Heilsame Salven

Laser statt Brille: Immer mehr Menschen lehnen Sehhilfen ab und lassen lieber ihr Augenlicht per Laser richten. Rund 100 000 Fehlsichtige werden in Deutschland jedes Jahr mit dem Lichtskalpell an den Augen operiert – um danach auch ohne Brille oder Kontaktlinsen scharf zu sehen. Dabei verändert der Arzt die Oberflächenform der Hornhaut und korrigiert so die Kurz- oder Weitsichtigkeit. Bei der Femto-Lasik (Femtosekunden-Laser-in-Situ-Keratomileusis) genannten Operation schneidet der Chirurg mit extrem kurzen Lichtpulsen zunächst eine Lamelle in die oberste Hornhautschicht, die Hornhaut-Lamelle, und klappt diese zusammen mit dem darunter liegenden vorderen Hornhautstroma-Gewebe zur Seite. Dann ändert er mit einem Lichtskalpell – einem zweiten, im Ultraviolett leuchtenden Excimer-Laser – die Form der Hornhaut. Anschließend klappt er die Lamelle wieder zurück. Der gesamte Eingriff ist eine Sache von wenigen Minuten, nach einigen Tagen ist die Lamelle bereits wieder angewachsen. Die Femto-Lasik gibt es erst seit wenigen Jahren, aber allein EuroEyes, nach eigenen Angaben die größte Klinikgruppe in Deutschland für Augenlaser- und Lasik-Operationen, hat bislang an 14 Kliniken in der Bundesrepublik rund 200 000 Femto-Lasik-OPs durchgeführt. Weltweit sind es inzwischen wohl über eine halbe Million Patienten, die einen solchen Eingriff an den Augen hinter sich gebracht haben. Dank der extrem kurzen Lichtpulse des Lasers gilt die Femto-Lasik als zuverlässiger und genauer als die klassische Lasik, bei der der Chirurg die Lamelle nicht mit dem Laserstrahl in die Hornhaut schneidet, sondern mit einem computergesteuerten Mikromesser.

Um eine halbe Haaresbreite

Möglich wird diese Präzision durch relativ neue Laser, deren Pulslängen nur einige 100 Femtosekunden lang sind. Eine Femtosekunde ist der billiardste Teil einer Sekunde. Selbst ein Lichtstrahl, der in einer Sekunde unseren Erdball rund siebeneinhalb Mal umrunden kann, schafft es in 100 Femtosekunden gerade einmal einen halben Haardurchmesser weit. Dass Forscher und Unternehmen Laser entwickelt haben, die so kurze Lichtpulse abgeben können, hat einen praktischen Grund: neue Anwendungen, die mit anderen Lasern nicht möglich sind. Die Femto-Lasik ist nur die erste davon, weitere Anwendungen in Medizin und Materialbearbeitung sollen folgen.

In der Industrie ist der Laser als Werkzeug zur Bearbeitung von Metallen und vielen anderen Materialien schon lange etabliert. Große Blechteile und dünne Röhren etwa würden sich sonst nicht in der heute erreichbaren Präzision und Reproduzierbarkeit fertigen lassen. Oft arbeiten die verwendeten Laser im Pulsbetrieb, geben also regelmäßig kurze Lichtblitze ab. Gegenüber einem kontinuierlichen Betrieb hat der Pulsbetrieb den Vorteil, dass der Laser wesentlich höhere Lichtleistungen bietet: In den kurzen Lichtblitzen konzentriert sich viel Energie. Mikro- und Nanosekundenlaser, deren Pulslängen nur eine millionstel oder milliardstel Sekunde betragen, sind weit verbreitet in der industriellen Fertigung.

Wird die Pulsdauer noch kürzer, lässt sich mit dem Laser ein Material sehr dosiert bearbeiten, beispielsweise um ein feines Loch zu stanzen. Man schlägt sozusagen mehrmals mit einem Hämmerchen zu, statt einmal mit einem großen Hammer. Denn je kürzer die Pulsdauer, desto weniger wird das umliegende Material durch den Laserstrahl erhitzt und geschädigt. Das Manko: Die Bearbeitung mit dem Hämmerchen dauert länger als mit dem Hammer – ein gewichtiges Argument in Industriebetrieben, wo es auf möglichst kurze Durchlaufzeiten der gefertigten Produkte ankommt. Zumal in der Metallbearbeitung Pulse im Nanosekundenbereich für fast jede Anwendung kurz genug sind, um das verbleibende Material nicht zu schädigen. Fallen die zu bearbeitenden Schichten jedoch sehr filigran aus, ist das erst mit einem Pikosekundenlaser zu meistern, dessen Lichtblitze einige billionstel Sekunden lang aufleuchten. Und bei nichtmetallischen Werkstoffen – etwa Textilien, Keramik oder Kunststoff – müssen die Pulse noch kürzer sein, damit es im umgebenden Material zu keinen Schäden kommt. Hier beginnt das Regime der Femtosekundenlaser.

