Photobiomodulation PBM (Low Level Laser Therapy LLLT). Eine Laser-Probe.

Die Referenzen finden sich im Buch.

Ein Paar erklärende Worte zum Begriff.

Was soll das nun wieder? Photobiomodulation? Nennt man das nicht mehr Low Level Laser Therapie?
Nein, eigentlich nicht. Ein Gruppe von Großen Namen aus der „Licht-Szene“ haben sich im Jahre 2014 getroffen um sich über die Bezeichnung dessen zu unterhalten, wonach diese Personen seit vielen Jahren forschen: die therapeutische Anwendung von Licht (Anders et al 2015).

Seit in den 1960ern Endre Mester eher zufällig die stimulierende Wirking von schwacher Laserstrahlung entdeckt hat, wird in der Medizin dieses Laserlicht als Therapeutikum eingesetzt. Man war fest davon überzeugt, dass die biologische Effekte sich nur mit den einzigartigen Eigenschaften vom Laser erklären lassen. Bis dann die erste Studien erschienen die nachwiesen, dass auch monochromes Licht aus anderen Quellen wie LEDs (Light Emitting Diodes) genau die gleiche biologisch Effekte auslösen können. Und das erst noch mit vergleichbaren Intensitäten und Dosierungen, und als Bonus deutlich kostengünstiger als mit Laser.

Man began die Therapie anders zu benennen und das war unpraktisch, nicht zuletzt weil PubMed LLLT als MeSH-Term benutzte. So gingen Studien zum Thema Photostimulation, Light Stimulation und dergleichen unter. Die Mehrheit der Anwesenden sprach sich für die Bezeichnung Photobiomodulation (PBM) aus weil dieser Namen die Ladung besser deckt als LLLT. Groß war dann die Freude als PubMed auch der neue Namen im MeSH Datenbank aufnahm. Deshalb wird im Nachfolgenden die Bezeichnung LLLT nicht mehr benutzt sondern PBM. Nicht dass jetzt die Diskussion zwischen Laser-Fans und LED-ler weniger heftig geführt würde! Darüber aber später mehr.

Laser

Wenn ein Metall zur Weißglut erhitzt wird, strahlt es, bis es so weit ist, Licht unterschiedlicher Farben aus. Zuerst dunkelrot, dann immer heller und heller. Eben, bis zur Weißglut. So wird der Glühfaden in einer Glühbirne durch Erhöhen der Strommenge immer heißer und das abgegebene Licht wird immer weißer. Umgekehrt wird Glühlicht, wenn es mit einem Dimmer heruntergeregelt wird, immer rötlicher, wärmer sagt man.

1900 präsentierte Max Planck die Erklärung dafür, weshalb Farben sich beim Erwärmen einer Materie bei unterschiedlich hohe Temperaturen ändern. Er postulierte, dass Strahlung in kleinen Mengen (Quanten) abgegeben wird, also nicht nur als Wellen sondern auch als Teilchen. Diese Teilchen nennt man Photonen.

Je mehr Energie so ein Quant besitzt, umso kürzer ist seine Wellenlänge und umso heller ist das ausgestrahlte Licht. Dunkelrotes Licht -- zum Beispiel von glühendem Eisen mit einer Wellenlänge von etwa 700 nm (nanometer = 1 milliardstel Meter = 10^-9 m) und einer Farbtemperatur von 1000 K -- ist weniger energiereich als blaues Licht mit einer Wellenlänge von 500 nm und eine Farbtemperatur von 10 000 K. Physikalisch betrachtet ist rotes Licht also kälter als blaues Licht. Die Psychologie lassen wir hier mal außer Betracht.

1917 hat Einstein die Prinzipien zum Entstehen von Laser-Strahlung mit der Theorie der Quantenmechanik erklärt. Es dauerte bis 1960 bis Theodore Maiman der erste Laser konstruierte.

Der Ungarische Forscher Endre Mester hat dann in den frühen 1960ern versucht ob er mit Laser bei Mäusen Krebs auslösen könnte (Mester et al 1967). Er rasierte dazu den Rücken bei seinen Mäusen, verteilte sie in zwei Gruppen und bestrahlte eine Gruppe mit einem HeNe-Laser mit einer Wellenlänge von 694 nm. Der Versuch mißlang da sein Laser viel zu schwach war. Er stellte aber fest, dass bei den behandelten Nagern das Haarwachstum beschleunigt war. Es nennte es „Laser Biostimulation“. Das war die Geburtsstunde der Low Level Laser Therapie, ein klassischer Fall von Serendipität.

Die Therapie sollte übrigens noch viele andere Namen bekommen wie Soft Laser, Low Intensity Laser Therapy, Low Level Light Therapy u.v.m. Da man festgestellt hat, dass viele (vielleicht sogar alle …) Effekte dieser Laser Therapie auch ausgelöst werden können mit LEDs (Light Emitting Diodes) und weil die Bezeichnung „Low Level“ etwas doppeldeutig sei, ist man irgendwann dazu übergegangen anstelle LLLT von „Photobiomodulation“ PBM zu sprechen (Hamblin 2016).

Laser ist ein Akronym von Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation und bedeutet Lichtverstärkung durch angeregte Strahlungsemission. Eigentlich müßte man also LASER schreiben, Laser hat sich aber eingebürgert, ebenso wie das Verb Lasern. Mal sehen welches Verb aus „LED“ konstruiert wird. Ledern?

Eigenschaften von Laser

Würde man normales Licht mit einem (nichtexistierenden) Supermikroskop betrachten, dann würde es so aussehen alsob man aus großer Höhe eine enorme Touristenmenge auf den Place de la Concorde in Paris herunterblickt: jeder ist anders angezogen, jeder bewegt sich in seinem eigenen Tempo mit seiner eigenen Schrittlänge in seine eigene Richtung, ziemlich chaotisch also. Laserlicht hingegen würde aussehen wie eine Kolonne Soldaten am 14. Juli: alle sind gleichfarbig angezogen und gehen im Gleichschritt der Avenue des Champs-Élysées runter.

Tageslicht, dass durch ein Prisma fällt, wird in seinen verschiedenen Wellenlängen zerlegt (hier sehr schematisch). Laserlicht hingegen besteht nur aus eine einzige Wellenlänge.

