Laser-Tissue Interactions

Medical practitioners, scientists and graduate students alike will find this exhaustive survey a vital learning tool.
It provides a thorough description of the fundamentals and applications in the field of laser-tissue interactions.
Basic concepts such as the optical and thermal properties of tissue, the various types of tissue ablation, and optical
breakdown and its related effects are treated in detail. The author pays special attention to mathematical tools (Monte
Carlo simulations, the Kubelka-Munk theory etc.) and approved techniques (photodynamic therapy, laser-induced
interstitial thermotherapy etc.). A section on applications reviews clinically relevant methods in modern medicine
using the latest references.

Content Level ?Professional/practitioner

Keywords ?Biomedical optics - Laser medicine - Laser techniques - Medical physics - Spectroscopy

Related subjects ?Atomic, Molecular, Optical & Plasma Physics - Biophysics & Biological Physics - Optics & Lasers -
Production & Process Engineering - Surgery


Table of Contents
1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Historic Review . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Goal of the Book . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2. Light and Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1 Reflection and Refraction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2 Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3 Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.4 Turbid Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.5 Photon Transport Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.6 Measurement of Optical Tissue Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.7 Questions to Chapter 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3. Interaction Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.1 Photochemical Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.1.1 Photodynamic Therapy (PDT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.1.2 Biostimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.1.3 Summary of Photochemical Interaction. . . . . . . . . . . . . . 58
3.2 Thermal Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.2.1 Heat Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.2.2 Heat Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.2.3 Heat Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.2.4 Laser-Induced Interstitial Thermotherapy (LITT) . . . . 81
3.2.5 Summary of Thermal Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.3 Photoablation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.3.1 Model of Photoablation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.3.2 Cytotoxicity of UV Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.3.3 Summary of Photoablation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.4 Plasma-Induced Ablation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.4.1 Model of Plasma-Induced Ablation . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
3.4.2 Analysis of Plasma Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
3.4.3 Summary of Plasma-Induced Ablation . . . . . . . . . . . . . . 125
3.5 Photodisruption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
3.5.1 Plasma Formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
XVI Table of Contents
3.5.2 Shock Wave Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
3.5.3 Cavitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
3.5.4 Jet Formation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
3.5.5 Summary of Photodisruption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
3.6 Questions to Chapter 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
4. Medical Applications of Lasers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
4.1 Lasers in Ophthalmology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
4.2 Lasers in Dentistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
4.3 Lasers in Gynecology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
4.4 Lasers in Urology. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
4.5 Lasers in Neurosurgery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
4.6 Lasers in Angioplasty and Cardiology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
4.7 Lasers in Dermatology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
4.8 Lasers in Orthopedics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
4.9 Lasers in Gastroenterology. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
4.10 Lasers in Otorhinolaryngology and Pulmology. . . . . . . . . . . . . . 241
4.11 Questions to Chapter 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
5. Laser Safety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
5.2 Laser Hazards. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
5.3 Eye Hazards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
5.4 Skin Hazards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
5.5 Associated Hazards from High Power Lasers . . . . . . . . . . . . . . . 253
5.6 Laser Safety Standards and Hazard Classification . . . . . . . . . . . 253
5.7 Viewing Laser Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
5.8 Eye Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
5.9 Laser Beam Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
5.10 Questions to Chapter 5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
A. Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
A.1 Medical Neodymium Laser System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
A.2 Physical Constants and Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
B. Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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