Kleinstes 3D-gedrucktes Miniatur-Endoskop der Welt liefert höchst genaue Bilder aus dem Inneren von Adern

Forschende der UniversitĂ€ten Stuttgart und Adelaide sowie weiterer Forschungseinrichtungen in Australien entwickelten eine im 3D-Druck hergestellte Mikrooptik mit einem Durchmesser von nur 125 Mikrometern. Dies ermöglicht erstmals endoskopische Untersuchungen von Ablagerungen in HerzkranzgefĂ€ĂŸen oder in der Halsschlagader und hilft, die Gefahr eines Schlaganfalls oder Herzinfarkts frĂŒhzeitig zu erkennen. Die Arbeit wurde in Nature Light Science and Applications publiziert.

Die Endoskopie erlaubt es, mit Hilfe eines röhrenförmigen Instrumentes in den Körper hineinzuschauen, zum Beispiel bei einer Darm- oder Magenspiegelung. Leider sind diese Instrumente hĂ€ufig noch immer so dick wie ein Finger und nicht geeignet, um in feinste Arterien vorzudringen. Abhilfe verspricht die Glasfaser-Technologie, denn die haarfeinen Fasern sind nur 125 Mikrometer dick. Das Hauptproblem ist es dabei, die Glasfaser mit einer Optik zu bestĂŒcken, die einen Laserstrahl zur Seite ablenkt, die GefĂ€ĂŸwand abtastet und das reflektierte Licht wieder in die Glasfaser einkoppelt. Dabei kommt eine Technologie namens „Optische KohĂ€renztomographie (OCT)“ zum Einsatz, die viele von der Netzhautuntersuchung beim Augenarzt kennen dĂŒrften. Bei dieser Technik wird ein Laserstrahl, dessen Farbspektrum relativ breit ist, auf das zu untersuchende Gewebe gerichtet, und die Analyse des reflektierten Lichtes ermöglicht eine genaue Tiefenkartierung des untersuchten Gewebes.

Dr. Simon Thiele aus der Gruppe von Prof. Alois Herkommer vom Institut fĂŒr Technische Optik der UniversitĂ€t Stuttgart sowie die 3D-Druck-Experten um Prof. Harald Giessen vom 4. Physikalischen Institut entwickelten nun zusammen mit Dr. Jiawen Li und Prof. Robert McLaughlin von der UniversitĂ€t Adelaide sowie Kolleginnen vom Royal Adelaide Hospital, vom SAHMRI Institut in Adelaide und vom Monash Cardiovascular Research Center in Melbourne eine 3D-gedruckte Mikro-Optik von nur 125 ”m Durchmesser, die direkt auf die Glasfaser gedruckt werden konnte. Diese Mikrooptik ist in der Lage, das Laserlicht zur Seite abzulenken, auf einen Punkt zu fokussieren und gleichzeitig die Laserstrahl-Verzerrung beim Durchgang durch eine kapillar-förmige Kunststoff-HĂŒlle, die zum Schutz des Endoskops angebracht ist, zu korrigieren. Mit dem Laserstrahl tastet der Arzt spiralförmig die Innenwand eines GefĂ€ĂŸes ab und bekommt so höchst genaue 3-dimensionale Bilder – direkt aus dem Inneren der Ader.

Plaques und Cholesterin-Kristalle werden sehr frĂŒh entdeckt

Die so entstandene kleinste komplexe Endoskop-Optik der Welt hat mit HĂŒlle einen Durchmesser von weniger als einen halben Millimeter. Sie wurde von den Australiern mit ihren OCT-Systemen kombiniert und dann in den beteiligten Kliniken in eine menschliche Halsschlagader sowie in MĂ€use-Arterien eingefĂŒhrt. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass sie durch Rotation der Optik in einer flexiblen HĂŒlle extrem hochauflösende, 3-dimensionale Aufnahmen der GefĂ€ĂŸe machen konnten. Bei der weiteren Untersuchung der GefĂ€ĂŸe zeigte sich, dass die wesentlichen Ursachen von GefĂ€ĂŸkrankheiten, nĂ€mlich die Plaques sowie die Cholesterin-Kristalle, in den berĂŒhrungslosen Laser-OCT-Endoskopie-aufnahmen schon sehr frĂŒh erfasst werden konnten.

Dr. Simon Thiele, der fĂŒr das Design dieser Miniaturoptik verantwortlich war, glaubt, dass zu den bisher weltweit ĂŒber 400 000 durchgefĂŒhrten OCT-Endoskopieuntersuchungen Millionen weitere hinzukommen könnten, da das Miniatur-Endoskop leicht in Adern mit nur 0,5 mm Innendurchmesser eingefĂŒhrt und gedreht werden kann. „Ich hoffe, dass man Plaque-Ablagerungen in Zukunft rechtzeitig detektieren kann, und vielleicht wird es einmal möglich, mit einem geeigneten Laserstrahl diese Thromben rechtzeitig aufzulösen“, so der Stuttgarter Wissenschaftler.

Sprung an den Markt

Thiele ist dabei, mit einem Partner die 3D-gedruckten Mini-Optiken in einer AusgrĂŒndung zu kommerzialisieren. Die Firma Nanoscribe GmbH aus Karlsruhe, die selbst vor 11 Jahren vom KIT ausgegrĂŒndet wurde und in der Zwischenzeit ĂŒber 70 Mitarbeiter beschĂ€ftigt und im vorletzten Jahr aus der Hand von MinisterprĂ€sident Kretschmann den Landespreis fĂŒr Junge Unternehmen erhielt, hat den ultraprĂ€zisen 3D Drucker gebaut. Die Carl Zeiss AG aus Oberkochen, WeltmarktfĂŒhrer im Bereich Medizintechnik, hat sich bereits an der Firma Nanoscribe beteiligt. UnterstĂŒtzt wurden diese Forschungen vom Bundesministerium fĂŒr Bildung und Forschung, von der Baden-WĂŒrttemberg-Stiftung, und vom Deutschen Akademischen Austauschdienst (DAAD).

Zum Originalbeitrag vom 23.07.2020

 

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