Laserlicht unterscheidet sich von normales Licht auf Grund

• seiner Monochromie oder Einfarbigkeit. Laserlicht hat eine bestimmte feste Wellenlänge und deshalb eine bestimmte feste Frequenz.
• seiner Kohärenz. Die Strahlung ist in Phase, das heißt, dass die Maxima und Minima der Wellen immer zur gleichen Zeit auftreten. Man nennt dies zeitliche Kohärenz. Zudem gehen die Wellen in die gleiche Richtung, dies nennt man räumliche Kohärenz. Der Abstand, über der die Welle in Phase bleibt nennt man die Kohärenzlänge. Diese variiert von weniger als einen Millimeter bis mehrere hundert Meter.
• seiner Kollimation oder Parallelität. Dieser Begriff bezeichnet die Parallelrichtung von Lichtstrahlen. Weil die Strahlung nicht wesentlich divergiert sondern gebündelt ist wird die Energie über sehr große Distanzen fortgeleitet. Als Beispiel dafür erwähnt man gerne die Tatsache, dass Reflektoren auf dem Mond einen Laserblitz von der Erde reflektieren können, sodass unter Anderem die Erde-Mond Distanz zentimetergenau gemessen werden kann. Weil der Mond doch ziemlich weit weg ist kommt die äußerst geringe Divergenz des Laserlichtes trotzdem zum Tragen. Der Durchmesser vom „Spotlight“ auf dem Mond beträgt ungefähr stolze 6 km. Der Blitz braucht für einmal hin-und-zurück übrigens etwa 3 Sekunden.

Wenn Laserlicht auf einem Gegenstand trifft verhält es sich gleich wie normales Licht: es wird reflektiert, absorbiert, gebrochen und zerstreut und je nach Beschaffenheit der Materie gehen die Kollimation und Kohärenz verloren. Sobald Laser auf einen Gegenstand trifft kann man ein für Laser typisches Phänomen betrachten, sog. Speckles. Das sind flimmernde kleine Flecken die entstehen auf Grund von Interferenzen im Laserbündel.

Wie ensteht Laser-Licht?

Der Quantensprung

Elektronen befinden sich in einer Art Wolke um einem Atomkern herum. Stark vereinfacht stellte man sich früher diese Wolke als Schalen um den Kern vor. Diese Schalen entsprechen unterschiedlichen Energieniveaus der Elektronen. Je weiter das Elektron sich vom Kern entfernt aufhält, umso höher ist sein Energieniveau. (Wen's interessiert: Bill Bryson erklärt solche Themen in seinem Buch A short history of nearly everything auf sehr verständliche und sehr humorvolle Weise!)

Der Quantensprung, Erklärung siehe Text. JabberWok, CC BY-SA 3.0 http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/, via Wikimedia Commons

Die Elektronen in den äußeren Schalen können durch Krafteinwirkung von außen beeinflusst werden. Wenn einem Atom Energie zugeführt wird, zum Beispiel durch Erwärmen oder durch intensive Lichtblitze, können diese äußere Elektronen dazu gebracht werden sich in ein höheres Energieniveau zu begeben. Der Schritt von einem Niveau in das Nächsthöhere ist der berühmte Quantensprung: der sprunghafte Übergang eines Systems aus einem Quantenzustand in einen anderen.

Diese energiereichere Elektronen werden aber zum vorherigen, stabileren Niveau zurückkehren wollen und in diesem Falle muss das Elektron die vorher aufgenommene Energie wieder abgeben. Dies passiert in der Form eines Energiequantums: ein Photon (= Lichtquant). Die Wellenlänge und damit die Frequenz eines solchen Photons ist abhängig von der Differenz zwischen den beiden Energieniveaus: je größer die Differenz, umso kürzer die Wellenlänge und umso höher die Frequenz und umso größer die Energie eines solchen Photons. Fällt das Elektron auf sein altes Niveau zurück, gibt es die gleiche Menge an Energie ab die es aufgenommen hatte. Wird es höher angehoben und fällt nicht ganz zurück, gibt es weniger Energie ab als es aufgenommen hatte, das Licht hat in diesem Falle eine andere Wellenlänge.

Rotlicht hat eine längere Wellenlänge als violettes Licht: respektive 750 nm und 370 nm. Als Infrarotstrahlung (kurz IR-Strahlung) bezeichnet man in der Physik elektromagnetische Wellen im Spektralbereich zwischen sichtbarem Licht und der langwelligeren Mikrowellenstrahlung. Dies entspricht einem Wellenlängenbereich von etwa 780 nm bis 1 mm. Die Frequenzen für Infrarot-Licht liegen zwischen 0,3 THz und 380 THz (Terahertz = 10¹² Hz). Man unterscheidet nahes, mittleres und fernes Infrarot. Nahes Infrarot ist das kurzwelligste aus der Familie der Infrarotstrahlung. Es kommt im Spektrum unmittelbar nach dem sichtbaren Licht. Fernes Infrarot ist dagegen viel langwelliger und reicht bis an das Gebiet der Mikrowellen. Eine scharfe Einteilung nach Wellenlängen gibt es nicht.

Das für Menschen sichbare elektromagnetische Spektrum.


Ultraviolettstrahlung besteht aus elektromagnetischen Wellen mit einer Wellenlänge von etwa 1 bis 380 nm und einer Frequenz von ca. 790 THz bis 30 PHz (Petahertz = 10¹⁵ Hz ). Man unterscheidet zwischen UV-A ( Wellenlänge λ = 315 bis 400 nm) , UV-B ( λ = 280 bis 315 nm) und UV-C (λ = 100 bis 280 nm). UV-Licht hat aufgrund der kürzeren Wellenlänge die höhere Energie, deshalb könnte man mit Laserlicht aus dem blauen und nahen UV-Bereich mit einer um den Faktor 10 niedrigeren Energiedichte teilweise die gleiche Effekte erreichen wie mit rotem und IR-Laserlicht. Das kurzwellige UV-Licht hat aber eine deutlich geringere Penetrationstiefe weil das Hämoglobin und das Melatonin das Meiste absorbieren. Außerdem ist es außerordentlich aggressiv. Aus diesen Gründen verwendet man für die PBM das langwelligere Rotlicht oder der IR-Laser oder LED.

Stimulierte Emission

Wenn ein Elektron sich in einem höheren Energiezustand befindet bezeichnet man das Atom als angeregt. Dieser Zustand dauert normalerweise nur etwa 10^-8s ehe das Elektron wieder in seinen Grundzustand zurückfällt und ein Photon emittiert. Wird zum Beispiel in einer normalen Lampe der Glühdraht erhitzt, werden durch die viele unterschiedliche Energiesprünge ebensoviele unterschiedliche Wellenlängen in allen Richtungen ausgestrahlt: bei dieser sog. spontanen Emission entsteht das bekannte kontinuierliche Spektrum von Infrarot bis und mit sichtbares Licht (der Regenbogen).

