23. Juli 2020 /

Publikation in Nature LSA: 3D-Bilder aus dem Inneren von Adern

Kleinstes 3D-gedrucktes Miniatur-Endoskop der Welt auf einer Glasfaser detektiert Cholesterin-Plaques und Thrombosen in Arterien.

In Deutschland sind Herz-Kreislauf-Erkrankungen die häufigste Todesursache. Dabei setzen sich Fette wie Cholesterin, aber auch Kalk und Fasern sowie Blutplättchen und Zellreste als Plaque am Gefäßrand ab. Wächst diese Ablagerung zu stark, kann sie einen Gefäßverschluß hervorrufen, der zu einer Thrombose führt und im Falle der Halsschlagader einen Hirnschlag auslösen kann. Bei den Herzkranzgefäßen führt dies zum Herzinfarkt. Besonders Männer im Alter über 60 Jahren stellen einen großen Teil der insgesamt über 1,5 Millionen Betroffenen in Deutschland.

Endoskopie erlaubt, mit Hilfe eines röhrenförmigen Instrumentes in den Körper hineinzuschauen. Der Allgemeinheit dürften vor allem Endoskope für Darm- und Magenspiegelungen geläufig sein. Leider sind diese Instrumente häufig immer noch so dick wie ein Finger und nicht geeignet, um in feinste Arterien vorzudringen und Bilder von innen aufzunehmen. Glasfaser-Technologie ist naheliegend, um Abhilfe zu schaffen, denn die haarfeinen Fasern sind nur etwas dicker als 0,1 mm (125 Mikrometer). Das Hauptproblem ist jedoch, die entsprechende Optik auf die Glasfaser zu bringen, die einen Laserstrahl zur Seite ablenkt, die Gefäßwand abtastet und das reflektierte Licht wieder in die Glasfaser einkoppelt, damit der Arzt sich vom Innern des Körpers ein entsprechendes Bild machen kann.

Dabei kommt eine Technologie namens „Optische Kohärenztomographie (OCT)“ zum Einsatz, die viele von uns schon von der Netzhautuntersuchung beim Augenarzt kennen dürften. Diese Technik funktioniert ähnlich wie „Ultraschall mit Licht“. Dabei 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. Ist der Laserstrahl zusätzlich noch sehr scharf auf einen Punkt fokussiert und tastet man mit dem Laserstrahl spiralförmig die Innenwand einer Ader ab, so bekommt man höchst genaue 3-dimensionale Bilder der Gefäßwand, direkt aus dem Inneren der Ader aufgenommen!

Dr. Simon Thiele aus der Gruppe von Prof. Alois Herkommer vom Institut für Technische Optik an der Universität Stuttgart in Zusammenarbeit mit den 3D-Druck-Experten um Prof. Harald Giessen vom 4. Physikalischen Institut trafen auf einer Konferenz in USA die Wissenschaftler Dr. Jiawen Li und Prof. Robert McLaughlin von der Universität Adelaide, die schon länger an Miniatur-OCT-Endoskopie geforscht hatten. Zusammen mit Kollegen vom Royal Adelaide Hospital und vom SAHMRI Institut in Adelaide sowie vom Monash Cardiovascular Research Center in Melbourne entwickelten sie eine 3D-gedruckte Mikro-Optik von nur 125 µm Durchmesser, die direkt auf die Glasfaser gedruckt werden konnte und die das Laserlicht zur Seite ablenkte, dabei auf einen Punkt fokussierte und gleichzeitig die Laserstrahl-Verzerrung beim Durchgang durch eine kapillar-förmige Kunststoff-Hülle, die zum Schutz des Endoskops angebracht ist, korrigierte.

Diese kleinste komplexe Endoskop-Optik der Welt, die mit Hülle weniger als einen halben Millimeter Durchmesser hatte, wurde von den Australiern mit ihren OCT-Systemen kombiniert und dann in den beteiligten Kliniken in eine menschliche Halsschlagader sowie Mäuse-Arterien eingeführt. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass sie durch Rotation der Optik in einer flexiblen Hülle extrem hochauflösende, 3-dimensionale Aufnahmen der Gefäße machen konnten. Die Adern wurden beim Menschen frisch entfernt und bei den Mäusen direkt im Körper endoskopisch untersucht. Das Einführen in die verengte menschliche Halsschlagader sowie in die dünnen Mäusegefäße bereitete trotz der Ablagerungen keinerlei Probleme. Danach wurden die Adern aufgeschnitten und mit herkömmlicher Histologie analysiert.

