103
4.3.2 Klassisches Oszillatormodell: Absorption und Dispersion105
4.3.3 Verbindung zur Quantenmechanik und Lasertheorie106
Literatur108
5 Nichtlineare Optik und kurze Laserpulse110
5.1 Ausbreitung elektromagnetischer Wellen110
5.2 Lineare Wellenausbreitung111
5.2.1 Dispersion111
5.2.2 Dämpfung und Verstärkung114
5.3 Nichtlineare Wellenausbreitung114
5.3.1 Die nichtlineare Suszeptibilität115
5.3.2 Wichtige nichtlineare Prozesse117
5.4 Erzeugung von kurzen Laserpulsen120
5.5 Güteschaltung122
5.5.1 Aktive Güteschaltung122
5.5.2 Passive Güteschaltung123
5.6 Modenkopplung124
5.6.1 Aktive Modenkopplung124
5.6.2 Passive Modenkopplung126
5.7 Lasersysteme128
5.7.1 Kompakter diodengepumpter modengekoppelter Laser128
5.7.2 Regenerativer Verstärker129
Literatur129
6 Lineare Laserspektroskopiemethoden132
6.1 Lineare Laserspektroskopiemethoden132
6.1.1 Laserinduzierte Fluoreszenz (LIF)132
6.1.2 Zweiniveaumodell der LIF134
6.2 Absorptionsspektroskopie137
6.2.1 Absorption und Dispersion137
6.2.2 Absorptionsspektroskopie mit Lasern139
Literatur146
7 Nichtlineare Laserspektroskopiemethoden148
7.1 Die nichtlineare Wechselwirkung von quantenmechanischen Systemen mit Licht148
7.1.1 Nichtlineare Raman-Prozesse148
7.2 Nichtlineare Absorptionsspektroskopie153
7.2.1 DFWM154
7.2.2 Lasermassenspektroskopie156
Literatur157
8 Konfokale Mikroskopie in der Genomforschung158
8.1 Problemstellung158
8.2 Methodische Grundlagen der dreidimensionalen Mikroskopie160
8.2.1 Grundprinzip160
8.2.2 Konfokale Fluoreszenzmikroskopie161
8.2.3 Fluoreszenzmarkierungstechniken165
8.2.4 Dreidimensionale Digitale Bildverarbeitung166
8.2.5 Experimentelle Kalibrierungsmessungen169
8.2.6 Modelle zur Architektur von Zellkern und Chromosomen176
8.3 Ergebnisse179
8.3.1 Ausdehnung individueller Chromosomenterritorien179
8.3.2 Exklusivität der Chromosomenterritorien180
8.3.3 Morphologie von Chromosomenterritorien180
8.3.4 Topologie der Chromosomenterritorien183
8.3.5 Dynamik der Kernarchitektur185
8.4 Perspektiven186
8.4.1 Bedeutung einer dreidimensionalen Kernarchitektur186
8.4.2 Weiterentwicklung der konfokalen Mikroskopie187
8.4.3 Verbesserung von Markierungsmethoden190
8.4.4 Weiterentwicklung von Computermodellen190
Danksagung192
Literatur192
9 Hochauflösende 3D- Lichtmikroskopie200
9.1 Grundlegendes zur Auflösung200
9.2 Die Punktabbildungsfunktion als dreidimensionale Sonde203
9.2.1 Das konfokale Fluoreszenzrastermikroskop203
9.2.2 Das Multiphotonen.uoreszenzrastermikroskop208
9.2.3 Anregung durch Ein- und Multiphotonenabsorption210
9.2.4 Limitierende E.ekte in der Multiphotonenmikroskopie217
9.2.5 Die Detektionse.zienz eines Rastermikroskops219
9.2.6 Anwendungsbeispiele der Multiphotonenmikroskopie219
9.2.7 Auflösung der Ein- und Multiphotonenmikroskopie223
9.2.8 Konfokale Multiphotonenmikroskopie223
9.3 Point-Spread-Function-Engineering als Ansatz zur Auflösungserhöhung im Fernfeldmikroskop224
9.3.1 Grundlagen der 4p-konfokalen Mikroskopie225
9.3.2 Multiphotonen-4p-konfokale Mikroskopie229
9.3.3 Hochstauflösung in lateraler Richtung: Neuere Konzepte233
9.4 Zusammenfassung und Ausblick234
Literatur235
10 Flusszytometrie236
10.1 Historie237