Findet diese Emission erzwungen in einem einzigen reinen Element statt, sind nur definierte Sprünge möglich: es werden nur Photonen mit bestimmten Eigenschaften emittiert. Deshalb ist das Spektrum in diesem Falle eng begrenzt und Linienförmig. Photonen können wenn sie absorbiert werden ein Atom anregen. Dazu muss die Energie eines solchen Photons exakt korrespondieren mit der Energiedifferenz des Ruhezustandes und des angeregten Zustandes eines Elektrons. Wenn ein Elektron bereits in einem höheren Energiezustand ist, und das Atom mit einem Photon mit entsprechender Energie kollidiert, kann das Elektron zurückfallen unter Emission eines mit dem kollidierenden Photon völlig identischen Photons. Dieser Prozess nennt man stimulierte Emission.
Die Anwesenheit einer großen Anzahl angeregten Atome kann zu einer Verstärkung führen, weil ein Photon ein zweites Photon freisetzt und diese zwei Photonen danach weitere zwei und so weiter: ein Schneeballeffekt.

Kettenreaktion

Dieser Prozess funktioniert aber nur, wenn sich mehr Elektronen in einem höheren Energiezustand befinden als in dem Grundzustand. Dieser Zustand kommt normalerweise in der Natur nicht vor und wird deshalb als Besetzungsinversion bezeichnet. Ein solcher Zustand kann während kurzer Zeit erreicht werden indem man mit einem großen Energieinput – man nennt das Pumpen – viele Atome in einen sog. metastabilen Zustand bringt. Dies ist ein relativ stabiler Anregungszustand in der die Elektronen einen höheren Energiezustand haben. Dieses höhere Niveau kann dann nur durch Kollision mit anderen Atome oder Photone wieder aufgegeben werden. Die Atome bleiben relativ lange (0,001s) in diesem Zustand, sodass während einer bestimmten Zeit mehr Elektronen in einer metastabilen Zustand kommen als herausgehen. Beim Zurückfallen in der Grundzustand wird die aufgenommene Energie wieder abgegeben.

Aufbau eines Lasers

Ein Laser besteht grundsätzlich aus drei Komponenten

• einem aktiven Medium (Lasermaterial), in dem die Laserstrahlung durch stimulierte Emission erzeugt wird
• einem Pumpmechanismus, der dem aktiven Medium Energie zuführt
• einem Resonator zur Verstärkung der Laserstrahlung.

Die Anregung (das Pumpen) der Atome kann je nach Lasertyp durch unterschiedliche Pumpmechanismen geschehen:

• Stossanregung der Atome, Moleküle oder Plasmen (Gaslaser, z.B. Helium-Neon-Laser)
• Anregung durch elektromagnetische Strahlung (optisches Pumpen) zum Beispiel mit intensiven Blitzlampen, kontinuierlich strahlenden Hochdrucklampen und Pumplasern
• Anregung durch chemische Reaktionen (chemische Laser)
• Anregung durch Strom (Laserdioden)

Als Lasermedien können alle Stoffe dienen, bei denen eine Besetzungsinversion erreicht werden kann. Dabei kann es sich um nachfolgenden Stoffe handeln:

• Gasförmige Atome oder Moleküle in ionisierter oder ungeladener Form (Gaslaser)
• Farbstoffmoleküle in Lösungen (Farbstofflaser)
• Atome oder Ionen in Festkörpern (Festkörperlaser)
• Dotierte Halbleiter (Diodenlaser)
• Freie Elektronen (free electron laser)

Helium-Neon Laser Demonstration im Kastler-Brossel Labor (Paris VI: Pierre et Marie Curie). Das leuchtende Teil in der Mitte ist nicht der laser sondern ein Entladungsrohr, vergleichbar mit einem Leuchtrohr. Der rote Punkt rechts wird vom eigentlichen Laser erzeugt. Copyright © 2004 David Monniaux, CC BY-SA 3.0 http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/, via Wikimedia Commons

Funktionsweise eines Rubin-Lasers.

Der Rubin-Laser wurde von Theodore Maiman als erster Laser überhaupt im Jahre 1960 konstruiert und besteht aus einem künstlich hergestellten Rubin-Stab aus Chromaluminiumoxid. Um den Stab herum gewickelt ist ein Xenon-Blitzrohr. Beide Enden des Rubinstabes sind reflektierend, das eine Ende ist teilweise transparent, sodass etwas Licht austreten kann. Ein kurzer (0,5 ms) Blitz regt die Rubinmolekulen an und hebt viele Elektronen in ein höheres Energieniveau. Atome haben aber nicht nur zwei potentielle Anregungszustände sondern mehrere. Infolge der Blitzeinwirkung werden die Elektronen in den höchsten Anregungszustand versetzt und fallen praktisch sofort zurück auf den zweiten, den metastabilen Zustand. Es findet also eine Besetzungsinversion statt. Beim Zurückfallen (relaxieren) aus diesem Niveau in den Grundzustand werden Photonen mit einer Wellenlänge von 694,3 nm emittiert.

Diese Photonen hätten exakt die richtige Energiemenge um ein Elektron welches sich in den Grundzustand befindet in ein höheres Niveau anzuheben. Da sich nun aber mehr Elektronen in ein höheres Niveau befinden als im Grundniveau (die erwähnte Besetzungsinversion) werden die emittierte Photonen eher mit diesen metastabilen Elektronen kollidieren. Diese werden in der Folge auf ihren niedrigeren Energieniveau zurückfallen und ihre Portion Extraenergie in der Form eines Photons abgeben. Dieser Prozess wird rasch verstärkt da immer mehr Photonen emittiert werden. Es findet nun stimulierter Emission von Strahlung statt.

Die Photonen werden zwischen den beiden spiegelnden Flächen reflektiert und werden immer wieder durch das Gebiet in dem Besetzungsinversion herrscht geleitet. Eine solche Anordnung bezeichnet man als optischen Resonator, dies ist im Prinzip ein Schwingungsverstärker in der es zur Ausbildung stehender Wellen kommt. Hier wird das Licht beim Hin- und Herreflektieren zwischen den beiden Spiegeln immer weiter verstärkt, sodass immer mehr Kollisionen und Emissionen stattfinden. Die in den Rubinmolekulen gespeicherte Energie wird in sehr kurzer Zeit in Form eines Rotlichtimpulses freigesetzt: völlig identische Photonen mit gleicher Wellenlänge, Frequenz und Polarität tretten an der transparente Seite des Rubinstabes aus: Laserlicht mit einer Wellenlänge von 694,3 nm. Gas-Laser wie HeNe-Laser funktionieren in Prinzip gleich, nur ist hier das lasende Material ein Gasgemisch in einem Rohr.