Dabei zeigte sich, dass die wesentlichen Bestandteile der Gefäßkrankheiten, nämlich die Plaques sowie die Cholesterin-Kristalle schon sehr früh in den berührungslosen Laser-OCT-Endoskopieaufnahmen auftauchten. Bisher hatte man angenommen, dass man nur durch Aufschneiden und nachträgliche Analyse im Mikroskop solche Strukturen sehen könnte. Da auch gesunde sowie arteriosklerotische Mäuse untersucht wurden, konnten die Unterschiede in den adipösen Zellen sehr gut festgestellt werden.

Dr. Simon Thiele, der für das Optik-Design dieser Miniaturoptik verantwortlich war, glaubt, dass zu den weltweit über 400 000 bisher durchgeführten OCT-Endoskopieuntersuchungen Millionen mehr mit der neuen Technik hinzukommen könnten, da das Miniatur-Endoskop leicht in Adern mit nur 0,5 mm Innendurchmesser eingeführt und gedreht werden kann. „Ich hoffe, dass man in Zukunft rechtzeitig die Plaque-Ablagerungen detektieren kann, und vielleicht ist es künftig ja einmal möglich, mit einem geeigneten Laserstrahl diese Thromben rechtzeitig kleinzuschneiden“.

Thiele ist dabei, mit einem Partner die 3D-gedruckten Mini-Optiken in einer Ausgründung zu kommerzialisieren. Die Firma Nanoscribe GmbH aus Karlsruhe, die selbst vor 11 Jahren vom KIT ausgegründet wurde und in der Zwischenzeit über 70 Mitarbeiter beschäftigt und im vorletzten Jahr aus der Hand von Ministerpräsident Kretschmann den Landespreis für Junge Unternehmen erhielt, hat den ultrapräzisen 3D Drucker gebaut. Die Carl Zeiss AG aus Oberkochen, Weltmarktführer im Bereich Medizintechnik, hat sich bereits an der Firma Nanoscribe beteiligt. Unterstützt wurden diese Forschungen vom Bundesministerium für Bildung und Forschung, von der Baden-Württemberg-Stiftung, und vom Deutschen Akademischen Austauschdienst (DAAD). Dieser große wissenschaftliche Erfolg ist ein weiterer schlagender Beweis für die Innovationskraft durch Hochtechnologie in unserem Ländle.

Veröffentlichung:

Ultrathin monolithic 3D printed optical coherence tomography endoscope for preclinical and clinical use
J. Li, S. Thiele, B. Quirk, R. Kirk, J. Verjans, E. Akers, C. Bursill, S. Nicholls, A. Herkommer, H. Giessen and R. McLaughlin
Nature Light Science and Applications 9, 124 (2020).

https://doi.org/10.1038/s41377-020-00365-w

Miniaturoptik im Inneren einer Ader.

Pro-Physik: Das kleinste 3D-gedruckte Endoskop der Welt

Das 3D-gedruckte Endoskop, bestehend aus einer transparenten Glasfaser, Führungen zur Rotation der Glasfaser (schwarz) sowie einer durchsichtigen Schutzhülle, hat einen Gesamtdurchmesser von weniger als 0,5 mm.

Healthcare in Europe: Kleinstes Endoskop liefert 3D-Bilder aus dem Inneren von Adern

Links: Endoskopisches OCT Bild (optische Kohärenztomographie) einer stark verstopften menschlichen Halsschlagader. Rechts: Eingefärbtes Querschnittsbild der verstopften Halsschlagader im Mikroskop. Die blauen Pfeile deuten den Thrombus an, der Fibrin, Blutplättchen und Zellreste enthält.

3D-Grenzenlos: Forscher entwickeln weltweit kleinste Mikro-Optik aus dem 3D-Drucker

3D gedruckte Edoskopsonde

Management & Krankenhaus: Kleinstes 3D-gedrucktes Miniatur-Endoskop

Schema eines 3D gedruckten OCT Endoskops in einer Arterie.
Schema eines 3D gedruckten OCT Endoskops in einer Arterie.
a Schema eines 3D gedruckten OCT Endoskops in einer Arterie. b Mikroskopbild eines 3D gedruckten Totalreflexionspiegels auf der spitze einer no-core fiber, der mit einem Lichtbogen auf die lichtleitende Single-Mode Glasfaser gespleißt wurde. c Optisches Design des Systems: Das Licht verlässt die Single-Mode-Faser, breitet sich in der kernlosen Faser aus, wird refelketiert und phasengeformt an der Freiformoberfläche eines Spiegels, geht durch den Katheter Mantel und wird auf die Arteriengewebe fokussiert.

Fachlicher Kontakt

 

Dr. Simon Thiele

Pfaffenwaldring 9, 70569 Stuttgart, Raum: 1.228

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