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Introduction
The concept of thermal ablation has proven a minimally invasive alternative or accompaniment to conventional tumour therapy. Patients with hepatic primary tumours or metastases are able to profit from it. Several modalities of thermal ablation exist, including radiofrequency ablation, microwave ablation and laser ablation. They differ in regards to their indications and their physical backgrounds, yet they all share the same aim: the hyperthermic ablation of tumorous target tissue.
At this point in time the maximum ablation diameter attained in a singular session using a singular applicator is about 30 mm. The maximum attainable volume is about 23 cm3. However, the mean and median of hepatic lesions exceed that number with about 50 mm. Most hepatic tumours therefore cannot be easily ablated in toto.
One of the main limitations of thermal ablation is the periprocedural transformation of vital tissue into a boundary layer. This boundary layer prevents efficient energy transmission into peripheral tissue and thus limits the potential of thermal ablation. The boundary layer is usually located centrally around the ablation applicator. In laser ablation the formation of this boundary layer is called carbonisation.
A technically simple, yet potentially effective approach to delay or prevent the formation of this boundary layer is the usage of a spacer. This perfused spacer cools the central zone surrounding the applicator. Therefore central temperatures remain beyond the point of carbonisation.
Methods
The development of two spacer prototypes took place in cooperation with the AG “Experimentelle Radiologie” of the University Clinic Charité. The first fully closed prototype featured an internal circulation of cooling fluid without tissue perfusion. The second open prototype perfused into tissue through an opened tip.
The conduct of this study included ex vivo experiments on bovine livers (n = 15) by means of laser ablation. Ablation diameter and ablation volume were recorded through MR-guided volumetry and manual displacement volumetry. The mean values of diameter and volume that were recorded when the stand-alone applicator system was used were then compared to the mean values recorded when using the closed spacer-supported applicator system and the open spacer-supported applicator system. The difference in values between the three applicator types were then examined for statistical significance using SPSS.
To exclude covariates a preliminary experiment was conducted which aimed to maximise power input of the laser and time interval while minimising the chance of carbonisation. For that, one of the variables was increased in intervals and the ablation diameter of all three applicator types was measured until carbonisation occurred.
Results
In the preliminary experiment it was found that following the increase of the pre-set power input of the laser a proportional increase of ablation diameter followed. However when increasing power input above 25 Watt almost instantaneous carbonisation of the central tissue occurred. This was the same for all three applicator types.
When increasing the time interval > 10 minutes the stand-alone applicator system showed central carbonisation, which was not the case when using the closed spacer-supported applicator system or the open spacer-supported applicator system. The two spacer prototypes only experienced carbonisation when a time interval of > 25 minutes was set. Thus the comparison of all three applicator types was conducted at 25 Watt and 10 minutes, whereas the comparison between the closed spacer-supported applicator system and the open spacer-supported applicator system was conducted at 25 Watt and 25 minutes.
During the first experiment the stand-alone applicator system achieved mean values of 37.50 mm ablation diameter and 23.61 cm3 ablation volume. This was a statistically significant (p < 0.001) increase to the values either spacer was able to attain: the closed spacer-supported applicator system recorded a mean value of 28.67 mm ablation diameter and 18.12 cm3 ablation volume, whereas the open spacer-supported applicator system recorded a mean value of 31.00 mm ablation diameter and 18.49 cm3 ablation volume. However, setting a longer time interval was not possible when the stand-alone applicator system was used for ablation. Due to this, a second experiment comparing mean ablation diameter and volume between the two spacer prototypes followed.
During the second experiment with a time interval of 25 minutes the closed spacer-supported applicator system attained a mean value of 52.07 mm ablation diameter and 75.25 cm3 ablation volume. These values showed a statistically significant (p < 0.001) difference in comparison to the open spacer-supported applicator system with mean values of 47.60 mm ablation diameter und 72.20 cm3 ablation volume.
Discussion
Within the framework of this study it was proven that the presence of a spacer between laser applicator and hepatic tissue was able to achieve a significant increase in ablation diameter and ablation volume. By using a closed spacer an increase in volume by a 3.19 factor of change was possible. The open spacer obtained an increase in volume by a 3.06 factor of change. The concept of using a spacer in thermal ablation as a proof of concept study is therefore valid and suitable for further pre-clinical studies.