Funktionsweise eines Halbleiter Lasers

Bei diesem Lasertyp werden Halbleiterdioden verwendet, die nach Anlegen einer Spannung aus der Sperrschicht heraus Licht emittieren. Halbleiter sind Feststoffe, deren elektrische Leitfähigkeit zwischen der von elektrischen Leitern und der von Nichtleitern liegt. Diese Dioden bestehen aus Halbleiterverbindungen wobei am häufigsten die III/V-Halbleiter verwendet werden, das sind Elemente aus der 3. und 5. Gruppe des Periodensystems (die Gruppe zwischen den Metallen und den Isolatoren). Der Grund hierfür ist, dass die energetischen Verhältnisse in diesen Halbleitern gerade so sind, dass bei der sog. Rekombination eines Elektrons mit einem Loch Licht entsteht. Die Wellenlänge des Lichtes wird bestimmt durch die Art der Halbleiterstoffe und deren Verhältnis zueinander. Wichtig in diesem Zusammenhang sind die sog. Dotierungen: bestimmte Fremdatome, welche dem Halbleitermaterial hinzugefügt werden um die Leitfähigkeit dieser Halbleitern gezielt zu beeinflussen. Es handelt sich dabei meistens um Stoffe wie Galliumphosphid ( GaP), Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) oder Indiumgalliumnitrid (InGaN).

Bei den Halbleiter-Lasern werden Übergänge im Halbleiter zur sogenannten Besetzungsinversion verwendet. Das funktioniert wie folgt. Ein Typ n-Halbleiter ist dotiert mit einem Elektronendonor. Das bedeutet, dass einem Element, zum Beispiel das 4-wertige Silizium, Fremdatomen beigefügt wurden zur gezielten Änderung der Leitfähigkeit. Dazu verwendet man ein Fremdatom das mehr Valenzelektronen besitzt als das verwendete Halbleitermaterial, zum Beispiel das 5-wertige Arsen (das rote As in der Abbildung).

Das Halbleitermaterial Silizium hat vier Valenzelektroden in der äußersten Schale und diese vier Außenelektronen werden zum Einbau in den Halbleiterkristall benötigt (Elektronenpaar-Bindung). Das Fremdatom Arsen von der Dotierung hat 5 Valenzelektronen und das fünfte Außenelektron ist nur noch sehr schwach an den positiven Atomrumpf des Arsen-Atoms gebunden, es werden ja nur deren 4 benötigt. Das 5. Elektron kann sich schon bei geringster Energiezufuhr von Arsen Atom lösen. Ein solcher n-Halbleiter leitet einen Strom ähnlich wie es normalerweise über einer Stromleitung gehen würde, über die durch den Donor (das Arsen) gelieferten Elektronen. Man nennt diese Halbleiter n-Halbleiter, weil ihre elektrische Leitfähigkeit von den negativen Donorelektronen herrührt.

Ein sog. p-Halbleiter leitet den Strom über sog. Löcher. Damit meint man Bereiche im Material in der einen Elektroden-Mangel existiert weil das Material mit einem Fremdatom dotiert wurde mit weniger Valenzelektronen, z.B. das 3-wertige Indium, das grüne In in der Abbildung.

Das Indium holt sich nun zur Festigung der Bindung aus der Umgebung ein Elektron (also vom Arsen) und dieses vom Indium geklaute Elektron fehlt nun woanders im Kristallgitter. Die Bereiche an denen das Elektron fehlt sind nun relativ positiv geladen weil das Indium dem Halbleiter ja einen Elektron weggenommen hat. Das Indium wird deshalb als Akzeptor bezeichnet. Die Löcher finden sich nicht immer an der gleichen Stelle sondern wandern. Halbleiter mit solchen beweglichen (positiv geladenen) Löchern nennt man deshalb p-Halbleiter.
Fügt man einen n-Halbleiter und eine p-Halbleiter zusammen erhält man eine Halbleiterdiode.

An der Grenzfläche, dem p/n-Übergang, zwischen den beiden Materialien dringen Elektronen aus dem n-Teil in den p-Teil des Halbleiters ein und im p-Teil werden die Elektronen von den positiv geladenen Löchern angezogen. Sobald ein Elektron so ein freier Platz, ein Loch, füllt sind dieses Elektron und das Loch als bewegliche Ladung nicht mehr vorhanden. Man nennt diesen Vorgang Rekombination.

Ebenso bewegen sich Löcher in den n-Teil hinein und rekombinieren mit den freien Elektronen. Nahe der Grenzfläche verschwinden also im p-Teil die Löcher und im n-Teil die freien Elektronen. Beidseits der Grenzfläche sind keine beweglichen Ladungsträger mehr vorhanden. Es entsteht eine dünne Schicht nahezu ohne bewegliche Ladungsträger. Man nennt diese Schicht die Verarmungszone. Sie ist etwa 1 µm = 1/1000 mm breit.

Das Eindringen von Elektronen in den p-Teil, bzw. von Löchern in den n-Teil, hat noch etwas anderes zur Folge: In der Verarmungszone ist die Ladungsbilanz nicht mehr ausgeglichen. Da ein Teil der Elektronen aus dem ursprünglich elektrisch neutralen n-Teil abgewanderd sind hinterlassen sie eine dünne Schicht mit einem Überschuss an positiver Ladung. Im p-Teil entsteht entsprechend ein negativer Ladungsüberschuss. Die beiden entgegengesetzt geladenen Schichten erzeugen nun, wie bei einem Plattenkondensator, eine elektrische Kraft und ein von der n- zur p-Seite gerichtetes elektrisches Feld. Dieses sogenannte Raumladungsfeld verhindert, dass weitere Elektronen und Löcher zur anderen Seite diffundieren und rekombinieren. Der Rekombinationsprozess wird auf dieser Weise vom aufgebauten elektrischen Feld gestoppt. Dieser Vorgang verhindert, dass sich die Verarmungszone über den ganzen Kristall ausbreitet, sondern nur die schon erwähnte Dicke von etwa 1/1000 mm erreicht. Die Dicke der Verarmungszone hängt allerdings stark von der Dotierung und ein wenig von der Temperatur ab.

Wenn nun das Halbleitermaterial in sog. Durchlassrichtung unter Spannung gesetzt wird (n-Seite negativ, p-Seite positiv gepolt) bewegen die Löcher im p-Teil von der Anode weg in die Verarmungszone hinein. Auf der p-Seite wird so die Verarmungszone dünner. Ebenso wandern auf der n-Seite Elektronen von der Kathode in Richtung Verarmungszone. Diese wird also auf beiden Seiten schmaler und verschwindet bei genügender Spannung sogar ganz.
Die Donorelektronen der n-Zone überqueren die Grenzfläche und rekombinieren laufend mit Löchern aus der p-Zone. Dabei wird selbstverständlich die Energie frei, welche für die Erzeugung eines Elektron-Loch-Paars aufgewendet worden ist. Die Energie wird von einer Spannungsquelle geliefert. Je nach Halbleiter wird diese freigesetzte Energie als Licht emittiert, so wie zum Beispiel bei einer LED. Das LED-Licht ist monochrom aber nicht kohärent, so wie bei einer Laser-Diode. Das LED-Licht wird so zu sagen chaotisch in allen Richtungen ausgestrahlt.

