©Florian Sterl, Sterltech Optics

Endoskopien, zum Beispiel eine Magen- oder Darmspiegelung, liefern Bilder aus dem Inneren des Körpers. Die Instrumente, die diese Bilder ermöglichen, sind aber meist Fingerdick und erlauben es somit nicht, dass sie auch in Blutgefäßen zum Einsatz kommen könnten. Endoskopien in Adern könnten aber dazu beitragen, Schlaganfälle oder auch Herzinfarkte zu verhindern, wenn Ablagerungen in den Gefäßen frühzeitig erkannt würden.

Dank der Glasfasertechnologie ist diese Möglichkeit nun in greifbare Nähe gerückt. Diese haarfeinen Fasern sind nur 125 Mikrometer dick. Sie mit einer Optik auszustatten, die einen Laserstrahl zur Seite ablenkt, die Gefäßwand abtastet und das reflektierte Licht wieder in die Glasfaser einkoppelt, stellt allerdings ein Problem dar. Die Technologie ähnelt der, die ein Augenarzt bei Netzhautuntersuchungen nutzt. Dabei wird ein Laserstrahl mit einem relativ breiten Farbspektrum auf das zu untersuchende Gewebe gerichtet, die Analyse des reflektierten Lichtes ermöglicht dann eine genaue Tiefenkartierung des untersuchten Gewebes.

Genaue 3-dimensionale Bilder

Forscher der Universitäten Stuttgart und Adelaide sowie weiterer Forschungseinrichtungen in Australien haben nun eine 3D-gedruckte Mikro-Optik mit einem Durchmesser von nur von nur 125 µm Durchmesser entwickelt, die direkt auf die Glasfaser gedruckt werden konnte. Diese Mikrooptik sei 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 von weniger als 0.5 mm Durchmesser, die zum Schutz des Endoskops angebracht ist, zu korrigieren“. Der Arzt tastet hier mit dem Laserstrahl spiralförmig die Innenwand eines Gefäßes ab. Dabei bekommt er höchst genaue 3-dimensionale Bilder – direkt aus dem Inneren der Ader.

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. ©Universität Stuttgart/ PI 4

Dieses neuartige, kleinste komplexe Endoskop-Optik der Welt hat mit Hülle einen Durchmesser von weniger als einen halben Millimeter. Getestet wurde es, indem die Forscher in Australien es mit ihren OCT-Systemen kombiniert haben und anschließend in eine menschliche Halsschlagader sowie in Mäuse-Arterien eingeführt haben. Die Wissenschaftler stellten fest, dass sie „durch Rotation der Optik in einer flexiblen Hülle extrem hochauflösende, 3-dimensionale Aufnahmen der Gefäße“ machen konnten. Und sie fanden bei der weiteren Untersuchung der Gefäße heraus, dass sie die die Plaques sowie die Cholesterin-Kristalle – die wesentlichen Ursachen von Gefäßkrankheiten – in den berührungslosen Laser-OCT-Endoskopieaufnahmen schon sehr früh erfassen konnten.

Endoskop in Adern mit nur 0,5 mm Innendurchmesser

Dr. Simon Thiele, der Verantwortliche für das Design dieser Miniaturoptik, 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“. Er hofft, 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.

Thieles Ziel ist jetzt, 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, hat den ultrapräzisen 3D Drucker gebaut. Die Carl Zeiss AG aus Oberkochen, Weltmarktführer im Bereich Medizintechnik, ist an Nanoscribe bereits beteiligt. Unterstützung bekamen die Forscher vom Bundesministerium für Bildung und Forschung, von der Baden-Württemberg-Stiftung, und vom Deutschen Akademischen Austauschdienst (DAAD).

Die Gruppe an Wissenschaftlern (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, 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) hat ihre Arbeit in Nature Light Science and Applications publiziert.

Titelbild: Miniaturoptik im Inneren einer Ader. ©Florian Sterl, Sterltech Optics

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Über den Autor

Author profile picture Petra Wiesmayer ist seit mehr als 25 Jahren als Journalistin und Autorin tätig. Sie hat bis heute hunderte Interviews mit Prominenten aus Entertainment, Sport und Politik geführt und zahllose Artikel über Entertainment und Motorsport für internationale Medien recherchiert und verfasst. Als großer Science-Fiction-Fan ist sie fasziniert von Technologien, die die Zukunft der Menschheit mitbestimmen könnten und liest und schreibt gerne darüber.