Optimierung der Laserepilation durch Simulation der thermischen Wirkung der Laserstrahlung

Für die Optimierung der verschiedenen Laserparameter für eine möglichst schonende aber effektive Epilation sind Kenntnisse über die Temperaturentwicklung im Gewebe nach Laserbestrahlung von grundlegender Bedeutung. Da nur die Hautoberfläche einer direkten Messung zugänglich ist, wurde der Temperaturverlauf im Gewebe mit Hilfe numerischer Verfahren berechnet.

Die Simulation der Lichtabsorption wurde mit Hilfe eines Monte-Carlo-Verfahrens durchgeführt. Unter Berücksichtigung der gewebespezifischen thermischen Eigenschaften wurde die Wärmeleitung im Gewebe mit einem Finite-Differenzen-Verfahren modelliert. Zur Beurteilung der biologischen Wirkung der Temperaturerhöhung wurde der Arrhenius-Formalismus als Maβ für die Schädigung des Gewebes in Abhängigkeit von Temperatur und Wirkdauer angewandt. Mit Hilfe der Simulationsprogramme wurden Temperaturverteilung und thermische Schädigung für verschiedene zeitliche Pulsprofile und verschiedene Energiedichten bei verschiedenen Bestrahlungsgeometrien berechnet. Als Kriterium der Güte der Epilationswirkung ist ein möglichst hoher Kontrast zwischen der thermischen Schädigung der Haarwurzel und der Epidermis anzusehen.

Durch die Berechnungen können die Unterschiede der Wirkung verschiedener Laser aufgezeigt und optimierte Pulsfolgen entwickelt werden. Die Möglichkeiten und Grenzen der Laserepilation können anhand dieser Rechnungen gut abgeschätzt werden. So kann gezeigt werden, dass eine Folge von Einzelpulsen für die Haut bei gleicher applizierter Energie günstiger ist als ein längerer Puls. Der höchste Schädigungsunterschied zwischen Epidermis und Haarwurzel ergab sich beim Alexandrit-Laser.

For hair removal lasers are used with wavelengths being selectively absorbed by melanin. As a consequence, laser radiation leads to an increase of the temperature not only in melanin containing structures of the hair, but also in the epidermis. Therefore, we simulated and studied the laser induced temperature rise in tissue for different laser wavelengths and temporal pulse profiles. Modifying the beam parameters can improve the selectivity of the method.

Monte-Carlo-Simulations were used to calculate light absorption in dermal structures considering the tissue specific optical properties. The thermal diffusion in tissue was calculated by a finite difference method. As a criterion for the biological reaction due to the temperature rise the Arrhenius formalism was used to determine tissue necrosis dependent on temperature and time of laser intervention.

The simulation program allows to calculate the temperature distribution and thermal necrosis for different pulse-trains, energies and radiation geometries. Superficial cooling has an important influence and has been considered in the calculations.

The results of our simulations for different laser types show differences in the thermal tissue reaction which can be used to optimize the treatment modalities. The potential and limits of laser epilation can be estimated from these results. For example, a series of laser pulses has some advantages compared to a longer single pulse.