Skip to main content
SpringerLink
Log in

Bedeutung der Wellenlänge für ultrakurze Laserpulse in der normalen und pathologischen Hornhaut

Importance of wavelength for ultrashort laser pulses in healthy and pathological corneas

  • Leitthema
  • Published:
Der Ophthalmologe Aims and scope Submit manuscript

Zusammenfassung

Hintergrund

Dargestellt wird eine Zusammenfassung von Studien über die Bedeutung der Laserwellenlänge für die Ultrakurzpulslaser-assistierte Keratoplastik.

Material und Methoden

Der Beitrag bietet eine Zusammenfassung der wesentlichen für die Transparenz der Hornhaut verantwortlichen physikalischen Mechanismen und berichtet über Transparenzmessungen sowie Laborexperimente mit Lasern in Gewebe bei verschiedenen Wellenlängen.

Ergebnisse

Die Transparenz gesunder Hornhaut hängt stark mit ihrer regelmäßigen Struktur auf mikrometrischen und nanometrischen Größenskalen zusammen. Viele Indikationen für die Keratoplastik gehen mit einer Störung dieser Struktur und daher einer teilweise stark reduzierten Gewebetransparenz einher. Dies erklärt die oft unbefriedigenden Ergebnisse beim Einsatz von Ultrakurzpulslasern für diese Prozedur. Theoretische Überlegungen und Laborversuche zeigen, dass die die Strahlqualität des Lasers vermindernden Lichtstreuprozesse stark von der Lichtwellenlänge abhängen und bei Verwendung von längeren als den derzeit genutzten Wellenlängen praktisch vollständig unterdrückt werden können. Es bietet sich hier die Nutzung eines spektralen Transparenzbereichs bei 1,65 µm an.

Schlussfolgerung

Die Verwendung von Laserwellenlängen nahe 1,65 µm stellt eine interessante Alternative zur Verbesserung der Ultrakurzpulslaser-assistierten Keratoplastik in stark pathologischem Hornhautgewebe dar.

Abstract

Background

A study on the role of laser wavelength in keratoplasty assisted by ultrashort pulse lasers is presented.

Material and methods

This article gives a summary of the principal physical mechanisms contributing to the transparency of healthy corneas and presents transparency measurements as well as laboratory experiments on tissue with lasers at different wavelengths.

Results

The transparency of a healthy cornea is strongly related to its regular structure at micrometer and nanometer length scales. Many indications for keratoplasty are associated with a perturbation of this structure and therefore with a sometimes strongly reduced tissue transparency. This explains the often unsatisfactory results obtained when using ultrashort pulse lasers for the procedure. Theoretical considerations and laboratory experiments show that the light scattering processes responsible for the loss in laser beam quality depend strongly on wavelength and the use of wavelengths longer than those presently used allows these processes to be almost completely eliminated. The use of a spectral transparency window close to 1.65 µm is suggested.

Conclusion

The use of laser wavelengths close to 1.65 µm represents an interesting alternative for the improvement of keratoplasty assisted by ultrashort pulse lasers.

This is a preview of subscription content, log in via an institution to check access.

Access this article

Log in via an institution

Price excludes VAT (USA)
Tax calculation will be finalised during checkout.

Instant access to the full article PDF.

Institutional subscriptions

Abb. 1
Abb. 2
Abb. 3
Abb. 4
Abb. 5

Notes

  1. Hart und Farrell [34] haben ihm hierzu später einen – in der Sache letztlich unbedeutenden – Rechenfehler nachgewiesen.

  2. Rayleigh-Streuung ist für die blaue Farbe des Himmels und die rote Farbe des Sonnenuntergangs verantwortlich. Die lichtstreuenden Partikel in der Atmosphäre können im Rahmen dieser Theorie als punktförmig angenommen werden; ihr Streuquerschnitt ist umgekehrt proportional zur vierten Potenz der Wellenlänge und damit noch stärker wellenlängenabhängig als der der dielektrischen Nadeln.

