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Biopsy equivalent Optical Fiber multifunctional Endoscope

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Neue und komfortablere Alternativen zu Endoskopie und Biopsie

Mittels Endoskopie kann auffälliges Gewebe analysiert und nach Tumoren oder Verengungen der Herzkranzgefäße gesucht werden. Doch obwohl das Verfahren minimalinvasiv ist, ist es für die Betroffenen nicht immer angenehm. So wurde nun ein Faserendoskop entwickelt, um in situ Informationen über lebendes Geweben zu gewinnen und letztlich auf Biopsien verzichten zu können.

Gesundheit

Das EU-finanzierte Projekt BiOp-FibEnd optimierte konventionelle Herstellungsverfahren von Lichtwellenleitern bzw. optischen Fasern, das sogenannte „Ausziehen“ der Fasern. Dabei wird eine Preform im Ofen erhitzt, erweicht und schließlich zu einer Faser gezogen. „Um die für unsere Zwecke erforderliche Durchmessertoleranz im Submikrometerbereich zu erreichen, brauchten wir eine robuste und stabile Ausziehtechnologie, die an eine für die Faserherstellung geeignete Umgebung angepasst ist“, erläutert Alessio Stefani, Forscher von BiOp-FibEnd.

Innovative Materialien für neue Anwendungen

Die neuen Materialien, mit denen die Forschungsgruppe von BiOp-FibEnd arbeitete, sollten erstmals bei Analysen von Körpergeweben zum Einsatz kommen, darunter auch eine Anwendung, die man bislang nicht in Betracht gezogen hatte: die Blutdruckmessung. „Um einen Sensor zu entwickeln, der indirekt Blutdruckmessungen durchführt und beim Gehen wie auch beim Laufen hochgenaue Messwerte liefert, entschieden wir uns für Polyurethan, das sich wie ein Gummiband durch hohe Elastizität auszeichnet“, erklärt Stefani. Das spezielle Verfahren arbeitet mit zwei parallelen Fasern, die jeweils mit einer Lichtquelle und einem Detektor ausgestattet sind. Durch den Pulsschlag verformt sich die Faser und stört demzufolge das Lichtsignal. Die zeitliche Differenz an jeder Faser wird gemessen, um daraus die Pulswellengeschwindigkeit bzw. den Blutdruck zu berechnen. Die Forschenden erweiterten die technologischen Grenzen des Faserziehens, um dielektrische Strukturen aus 500 Metalldrähten mit einem jeweiligen mittleren Durchmesser von unter 150 nm zu erzeugen. Aus diesen Strukturen hergestellte Multimaterial-Hyperlinsen lieferten eine superaufgelöste Darstellung im mittleren Infrarotbereich bei Wellenlängen von drei bis vier Mikrometern und einem fokussierten Bildpunkt, der 176 Mal kleiner als die Wellenlänge im THz-Bereich ist. Ein weiteres wichtiges Projektergebnis war ein Katheter, mit dem die Unterschiede zwischen verschiedenen Arten von Herzgewebe sichtbar gemacht werden können, indem Spektroskopie mit künstliche Intelligenz kombiniert wird. Für diese Technologie wurde eine Patent anmeldung eingereicht.

Unerwartete Nachteile als Anstoß für neue Lösungen

„Das größte Problem für das Team war, dass im mittleren Infrarotbereich schon kleinste Lichtmengen die Hyperlinsen zerstörten, was die Sonden bzw. winzigen Metalldrähte zum Schmelzen brachte“, erklärt Stefani. Dabei war die Lösungssuche für die Forschungsgruppe vor allem ein zeitliches Problem. „Die Modellsimulationen, um die Richtigkeit dieser Alternativen zu prüfen, sind durchaus vielversprechend. Dieser Lösungssuche müsste aber ein eigenes Projekt gewidmet werden, sodass es nicht sinnvoll war, alle Lösungen experimentell zu testen “, so Stefani. Die verbliebene Zeit sollte vielmehr in den vielversprechendsten Teil des Projekts investiert werden: In das Blutdruckmessgerät als wichtigster medizinischer Anwendung.

Realistische Forschung und neue Finanzierungsmöglichkeiten

Künftigen Forschungen blickt das Team pragmatisch und optimistisch entgegen. Da sich die Grenzen des Systems zeigten, wurden mögliche Lösungsansätze entwickelt. „Wir stehen in aktivem Dialog mit privaten und öffentlichen Finanzierungspartnern, um das Blutdruckmessgerät zügig für die Markteinführung vorzubereiten, und ein Patent ist bereits angemeldet“, sagt er. Für die Teamarbeit war Stefani zufolge vor allem ein Marie-Skłodowska-Curie-Einzelstipendium von Bedeutung, mit dem BiOp-FibEnd finanziert wurde. „Die vielfältigen Ergebnisse, die wir erzielen konnten, wären jedoch durch die Arbeit einer einzelnen Person nicht möglich gewesen. Jeder, der mit ähnlichen Zielen arbeitete, trug zur Effizienz des Projekts bei, indem er in verschiedene Richtungen vorstieß und verschiedenste Szenarien untersuchte“, schließt er.

Schlüsselbegriffe

BiOp-FibEnd, Faserziehen, Endoskop, Biopsie, Blutdruck, Hyperlinsen, Glasfaser

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