Medizintechnik

Mikro-Ultraschall schafft unsichtbares Skalpell

Ein neues Verfahren konzentriert Schallwellen nun so genau, dass einzelne Zellen wie mit dem Skalpell entfernt werden. Dabei werden die Schallwellen so eng konzentriert, dass sie Hitze erzeugen, die dann das Ziel zerstört. Bisher konnten damit Nierensteine und Prostatatumore vernichtet werden.

Eine mit Kohlenstoff-Nanostrukturen beschichtete Linse, die Licht in Ton umwandelt, kann Hochdruck-Schallwellen präziser fokussieren als jemals zuvor, dank der Ingenieure der Universität von Michigan. Diese meinten, ihr Ultraschall-Ansatz könne ein unsichtbares Messer für die nichtinvasive Chirurgie hervorbringen.

Die Ultraschall-Technologie habe schon heute weit mehr Anwendungsgebiete als lediglich die allgemein bekannten Untersuchungen während der Schwangerschaft. So nutzten Ärzte den Ultraschall beispielsweise, um Nierensteine und Prostatatumore zu zerstören. Dabei werden die Schallwellen so eng konzentriert, dass sie Hitze erzeugen, die dann das Ziel zerstört.

Wenn nötig, kann man Nierensteine wie im Bild auch mithilfe gebündelter Schallwellen zertrümmern. Mittlerweile können Chirurgen mit Schallwellen sogar skalpellscharfe Einschnitte durchführen. (Foto: Flickr/dfaulder)

Wenn nötig, kann man Nierensteine wie im Bild auch mithilfe gebündelter Schallwellen zertrümmern. Mittlerweile können Chirurgen mit Schallwellen sogar skalpellscharfe Einschnitte durchführen. (Foto: Flickr/dfaulder)

Die Strahlen, die von der heutigen Technik erzeugt werden, sind jedoch nicht so leicht in den Griff zu bekommen, sagt Hyong Won Baac, Doktorand an der Universität von Michigan. Das Problem bestehe darin, dass der Brennfleck mit einer Größe von mehreren Millimetern recht groß sei. „Deshalb kann es schwierig sein, Gewebeteile mit hoher Präzision zu behandeln“, so Baac. Doch mit der neuen Technologie könne er nun die Brenngenauigkeit verhundertfachen.

Die Forscher der Universität von Michigan konnten Schallwellen mit hohen Amplituden auf einen Fleck von nur 75 bis 400 Mikrometern konzentrieren. Dabei zertrümmert und schneidet der Schall-Strahl mit Druck anstelle von Hitze. Auch könnten die chirurgischen Eingriffe ohne Schmerzen ablaufen, da der fein fokussierte Strahl die Nervenfasern nicht beeinträchtige. „Wir glauben, das könnte als unsichtbares Messer für die nichtinvasive Chirurgie verwendet werden“, sagt Professor Jay Guo, der Leiter des Forscherteams.

Um diesen superfeinen Strahl zu erzeugen, verwendete Guos Team einen opto-akustischen Ansatz. Dabei wird Licht eines Pulslasers mittels einer speziell designten Linse in Schallwellen mit hohen Amplituden umgewandelt. Doch die entstehenden Schallwellen müssen erheblich verstärkt werden, damit sie medizinisch verwendbar werden. Um diese Verstärkung zu erreichen, beschichteten die Forscher die Linse mit einer Schicht aus Kohlenstoff-Nanostrukturen und einer Schicht aus dem gummiartigen Material Polydimethysiloxan. Die Kohlenstoff-Nanostrukturen absorbieren das Licht und wandeln es in Hitze um. Die gummiartige Schicht dehnt sich bei Erhitzung aus und verstärkt auf diese Weise das Schall-Signal drastisch.

Die Frequenzen der resultierenden Schallwellen sind 10.000-mal zu hoch für das menschliche Ohr. In den Geweben wirken sie dadurch, dass sie Schockwellen und Mikroblasen erzeugen, die Druck auf das Ziel ausüben. Dieses Ziel könnten winzige Krebstumore, verstopfende Arterien-Beläge oder einzelne Zellen zur Übermittlung von Wirkstoffen sein, kann Guo sich vorstellen. Auch die kosmetische Chirurgie sei als Anwendungsgebiet denkbar.

In Experimenten haben die Forscher die Möglichkeiten der Ultraschall-Chirurgie bereits gezeigt. So haben sie eine einzelne Eierstock-Krebszelle entfernt und in weniger als einer Minute ein Loch mit einem Durchmesser von weniger als 150 Mikrometern in einen künstlichen Nierenstein gesprengt. Und „das ist erst der Anfang“, sagt Guo.

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