Kraftakt für die Femtopulse

„Mit kürzerer Pulsdauer steigt aber auch deutlich der Aufwand für den Laser”, sagt Torsten Mans, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Lasertechnik der RWTH Aachen. Damit ein Laser funktioniert, pumpt man ihn, bestrahlt ihn also mit energiereichem Licht. Um Pulse von ein paar Mikrosekunden Dauer zu erzeugen, genügt es, die Leistung der Pumpe – oft ebenfalls ein Laser – zeitlich zu modulieren, sie also einfach regelmäßig ein- und auszuschalten. Dieser Rhythmus überträgt sich auf die Laserpulse. Sollen sie noch kürzer werden, sorgen zusätzliche optische Bauteile dafür, dass sich zunächst genügend Energie im Laser aufbaut und in einem Puls sammelt, bevor die Energie schlagartig freigesetzt wird. Im Extremfall müssen zuerst viele Lichtwellen geeignet überlagert werden, bevor es ein verwertbares Lichtsignal gibt. Der Laser wird dadurch komplexer. „Will man einen Femtosekundenlaser aufbauen, bei dem die Pulsdauer nur ein Tausendstel so kurz ist, muss man auch die Dispersion des Laserlichts berücksichtigen”, erklärt Mans. Dispersion bedeutet, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit von der Frequenz abhängt. Denn so wie ein Prisma das Sonnenlicht in seine verschiedenen Farbanteile zerlegt, wirken bei Femtosekundenlasern das aktive Medium und die Spiegel des Resonators wie Prismen und sorgen dafür, dass die kurzwelligen Frequenzanteile des Laserlichts hinter den langwelligen zurückbleiben – der Laserpuls also zeitlich verschmiert wird. „Daher muss man die Dispersion durch Prismen oder Spiegel ausgleichen, die quasi den entgegengesetzten Fehler haben”, sagt Mans. Das sind teure Spezialanfertigungen.

Teures Lichtskalpell

Noch vor einigen Jahren machten diese umfangreichen technischen Anforderungen einen Femtosekundenlaser zu einem extrem wartungsaufwendigen und teuren Gerät. Wer es kaufte, stellte am besten gleich einen Physiker ein, der sich darum kümmerte. Doch seither hat sich viel getan: „Femtosekundenlaser lassen sich inzwischen so gut konstruieren, dass sich Umgebungseinflüsse nicht mehr negativ auf sie auswirken”, sagt der Aachener Experte. Der Preis ist jedoch weiterhin hoch – und damit einer der Faktoren, die Femtosekundenlasern beim Siegeszug in der Medizin im Weg stehen. Nicht von ungefähr ist die Femto-Lasik die erste Anwendung dieses Lasertyps: „Man hat 32 Zähne, aber nur 2 Augen”, verdeutlicht Holger Lubatschowski, Abteilungsleiter am Laserzentrum Hannover (LZH). Augen sind wertvoll – daher sind teure Behandlungsgeräte in der Augenmedizin leichter zu etablieren als etwa beim Zahnarzt.

„In mehreren Forschungsprojekten haben Wissenschaftler und Ärzte nachgewiesen, dass Femtosekundenlaser Karies zuverlässiger und schonender entfernen können als heutige Bohrer”, berichtet der LZH-Forscher, „aber während ein voll ausgestatteter Zahnarztstuhl derzeit rund 100 000 Euro kostet, käme ein Femtosekundenlaser zur Zahnbehandlung auf das Fünffache.” Und es gibt weitere Gründe, warum Femtosekundenlaser in der Zahnmedizin bislang nur auf wenig Begeisterung stoßen: Amalgamplomben könnten ausdünsten, wenn der Zahnarzt sie versehentlich mit dem Laserstrahl trifft. Und das Hauptproblem: Der klassische Bohrer ist dem Laser beim Tempo deutlich überlegen. Holger Lubatschowski sieht daher die nahe medizinische Zukunft des Femtosekundenlasers eher in der Augenheilkunde.

Den Grauen Star im Visier

Beispiel Grauer Star: Patienten, die an dieser Trübung der Augenlinse erkranken, bekommen bei einer Operation eine künstliche Linse eingesetzt. Dazu zertrümmert der Chirurg heute die Augenlinse per Ultraschall und saugt die Bruchstücke ab. „Der Ultraschall wärmt aber die Vorderkammer des Auges auf und ist nicht leicht zu positionieren”, sagt Holger Lubatschowski. Daher laufen zurzeit klinische Studien, bei denen Chirurgen die Augenlinse per Femtosekundenlaser zerkleinern. Positive Resultate vorausgesetzt, könnte sich die Behandlung von Grauem Star als neues Anwendungsfeld für die ultrakurzen Laserblitze erweisen. „ Da gibt es großen Optimismus”, stellt der LZH-Forscher fest. Weitere Einsatzmöglichkeiten bieten sich bei Netzhautablösungen, Hornhauttransplantationen und in der Korrektur der Alterssichtigkeit. Doch das ist alles bislang noch Grundlagenforschung.