  3. Für Freunde der Mathematik: Die Winkelverteilung der Lichtverteilung ist proportional zu der Fourier-Transformierten der Autokorrelationsfunktion der Verteilung der Kollagenfibrillen.

Literatur

  1. Vogel A, Noack J, Hüttman G, Paltauf G (2005) Mechanisms of femtosecond laser nanosurgery of cells and tissues. Appl Phys B 81:1015–1047

    Article  CAS  Google Scholar 

  2. Stern D, Schoenlein RW, Puliafito CA et al (1989) Corneal ablation by nanosecond, picosecond, and femtosecond lasers at 532 and 625 nm. Arch Ophthalmol 107:587–592

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  3. Sletten KR, Yen KG, Sayegh S et al (1999) Corneal intrastromal tissue modeling with the femtosecond laser. Ophthalmic Surg Lasers 30:742–749

    CAS  PubMed  Google Scholar 

  4. Juhasz T, Kastis GA, Suárez C et al (1996) Time-resolved observations of shock waves and cavitation bubbles generated by femtosecond laser pulses in corneal tissue and water. Lasers Surg Med 19:23–31

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  5. Juhasz T, Loesel FH, Horvath C et al (1999) Corneal refractive surgery with femtosecond lasers. IEEE J Sel Top Quantum Electron 5:902–910

    Article  CAS  Google Scholar 

  6. Kurtz RM, Horvath C, Liu HH et al (1998) Lamellar refractive surgery with scanned intrastromal picosecond and femtosecond laser pulses in animal eyes. Refract Surg 14:541–548

    CAS  Google Scholar 

  7. Loesel FH, Niemz JF, Bille MH, Juhasz T (1996) Laser-induced optical breakdown on hard and soft tissues and its dependence on the pulse duration: experiment and model. IEEE J Quantum Electron 32:1717–1722

    Article  CAS  Google Scholar 

  8. Horvath C, Braun A, Liu H et al (1997) Compact directly diode-pumped femtosecond Nd:glass chirped-pulse-amplification laser system. Opt Lett 22:1790–1792

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  9. Salomaõ MQ, Wilson SE (2010) Femtosecond laser in laser in situ keratomileusis. J Cataract Refr Surg 36:1024–1032

    Article  Google Scholar 

  10. Soong HK, Malta JB (2009) Femtosecond lasers in ophthalmology. Am J Ophthalmol 147:189–197

    Article  PubMed  Google Scholar 

  11. Plamann K, Aptel F, Arnold C et al (2010) Ultrashort pulse laser surgery of the cornea and the sclera. J Opt 12:084002

    Article  Google Scholar 

  12. Buratto L, Böhm E (2007) The use of the femtosecond laser in penetrating keratoplasty. Am J Ophthalmol 144:975–976

    Article  Google Scholar 

  13. Sikder S, Snyder RW (2006) Femtosecond laser preparation of donor tissue from the endothelial side. Cornea 25:416–422

    Article  PubMed  Google Scholar 

  14. Binder PS, Sarayba M, Ignacio T et al (2008) Characterization of submicrojoule femtosecond laser corneal tissue dissection. J Cataract Refract Surg 34:146–152

    Article  PubMed  Google Scholar 

  15. Olivié G, Giguère D, Vidal F et al (2008) Wavelength dependence of femtosecond laser ablation threshold of corneal stroma. Opt Express 16:4121–4129

    Article  PubMed  Google Scholar 

  16. Sacks ZS, Kurtz RM, Juhasz T, Mourou GA (2002) High precision subsurface photodisruption in human sclera. J Biomed Opt 7:7442–7450

    Article  Google Scholar 

  17. Sacks ZS, Kurtz RM, Juhasz T et al (2003) Subsurface photodisruption in human sclera: wavelength dependence. Ophthalmic Surg Lasers Imaging 34:104–113

