Die Entwicklung und Anwendung der Optik hat dazu beigetragen, dass die moderne Medizin und die Lebenswissenschaften in eine Phase rasanter Entwicklung eingetreten sind, wie z. B. minimalinvasive Chirurgie, Lasertherapie, Krankheitsdiagnostik, biologische Forschung, DNA-Analyse usw.

Chirurgie und Pharmakokinetik

Die Rolle der Optik in der Chirurgie und Pharmakokinetik manifestiert sich hauptsächlich in zwei Aspekten: Laser und In-vivo-Beleuchtung und -Bildgebung.

1. Anwendung des Lasers als Energiequelle

Das Konzept der Lasertherapie wurde in den 1960er Jahren in die Augenchirurgie eingeführt. Nachdem die verschiedenen Lasertypen und ihre Eigenschaften erkannt worden waren, wurde die Lasertherapie rasch auf andere Bereiche ausgeweitet.

Verschiedene Laserlichtquellen (Gas-, Festkörperlaser usw.) emittieren gepulste (gepulste Laser) und kontinuierliche (Dauerstrich-) Laser, die unterschiedliche Wirkungen auf verschiedene Gewebe des menschlichen Körpers haben. Zu diesen Lichtquellen zählen hauptsächlich: gepulste Rubinlaser (gepulste Rubinlaser), kontinuierliche Argon-Ionen-Laser (CW-Argon-Ionen-Laser), kontinuierliche Kohlendioxidlaser (CW-CO₂-Laser) und Yttrium-Aluminium-Granat-Laser (Nd:YAG-Laser). Da kontinuierliche Kohlendioxidlaser und Yttrium-Aluminium-Granat-Laser beim Schneiden von menschlichem Gewebe eine blutgerinnungsfördernde Wirkung haben, werden sie am häufigsten in der Allgemeinchirurgie eingesetzt.

Die Wellenlänge von Lasern, die in der Medizin eingesetzt werden, liegt im Allgemeinen über 100 nm. Die Absorption von Lasern unterschiedlicher Wellenlängen in verschiedenen Geweben des menschlichen Körpers wird genutzt, um deren medizinische Anwendungsmöglichkeiten zu erweitern. Beispielsweise ist Wasser der Hauptabsorber bei Laserwellenlängen über 1 µm. Laser können im menschlichen Gewebe nicht nur thermische Effekte zur chirurgischen Durchführung von Schnitten und Koagulationen erzeugen, sondern auch mechanische Effekte hervorrufen.

Insbesondere nach der Entdeckung der nichtlinearen mechanischen Effekte von Lasern, wie der Erzeugung von Kavitationsblasen und Druckwellen, wurden Laser in photodynamischen Verfahren wie der Kataraktchirurgie und der chemischen Zertrümmerung von Nierensteinen eingesetzt. Laser können auch photochemische Effekte erzeugen, um Krebsmedikamente mithilfe von photosensitiven Mediatoren gezielt in bestimmten Gewebebereichen freizusetzen, beispielsweise in der photodynamischen Therapie (PDT). Die Kombination von Laser und Pharmakokinetik spielt eine wichtige Rolle in der Präzisionsmedizin.

2. Die Verwendung von Licht als Werkzeug zur In-vivo-Beleuchtung und Bildgebung

Seit den 1990er Jahren werden CCD-Sensoren (Charge-Coupled) eingesetzt.Die Einführung der Kamera in die minimalinvasive Chirurgie (minimalinvasive Therapie, MIT) führte zu einem qualitativen Wandel der Optik in chirurgischen Anwendungen. Zu den bildgebenden Verfahren mit Licht in der minimalinvasiven und offenen Chirurgie zählen vor allem Endoskope, Mikro-Bildgebungssysteme und die chirurgische Holographie.

FlexibelEndoskopeinschließlich Gastroenteroskop, Duodenoskop, Koloskop, Angioskop usw.

Der optische Strahlengang des Endoskops

Der optische Strahlengang des Endoskops umfasst zwei unabhängige und aufeinander abgestimmte Beleuchtungs- und Bildgebungssysteme.

StarrEndoskopeinschließlich Arthroskopie, Laparoskopie, Thorakoskopie, Ventrikuloskopie, Hysteroskopie, Zystoskopie, Otolinoskopie usw.

Bei starren Endoskopen stehen in der Regel nur wenige feste optische Strahlengangwinkel zur Auswahl, z. B. 30 Grad, 45 Grad, 60 Grad usw.

Eine Miniatur-Körperkamera ist ein bildgebendes Gerät, das auf einer miniaturisierten CMOS- und CCD-Technologieplattform basiert. Zum Beispiel ein Kapselendoskop,PillCam. Sie kann in den Verdauungstrakt des menschlichen Körpers eingeführt werden, um nach Läsionen zu suchen und die Wirkung von Medikamenten zu überwachen.

Das Kapselendoskop

Chirurgisches holographisches Mikroskop, ein bildgebendes Gerät zur Beobachtung von 3D-Bildern feinster Gewebestrukturen bei Präzisionsoperationen, wie beispielsweise in der Neurochirurgie bei Kraniotomien.

Das chirurgische holographische Mikroskop

Zusammenfassen:

1. Aufgrund der thermischen, mechanischen, photosensibilisierenden und anderer biologischer Effekte des Lasers findet er breite Anwendung als Energiequelle in der minimalinvasiven Chirurgie, der nichtinvasiven Behandlung und der gezielten medikamentösen Therapie.

2. Dank der Entwicklung der Bildgebungstechnologie haben medizinische optische Bildgebungsgeräte große Fortschritte in Richtung hoher Auflösung und Miniaturisierung erzielt und damit die Grundlage für minimalinvasive und präzise Operationen in vivo geschaffen. Zu den derzeit am häufigsten verwendeten medizinischen Bildgebungsgeräten gehören:Endoskope, holographische Bilder und Mikro-Bildgebungssysteme.