10.2 Allgemeiner Aufbau und Prinzip eines Flusszytometers238
10.3 Technische Aspekte241
10.3.1 Lichtquellen241
10.3.2 Anregungsoptik241
10.3.3 Detektionsoptik244
10.3.4 Hydrodynamik von Jet- in- Air - Tröpfchensortern246
10.4 Fluoreszenzmarkierung251
10.5 Slit-Scan-Analyse und Sortierung252
Literatur255
11 Optische Datenerfassung und - verarbeitung258
11.1 Optische Datenspeicherung und -wiedergabe bei CD258
11.1.1 Konfokale Mikroskopie260
11.1.2 Bildübertragung262
11.1.3 Konfokale Fluoreszenzmikroskopie264
11.1.4 Beobachtung265
Literatur269
12 Holographie und holographische Interferometrie270
12.1 Aufzeichnung, Speicherung und Rekonstruktion des Hologramms270
12.1.1 Aufzeichnung des Hologramms270
12.1.2 Rekonstruktion des Hologramms271
12.1.3 Holographische Interferometrie272
Literatur276
13 Optische Interferometrie278
13.1 Grundbegri.e der Interferometrie278
13.1.1 Linienbreite der Lichtquelle und Kohärenzlänge278
13.1.2 Räumliche Kohärenz280
13.1.3 Zweistrahlinterferenz280
13.1.4 Zweistrahlinterferenzanordnungen281
13.2 Einige Interferenzanordnungen in der Messtechnik282
13.2.1 Fizeau-Interferenzgerät282
13.2.2 Michelson-Anordnung283
13.2.3 Twyman-Green-Interferometer284
13.2.4 Interferometrie in der Längenmessung285
13.2.5 Mach-Zehnder-Interferometer285
13.2.6 Wellenfrontscherungsinterferometer286
13.3 Digitale interferometrische Messtechnik287
13.3.1 Phasenschiebeverfahren288
13.3.2 Anwendung der Interferenzmethoden in der Mikroskopie290
13.4 Heterodynverfahren292
13.5 Interferometrische Längenmessung293
13.5.1 Interferometrische Messung geometrischer Größen und Fehlerquellen295
13.5.2 Fehlerquellen296
13.6 Weitere Verfahren der interferometrischen Messtechnik296
13.6.1 Zweiwellenlängen- (2l)- Verfahren296
13.6.2 Interferometer mit computergeneriertem Prüfhologramm297
13.6.3 Weißlichtinterferometrie297
Literatur298
14 Lasersysteme300
14.1 Gaslaser300
14.1.1 Helium-Neon-(HeNe-)Laser300
14.1.2 Argon-Ionen-( Ar+-)Laser302
14.1.3 Kohlendioxid-( CO2-) Laser303
14.1.4 Excimerlaser307
14.1.5 Konstruktion309
14.1.6 Farbstoffaser311
14.1.7 Laseraufbau314
14.2 Festkörperlaser316
14.2.1 Rubinlaser317
14.2.2 Neodym-YAG-Laser (inkl. Erbium-, Holmiumlaser)318
14.2.3 Halbleiterlaser321
14.3 Diodengepumpte Festkörperlaser324
14.4 Ultrakurzpulslaser326
14.4.1 Pikosekundenlaser im IR, sichtbaren326
14.4.2 Ti:Saphir-Femtosekundenlaser335
14.5 Freie-Elektronen-Laser340
14.5.1 Physikalisches Prinzip der Freie-Elektronen-Laser340
14.5.2 Die Freie-Elektronen-Laser FELIX und S-DALINAC341
14.5.3 Medizinische Forschung mit FEL342
Literatur343
15 Laser-Gewebe-Wechselwirkungen344
15.1 Überblick über die Arten der Laser- Gewebe- Wechselwirkungen344
15.1.1 Klassiffzierung nach Wechselwirkungszeiten344
15.1.2 Beispiele für die klinische Lasertherapien345
15.2 Photochemische Wechselwirkung346
15.2.1 Grundlagen der photochemischen Wechselwirkung346
15.2.2 Prinzip der photodynamischen Therapie347
15.3 Photothermische Wechselwirkung347
15.3.1 Grundlagen der photothermischen Wechselwirkung347
15.3.2 Modell der photothermischen Wechselwirkung349
15.4 Photoablative Wechselwirkung352
15.4.1 Grundlagen der photoablativen Wechselwirkung352
15.4.2 Modell der photoablativen Wechselwirkung354