Die Endflächen einer Laserdiode sind wie beim Rubinlaser reflektierend. Zwischen diesen Flächen bildet sich auf diese Weise einen optischen Resonator, ähnlich wie beim oben beschriebenen Rubin-Laser. Die Photonen werden darin wie beim Rubin-Laser reflektiert und treten aus den partiell durchlässigen Ende der Diode aus. Dieses Licht ist im Gegensatz zu das Licht einer LED kohärent: Laser-Licht.

Eine LED funktioniert ähnlich. Das durch die Rekombination entstandene Licht kommt aber nicht in einem Resonator sonder wird direkt ausgestrahlt. Über die leuchtende Schicht liegt eine Linse, das Fenster in der Abbildung 8.10. Diese Linse dient dazu den empfindlichen Chip zu schützen und verteilt das entstandene Licht. Die Farbe des abgestrahlten Lichtes wird bestimmt durch die zusammenstellung des Halbleitermaterials, wobei zum Beispiel Galliumarsenid (GaAs) und Galliumarsenidphosphid (GaAsP) für resp. rotes und infrarotes Licht verwendet werden. In der Therapie werden meistens Gallium Aluminium Arsenid (GaAlAs)-Laser verwendet. Durch Variation des Ga : Al Verhältnisses können verschiedene Wellenlängen emittiert werden, welche kontinuierlich oder pulsierend abgegeben werden können. Manchmal werden mehrere Laserdioden oder LEDs in einem sog. Cluster zusammengefügt sodass größere Areale behandelt werden können.

Eine LED

Laserdioden sind heute die mit Abstand am häufigsten benutzten Laser. Die Vorteile dieser Dioden sind klar: sie sind kompakt, sehr wirksam, und die Stromversorgung ist einfach und sehr modulierbar. Zudem sind die Geräte ziemlich robust, in einer Physiotherapiepraxis einen nicht zu unterschätzenden Vorteil. In der PBM werden aber zunehmend LEDs eingesetzt und es wird zwischen den Befürworter des Lasers und die des LEDs seit vielen Jahren darüber zum Teil recht emotional gestritten ob nicht doch Laser gewisse einzigartige Eigenschaften besitzt welche die Laser Therapie effektiver machen (Heiskanen und Hamblin 2018). Die Zukunft wird es zeigen. Ein großer Vorteil der LEDs ist jedenfalls, dass die Kosten pro mW Leistung um ein Hundertfaches niedriger sind als bei Laser-Dioden und dass die Dinger praktisch gefahrlos von Patienten zu Hause verwendet werden könnten.

Wirkung des Laserlichtes auf das Gewebe

Es gibt eine enorme Verschiedenheit an Laser-Quellen mit einer entsprechenden Diversität an Applikationsweisen, Wellenlängen und Leistung. Die Behandlungs-Parameter werden in Studien leider nicht immer erwähnt und es besteht keinen klaren Konsens über wie die Dosierung beschrieben werden soll, mehr dazu weiter unten. Auch die Patientengruppen sind hinsichtlich ihrer Diagnosen oft sehr heterogen. Deshalb sind viele Studien leider nicht mit einander vergleichbar.

Dies macht die Beurteilung der therapeutischen Wirkung des Lasers sehr schwierig. Totzdem ist die Wirksamkeit der Laser-Behandlung bei einer Vielzahl Pathologien heute unumstritten (Bjordal et al 2003, 2006, Huang et al 2009, Huang et al 2011, Hamlin et al 2018). Es geht heute auch nicht mehr darum den Nachweiß zu erbringen dass Laser funktioniert, man hat sogar eine sehr gute Vorstellung darüber wie Laser funktioniert. Dies ist vor Allem ein großer Verdienst von der Forscherin Tiina Karu und ihr Team die in den 1980ern und 90ern die Grundlagen für das Verständnis der Wirkungsmechanismen des Laser-Lichts gelegt haben.

Die Auswirkung von Licht auf spezialisierten Photorezeptoren wie Rhodopsin, der Sehfarbstoff in der Retina der Augen von Wirbeltieren, und auf Chlorophyll, der Farbstoff, die Pflanzen ihre grüne Farbe gibt und mit denen sie bei der Photosynthese Lichtenergie in eine für sie nutzbare Form umwandeln ist besonders gut untersucht. Kurz und bündig: das Licht wird absorbiert und löst eine chemische Reaktion aus. Bestrahlung von Zellen ohne solche spezifische Photorezeptoren mit Licht von bestimmten Wellenlängen kann aber ebenso gewisse zelluläre biochemische Reaktionen beeinflussen.
Diese Reaktionen werden vermittelt durch sog. Photoakzeptoren (Karu 1999, 2004, 2008, 2010) und bilden die Basis für die bei der PBM beobachtete Effekte. Photoakzeptoren sind nicht auf die Aufname und Verarbeitung von Licht spezialisiert, wie die Photorezeptoren, deren Funktion kann aber dennoch durch Lichtenergie beeinflusst werden. Man muss dabei aber beachten, dass es sich bei der photochemischen Konversion durch lichtabsorbierenden Molekülen nicht um eine spezifische Wirkung des Laserlichtes handelt. Die gleiche Reaktionen treten auf bei der Bestrahlung mit Lichtquellen wie LEDs wenn man die entsprechende Wellenlängen benutzt.

Der Laser ist ein sehr praktisches Applikationsmittel weil die Geräte heute meistens nicht viel größer als einen sehr dicken Filzschreiber sind und außerdem kein Vermögen mehr kosten. Es ist aber sehr gut vorstellbar, dass man im Zukunft anstatt Laser die deutlich kostengünstigere LEDs benutzen wird. Ob die LEDs überall bei den gleichen Affektionen eingesetzt werden können wie Laser wird die Forschung zeigen (Laakso 1993, Chaves et al 2014, Heiskanen und Hamblin 2018).

Die photobiologische Reaktion basiert auf die Absorption von Photonen mit einer bestimmten Wellenlänge durch ein Molekül, dass auf Grund seiner chemischen Zusammensetzung durch Bestrahlung mit Licht angeregt werden kann, ein sogenanntes Photoakzeptormolekül.
Die Absorption des (Laser-) Lichtes in den Zellen findet in den sich in den Mitochondrienmembran befindlichen Cytochrome statt. Cytochrome kommen in alle Lebewesen vor und sind enzymatisch aktive, an der Membran der Mitochondrien gebundene farbige Proteine (daher der Name: Zellfarbstoff), welche bei der Zellatmung und bei anderen biochemischen Vorgängen als Redoxkatalysator wirken.

