Wirkung optischer Strahlung im Gewebe

OS2Wirkung optischer Strahlung im GewebeLernziele
 Betroffene Organe: Haut und Augen;
Übersicht anatomischer Aufbau
Die Teilnehmer*innen kennen den anatomischen Aufbau der Haut und des Auges. Sie können die wesentlichen Strukturen benennen.
 Optische Eigenschaften der menschlichen Haut (Reflexion, Streuung, Absorption, Transmission)Die Teilnehmer*innen verstehen das Prinzip von Reflexion, Streuung, Transmission und Absorption in der menschlichen Haut.
 Eindringtiefen unterschiedlicher Wellenlängen in Auge und HautDie Teilnehmer*innen wissen, welche
Wellenlängen welche Strukturen a) in der
Haut, b) im Auge erreichen.
 Thermische, photochemische, mechanische Wirkungen, direkt, indirekt, DNA-Schädigung durch UV-StrahlungDie Teilnehmer*innen verstehen, wie optische Strahlung im Gewebe wirkt. Sie können die unterschiedlichen Wirkungen (UV vs. sichtbares Licht vs. Infrarot-Strahlung) an Haut und Auge benennen und erläutern.
 Chromophore (Melanin, Hämoglobin, Farbstoffe)Die Teilnehmer*innen können die für die Anwendung optischer Strahlung wichtigsten Chromophore benennen. Sie verstehen, dass sie zentral für Energieaufnahme und – übertragung im Gewebe sind.
 Prinzip der „selektiven Photothermolyse“ (am Beispiel der dauerhaften Haarentfernung)Die Teilnehmer*innen verstehen das Prinzip der selektiven Photothermolyse und können es in eigenen Worten erklären.
 Typischerweise für verschiedene Anwendungen eingesetzte Wellenlängen/WellenlängenbereicheDie Teilnehmer*innen wissen, welche Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereiche typischerweise für kosmetische Anwendungen genutzt werden und können dies begründen.

Die kritischen Organe für die Einwirkung optischer Strahlung auf den Menschen sind die Augen und die Haut. Optische Strahlung dringt in menschliches Gewebe nur oberflächlich ein; die inneren Organe werden nicht erreicht. Die Eindringtiefe ist von der Wellenlänge abhängig. Während kurzwellige UV-Strahlung und langwellige IR-Strahlung bereits an der Oberfläche absorbiert werden, dringt Strahlung im sichtbaren und nahen infraroten Bereich tiefer ein. Entsprechend hängt der Ort der Wirkung im Auge und in der Haut von der Wellenlänge ab. Auch sind Art und Schwere eines durch optische Strahlung hervorgerufenen Effektes von der Intensität der Strahlung und von ihrer Dosis abhängig. Es kann sowohl zu positiven als auch zu negativen Wirkungen kommen.

Während kurzwellige UV-Strahlung und langwellige IR-Strahlung bereits an der Oberfläche absorbiert werden, dringt Strahlung im sichtbaren und nahen infraroten Bereich tiefer ein. Entsprechend hängt der Ort der Wirkung im Auge und in der Haut von der Wellenlänge ab. Auch sind Art und Schwere eines durch optische Strahlung hervorgerufenen Effektes von der Intensität der Strahlung und von ihrer Dosis abhängig. Es kann sowohl zu positiven als auch zu negativen Wirkungen kommen.

Negative Wirkungen

Schädliche Wirkungen durch UV-Strahlung auf die Haut:

Sonnenbrand (Erythem): Entzündliche Rötung der Haut, die nach einigen Tagen heilt. Es kommt zu einer Pigmentierung (Bräunung) und Verdickung der Hornschicht, wodurch die Betroffenen eine erhöhte Widerstandskraft gegenüber einem erneuten Sonnenbrand erhalten.

Hautalterung: Bei häufig wiederholter und bei langfristiger Exposition gegenüber UV-Strahlung kann die Haut trocken, lederig, grob und schlaff werden und Falten bekommen.

