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Zusammenfassung Das "Laser Assisted Capsular Shift Procedure", kurz LACS, bietet gegenüber bisherigen technisch anspruchsvollen arthroskopischen Techniken eine relativ einfache Möglichkeit, ein abnorm vergrößertes Kapselvolumen bei der Schulterinstabilität zu verkleinern und Remodellingvorgänge in der Kapsel einzuleiten. Um die biomechanischen Auswirkungen des LACS auf die Schultergelenkkapsel zu untersuchen, wurden in der vorliegenden Arbeit die drei Bandanteile des inferioren glenohumeralen Ligamentkomplexes (IGHL), anteriores Band, "axillary pouch" und posteriores Band (jeweils 16 Leichenpräparate) mittels eines Holmium:YAG-Lasers in drei verschiedenen Laserleistungsstufen (5,10 und 15 Watt) um 10 % ihrer Ausgangslänge geschrumpft. Vor und nach Laserapplikation wurden die einzelnen Bänder vermessen, anschließend in einer Universalprüfmaschine zunehmenden Zugbelastungen ausgesetzt und die Spannungs-/Dehnungskurven registriert. Aus dem Vergleich der Belastungskurven wurden die biomechanischen Veränderungen abgeleitet. Zur Schrumpfung der Bänder um 10% waren bei Laserleistungen von 5 bzw. 10 Watt Laserenergiedichten von ca. 50J/cm², bei 15 Watt von 27J/cm² nötig. Anteriores Band und "axillary pouch" zeigten zusätzlich eine signifikante Schrumpfung ihrer Breite, so daß sich die anteroinferiore Kapsel zur Volumenverringerung am besten eignen dürfte. Bei 10 Watt konnte die Laserenergie homogen auf die Bandinnenfläche aufgebracht und die Schrumpfung kontinuierlich gesteuert werden, so daß sich diese für die klinischen Anwendung eignet. Die Tiefenwirkung des Lasers und somit die Schrumpfung des kollagenen Gewebes nimmt mit der Laserleistung stark zu. Daher besteht zumindest bei 15 Watt, trotz geringerer applizierter Laserenergie, die Gefahr unkontrollierter Schrumpfung, punktueller Überhitzung und damit einer Schädigung tieferliegender Strukturen. Bei der Spannungs-/Dehnungsmessung während der mechanischen Tests zeigte sich, daß durch die Laserbehandlung die Bruchdehnung und -spannung der Bänder verringert wurde, alle Bänder zerrissen im gelaserten Bereich. Je höher die Laserleistung, desto stärker nahmen Bruchdehnung und -spannung ab. Das posteriore Band, als dünnstes der glenohumeralen Bänder, wurde bei 15 Watt Laserleistung praktisch "durchlöchert" und zeigte eine signifikant geringere Bruchspannung als bei der Behandlung mit 5 Watt. Das Elastizitätsmodul, das die Steifigkeit der Bänder unabhängig von ihrem Querschnitt beschreibt, nahm durch die Laserbehandlung um ca. ein Drittel ab, wiederum am stärksten beim posterioren Band. Die Erhitzung des kollagenen Gewebes unter Laserbestrahlung führt zu Denaturierung der Kollagenfibrillen in ein amorphes Gel und damit zu der gewünschten Verkürzung, gleichzeitig aber auch zu einer verminderten Belastbarkeit der glenohumeralen Bänder. Die "unmittelbar postoperativen" Ergebnisse dieser Arbeit scheinen im Widerspruch zu den positiven klinischen Stabilisationsergebnissen nach LACS zu stehen. Histologische Nachuntersuchungen an Patienten, die mit dem LACS behandelt wurden, zeigten im Verlauf Entzündungsreaktion, Fibroblastenproliferation und eine Einsproßung neuer Kollagenfasern in die nunmehr verkürzte Matrix der geschrumpften Schultergelenkkapsel. Sieben Monate postoperativ war wieder normales Kapselgewebe nachweisbar. Eine ausreichende Immobilisation und schonende Nachbehandlungsphase ist somit für das Stabilisationsergebnis nach LACS von entscheidender Bedeutung. Den Heilungsvorgängen muß genügend Zeit gewährt werden, wieder stabile Bandverhältnisse in der geschrumpften Kapsel herzustellen. Abstract Compared with traditional arthroscopic procedures for shoulder instability the "Laser Assisted Capsular Shift" procedure (LACS) is easy to perform and eliminates capsular redundancy and excessive joint volume. To evaluate the effect of laser energy on the mechanical properties of shoulder joint capsule, the anterior band, axillary pouch and the posterior band (16 cadaveric specimens each) of the inferior glenohumeral ligament complex (IGHLC) were laser treated in three groups (5,10 and 15 watts) to achieve shrinkage of approximately 10%. All specimen were first nondestructively mechanically tested to determine native properties, after laser applications the testing procedure was repeated, finally to failure. Stress/strain curves were recorded to determine the alterations of mechanical parameters. Laser energy densities of 50J/cm² (5 / 10 watts), respectively 27J/cm² (15 watts) were necessary to gain 10% shrinkage. Only anterior band and axillary pouch shrank significantly in width, so for reducing joint volume these regions might be the best. The depth of laser penetration and therefor tissue shrinkage increases extensively with laser energy. 15 watts laser application mode produces less controllable shortening and the risk to overheat and damage deeper structures like nerves etc., so 10 watts is the most common clinical application. Mechanical testing revealed reduced stress/strain failure values after laser application, all ligaments failed in the laser treated area. The posterior band, the thinnest of the glenohumeral ligaments, got almost "perforated" by 15 watts, its failure stress was significantly less than in the 5 watts group. Tensile (Young's) modulus was reduced by 30%, most at the posterior band. The heating of collagen tissue by laser treatment results in denaturation of the collagen fibrils and transition into a amorphous gel, causing shrinkage but also reduced stiffness of the ligaments. These just "postsurgery" results seem to be inconsistent to the promising clinical experience with the LACS procedure. Histologic evaluations of laser treated glenohumeral joint capsule show inflammation, proliferation of fibroblasts secreting new collagen matrix to replace the shrunken hyalinized tissue. Seven months postsurgery the joint capsule appeared almost normal. Sufficient immobilization and careful rehabilitation are necessary to achieve satisfying stabilization after LACS. Tissue healing and maturation after thermal treatment by LACS need enough time before the shortened joint capsule is again capable of withstanding physiological loads.