Das im aktiven Zentrum der Cytochrome befindliche Eisen-Ion kann während einer Elektronentransfer-Reaktion zwischen der zwei- (Ferro-Form, Fe2+, Fe(II)) und der dreiwertigen (Ferri-Form, Fe3+, Fe(III)) Form wechseln. Das Molekül wechselt in seiner Fe(III) Form durch Aufnahme eines Elektrons in den reduzierten Fe(II) Zustand. Das Gleiche passiert mit dem Kupfer-Ion, welches mit der Aufnahme und Abgabe eines Elektrons zwischen Cu(II) und Cu(I) wechseln kann. Im reduzierten Zustand dieser Ionen können die Elektronen an den nächsten Überträger weitergeben und so weiter, deshalb die Bezeichnung Elektronentransportkette. Die biologische Funktion der Cytochrome besteht also in der Elektronenübertragung, man nennt sie dann auch „Elektronencarrier“.

Weil Cytochrome über anregbaren Elektronen verfügen, können sie mit Licht stimuliert werden, dies obwohl die Cytochrome für ihre Funktion nicht von einer Lichtbestrahlung abhängig sind: sie funktionieren selbstverständlich auch im Dunkeln. Jede Zelle im menschlichen Körper besitzt solche Cytochrome und kann deshalb mit Licht stimuliert werden. Es gibt viele Hinweise dafür, dass bestimmte Wellenlängen eine spezifische alles oder nichts Auswirkung auf solchen Photoakzeptoren haben und deshalb enzymspezifische Effekte auslösen können (Karu). Das Licht muss dazu, wie erwähnt, nicht kohärent sein: in Prinzip hat jedes monochromatische Licht mit einer bestimmten Wellenlänge bei adäquater Intensität die gleiche Auswirkung.

Die Hauptwirkung ist die Stimulation der Zellstoffwechsel wobei das Licht durch Enzyme der Atmungskette absorbiert wird. Es hat sich gezeigt, dass es für diese Stimulation ein Dosis-Fenster gibt: eine Über- und Unterdosierung hat keinen oder sogar einen hemmenden (sog. biosuppressiven) Effekt (Karu 1990, Huang et al 2009, 2011). Auch wurde nachgewiesen, dass Zellen, in denen bereits optimale Stoffwechselbedingen bestehen, nicht weiter stimuliert werden können. Dies ist wahrscheinlich auch ein Grund dafür, dass manche Studien keine Wirkung haben nachweisen können: es gibt in einer bereits optimal ablaufende Reaktion wahrscheinlich nichts zu stimulieren.

Die Atmungskette

Die Zelle macht aus Glukose und Sauerstoff Kohlendioxid und Wasser. Dieser Prozess ist exotherm, es kommt dabei Energie frei. Diese Energie wird in ATP gespeichert. Die Atmungskette ist die letzte Stufe des Glucose-Abbaus wobei das Ziel dieses Abbaus die Synthese von ATP ist. Der Vorgang wird auch oxydative Phosphorylierung genannt. In der letzten Phase dieses Prozesses verbindet sich Sauerstoff mit Wasserstoff zu Wasser und dabei wird Energie freigesetzt. Diese Reaktion bezeichnet man als Knallgasreaktion. Wir kennen diese Reaktion aus dem Chemieunterricht: der Lehrer produzierte mittels einer Elektrolyse H2 und O2 und führte diese Gase in einem Reagenzglas zusammen. Danach zündete er das Gemisch an und es machte pfüüüt im Reagenzglas wobei Energie in der Form von Wärme und Licht und etwas Schall freigesetzt wurde. Und etwas Wasser selbstverständlich. Dasselbe ist 1937 dem Hindenburg in Lakehurst passiert.

Damit also die Zelle bei diese Reaktion nicht zerstört wird, lässt Mutter Natur sie in einer sog. Elektronentransport-Kette in mehreren harmlosen Teilschritte ablaufen, wobei auf jede Stufe nur wenig Energie freigesetzt wird. Die Netto-Energieausbeute bleibt aber gleich groß. Diese Energie wird u.A. dazu benutzt aus ADP und Phosphat ATP zu synthetisieren.

Die Atmungskette. Die PBM wirkt auf den Schritt mit Cytochrom ein (IV) .©Spektrum, Heidelberg, mit freundlicher Genehmigung.

Man ist sich heute ziemlich sicher, dass Laser primär eine Beschleunigung des Elektronentransportes bewirkt. Elektronen sind nämlich im Anregungszustand weniger stark an das Fe-und Cu- Ion gebunden als im stabilen Grundzustand. Die Energie der absorbierten Photonen wird chemisch auf die Redoxzentren der Enzyme der Atmungskette übertragen, wodurch die Oxidation leichter verläuft und die ATP-Synthese gesteigert wird. Zudem wird eine thermische Aktivierung der Enzyme diskutiert, diese ist in vivo aber vernachlässigbar klein. Speziell das an der Atmungskette beteiligte Cytochrom-c oxydase reagiert auf einer Laserstimulation mit einer erhöhten Aktivität (Abb. 8.11). Eine Stimulation dieses intrazellulären Prozesses löst eine Vielzahl unterschiedliche sekundäre Reaktionen aus wie z.B. eine verstärkte RNA- und Proteinsynthese, Prozesse welche ablaufen lange nachdem die Bestrahlung aufgehört hat.

Lasereffekte

Es werden vier Haupteffekte des Lasers beschrieben (Tabelle)

• eine vermehrte Zellproliferation
• ein entzündungshemmender Effekt
• ein antiödematöser Effekt.
• ein analgetischer Effekt

Speziel für den entzündungshemmenden Effekt gibt es viele Belege: die Bildung von PGE2, TNF-alpha und IL1 wird gehemmt, ebenso die Cyclooxygenase 2 (COX2). Die entzündungshemmende Wirkung von PBM ist sogar ebenso ausgeprägt wie die von Indomethacin, Celecoxib und Diclofenac. Die verwendete Dosierung lag bei diesen Untersuchungen um 7.5 J/cm² (0.7 bis 19 J/cm²) . Diese Wirkungen haben in den ersten 72 Stunden nach einer Verletzung Einfluss auf die Ödembildung und dadurch auf die Durchblutung, und auf die Bildung von Nekrosen und Hämatomen. Bjordal (2006) empfiehlt nach Ablauf dieser Zeit die Wundheilung zu beeinflussen mit einer Dosis von 2 J/cm² pro Punkt. Nebenbei: In Untersuchungen mit negativen Ergebnissen wurde durchwegs unterdosiert: deutlich weniger als 5 J/cm² Gesamtdosis.

