Licht ist in der Medizin seit vielen Jahren ein unverzichtbares Hilfsmittel. Photonische Verfahren sind heute in der Endoskopie, Laserchirurgie, Lab-on-a-Chip-Systemen, biomedizinischen Optosensoren und weiteren Feldern nicht wegzudenken.

Vor diesem Hintergrund fand das 9. Compamed Frühjahrsforum (7. Mai in Frankfurt a. M.), das die Messe Düsseldorf zusammen mit dem Fachverband Mikrotechnik IVAM ausrichtet, in diesem Jahr unter dem Motto „Lichtblick für die Medizintechnik – Photonik-Anwendungen für Diagnose- und Therapieverfahren“ statt und gab damit einen ersten Ausblick auf die Trends der Compamed 2015 in Düsseldorf.
Die mit mehr als 700 Ausstellern international führende Fachmesse für die Zulieferer der Medizintechnik findet vom 16. bis 19. November erstmals an vier Tagen komplett parallel zur weltgrößten Medizinmesse Medica 2015 (ca. 4.800 Aussteller) statt und von nun an immer an den neuen Lauftagen Montag bis Donnerstag. 

Vor allem die Einsatzgebiete moderner Laser werden immer zahlreicher. Laser schneiden sehr viel genauer als jedes Skalpell, zudem sind sie in der Lage, Gewebe zu verschweißen. Auch zum Entfernen von Steinen im Körper ist der fokussierte Lichtstrahl häufig das Werkzeug der Wahl. Beim Schneiden und Abtragen von Weichgewebe ist der Laser zudem anderen Technologien wie Strom oder Schallwellen überlegen. Besondere Fortschritte hat die Photonik bei minimal invasiven Operationen ermöglicht. Auch die Endoskopie, der Blick in den Körper mit geeigneten Instrumenten, wird seit Jahren erfolgreich eingesetzt und stetig optimiert. Die konsequente Verbesserung von Lichtquellen, der Lichtleitung und der Kamerasysteme sind dabei entscheidende Faktoren, um immer schonender, schneller und genauer zu operieren.
Große Hoffnungen setzt die Medizin auch auf den direkten Blick in die Zelle. Die Zielsetzung besteht darin, biologische Prozesse auf molekularer oder zellulärer Ebene zu verstehen und nachzuweisen. Sie bieten damit die Chance, Erkrankungen im Frühstadium zu erkennen, besser zu diagnostizieren und gezielter zu therapieren – unter anderem mit einer Methode zur Früherkennung von Krebs. Mit dem Fluoreszenzmikroskop, das der Göttinger Max-Planck-Forscher Stefan Hell entwickelt hat, ist die Auflösung inzwischen so hoch, dass einzelne Moleküle sichtbar werden. Hell erhielt für seine bahnbrechenden Arbeiten zum superauflösenden Fluoreszenzmikroskop zusammen mit seinen amerikanischen Kollegen Eric Betzig und William Moerner den Nobelpreis für Chemie 2014 – auch eine Auszeichnung für das „Werkzeug Licht“ in der Medizin.

Keine Frage, Biophotonik, Laseranwendungen und Mikrooptik erhalten zunehmend Einzug in die Medizintechnik, weil diese Methoden besonders risikoarm und patientenfreundlich sind. In seinem Keynote-Vortrag „Beyond White Light – Neue Bildgebungsmodalitäten zur Verbesserung von Diagnose und Therapie in der minimal-invasiven Chirurgie“ berichtete Thorsten Jürgens, Koordinator Technologieentwicklung bei Olympus Surgical Technologies Europe, beim Compamed-Frühjahrsforum über neue bildgebende Verfahren, die die Möglichkeiten der Mikrochirurgie deutlich verbessern. Mit dem Narrow Band Imaging (NBI) gelingt es beispielsweise, feine Strukturen und Kapillarmuster auf Schleimhautoberflächen zu erkennen. Menschliches Gewebe absorbiert Licht kurzer Wellenlänge sehr gut, das hier verwendet wird. Diese Eigenschaft nutzt NBI erfolgreich und liefert zusätzliche Informationen, die dem normalen endoskopischen Bild nicht zu entlocken sind. Ein Filter erzeugt zwei 60 nm breite Spektren in den Wellenlängenbereichen von 415 (blaues Licht) bzw. 540 Nanometern (grünes Licht). Durch die Absorptions-Charakteristik von Hämoglobin wird der Kontrast von Blutgefäßen erhöht. Durch die unterschiedlichen Eindringtiefen des blauen und grünen Lichts kann die anatomische Schicht ermittelt werden, in der ein Blutgefäß verläuft. 

