Plaques und Thrombosen frühzeitig erkennen 27. Jul 2020 Von Bettina Reckter

Das kleinste 3-D-gedruckte Endoskop der Welt

Nur 125 Mikrometer Durchmesser besitzt die Mikrooptik, die Forschende aus Stuttgart und aus Australien per 3-D-Druck hergestellt haben. Mit ihr sollen gefährliche Ablagerungen in Herzkranzgefäßen und in der Halsschlagader gefunden werden, noch bevor es zu einem Herzinfarkt oder Schlaganfall kommen kann.

Miniaturoptik im Inneren einer Ader
Foto: Florian Sterl, Sterltech Optics

Bei Magen- oder Darmspiegelungen werden Endoskope bereits eingesetzt, um krankhafte Veränderungen in der Schleimhaut oder gar Krebs frühzeitig zu erkennen. Allerdings sind diese Instrumente meist noch so dick wie ein Finger und können deshalb nicht zur Untersuchung zum Beispiel von Blutgefäßen herangezogen werden. Möglich wäre das nur mit haarfeinen Glasfasern, denn deren Durchmesser liegt bei etwa 125 µm, was im Bereich eines menschlichen Haars liegt.

Schwierig ist es allerdings, solche haarfeinen Fasern dann mit einer entsprechenden Optik auszurüsten. Denn erst mit dieser kann ein Laserstrahl auf die Gefäßwand gelenkt und das reflektierte Licht wieder in die Glasfaser eingekoppelt werden.

Deutsch-australisches Forscherteam fand die Lösung

Das Problem haben jetzt Forschende der Universität Stuttgart zusammen mit Jiawen Li und Robert McLaughlin von der Universität Adelaide und Kolleginnen des Royal Adelaide Hospitals, vom SAHMRI-Institut in Adelaide und vom Monash Cardiovascular Research Center in Melbourne gelöst. Von deutscher Seite waren Simon Thiele aus der Gruppe von Alois Herkommer vom Institut für Technische Optik der Universität Stuttgart sowie die 3-D-Druck-Experten um Harald Giessen vom 4. Physikalischen Institut beteiligt.

Sie entwickelten eine 125 µm dünne Mikrooptik, die im 3-D-Drucker direkt auf die Glasfaser appliziert wird. Damit ist es möglich, Laserlicht abzulenken, auf einen gewünschten Punkt zu fokussieren und gleichzeitig die Verzerrung des Strahls zu korrigieren, die beim Durchtritt des Strahls durch die Endoskophülle entsteht. Während der ärztlichen Untersuchung wird damit spiralförmig die Innenwand der Arterien abgetastet. Das Resultat sind höchst genaue dreidimensionale Bilder aus dem Inneren der Blutgefäße.

Cholesterinablagerungen frühzeitig erkennen

Zusammen mit der Hülle misst dieses kleinste komplexe Endoskop der Welt weniger als einen halben Millimeter im Durchmesser. Das australische Team lieferte dafür das System für die Optische Kohärenztomografie (OCT). Getestet wurde das Endoskop in den beteiligten Kliniken bereits an menschlichen Halsschlagadern sowie an Arterien von Mäusen.

Die besten hochauflösenden dreidimensionalen Aufnahmen gelangen den Forschenden, wenn die Optik in einer flexiblen Hülle rotierte. So fanden sie heraus, dass sie damit bereits Vorstufen von Plaques und Cholesterinkristallen erfassen können, noch bevor diese als Ablagerungen zur Gefahr für den Menschen werden.

Endoskopdesign aus Stuttgart

Für das Design der Mikrooptik war Simon Thiele verantwortlich. Er geht davon aus, dass das Miniaturendoskop künftig millionenfach zur Untersuchung von Blutgefäßen eingesetzt wird. „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“, sagt der Stuttgarter Wissenschaftler.

Nun soll das per 3-D-Druck gefertigte Endoskop auf den Markt gebracht werden. Den ultrapräzisen 3-D-Drucker baute die Nanoscribe GmbH aus Karlsruhe, an der auch die Carl Zeiss AG in Oberkochen beteiligt ist, ein Weltmarktführer im Bereich Medizintechnik. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), die Baden-Württemberg-Stiftung sowie der Deutsche Akademische Austauschdienst (DAAD) haben die Arbeit unterstützt. Die Forschenden haben ihre Arbeit im Fachblatt „Nature Light Science and Applications“ veröffentlicht.

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