Hautkrebs: Durch übermäßige und durch langfristige UV-Strahlungseinwirkung kann Hautkrebs ausgelöst werden. Es werden drei verschiedeneHautkrebsarten (Basaliom, Spinaliom und malignes Melanom) unterschieden, die in unterschiedlichen Schichten der Haut auftreten und deren Krankheitsverlauf unterschiedlich ist.

Phototoxische Reaktionen, Photoallergien: Durch das Zusammenwirken von UV-Strahlung mit chemischen Stoffen (z.B. bestimmten Medikamenten und Kosmetika) sind toxische Reaktionen möglich. Auch können Allergien ausgelöst werden.

Es gibt jedoch auch positive Wirkungen:

An positiven Wirkungen sind zu nennen: die Bildung von Vitamin D3, das zur Vorsorge gegen Rachitis gebraucht wird, durch UV-Strahlung; durch mäßige UV-Einwirkung der Aufbau eines Lichtschutzes, der vor Sonnenbrand schützen kann. Positive Wirkungen werden Licht und UV-Strahlung auch bei therapeutischen Anwendungen, z.B. zur Behandlung von Hautkrankheiten, zugeschrieben. Daneben ist für viele Menschen die erwünschte Bräunung der Haut durch UV-Strahlung von hohem subjektiven Wert (Selbstwertgefühl, Modebewusstsein). Die sichtbare Strahlung ermöglicht dem Menschen das Sehen und damit das Erkennen der Umgebung. Das Sehen ist für die Meisten der wichtigste Sinneseindruck. Infrarotstrahlung kann eine angenehme Wärmewirkung erzeugen. Wärmestrahlung und Licht können zum physischen und psychischen Wohlbefinden beitragen.

Schädliche Wirkungen durch sichtbare und infrarote Strahlung auf die Haut:

Verbrennung der Haut durch hohe Strahlungsintensität (z.B. durch Laser oder IPL).

Schädliche Wirkungen von UV-Strahlung auf die Augen:

Hornhautentzündung (Keratitis), Bindehautentzündung (Konjunktivitis): Durch UV-Strahlung werden die äußersten Zellen der Hornhaut und der Bindehaut zerstört. Diese Erkrankung ist bei Bergsteigern als „Schneeblindheit und bei Schweißern als „Verblitzen bekannt. Die Schädigung macht sich 6 – 8 Stunden nach der Exposition durch starke Augenschmerzen bemerkbar. Nach 1 2 Tagen tritt eine vollständige Heilung ein. Trübung der Augenlinse: Neben anderen Ursachen kann eine langjährige UV-Strahleneinwirkung auf die Augen zu einer irreversiblen Trübung der Augenlinse führen. Von dieser Erkrankung sind vor allem ältere Menschen („Altersstar) sowie Personen betroffen, die sich häufig im Freien aufhalten (Landwirte, Seeleute). Schädliche Wirkungen durch sichtbare und infrarote Strahlung auf die Haut: Verbrennung der Haut durch hohe Strahlungsintensität (z.B. an Schmelzöfen oder durch Laser). Schädliche Wirkungen durch sichtbare und infrarote Strahlung auf das Auge: Verbrennung der Netzhaut (Thermischer Schaden) durch Einwirkung von Strahlung hoher Intensität (z.B. Laser, Sonne). Die so genannte Blaulichtgefährdung ist eine photochemische Schädigung der Netzhaut. Trübung der Augenlinse: Auch eine langjährige IR-Strahleneinwirkung kann zu einer Trübung der Augenlinse (Grauer Star, Katarakt) führen. Diese Einwirkung kann z.B. an Arbeitsplätzen von Glasbläsern auftreten. Blendung: Die Blendung ist zwar keine direkte Schädigung des Auges, sie kann jedoch das Sehen und Erkennen beeinträchtigen und damit Folgeschäden (z.B. Unfälle im Straßenverkehr) hervorrufen.