    PubMed  Google Scholar 

  18. Brewster D (1815) Experiments on the depolarization of light as exhibited by various mineral, animal and vegetable bodies with a reference of the phenomena to the general principle of polarization. Phil Trans R Soc Lond 105:29–53

    Article  Google Scholar 

  19. Aubert H, Mattieson L (1876) Graefe-Saemisch Handbuch der gesammten Augenheilkunde, Band I, Teil 2. Engelmann, Leipzig

  20. Potts AM, Friedman BC (1959) Studies on corneal transparency. Am J Ophthalmol 48:480–487

    PubMed  Google Scholar 

  21. Cogan DG (1948) Ber. über die 54. Zusammenkunft der Dtsch. Ophthalmol. Ges. in Heidelberg, S 6–13

  22. Schwarz W (1953) Elektronenmikroskopische Untersuchungen über den Aufbau der Sklera und der Cornea des Menschen. Z Zellforsch 38:26–49

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  23. Maurice DM (1957) The structure and transparency of the cornea. J Physiol 136:263–286

    CAS  PubMed  PubMed Central  Google Scholar 

  24. Schwarz W (1961) Electron microscopical studies of the fibrillogenesis in the human cornea. In: Smelser GK (Hrsg) The structure of the eye. Academic, New York

  25. Schwarz W, Graf Keyserlingk D (1966) Über die Feinstruktur der menschlichen Cornea, mit besonderer Berücksichtigung des Problems der Transparenz. Z Zellforsch Mikrosk Anat 73:540–548

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  26. Meek KM, Fullwood NJ (2001) Corneal and scleral collagens – a microscopist’s perspective. Micron 32:261–272

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  27. Schwarz W, Graf Keyserlingk D (1969) Elektronenmikroskopische Untersuchungen an der Cornea, Sklera, Haut und Flosse eines durchsichtigen Fisches (Ambassis lala). Z Zellforsch 102:78–84

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  28. Goldman JN, Benedek GB (1967) The relationship between morphology and transparency in the nonswelling corneal stroma of the shark. Invest Ophthalmol 6:574–600

    CAS  PubMed  Google Scholar 

  29. Goldman JN, Benedek GB, Dohlman CH, Kravitt B (1968) Structural alterations affecting transparency in swollen human corneas. Invest Ophthalmol 7:501–519

    CAS  PubMed  Google Scholar 

  30. Hart RW, Farrell RA (1969) On the theory of the spatial organization of macromolecules in connective tissue. Bull Math Biophys 31:727–760

    Article  PubMed  Google Scholar 

  31. Hart RW, Farrell R (1971) Structural theory of the swelling pressure of corneal stroma in saline. Bull Math Biophys 33:165–186

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  32. Maurice DM (1970) The transparency of the corneal stroma. Vision Res 10:107–108

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  33. Benedek G (1971) Theory of transparency of the eye. Appl Opt 10:459–473

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  34. Hart RW, Farrell RA (1969) Light scattering in the cornea. J Opt Soc Am 59:766–774

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  35. Farrell RA, McCally RL, Tatham PE (1973) Wave-length dependencies of light scattering in normal and cold swollen rabbit corneas and their structural implications. J Physiol 233:589–612

    CAS  PubMed  PubMed Central  Google Scholar 

  36. Farrell RA, McCally RL (1976) On corneal transparency and its loss with swelling. J Opt Soc Am 66:342–345

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  37. Cox JL, Farrell RA, Hart RW, Langham ME (1970) The transparency of the mammalian cornea. J Physiol 210:601–616

    CAS  PubMed  PubMed Central  Google Scholar 

  38. Freund DE, McCally RL, Goldfinger AD, Farrell RA (1993) Image processing of electron micrographs for light scattering calculations. Cornea 12:466–474

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  39. van de Hulst HC (1957) Light scattering by small particles. Dover, Mineola, NY