With the growing importance of advanced lighting technologies, customers expect additional functionality and higher comfort from fluorescent lamps. However, the ability to regulate light intensity (dimmed operation), in particular, exerts enormous stress on fluorescent lamps’ electrodes, leading to increased electrode erosion and significantly reduced lifetimes. During the operation of a fluorescent lamp, free barium (the main compound of the electrode emitter) is produced at the electrode responsible for lowering the work function in order to enable energy-efficient and durable electrodes with lifetimes of up to 20,000 hours. Despite their relatively long lifetimes, electrodes remain the lifetime-limiting factor of a fluorescent lamp. Therefore, for practical applications (e.g., maintaining quality control, adjusting operational parameters, and evaluating new electrode designs), electrode erosion is of special interest. The actual erosion-measurement methods determine a time-averaged erosion level over several hundred operation hours. Thus, a quasi-instantaneous measuring method (short measurement) is still necessary to determine erosion during operation. Such a method would allow us to compare erosion under different discharge conditions (currents, frequencies, or heating currents) from the same electrode in the same lamp. This work focuses on the determination of absolute electrode erosion during the stationary operation of commonly used fluorescent lamps. Commercial T8 lamps (fluorescent lamps with a diameter of 8/8 inch) are investigated at the operating mode of commonly used electronic ballasts with frequencies of several kHz. Operations under standard and dimmed conditions with an additional heating current to reduce electrode erosion are investigated. Electrode erosion is characterized by the erosion of barium, the main compound of the electrode. Therefore, laser-induced fluorescence (LIF), which is the most sensitive method for this application, is applied to determine the absolute densities of the eroded barium in the electrode region. These densities are affected by the plasma in the electrode region and do not directly represent the absolute barium erosion. To overcome this limitation, a new method based on a special measurement technique in combination with a barium-diffusion-model is developed to determine the absolute barium erosion based on the measured densities. It has been found that the barium densities in the electrode region are lower than the equilibrium pressures produced by the reduction of the barium oxide. This could be caused either by a reduced reaction rate, the reduced diffusion of the reactant (primarily barium oxide) or by reduced barium transport through the porous emitter. However, these results suggest that barium erosion depends on temperature and emitter structure, which vary over an electrode’s lifetime. For currents significantly higher than the nominal lamp current, a drastic increase in emitter evaporation is found. Such, an increase in the lamp current from 300 mA to 500 mA leads to an increase in emitter evaporation by a factor of five. Using the lamp for a long period of time under these conditions therefore reduces the lifetime by a factor of five. Notably, at this dramatically increased erosion level, the hot spot temperature only increases from 1120 K to 1170 K. Investigation of various frequencies from 50 Hz to 5 kHz revealed no significant dependence of emitter evaporation on frequency.
The laser-matter interaction is a topic of current research. In this context, the interaction of intensive laser radiation with atomic clusters is of special interest. Du to the small cluster size, the laser field can penetrate the whole cluster volume, which leads to a high absorption of energy in the cluster. As a result, plasmas with high density and high temperature are produced. In the early phase of the laser-cluster interaction, free electrons are initially created in the cluster due to tunnel ionization or photoionization. Via collisions of these electrons with the cluster atoms, the ionization is increased and thus a dense nanoplasma is produced, which is heated by the laser. If free electrons leave the cluster during the laser-cluster interaction (outer ionization), a positive charge buildup is created. The associated charge repulsion finally can lead to the fragmentation of the cluster due to Coulomb explosion. Experimentally, interesting phenomena emerging from laser-excited clusters are observed, e.g., the creation of fast electrons, the production of highly charged ions, and X-ray emission. In this dissertation, the interaction of Gaussian laser pulses in the infrared regime with argon and xenon clusters is simulated by means of a nanoplasma model. Considering laser intensities in the non-relativistic regime, the relevant processes such as ionization, heating and expansion are theoretically described in this model with a set of coupled rate equations and hydrodynamic equations. One focus of the thesis is on the heating of the nanoplasma via inverse bremsstrahlung (IB), which is due to the absorption of laser photons in electron-ion collisions. In particular, the important question is investigated whether the consideration of the ionic structure – that means, the nuclear charge and the bound electrons – modifies the electron-ion collisions and thus the IB heating rate. Starting from a quantum statistical description, effective electron-ion potentials are used which account for both the screening due to the dense plasma and the inner ionic structure. Within the quantum mechanical first Born approximation, the consideration of the ionic structure leads to a drastic increase of the IB heating rate, in particular for high nuclear charges and low ionic charge states. However, for the parameters relevant in experiments, the applicability of the first Born approximation is questionable. Therefore, quantum mechanical calculations going beyond the first-order perturbation theory are performed. In addition, the IB heating rate is investigated with different classical methods. These are based either on transport cross sections for elastic electron-ion scattering or on classical simulations of inelastic scattering processes. Also within the classical approaches, the consideration of the ionic structure leads to an increase of the heating rate. However, this increase is shown to be only moderate. In a further part, the thesis focuses on the question how the dynamics of the laser-cluster interaction is influenced by the consideration of excited states. This is explored exemplarily for argon clusters excited by single or double laser pulses. The consideration of excitation processes in the nanoplasma leads to a decrease of the electron temperature and to an increase of the density of free electrons. Moreover, it is shown that the consideration of excitation processes results in an essential acceleration of the ionization dynamics. As a consequence, the mean ionic charge state in the plasma as well as the number of highly charged ions is significantly increased. For the population of ground states and excited states within an ionic charge state Z, collisional deexcitation processes play an important role. By means of an analytical relation between excitation and deexcitation cross sections, the rates for the respective processes in the presence of the laser field are calculated. The role of deexcitation processes is studied in detail, showing that the inclusion of these processes is essential for the correct theoretical description of the photon emission from laser-excited clusters. Based on these results, the photon yield is calculated for selected radiative transitions resulting from highly charged argon ions in the UV and X-ray regime.