15.5 Photodisruptive/plasmainduzierte Wechselwirkung356
15.5.1 Grundlagen der photodisruptiven/plasmainduzierten356
15.5.2 Theoretisches Modell der plasmainduzierten Ablation360
15.5.3 Dynamik des Ablationsprozesse362
Literatur364
16 Laser in der Augenheilkunde366
16.1 Diagnostische Laseranwendungen368
16.1.1 Laserscanningtomographie zur Glaukomdiagnostik369
16.1.2 Aktiv-optische Verbesserung der Tiefenau. ¨ osung370
16.1.3 Fourier-ellipsometrische Vermessung371
16.2 Therapeutische Laseranwendungen373
16.2.1 Die Netzhaut373
16.2.2 Die Linse374
16.2.3 Die Iris376
16.2.4 Das Trabekelwerk377
16.2.5 Die Sklera377
16.2.6 Die Hornhaut378
16.3 Ausblick382
Literatur383
17 Laseranwendung in der Ortopädie386
17.1 Einführung386
17.2 Minimal-invasive Behandlung von Deformierungen der Wirbelsäule durch Laserablation386
17.2.1 Physikalische Eigenschaften von Knochengewebe387
17.2.2 Minimal-invasive Skoliosebehandlung389
17.3 LITT von Knochentumoren unter MRT- Temperaturkontrolle396
17.3.1 Experimenteller Aufbau398
17.3.2 Histologische Untersuchungen400
17.3.3 Knochenkoagulation mit dem Nd:YAG-Laser401
17.3.4 Knochenkoagulation mit dem Diodenlaser402
17.3.5 Online-MRI-Temperaturkontrolle404
Zusammenfassung407
Literatur408
18 Stereotaktische Laserneurochirurgie412
18.1 Stereotaktische Bestrahlungstechniken415
18.1.1 Stereotaxie416
18.2 Laserneurochirurgie417
18.2.1 Laserlichtquellen417
18.2.2 Laserablation von Hirngewebe419
18.2.3 Stereotaktische Lasersonde421
18.2.4 Eine zukünftige Strategie422
18.3 Diagnosesysteme424
18.3.1 Fluoreszenzmikroskopie424
18.3.2 Autofluoreszenz425
18.3.3 OCSA427
18.3.4 Adaptive Optik428
Literatur431
19 Anwendungen der Lasertechnik in der Zahnarztpraxis434
19.1 Softlaser und Hardlaser434
19.1.1 Softlaser434
19.1.2 Hardlaser434
19.2 Anwendungsobjekt Zahn435
19.3 Wechselwirkungen mit Zahnhartsubstanzen437
19.3.1 Photothermische-, thermomechanische Wirkung437
19.3.2 Photochemische Wirkung438
19.3.3 Photoablative Wirkung438
19.3.4 Photodisruptive Wirkung439
19.4 In Erprobung be.ndliche Lasersysteme für die Bearbeitung von Zahnhartsubstanzen439
19.5 Laseranwendungen in verschiedenen Bereichen der Zahnheilkunde444
19.5.1 Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie444
19.5.2 Parodontologie445
19.5.3 Zahnüberempfindlichkeiten446
19.5.4 Endodontologie446
19.5.5 Füllungen448
19.5.6 Kariesprophylaxe448
19.5.7 "Laserbiostimulation" und Lokalanästhesie449
19.5.8 Laserschweißen449
19.5.9 Diagnostik450
19.6 Ausblick450
Literatur452
20 Lasersicherheit Gerätetechnik: Medizinproduktegesetz und Technische Normen456
20.1 Einleitung456
20.2 Medizinproduktegesetz456
20.2.1 Zertifizierung – Akkreditierung – Prüfung (Benannte Stellen)457
20.2.2 Grundlegende Anforderungen457
20.2.3 Risikoklassen458
20.2.4 Konformitätsbewertungsverfahren459
20.2.5 Betreiberverordnung über aktive Medizinproduke460
20.2.6 Für die klinische Prüfung bestimmte Produkte461
20.3 Technische Normen für medizinische Laser461
20.3.1 Bezeichungen463
20.3.2 Die zehn Grundgedanken der Normung464
20.3.3 Die Norm DINEN60825-1464
20.3.4 Die Vornorm DINV18734465
Literatur466
Sachverzeichnis468

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