Der analgetische Effekt führt man auf einer Freisetzung von β-Endorphin zurück (Laakso 1994). Das Laserlicht setzt aus den Mastzellen und Makrophagen unter Anderem Interleukin-1 frei. Das Interleukin aktiviert die Freisetzung von CRH aus dem Hypothalamus und damit die Hypothalamus-Hypophyse-Nebennierenrinde-Achse (Sapolski et al 1987). Das CRH bewirkt im Hypophysenvorderlappen eine Aufspaltung von Pro-opiomelanocortin (POMC) in ACTH und β-Endorphin. Laakso konnte die Beteiligung von β-Endorphine aber nicht mit Sicherheit bestätigen da Naloxone die Schmerzlinderung nur geringfügig herabsetzte. Bjordal (2006) zweifelt die Beteiligung von β-Endorphinen bei der Schmerzlinderung deshalb an.

Eine weitere Erklärung der Schmerzlinderung geht von der Beteiligung von Serotonin aus (Ceylan et al 2004). Die Untersucher haben festgestellt, dass nach einer Behandlung mit einem He-Ne-Laser die 5-Hydroxyindolessigsäure konzentration im Urin stark erhöht war und zwar einige Tage vor Eintritt der Schmerzlinderung. Das 5HIAA ist ein Metabolit von Serotonin.

Laser wird in der Dermatologie bei der Behandlung schlechtheilender Wunden und Ulcera eingesetzt. Ebenso erfolgreich ist der Einsatz von Laser bei der Behandlung von Probleme aus der Orthopädie und Rheumatologie wie zum Beispiel bei Arthritiden, Bursitiden, in der Triggerpunkt-Therapie und bei der Stimulation von Akupunkturpunkten.

Lasertypen

PBM-Geräte gibt es in unterschiedlichen Ausführungen. Man versteht unter PBM die therapeutische Anwendung von Laser mit Licht von so niedriger Intensität, dass es zu keinem Zeitpunkt zu einer Gewebeschädigung kommt. Laserlicht soll stimulieren aber nicht erwärmen. In der Praxis bedeutet das, dass die Leistungsdichte unter 5 mW/mm2 bzw. unter 500 mW/cm2 bleiben muss. Dieser Wert ist der niedrigste Wert wobei je eine Gewebeerwärmung festgestellt wurde.

Grundsätzlich gibt es Laser, die ihre Energie kontinuierlich abgeben und solche, die pulsieren. Zudem gibt es Laser, die Ihre Energie im unsichtbaren Infrarot-Bereich (IR) abgeben und solche, die sichtbares Rotlicht produzieren. Andersfarbige Laser sind für die Therapie nicht interessant, weil diese eine äußerst geringe Penetrationstiefe haben. Die Wellenlängenbereiche zwischen 670 und 690 nm (Rotlicht) und 760 bis 900 nm (IR) beeinflussen den Redoxprozess der Atmungskette positiv (Chung et al 2012, de Freitas und Hamblin 2016), deshalb sollte ein Therapie-Laser zumindest eins dieser Bereiche abdecken. Diese positive Wirkung wurde zuerst rein zufällig festgestellt, später wurde die Wirkung anhand der Erstellung sog. Aktionsspektra (auch Wirkungsspektrum genannt)bestätigt.

Dieses Spektrum zeigt die Größe eines biologischen Effektes in Abhängigkeit von der benutzten Wellenlänge, z.B. gemessen an der O₂- Produktion. Ein Absorptionsspektrum ist die grafische Darstellung des Absorptionsvermögens von zum Beispiel Enzyme in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichtes. Dieses Spektrum deckt sich größtenteils mit dem Aktionsspektrum. (Abb.) Anhand des Aktionsspektrums kann das Enzym identifiziert werden welches für ein bestimmter Prozess verantwortlich ist. Wenn man nun das Aktionspektrum eines bestimmten Enzymes kennt kann man dessen Funktion mit der entsprechenden Wellenlänge stimulieren (Karu und Kolyakov 2005).

Aktionsspektrum. Abszisse: Wellenlänge in nm, Ordinate : relative Absorption. Die in diesem Beispiel beobachtete Reaktionen werden stimuliert mit verschiedenen Wellenlängen, zum Beispiel phytochrome (Pr) mit 650 nm. Mit freundlicher Genehmigung, Eichhorn Bilodeau et al 2019, https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Auch IR-Laser mit einer Wellenlänge ab etwa 780 nm sind therapeutisch wirksam, jedoch werden mit zunehmender Wellenlänge die therapeutische Effekte angeblich schwächer, anders ausgedrückt: die erforderliche Leistungsdichte wird größer. Dafür hat das im Vergleich zum Rotlicht langwellerige IR-Licht die größere Penetrationstiefe von etwa 3 mm, bei Rotlicht-Laser beträgt diese Tiefe etwa 1 mm. Die Penetrationstiefe ist die Tiefe, wo die Energie noch 37% der abgegebenen Intensität beträgt. Manche Autoren (Laakso et al 1993) behaupten allerdings, dass der 830 nm IR-Laser bis zu 5 cm eindringt und die Endorphin stärker anregt als ein Rotlicht-Laser. Da auch die Aktionsspektra bei 800nm eine erhöhte RNA-Synthese zeigen (allerdings etwas weniger ausgeprägt als um 600 nm) ergibt es durchaus einen Sinn einen solchen Laser einzusetzen.

Ob die Wirkung eines Rotlicht-Lasers sich wesentlich unterscheidet von der eines IR-Lasers ist unklar. Man vermutet neben der Stimulation der Atmungskette einen Einfluss auf Membranmoleküle wie zum Beispiel die Transient Receptor Potential (TRP) Ca²⁺ -Ionenkanäle welche aktiviert werden mit 980 nm IR-Licht (Wang et al 2016). Dies könnte dann einen Einfluss auf die Ca2+ Konzentration im Zytosol und in den Mitochondrien haben. Es scheint aber eher unwahrscheinlich, dass es eine scharfe Grenze zwischen den Wirkungsmechanismen im sichtbaren und infraroten Bereich gibt. Es wäre natürlich genau so gut möglich, dass solche photophysikalische Prozesse beim Rotlicht-Laser eine Rolle spielen.

Nahe an der Laserquelle nimmt die Energie exponential ab. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Leistungsabnahme weiter von der Quelle entfernt (im Gewebe) nahezu linear ist. Die Energie eines 200 mW GaAlAs-Lasers betrug in einer Untersuchung nach 15 mm im Gewebe nur noch 16 mW. Tiefer im Gewebe nahm die Leistung langsam ab bis diese auf 34 mm noch 1.4 mW betrug.

Optisches Fenster. Wellenlängen < 650 nm und > 1200 nm werden zu stark absorbiert. Nach Chung et al 2012, mit freundlicher Genehmigung.