Schädliche Wirkungen durch sichtbare und infrarote Strahlung auf das Auge: Verbrennung der Netzhaut (Thermischer Schaden) durch Einwirkung von Strahlung hoher Intensität (z.B. Laser, Sonne). Die so genannte Blaulichtgefährdung ist eine photochemische Schädigung der Netzhaut. Trübung der Augenlinse: Auch eine langjährige IR-Strahleneinwirkung kann zu einer Trübung der Augenlinse (Grauer Star, Katarakt) führen. Diese Einwirkung kann z.B. an Arbeitsplätzen von Glasbläsern auftreten. Blendung: Die Blendung ist zwar keine direkte Schädigung des Auges, sie kann jedoch das Sehen und Erkennen beeinträchtigen und damit Folgeschäden (z.B. Unfälle im Straßenverkehr) hervorrufen.

Trittt Licht auf die Haut werden verschiedene Wellenphänomene wirksam. Diese sind: beim Auftreffen des Lichtes auf heller Haut wird ein Teil des Lichtes reflektiert. Je dunkler die Haut desto mehr Licht wird durch die Pigmente absorbiert. Die Absorption der Wellen wandelt die Lichtenergie in Wärmeenergie um. Da die Lichtstrahlen in  der Haut auf unterschiedliche Strukturen treffen., werden diese mehr oder weniger abgelenkt in ( Streuung ).

Die Absorptionskurven von Melanin, Hämoglobin und Wasser zeigen deutlich die Abgrenzung von Lasern zum IPL. Laser sind Werkzeuge, die für genau eine Aufgabe geeignet sind. IPL nutzt sein Lichtspektrum aus, um verschiedene Anwendungen möglich zu machen. Es ist darauf hinzuweisen das IPL-Geräte eine gewisse Leistung benötigen, um eine Wirkung zu erzielen. Auch werden durch die Filter und der innere Aufbau Verluste wirksam, die nur durch eine hohe Leistung auszugleichen sind. Damit der Lichtimpuls nicht zu intensiv wird um seine Wirkung zu entfalten ist man übergegangen Blitz-Züge einzubauen. Unter einem Blitzzug versteht man das ein Einzelblitz in Sub-Blitze aufgeteilt wird. Gute Hersteller geben den Anwendern Tabellen mit, die  je nach Hauttyp Haarfarbe und Haardicke geeignete Einstellungen präsentieren. Bei den IPL – Geräten werden Filter eingesetzt, um die schädliche  UV Strahlung  zu blockieren.

Im Gegensatz zum IPL verliert der Laser auf dem Weg in die Tiefe weniger Leistung. Man kann die Leistung der Transmission noch einmal steigern wenn man genau senkrecht das Laserhandstück  auf die Haut aufsetzt . Dadurch werden direkte Reflektionen vermieden.

Die wirksame Eindringtiefe wird reduziert wenn zu viele Faktoren, die eine Absorption des Lichtes durch Reflektion und Streuung den Weg in die Tiefe behindern. Wenn beispielsweise Haare nicht rasiert werden wird ein Großteil der Lichtenergie von den Haaren absorbiert. Diese erhöht die Gefahr von Verbrennungen und ist kontraproduktiv im Sinne von Energieausbeute.

In dem linken Bild ist dargestellt das die Transmission des Lichtes abhängig ist von der Wellenlänge . Niedrige Wellenlänge weisen eine geringe Transmission auf, höhere Wellenlängen weisen eine hohe Transmission auf. Unter Transmission wird der Teil der Lichtenergie verstanden der die obere Hautbarriere durchdringt.

Ist die Transmission höher, so ist auch die Eindringtiefe größer. Das rechte Bild zeigt wieviel Millimeter die verschiedenen Wellenlängen in die Haut eindringen können. 

Hier ist nochmal bildlich der Einfluss der Pigmentierung der Haut auf die Eindringtiefe für das Licht ist dargestellt. Dunkle Haut absorbiert einen Teil der Energie und lässt weniger Energie in die Zielstruktur. Bei heller Haut ist der Wirkungsgrad höher denn nur ein kleiner Teil der Lichtenergie wird von der Haut absorbiert.

Auf diesem Bild ist noch einmal idealisiert dargestellt wie tief das Licht eindringen kann. Am besten ist es Haare in der frühen Wachstumsphase zu epilieren,  weil  die Haarpapille , also der unterste Teil des Follikels noch gut vom Licht erreicht werden kann. In der späteren Wachstumsphase wächst das Haar in die Tiefe und ist somit vom IPL kaum noch erreichbar. 

