Das kleinste 3D-gedruckte Endoskop der Welt

Eine im 3D-Druck hergestellte Mikro-Optik mit einem Durch­messer von nur 125 Mikro­metern haben Forscher aus Deutschland und Australien gemeinsam entwickelt. Sie ermöglicht erstmals endo­skopische Unter­suchungen von Cholesterin-Plaques und Thrombosen in Herz­kranz­gefäßen oder in der Hals­schlag­ader und hilft, die Gefahr eines Schlag­anfalls oder Herz­infarkts früh­zeitig zu erkennen.

Endoskopie-Instrumente sind derzeit 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 bereits bei Netzhaut­unter­suchungen beim Augenarzt verwendet wird. Bei dieser Methode 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.

Das Forscherteam der Univer­sitäten Stuttgart und Adelaide sowie weiterer Institute in Australien entwickelten jetzt eine 3D-gedruckte Mikro-Optik von nur 125 µm Durch­messer, die direkt auf die Glasfaser gedruckt werden kann. Diese Mikro-Optik ist in der Lage, das Laserlicht zur Seite abzulenken, auf einen Punkt zu fokus­sieren und gleichzeitig die Laserstrahl-Verzerrung beim Durchgang durch eine kapillar­förmige 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 drei­dimen­sionale 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 Forschern in Australien 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, drei­dimen­sionale 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-Endoskopie­aufnahmen schon sehr früh erfasst werden konnten.

Simon Thiele von der Uni Stuttgart, der für das Design der Miniatur-Optik 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 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, hat den ultra­präzisen 3D-Drucker gebaut. Die Carl Zeiss AG aus Oberkochen 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.

U. Stuttgart / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  J. Li et al.: Ultrathin monolithic 3D printed optical coherence tomography endoscope for preclinical and clinical use, Nat. Light Sci. Appl. 9, 124 (2020); DOI: 10.1038/s41377-020-00365-w
• Optikdesign und Simulation, Institut für technische Optik, Universität Stuttgart