Bei Netzhautablösungen könnte der Chirurg mit dem Femtosekundenlaser die Zugspannung, die auf der Netzhaut lastet, vorsichtig beheben und das abgelöste Gewebe wieder anlegen. Der Glaskörper des Auges wirkt dabei jedoch wie ein – sehr ungleichmäßig aufgebautes – optisches Element, das den Laserstrahl verzerrt. Daher ist es schwierig, ihn kontrolliert an der richtigen Stelle auf der Netzhaut zu fokussieren. „Wir müssen die Verzerrung durch den Glaskörper erfassen und den Laserstrahl entsprechend gegensteuern”, erklärt Lubatschowski das Grundprinzip der Behandlung. Wie sich das realisieren lässt, wissen die Forscher bislang nicht.

Schneiden unter der Oberfläche

Bei der Alterssichtigkeit wird die Augenlinse hart und lässt sich deshalb nicht mehr ausreichend verformen. Mit Femtosekundenlasern ließen sich kleine Gleitebenen in die Augenlinse einschneiden, um sie wieder beweglicher zu machen. Ein anderer Ansatz ist die Änderung der Hornhaut-Brechkraft mittels Femtosekundenlaser. Dazu testet Mike Holzer, Oberarzt an der Universitäts-Augenklinik Heidelberg, ein neues Verfahren, bei dem sich die Brechkraft des Auges korrigieren lässt, ohne dafür die Hornhaut aufschneiden zu müssen. „Dazu fokussieren wir einen Laserstrahl auf einen Bereich im Inneren der Hornhaut”, erklärt Holzer. Das Licht dringt in die Hornhaut ein, ohne sie zu beschädigen. Erst dann entfaltet es seine Kraft: „Der behandelnde Arzt schneidet mit dem Laser winzige Ringe ins Hornhautgewebe, um es zu entlasten”, sagt der Heidelberger Mediziner. Dadurch ändern sich Krümmung und Brechkraft der Hornhaut. Das Verfahren wurde im Herbst 2007 erstmals angewendet. Seit Sommer 2008 testeten es Mediziner an der Heidelberger Universitätsklinik an Patienten. „ Alterssichtigkeit lässt sich damit sehr gut behandeln”, berichtet der Oberarzt.” Und: „Komplikationen wie Infektionen durch das Öffnen der Hornhautoberfläche sind nahezu ausgeschlossen.” Holzer erwartet, dass das schonende neue Laserverfahren namens Intracor bald eine weite Verbreitung finden wird. Im europäischen Raum ist es seit April 2009 zugelassen.

In der industriellen Materialbearbeitung haben sich zwar Femtosekundenlaser bislang nicht durchgesetzt, doch Pikosekundenlaser arbeiten bereits in einigen Nischen. Zum Beispiel an Wänden von Stents: „Sie werden immer dünner gefertigt und bestehen zu immer größeren Anteilen aus exotischen Materialien”, sagt Stephan Geiger, Mitglied der Geschäftsführung bei Rofin Baasel Lasertech in Starnberg und in dieser Funktion auch für Forschung und Entwicklung von neuen Laserschneidemaschinen verantwortlich. Stents sind medizinische Implantate, mit denen sich zum Beispiel Herzkranzgefäße oder durch Tumore verengte Hohlorgane erweitern lassen.

Mit Kurzen Blitzen an die Stents

Oft handelt es sich dabei um filigrane Röhren, deren Wände einem Drahtgittergeflecht ähneln. Stents mit dicken Wänden lassen sich mit Nanosekundenlasern fertigen, die zurückbleibenden Grate können anschließend mechanisch entfernt werden. Doch wenn die Wände dünn sein müssen, scheidet eine mechanische Nachbearbeitung aus, weil man damit das Werkstück zerstören würde. „Die Hersteller nutzen dafür Pikosekundenlaser, die wegen der kürzeren Lichtpulse keine Grate erzeugen”, erklärt Geiger. „Die Hersteller der Medizintechnik-Produkte denken jedoch bereits über Kunststoff-Stents nach. Und dafür wären selbst die Pulse der Pikosekundenlaser zu lang, weil sie die Schnittkanten verschmelzen.” Dadurch bekommen Femtosekundenlaser eine Chance. Auch bei der Fertigung von Solarzellen hält Geiger den Einsatz von Femtosekundenlasern für vorstellbar.

Allerdings gilt die Faustregel: Die Fertigungsgeschwindigkeit eines Lasers ist umso langsamer, je kürzer seine Lichtpulse sind. Und die Kosten steigen pro Photon, das am Werkstück ankommt. Das bremst bisher den Schwung der Laser mit den ultrakurzen Lichtblitzen auf dem Weg in neue Anwendungen. Doch Holger Lubatschowski warnt vor einem vorschnellen Urteil: „Als die Femto-Lasik 2001 auf den Markt kam, war die Lasik mit dem Mikromesser bereits gut etabliert. Trotzdem hat sich der Femtosekundenlaser dann rasch durchgesetzt.” ■

bdw-Autor Michael Vogel trägt lieber weiter Brille – trotz der grandiosen Möglichkeiten des Femtosekundenlasers.

von Michael Vogel