Ob Chirurgen mit einem traditionellen Skalpell schneiden oder mit einem chirurgischen Laser abschneiden, die meisten medizinischen Operationen entfernen neben den schlechten auch etwas gesundes Gewebe. Dies bedeutet, dass Ärzte und Patienten bei empfindlichen Bereichen wie Gehirn, Hals und Verdauungstrakt die Vorteile der Behandlung gegen mögliche Kollateralschäden abwägen müssen.
Ein Foto des 9,6-Millimeter-Sondengehäuses (rechts) neben dem Gehäuse des früheren Prototyps der 18-mm-Sonde (links) zeigt die Verringerung der Größe der verpackten Sonde. Ein Penny wird für Skala gezeigt. Der Maßstab beträgt fünf Mikrometer. Bilder mit freundlicher Genehmigung der Ben-Yakar Group von der University of Texas in Austin.
Um dieses Gleichgewicht zugunsten des Patienten zu verbessern, hat ein Forscherteam der Universität von Texas in Austin ein kleines, flexibles endoskopisches medizinisches Gerät entwickelt, das mit einem Femtosekundenlaser-Skalpell ausgestattet ist und krankes oder beschädigtes Gewebe entfernen kann, während gesunde Zellen unberührt bleiben . Die Forscher werden ihre Arbeiten auf der diesjährigen Konferenz für Laser und Elektrooptik (CLEO: 2012) in San Jose, Kalifornien, vom 6. bis 11. Mai vorstellen.
Das aus handelsüblichen Teilen gefertigte Gerät enthält einen Laser, der Lichtimpulse mit einer Dauer von nur 200 Billiardstel Sekunden erzeugen kann. Diese Ausbrüche sind stark, aber so flüchtig, dass sie das umgebende Gewebe schonen. Der Laser ist mit einem Minimikroskop gekoppelt, das die genaue Kontrolle bietet, die für hochempfindliche Operationen erforderlich ist. Dieses Spezialmikroskop verwendet eine als „Zwei-Photonen-Fluoreszenz“ bekannte Bildgebungstechnik und stützt sich auf Infrarotlicht, das bis zu einem Millimeter in lebendes Gewebe eindringt. Dadurch können Chirurgen einzelne Zellen oder sogar kleinere Teile wie Zellkerne anvisieren.
Das gesamte Endoskop-Sondenpaket, das dünner als ein Stift und kürzer als ein Zoll (9,6 Millimeter im Umfang und 23 Millimeter in der Länge) ist, kann in große Endoskope eingesetzt werden, wie sie beispielsweise für Koloskopien verwendet werden.
Das verpackte Endoskop ist mit dem optischen System überlagert. Der Umfang beträgt 9,6 Millimeter und die Länge 23 Millimeter. Bilder mit freundlicher Genehmigung der Ben-Yakar Group von der University of Texas in Austin.
"Alle von uns getesteten Optiken können in ein echtes Endoskop integriert werden", sagt Adela Ben-Yakar von der University of Texas in Austin, die Projektleiterin. "Die Sonde hat bewiesen, dass sie funktionsfähig und machbar ist und kommerziell eingesetzt werden kann."
Das neue System ist fünfmal kleiner als der erste Prototyp des Teams und erhöht die Bildauflösung um 20 Prozent, sagt Ben-Yakar. Die Optik besteht aus drei Teilen: handelsübliche Linsen; eine spezielle Faser, um die ultrakurzen Laserpulse vom Laser zum Mikroskop zu leiten; und einen MEMS-Abtastspiegel mit 750 Mikrometern (mikroelektromechanisches System). Um die optischen Komponenten in einer Linie zu halten, entwarf das Team ein miniaturisiertes Gehäuse aus 3D-Material, in dem feste Objekte aus einer digitalen Datei durch Ablegen aufeinanderfolgender Materialschichten erstellt werden.
Tisch-Femtosekundenlaser werden bereits für die Augenchirurgie eingesetzt, aber Ben-Yakar sieht noch viele weitere Anwendungen im Körperinneren. Dazu gehören die Reparatur der Stimmbänder oder die Entfernung kleiner Tumoren im Rückenmark oder in anderen Geweben. Die Gruppe von Ben-Yakar arbeitet derzeit an zwei Projekten: der Behandlung von vernarbten Stimmlippen mit einer auf den Kehlkopf abgestimmten Sonde und der Nanochirurgie von Gehirnneuronen und -synapsen sowie zellulären Strukturen wie Organellen.
„Wir entwickeln klinische Instrumente der nächsten Generation für die Mikrochirurgie“, sagt Ben-Yakar.
Ein mit dem Zwei-Photonen-Fluoreszenzmikroskop der Sonde aufgenommenes Bild zeigt Zellen in einem 70 Mikrometer dicken Stück Stimmband eines Schweins. Der Maßstab beträgt 10 Mikrometer. Mit freundlicher Genehmigung von Ben-Yakar Group, University of Texas, Austin.
Das neue Design wurde bisher im Labor an Stimmbändern von Schweinen und an Sehnen von Rattenschwänzen getestet, und ein früherer Prototyp wurde im Labor an menschlichen Brustkrebszellen getestet. Das System ist bereit für die Kommerzialisierung, sagt Ben-Yakar. Ben-Yakar fügt hinzu, dass für das erste funktionsfähige Laserskalpell, das auf dem Gerät des Teams basiert, noch mindestens fünf Jahre klinische Tests erforderlich sind, bevor es die FDA-Zulassung für den menschlichen Gebrauch erhält.
Die Arbeit wurde von der National Science Foundation und dem Texas Ignition Fund des Board of Regents der Universität von Texas unterstützt.
CLEO: 2012 Präsentation ATh1M.3, „Femtosekundenlaser-Mikrochirurgiesonde mit 9,6 mm Durchmesser“ von Christopher Hoy et al. ist am Donnerstag, den 10. Mai, um 8:45 Uhr im San Jose Convention Center.
Neuauflage mit freundlicher Genehmigung der Optical Society.