Mit dieser experimentellen, intraindividuellen, prospektiven, kontrollierten, randomisierten, verblindet evaluierten Studie wurde gemäß dem zugrundeliegenden Prüfplan der Universität Greifswald die Wundheilung unter ästhetischen Gesichtspunkten bei der Nachbehandlung mit der Betulin-Emulsion Imlan® Creme Pur untersucht im Vergleich mit einer Standardtherapie, der Behandlung mit dem Hydrokolloidverband Comfeel® Plus und einer unbehandelten Kontrolle. Bei dieser Studie wurden 50 volljährigen, gesunden Probanden unterschiedlichen Alters, Geschlechts und Hauttyps mit einem CO2-Laser je drei Hautläsionen auf der Innenseite eines Unterarms zugefügt. Dabei entsprach die Einstellung des Lasers den bei ästhetischen Eingriffen im Gesicht verwendeten Einstellungen. Anschließend wurde jeweils eine Laserabrasion mit dem Prüfprodukt Imlan® Creme Pur und jeweils eine mit Comfeel® Plus behandelt. Die dritte blieb als Kontrolle unbehandelt. Die Abheilung wurde über vier Wochen in der Reepithelialisierung beobachtet und dokumentiert. Die Bewertung der Wundheilung unter ästhetischen Gesichtspunkten wurde anhand von Fotografien in einem Box-Test durch sechs neutrale Betrachter vorgenommen. Als Maßstab für die Bewertung der Ästhetik dienten die Textur und die Farbe der unbeschadeten Haut. Die Auswertung zeigt, dass Imlan® Creme Pur im Vergleich mit dem Hydrokolloidverband und der unbehandelten Kontrolle die besten ästhetischen Ergebnisse erzielte: Bei dem Kriterium "Farbe" erhielten die mit Imlan® Creme Pur behandelten Hautabtragungen mit 57% die Mehrheit der Zustimmungen. Bei dem Kriterium "Textur" bekam die mit Imlan® Creme Pur behandelten Hautabtragungen erneut mit 58,47% die meisten positiven Beurteilungen. Die Anwendung von Imlan® Creme Pur kann nach dieser Studie in der Nachbehandlung eines ästhetischen Lasereingriffs empfohlen werden.
In der Frequenz kontinuierlich veränderbare Laser sind interessante Lichtquellen für wissenschaftliche Forschung, Industrie und Technik. In diesem Zusammenhang zeigen insbesondere Diodenlaser mit externem Resonator (ECDL) vorteilhafte Eigenschaften. Weit verbreitet ist der Littrow-Laser, da er aufgrund seines einfachen Designs kostengünstig, kompakt und robust ist und zudem eine geringe Linienbreite aufweist. Das bei ihm eingesetzte Reflexions-Gitter fungiert gleichzeitig als Reflektor und Frequenzfilter. Die Durchstimmung erfolgt mechanisch durch Drehung des Gitters mittels eines Piezo-Aktuators. Diese Vorgehensweise begrenzt sowohl die erreichbare Repetitionsrate als auch Durchstimmbereich und -geschwindigkeit. Um diese Probleme zu umgehen, bietet sich der Einsatz zweier akusto-optischer Modulatoren (AOM) als Deflektor im externen Resonator an. Die Durchstimmung eines solchen AOM-Lasers erfolgt durch Ablenkung des Strahls auf rein nicht-mechanischem Weg. Dazu ist allerdings eine geeignete Ansteuerung der AOMs vonnöten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein theoretisches Modell entworfen, welches grundlegende Eigenschaften eines AOM-Lasers beschreibt. Darauf basierend konnte ein Algorithmus zur Berechnung der für eine kontinuierliche Durchstimmung notwendigen AOM-Ansteuersignale entwickelt werden. Dieses Modell zeigt zudem, dass zur Realisierung einer Durchstimmung mit gleichzeitig akzeptabler Laser-Linienbreite hohe Anforderungen an die Ansteuerelektronik, insbesondere bezüglich Jitterfreiheit (< 5 ps), gestellt werden, was nur durch eine vollständig digitale Erzeugung der Ansteuersignale mittels sogenannter DDS-ICs (Direct-Digital-Synthesis) erfüllt werden kann. Andere untersuchte Schaltungen zeigten schlechtere Eigenschaften. Aufgrund der guten Übereinstimmung zwischen dem aufgestellten Modell und dem praktischen AOM-Laseraufbau können im roten Spektralbereich kontinuierliche (modensprungfreie) Durchstimmbereiche von bis zu 220 GHz erreicht werden. Die maximale Durchstimmgeschwindigkeit liegt 1.5 GHz/µs. Eine Repetitionsrate von 25 kHz ist realisierbar. Die 0.2-ms-Linienbreite liegt bei 450 kHz. Der Laser konnte außerdem in einem Bereich von 6 nm (4 THz) ohne mechanische Nachjustage operieren. Eine genaue Analyse zeigt, dass trotz der schon sehr guten Performance des Lasersystems durch Verfeinerung des Modells und eine weitere Verbesserung der Komponenten die genannten Leistungsparameter um einen Faktor 5 - 10 gesteigert werden könnten.