  40. Kerker M (1969) The scattering of light and other electromagnetic radiation. Academic, New York

  41. Bohren CF, Huffman DR (1983) Absorption and scattering of light by small particles. Wiley VCH, Weinheim

  42. Clark JI (2004) Order and disorder in the transparent media of the eye. Exp Eye Res 78:427–432

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  43. Peyrot DA, Aptel F, Crotti C et al (2010) Effect of incident light wavelength and corneal edema on light scattering and penetration: laboratory study of human corneas. J Refr Surg 26:786–795

    Article  Google Scholar 

  44. Boettner EA (1967) National Bureau of Standards Report AD 663:246

  45. Boettner EA, Reimer Wolter J (1962) Transmission of the ocular media. Invest Ophthalmol Vis Sci 1:776–783

    Google Scholar 

  46. Crotti C, Deloison F, Alahyane F et al (2013) Wavelength optimization in femtosecond laser corneal surgery. Invest Ophthalmol Vis Sci 54:3340–3349

    Article  PubMed  Google Scholar 

  47. Vryghem JC, Devogelaere T, Stodulka P (2010) Efficacy, safety, and flap dimensions of a new femtosecond laser for laser in situ keratomileusis. J Cataract Refract Surg 36(3):442–448

    Article  PubMed  Google Scholar 

  48. Trost A, Schrödl F, Strohmaier C et al (2013) A new nanosecond UV laser at 355 nm: early results of corneal flap cutting in a rabbit model. Invest Ophthalmol Vis Sci 54:7854–7864

    Article  PubMed  Google Scholar 

  49. Morin F, Druon F, Hanna M, Georges P (2009) Microjoule femtosecond fiber laser at 1.6 μm for corneal surgery applications. Opt Lett 34:1991–1993

    Article  PubMed  Google Scholar 

Download references

Danksagungen

An den hier vorgestellten Studien haben folgende frühere oder aktuelle Mitglieder meiner Gruppe mitgewirkt: Fatima Alahyane, Florent Aptel, Caroline Crotti, Florent Deloison, Laura Kowalczuk, Valeria Nuzzo, Donald A. Peyrot; ebenfalls beigetragen haben Jean-Marc Legeais und Michèle Savoldelli vom Krankenhaus Hôtel-Dieu in Paris.

Wir danken der französischen Agence Nationale de la Recherche für finanzielle Unterstützung (Projekte GRECO, ANR-06-TecSan-025, und NOUGAT, ANR-08-TecSan-012).

Einhaltung ethischer Richtlinien

Interessenkonflikt. K. Plamann gibt an, dass kein Interessenkonflikt besteht. Menschliche Hornhäute wurden von der Banque Française des Yeux in Paris zur Verfügung gestellt; ihre Verwendung erfolgte unter Beachtung der französischen Rechtsprechung für den wissenschaftlichen Gebrauch von Gewebe menschlichen Ursprungs und der Deklaration von Helsinki.

Author information

Authors and Affiliations

  1. Laboratoire d’Optique Appliquée, ENSTA ParisTech – École Polytechnique – CNRS UMR 7639, École Nationale Supérieure de Techniques Avancées (ENSTA ParisTech), 828 Boulevard des Maréchaux, 91762, Palaiseau cedex, Frankreich

    K. Plamann

Authors
  1. K. Plamann
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

Corresponding author

Correspondence to K. Plamann.

Rights and permissions

Reprints and permissions

About this article

Check for updates. Verify currency and authenticity via CrossMark

Cite this article

Plamann, K. Bedeutung der Wellenlänge für ultrakurze Laserpulse in der normalen und pathologischen Hornhaut. Ophthalmologe 111, 514–522 (2014). https://doi.org/10.1007/s00347-013-2992-x

Download citation

  • Published:

  • Issue Date:

  • DOI: https://doi.org/10.1007/s00347-013-2992-x

Schlüsselwörter

Keywords

Search

Navigation