Die vorliegende Dissertation beschreibt die Entwicklung und Implementierung des lokal autokompensierenden Bildsensors LACS (Locally AutoCompensating Image Sensor). Eine der größten Herausforderungen beim Entwurf von CMOS-Bildsensoren ist prinzipiell die Kombination einer hohen Empfindlichkeit mit einem weiten Dynamikbereich. Beide Attribute sind Voraussetzungen für die Detektion schwacher Lichtsignale in der Umgebung starker optischer Störsignale, die daher zu widersprüchlichen Anforderungen an einen Bildsensor führen. Detaillierte Untersuchungen verschiedener hochdynamischer Sensorsysteme zeigen, daß zusätzliche Rauschbeiträge die erzielte Dynamikerweiterung stark einschränken. Der intelligente Bildsensor LACS blendet auftretende Störbeleuchtung aus, indem der entsprechende Anteil des Photostroms pixelweise automatisch kompensiert wird. Auf diese Weise steht eine hohe Empfindlichkeit zur Verfügung, ohne daß der Dynamikumfang reduziert wird. Die Eigenschaften der Pixel- sowie Peripherieelektronik des LACS werden mit Hilfe von numerischen Simulationen und analytischen Modellen beschrieben. Die Untersuchung von zeitlichem und örtlichem Rauschen sowie die Analyse von Nichtidealitäten des LACS-Pixels stehen dabei im Vordergrund. Während sich das Photonenrauschen als dominante Quelle zeitlichen Rauschens herausstellt, bestimmen die räumlichen Schwankungen des Kompensationsstroms die physikalischen Grenzen des Sensors. Die mit der ersten lokal autokompensierenden Kamera aufgenommenen Bilder bestätigen die Funktionalität des autokompensierenden Konzepts sowie die Ergebnisse der theoretischen Betrachtungen. Die Kamera generiert die erforderlichen Steuersignale und transferiert die aufgenommenen Bildsignale an einen Rechner. Der LACS-Prototyp wurde in einem 0,35 µm-CMOS-Prozeß realisiert und besteht aus 32 × 32 Pixeln. Die Pixelelektronik umfaßt neun Transistoren und zwei Kapazitäten. Die Pixelfläche beträgt insgesamt (38 µm)2. Die Peripherieelektronik des LACS verfügt über eine Schaltung zur korrelierten Doppelabtastung (Correlated Double Sampling, CDS), die eine Reduzierung von Fixed Pattern Noise (FPN) ermöglicht. This Ph.D. thesis describes the development and implementation of the image sensor LACS (Locally AutoCompensating Image Sensor). One of the most challenging problems in designing CMOS image sensors is the combination of high sensitivity and wide dynamic range. Both are required for the detection of weak optical signals that are surrounded by bright ambient light, which principally leads to contradictory demands on the image sensor design. Various dynamic range enhancing concepts are analysed. It can be shown, that the apparently achieved dynamic range enhancement is largely limited by additional noise contributions. The intelligent image sensor LACS suppresses ambient light by automatically compensating the corresponding part of the photo current. Thus, a high sensitivity is provided for the detection of weak signals without limiting the dynamic range of the captured scene. The characteristics of the LACS-pixel and the sensor’s periphery are described using numerical simulations and analytical models. Emphasis is placed on the analysis of noise and fixed pattern noise (FPN) as well as the deviation of the compensating current from ideal behaviour. While photon shot noise turns out to be the dominant noise source, the sensor’s performance is mainly determined by the FPN of the compensation current. Sample images taken by the first autocompensating camera validate the functionality of the locally autocompensating concept as well as the results from calculations and simulations. The camera provides the control signals and transfers the achieved data to a computer. The LACS-prototype was realized using a 0.35 µm-CMOS process and consists of 32 × 32 pixels. Each pixel measures (38 µm)2 and includes nine transistors and two capacitances. Random access is provided as well as correlated double sampling (CDS) to reduce fixed pattern noise.