91 Augen von 85 Patienten mit proliferativer diabetischer Retinopathie im Stadium R IV wurden retrospektiv ausgewertet, an denen von 1996 bis 2001 eine Vitrektomie kombiniert mit gleichzeitiger Kataraktoperation durchgeführt wurde. Besonderen Wert wurde hinsichtlich der Ergebnisse auf den postoperativen Laserbedarf gelegt. Die erkrankten Augen wurden in verschiedene Gruppen eingeteilt. Eine Katarakt lag präoperativ in 18% der Fälle vor. Als Endotamponade wurde in 31 Fällen Silikonöl, in 9 Fällen ein Luft-Gasgemisch und in 5 Fällen Luft eingefüllt. Als postoperative Komplikationen traten in 17,6% aller Fälle reversible Einblutungen auf. Risikoerhöhende Komplikationen, insbesondere Rubeosis iridis (10 Fälle), Sekundärglaukom (11 Fälle) und Netzhautablösung (7 Fälle), die einen ursprünglichen Operationserfolg zunichte machen können, traten im Vergleich mit anderen Studien geringer auf. Ein signifikanter Visusunterschied war messbar zwischen dem Ausgangsvisus und den Nachkontrollen nach 8 Wochen, 6 Monaten und 12 Monaten postoperativ. Bezogen auf die Gruppen zeigte sich ebenfalls ein signifikanter Unterschied bezüglich der Visusverbesserung zwischen der Gruppe mit Silikonöltamponade und den Gruppen mit BSS-Füllung bzw. Gas-Luft-Füllung. Hierbei zeigte sich zusätzlich ein vermehrter Laserbedarf bei Augen mit Silikonöltamponaden. 8 Wochen nach der Operation war die Sehschärfe in 51 Fällen verbessert. In 24 Fällen blieb sie gleich und in 16 Fällen war der Visus schlechter als zuvor. Eine weitere Visusverbesserung (+3,4%) wurde bei der Kontrolle nach 6 Monaten erreicht. Beste Ergebnisse lieferte hierbei die Gruppe mit präoperativ full scatter panretinaler Laserkoagulation (6,5%). Nach 12 Monaten kam es zu einer Verschlechterung des visuellen Ergebnisses von insgesamt 16,5%. Dabei kam es in der Gruppe mit nicht ausreichender präoperativer Laserkoagulation zur größten Verschlechterung von 23,1% und in der Gruppe mit präoperativ full scatter panretinaler Laserkoagulation zur geringsten Verschlechterung von 10,7%. Postoperativer Laserbedarf bestand an 65 von 91 Augen. Es konnte eine deutliche Einsparmöglichkeit von postoperativem Laserbedarf nach erfolgreicher Vitrektomie gemessen werden.
Mit dem Laserstrahl können dentale Legierungen dauerhaft verbunden werden. Die Verbindung zeichnet sich durch gute mechanische Werte und eine hervorragende Biokompatibilität aus. Der auftretende Verzug, der durch die Kontraktion der verflüssigten Legierung im Bereich der Schweißnaht bedingt ist, kann durch die Variation der Laserparameter Spannung und Pulsdauer nicht entscheidend beeinflusst werden. Eine Wärmebehandlung eines lasergefügten Werkstückes übt keinen signifikanten Einfluß auf den Verzug aus. Die Einstellung der Laserparameter muß individuell an die Schweißaufgabe angepasst werden.