Lasertyp und Wellenlänge

Es gibt ein sog. optisches Fenster im Gewebe das definiert, welche Wellenlängen optimal penetrieren können (Abb). Wellenlängen kürzer als 650 nm werden stark absorbiert durch Hämoglobin und Melatonin, Wellen als dem langwelligen IR-Bereich ab etwa 1200 nm werden durch das Wasser im Gewebe stark absorbiert. So ensteht ein Fenster für Wellenlängen zwischen 650 nm und 1200 nm und das ist der Grund, weshalb für die Therapie fast ausschließlich Rotlicht- und Infrarot-Laser aus dem nahen IR-Bereich verwendet werden (Huang et al 2009).

Bei den in der Therapie eingesetzten Laser handelt es sich der Regel um Indium-Laser. Meistens betrifft es hier den Gallium-Aluminium-Indium-Phosphid-Laser, abgekürzt GaAlInP wobei die Buchstaben-Reihenfolge variiert. Dieser Halbleiter-Laser gibt (wie der Helium-Neon = HeNe-Gas- Laser) sichtbares rotes Licht im Wellenlängenbereich 630-670 nm ab und sind am wirksamsten bei Problemen der Haut und Schleimhäute, u.A. Herpes und Gürtelrose, Faszialisparese, Trigeminus-Neuralgie, offenen Beinen, varikösen Beingulcera und Dekubitus.

Ein zweiter Laser-Typ ist der Aluminium-Laser. Die vollständige Bezeichnung ist Gallium-Aluminium-Arsenid, abgekürzt GaAlAs. Die Wellenlänge liegt zwischen 780 und 890 nm, also im unsichtbaren nahen Infrarotbereich. Dieser Halbleiter-Laser arbeitet meist kontinuierlich, kann aber gepulst werden und hat in vitro eine Penetrationstiefe von maximal 2 mm (Kolari und Airaksinen 1993). Er eignet sich am besten für die Behandlung von Sehnen, kann aber auch bei der Behandlung von Hauterkrankungen wie offenen Beinen und Herpes Zoster eingesetzt werden.

Der dritte Typus ist der Gallium-Laser. Die vollständige Bezeichnung ist Gallium-Arsenid-Laser, abgekürzt GaAs. Dieser Halbleiter-Laser gibt unsichtbare Infrarot-Strahlung mit einer Wellenlänge von 904 nm ab. Er arbeitet immer gepulst mit extrem kurzen Pulsen (sog. supergepulst 100-200 ns. 1 ns = 1 Nanosekunde = 1 milliardstel Sekunde = 1x10^-9 = 0,000000001 s) von hoher Intensität (1 bis 20, bis manchmal 50 Watt Spitzenleistung), ungefähr wie eine Blitzlampe. Die Tiefenwirkung wird dadurch bedeutend größer als bei einem Laser mit derselben Wellenlänge, der nicht supergepulst ist. Messungen zeigen, dass je nach Anwendungstechnik und Gewebe die Penetrationstiefe 3-5 cm beträgt. Dieser Laser ist am besten für tiefliegende Probleme in Rücken, Nacken, Schultern und Knien, bei Sehnenentzündungen, Arthrosen und myofaszialen Schmerzen geeignet. Das tiefere Eindringen erklärt man sich mit einer Art Ausbleich-Phänomen (photobleaching phenomenon = fading): der erste Impuls bleicht das Gewebe aus (genauer: die Chromophoren, also Molekülteile, die für deren Farbe verantwortlich sind) so dass der zweite Impuls tiefer eindringen kann (Kusnetzow et al 2001).

Dosisberechnung

Die durch das Gewebe aufgenommene Energie während einer Behandlung, auch Dosis genannt, wird ausgedrückt in Joule (J) und wird üblicherweise berechnet mit der Formel

Dosis (J) = Laserleistung (W) x Behandlungszeit (s)
Oder: Dosis (J) ÷ Leistung (W) = Behandlungszeit (s)

Falls die Dosis aber nur in Joules angegeben wird führt dies zu Problemen. Beispiel: Man möchte ein Triggerpunkt mit 5 J behandeln. Diese Dosis hat man mit einem 1000 mW Laser nach 5 Sekunden erreicht. Mit einem 250 mW Laser hat man die gleiche Dosis nach 20 Sekunden erreicht. Das bedeutet aber nicht, dass der therapeutische Effekt derselbe ist. Laser-Anwender kennen dieses Phänomen aus der Praxis, es scheint für die Behandlung einen gewissen Soft-Spot zu geben. Es gibt tatsächlich eine Vielzahl von Prozessen, wobei man eine nicht-lineare Dosis-Wirkungs-Beziehung (Englisch: Biphasic Dose Response) beobachten kann (Huang et al 2009, 2011, Hamblin et al 2019). Eine zu niedrige Energiedichte oder zu kurze Bestrahlung hat kein Effekt auf die Pathologie, eine zu hohe Energiedichte oder zu lange Bestrahlungszeiten kann hemmend wirken oder sogar schädlich sein. Huang et al listen in ihre Übersicht aus dem Jahre 2011 eine Vielzahl Untersuchungen auf, die diese Beobachtung unterstützen, wir verzichten aus Platzgründen auf deren Publikation.

Die Erklärung für dieses Phänomen sehen Huang et al in der intrazellulären Produktion von ROS (Reactive Oxygen Species, Reaktive Sauerstoffspezies, veraltet “Sauerstoffradikale“). Die Untersucher meinen, es wären zwei Typen dieser Verbindung an diesem Phänomen beteiligt, der eine Typus wird produziert unter Einfluss von eher niedrigen Leistungsdichten und im Zusammenhang mit der stimulierten Funktion der Atmungskette. Diese ROS stimulieren viele intrazelluläre Prozesse die für das Überleben der Zelle wichtig sind (Ristow 2014, Shadel 2015). Bei höheren Leistungsdichten, also wenn mehr Energie „reingepumpt“ wird, entsteht eine zweite ROS-Spitze die eine Schädigung der Mitochondrien verursacht mit schlussendlich eine Apoptose. Noch ist unklar, ob es sich dabei um unterschiedliche chemische Verbindungen handelt oder ob die „Radikale“ einfach in einer größeren Menge auftreten.

Bei Dosisangaben muss man also die Leistung und Wellenlänge des Lasers nennen, die abgegebene Energie pro cm², die Leistungsdichte in J/cm² und die Bestrahlungsdauer in Sekunden.

WICHTIG Die Leistung eines Lasers wird direkt an der Diode gemessen und diese Leistung wird normalerweise vom Hersteller am Gerät vermerkt. Es gibt aber Laser wobei das Laserlicht ehe es aus der Sonde herauskommt, seinen Weg durch eine mehr oder weniger lange Optik zurücklegen muss. Je nach Eigenschaften dieser Optik können bis zur Austrittstelle Leistungsverluste von bis zu 50% auftreten. Nicht ganz unwichtig.