3D-Bilder aus dem Inneren von Adern

Forscher haben im 3d-Druck eine Mikrooptik mit einem Durchmesser von nur 125 Mikrometern hergestellt. Damit sind erstmals endoskopische Untersuchungen von Cholesterin-Plaques und Thrombosen in Herzkranzgefäßen oder in der Halsschlagader möglich, was hilft, die Gefahr eines Schlaganfalls oder Herzinfarkts frühzeitiger zu erkennen.

Die Endoskopie erlaubt es, mit Hilfe eines röhrenförmigen Instrumentes in den Körper hineinzuschauen, zum Beispiel bei einer Darm- oder Magenspiegelung. Leider sind diese Instrumente häufig 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 bestücken, die einen Laserstrahl zur Seite ablenkt, die Gefäßwand abtastet und das reflektierte Licht wieder in die Glasfaser einkoppelt.

Dabei kommt eine Technologie namens „Optische Kohärenztomographie (OCT)“ zum Einsatz, die viele von der Netzhautuntersuchung beim Augenarzt kennen dürften. 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 für Technische Optik der Universität 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 Universität 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 µm 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-Hülle, die zum Schutz des Endoskops angebracht ist, zu korrigieren. Mit dem Laserstrahl tastet der Arzt spiralförmig die Innenwand eines Gefäßes ab und bekommt so höchst genaue 3-dimensionale Bilder - direkt aus dem Inneren der Ader.

Die so entstandene kleinste komplexe Endoskop-Optik der Welt hat mit Hülle 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 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. Bei der weiteren Untersuchung der Gefäße zeigte sich, dass die wesentlichen Ursachen von Gefäßkrankheiten, nämlich die Plaques sowie die Cholesterin-Kristalle, in den berührungslosen Laser-OCT-Endoskopie-aufnahmen schon sehr früh erfasst werden konnten.

Dr. Simon Thiele, der für das Design dieser Miniaturoptik verantwortlich war, glaubt, dass zu den bisher weltweit über 400 000 durchgeführten OCT-Endoskopieuntersuchungen Millionen weitere hinzukommen könnten, da das Miniatur-Endoskop leicht in Adern mit nur 0,5 mm Innendurchmesser eingeführt 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.

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 elf 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).

J. Li, S. Thiele, B. Quirk, R. Kirk, J. Verjans, E. Akers, C. Bursill, S. Nicholls, A. Herkommer, H. Giessen and R. McLaughlin,Ultrathin monolithic 3D printed optical coherence tomography endoscope for preclinical and clinical use, Nature Light Science and Applications 9 (2020), https://www.nature.com/articles/s41377-020-00365-w