Vielversprechend ist auch die Photodynamische Diagnostik (PDD), die in-vivo spezielle Tumore erkennen kann und bereits in der Dermatologie und Urologie zum Einsatz kommt. Dazu wird zunächst ein Photosensibilisator appliziert, der sich selektiv in oder an den Tumorzellen anreichert. Durch Bestrahlung mit Licht werden die Farbstoffe zum Fluoreszieren gebracht, das ausgestrahlte Licht wird dann detektiert. Verwendet werden breitbandige Xenon-Lichtquellen, aus deren Spektrum die benötigten Wellenlängen mittels Filter ausgekoppelt werden. In den letzten Jahren sind neue und spezifische Farbstoffe entwickelt worden. „NBI und PDD werden bereits regelhaft in der klinischen Versorgung eingesetzt. In Zukunft werden alternative Farbstoffe die gezielte Markierung von Risikostrukturen und Erkrankungen ermöglichen“, erläutert Thorsten Jürgens.

Funktionalisierte Nanostäbchen zur Krebsfrüherkennung
Gleich mehrere photonische Plattformen entwickelt das Austrian Institute of Technolgy (AIT) in Wien, die größte nicht-universitäre Forschungseinrichtung in Österreich. So ist das AIT am Projekt NAMDIATREAM (Nanotechnological Toolkits for Multi-Modal Disease Diagnostics and Treatment Monitoring) beteiligt, das von der EU finanziert wird und zur Krebsfrüherkennung auf Basis von Nanotechnologie beitragen soll. Das AIT, das ein Patent für innovative Immundiagnostik besitzt, hat funktionalisierte Kern-Schale-Nanostäbchen geschaffen, die in der Anwendung extrem einfach sind: „Bereits im Krankenwagen können Messungen mit einer Speichelprobe des Patienten vorgenommen werden, dem besten Medium für den Point-of-care-Einsatz“, erklärt Dr. Giorgio C. Mutinati vom AIT. Das Verfahren basiert auf optischen Veränderungen der Rotationsdynamik der Magnetstäbchen, die einen magnetischen Kern und eine Schale aus Edelmetall besitzen. Spezielle Moleküle aus der Probe binden an die Nanopartikel und verändern so messbar die physikalischen Eigenschaften. Die Methode hat viele Vorteile: Es werden nur kleine Probenmengen benötigt, die keine Vorbereitung erfordern, die Handhabung „Mischen und Messen“ ist einfach, die Analysezeit kurz.

Optische Mikrosensoren halten zunehmend auch in der Medizintechnik Einzug. Das CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik hat einen In-Ohr-Sensor entwickelt, der den Pulsschlag und den Sauerstoffgehalt des Blutes nicht-invasiv messen und an ein Aufzeichnungsgerät übermitteln kann. Das System zum Langzeitmonitoring von Vitalparametern besteht aus einer miniaturisierten Lichtquelle, deren Größe nur 0,6 x 0,7 x 1,4 mm beträgt, und aus Laser-Doppler-Sensoren. „Das Messprinzip beruht darauf, dass an Blutbestandteilen gestreutes Laserlicht eine strömungsgeschwindigkeits- und richtungsabhängige Frequenzverschiebung gemäß dem Doppler-Effekt erfährt“, erklärt Dr. Hans-Georg Ortlepp vom CiS. Durch die Überlagerung mit der Ursprungswelle entstehen am Detektor Interferenzeffekte im messbaren Frequenzbereich. Angestrebt wird ein Messort am Eingang des Hörkanals. Der Sensor soll in eine Otoplastik eingebaut werden, so dass sich die Messeinheit wie ein Hörgerät tragen lässt.