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Haardicke bei der dauerhaften Haarentfernung. Weniger voluminöse Strukturen werden schneller erwärmt und kühlen schneller ab. Große Strukturen erwärmen sich langsamer und kühlen auch langsamer ab. Dies hat etwas mit der Oberfläche des Körpers zu tun. Bei einer Kugel ist es maximale Volumen in einer minimalen Oberfläche. Daher eignen sich für Laboruntersuchungen Kugeln um Abkühlungs- und Erwärmungsphänomene zu untersuchen.

Was für Laien sind die Erwärmungs- und Abkühlungsphänomene leicht zu erklären wenn man sich eine Tasse Espresso und eine Tasse Cappuccino vorstellt. Lässt man Beide einige Zeit stehen kühlt sich der Espresso in der kleinen Espressotasse viel schneller ab als der Cappuccino in der großen Kaffeetasse.

Hersteller von optischen Strahlungsgeräten kennen diese Zusammenhänge und bieten den Anwendern Voreinstellungen die die Haardicke berücksichtigt.

Mit diesem Wissen kann jetzt die selektive Fotothermolyse erklärt werden. Haare und andere feinere Strukturen erwärmen sich schneller und halten die Wärme länger, Haut kühlt schneller ab. 

In Laboruntersuchungen wurde die selektive Fotothermolyse untersucht und bestätigt Haare halten zirka 10 mal länger die Wärme als die Haut.

Bei IPL-Geräten macht man sich die selektive Fotothermolyse besser zunutze, wenn man die Lichtimpulse in Subblitzte unterteilt. Die dauerhafte Haarentfernung ist demnach immer eine Gratwanderung zwischen  gerade nicht Verbrennen der Haut und guter Entfernung der Haare. Um das Risiko der Hautverbrennung zu minimieren wurde ein technischer Trick angewendet. Anstatt einen Energieblitz mit der berechneten notwendigen Leistung abzugeben, wird die Energie durch Sub-Blitze abgegeben. Je nach Hautpigmentierung, Haarfarbe und Haardicke lassen sich 1 – 5 Subblitze von den Geräten erzeugen.

Diese Grafik soll noch einmal zeigen, dass sich Haare schneller aufheizen, langsamer abkühlen als die Haut. Die Haut bleibt geschont und das Haar wird zerstört.

Dieses Bild zeigt eine Einstellung der Subblitze eines typischen IPL-Geräts für die dauerhafte Haarentfernung. Es lassen sich die Pulsdauer und die Pulspause der Subblitze individuell einstellen.

Von diesem System ist auch der Name IPL abgeleitet, der auf Deutsch intensives Pulslicht genannt wird. 

Hier nochmal ein worauf es qualitativ ankommt: Dünne Strukturen brauchen kurze Pulse,  große Strukturen längere Impulse.

Um die Haare bei der optischen Epilation wirksam zu zerstören, reicht es nicht nur die Haare zu verbrennen. Muss die Haarpapille zerstört werden. Wurde die Energie zu niedrig gewählt wird die Haarpille nur geschädigt. dann wächst in der nächsten Wachstumsphase ein dünneres helleres Haar, das schlechter zu epilieren ist.

Es ist wichtig auch die Haarzwiebel so aufzuheizen dass die Stammzellen zerstört werden. Die Stammzellen der Haarzwiebel sind adulte Stammzellen, die bereits die Information darüber besitzen neue Haare wachsen zu lassen. Werden diese Stammzellen wegen zu niedriger Leistung nicht zerstört, kommen die Haare immer wieder. Daher muss eine genügend hohe Energie gewählt werden um auch diese Strukturen zu zerstören. Nur Wenn alle Strukturen zerstört sind kann von dauerhafter Haarentfernung gesprochen werden.

Hier ist noch einmal zusammenfassend dargestellt was die selektive Fotothermolyse bewirkt. Nur die ausgewählten Strukturen wie Haarfolikel, Papille und Haarzwiebel werden mit so hoher Energie versorgt, dass diese zerstört werden und die restliche Haut unbeeinträchtigt bleibt.

Prüfungsvorbereitung

Wirkung optischer Strahlung im Gewebe