Hören mit Licht
Sehen dank Licht ist normal, Hören durch Licht ein neuer Ansatz, den das CSEM Zentrum Zentralschweiz (Centre Siusse d’Electronique et de Microtechnique) verfolgt. Denn Licht wird nicht nur immer öfter in der Diagnostik eingesetzt, sondern auch in der Therapie. Bisher funktionieren  Cochlea-Implantate über elektrische Stimulation, die aber in mehreren Aspekten wie z. B. durch schlechte räumliche Auflösung, das so genannte Übersprechen, limitiert ist. Mit der „opto-akustischen“ Stimulation ist das CSEM am EU-Projekt ACTION (ACTive Implant for Optoacoustic Natural sound enhancement) beteiligt. „Das Vorhaben soll für schwer hörgeschädigte Patienten das Hören verstärken, indem Limitierungen in räumlicher und zeitlicher Anregung von Cochlea-Implantaten eliminiert werden, die auf elektrischer Stimulation beruhen“, betont Dr. Stefan Mohrdiek vom CSEM. ACTION baut auf der Entdeckung auf, dass gepulstes Infrarot-Laserlicht in der Lage ist, Höraktivität in den Haarzellen auszulösen. Hauptkomponenten des optischen Mikrosystems sind Laser zur optischen Stimulation, wofür Halbleiterlaserdioden favorisiert werden, Antwort-Elektroden sowie flexible Verbindungselemente mit gedruckten elektrischen Leitungen. Bis zur Realisierung derartiger Systeme sind noch viele Herausforderungen zu überwinden. Dazu gehören die konsequente Miniaturisierung, fortschrittliche VCSEL-Laser für lange Wellenlängen,  Biokompatibilität, die Herstellung von Mikrolinsen auf Wafer-Basis sowie die Möglichkeit zur Kleinserienfertigung.

Laserstrahlung wird heute bereits intensiv eingesetzt, um verschiedene Therapie-Effekte von der Akupunktur über das Verdampfen von Gewebe bis hin zum Abtrag bzw. zur Disruption (z. B. Haut, Knorpel und Steine) zu erzielen. Darüber hinaus findet der gerichtete Lichtstrahl auch bei der Photodynamischen Therapie und der thermischen Koagulation Anwendung. Besonders gute Effekte lassen sich mit Verfahren erzielen, mit denen Licht aus Glasfasern durch Streuung seitlich ausgekoppelt wird, um größere Flächen zu bestrahlen. Entsprechende starre und auch flexible Diffusoren für die Lasertherapie entwickelt die Laser- und Medizin-Technologie in Berlin (LMTB). „Für  Polymer-Diffusoren im Anschluss an Quarzglas-Lichtleitern haben wir ein neues Fertigungsverfahren etabliert, bei dem Laser-induzierte Streuzentren, so genannte Micro-Dots, in das Diffusor-Material eingebracht werden“, berichtet Dr. Jürgen Helfermann, Senior Project Manager Biomedical Optics bei LMTB. Damit können verschiedene aktive Längen zwischen 5 und 30 mm hergestellt werden, bei denen die Abstrahlung bis zu 90 % seitlich erfolgt. Dadurch sind auch hohe Laserleistungen größer 10 Watt möglich. Die Wellenlängen reichen vom UV bis zum Nahinfrarot. Starre Diffusoren sind bereits etabliert, flexible Ausführungen in der Entwicklung.

Laserchirurgie mit Echtzeitkontrolle
Welche Chancen die Laserchirurgie unter Echtzeitkontrolle mittels optischer Kohärenztomografie (OCT) bietet, zeigte beim Compamed-Frühjahrsforum Dr. Alexander Krüger vom Laser Zentrum Hannover (LZH) auf. Der Laser zum Gewebeschneiden kann direkt mit dem optischen Zugang zur Bildgebung verknüpft werden. Die voll integrierte Lösung verwendet gemeinsame Laser, Scanner und Objektiv. Alternativ dazu gibt es modular integrierte (gemeinsamer Scanner) und weitgehend getrennte Versionen. Femtosekunden- und Excimer-Laser sind heute vielfältig eingesetzte Instrumente in der Augenchirurgie. Damit lassen sich die Glaskörper im Auge gezielt verändern, ohne dabei Netzhaut oder Nerven zu verletzen. Mittels ultraschnellen Lasern sind heute innovative Katarakt-, Altersweitsichtigkeits- und Retinabehandlungen möglich, wobei OCT zur direkten Kontrolle dient. In Zukunft darf erwartet werden, dass die bildgestützte Lasertherapie weitere Anwendungsgebiete erobern wird – so zur Tumorentfernung, zur endoskopischen Hirn-Laserchirurgie, zum Knochenschneiden und zu Kehlkopf-Laseroperationen.
„Ohne Zweifel bietet der Einsatz von Licht hervorragende Möglichkeiten in der Medizintechnik“, fasst Dr. Thomas Dietrich, Geschäftsführer des IVAM, die Erkenntnisse aus dem diesjährigen Compamed Frühjahrsforum zusammen. Deshalb wird dieser außerordentlich vielfältige Themenbereich, der sowohl zur Diagnose als auch zur Therapie Beiträge liefert, auch im Rahmen der Compamed 2015 vom 16. bis 19. November in den Hallen 8a und 8b des Düsseldorfer Messegeländes eine bedeutende Rolle spielen.

Weitere Informationen zur Compamed 2015 unter www.compamed.de.