Bildgebung Verbesserte Bildgebung dank laserapplizierter Markierungen

Anbieter zum Thema

Thüringisches Institut für Textil- und Kunststoff- Forschung e. V.

COSMO CONSULT Gruppe

Codialist GmbH

In der Medizintechnik werden bildgebende Verfahren für diagnostische Zwecke und zur Instrumentenbeobachtung genutzt. Da die bildliche Darstellung von medizinischen Vorrichtungen oft nicht ausreichend ist, entwickelt das TITK neue Verfahren zur Fertigung von sichtbarkeits- verstärkenden Kennzeichnungen und Markierungen.

Für eine optimale Platzierung nahe dem gewünschten Wirkort und zur Vermeidung von Komplikationen sollten medizinische Vorrichtungen in ihrer Gesamtheit während der Anlage bis zur Kontrolle der finalen Lage gut darzustellen sein. Um interne Patientenstrukturen und/oder Objekte innerhalb eines Patienten zu visualisieren, werden vorwiegend radiologische und sonografische Techniken verwendet.

Ein wichtiges internistisches Werkzeug ist der Katheter. Dieser wird üblicherweise zur Drainage, zur Spülung, Applikation von diagnostischen oder therapeutischen Medikamenten, zur Biopsie oder zur Herstellung der Passage innerhalb von Hohlorganen und zu verschiedenen anderen Prozeduren eingesetzt. Derartige Katheter haben vorwiegend einen Grundkörper aus einem polymeren Werkstoff, welcher eine sehr schlechte Ultraschall(Echogenität)- und Röntgensichtbarkeit (Röntgenkontrast) aufweist. Die Differenz der Materialkonstanten (akustische Impedanz und Röntgenabsorption) zwischen Körpergewebe einerseits und Katheter andererseits und die geometrischen Maße des Katheters sind limitierende Faktoren der Identifikation. Die zylindrische Gestalt mit glatter Oberfläche wirkt im Allgemeinen wie ein Spiegel und reflektiert Ultraschallwellen in einem fächerförmigen konischen Muster, so dass schon kleine Abweichungen von der optimalen Lage die Intensität des Echosignals verringern.

Die Forschungsaktivitäten des TITK – Thüringisches Institut für Textil- und Kunststoff-Forschung Rudolstadt e. V. sind deshalb darauf ausgerichtet, diskrete Markierungen auf Kathetern, Kanülen, Sonden, Stents usw. zu entwickeln, die eine exakte Platzierung und Verfolgung im Patienten ermöglichen, ohne die Funktionalität der Instrumente ungünstig zu verändern.

Lösungsansätze und Vorgehensweise

Einen Lösungsansatz für verbesserte Ultraschallbilder bieten beispielsweise Mikrobläschen, die an diskreten Stellen des Katheters durch Laserbehandlung eingebracht werden. Die eingeschlossenen Gase wirken als Echosignalverstärker und können mit geeigneter Ultraschalltechnik erfasst werden. Die gewünschte positionsgenaue Ausbildung der Hohlräume wird einerseits durch die gezielte Bewegung des Laserstrahls auf der Katheteroberfläche sowie andererseits durch einen mehrschichtigen Aufbau mit differenziertem Einsatz von Laseradditiven im Schichtsystem erreicht. Beim Schäumen mittels Laser werden die in den Kunststoffen enthaltenen organischen Verbindungen durch lokale Erwärmung aufgebrochen, zerstört und verdampft.

Die meisten Kunststoffe sind im Bereich der Nahinfrarot(NIR)-/Infrarot(IR)-Wellenlängen lasertransmissiv,
d. h., sie zeigen keine Wechselwirkung mit der Laserstrahlung. Um die Vorteile des Lasers zu nutzen, werden gut dispergierte Absorber in spezielle Schichten des Katheters eingebracht und sorgen so bei Bestrahlung für eine positionsgenaue Wärmeeinleitung. Dies gewährleistet, dass die Oberfläche des Katheters durch die Laserbehandlung nicht aufgeraut wird (s. Abb. 1). Durch Auswahl geeigneter Absorbersubstanzen mit kleiner Partikelgröße und geringen Einsatzmengen bleiben Transparenz und Farblosigkeit des Schlauches erhalten (s. Abb. 2).

Die kugelförmigen Gaseinschlüsse im markierten Bereich bewirken eine stärkere Reflexion der Schallwellen, so dass diese im Ultraschallbild (B-Modus) auch bei ungünstiger Schräglage der Vorrichtung deutlich heller gegenüber den umgebenden Substanzen abgebildet werden (s. Abb. 3). Die Markierungen können mit hoher geometrischer Variabilität hergestellt werden, selbst filigrane Schriften sind möglich und können im Ultraschallbild gelesen werden.

Lasertechnik wird eingesetzt

Der Einsatz von Lasertechnik bietet auch die Möglichkeit, funktionelle ortsselektive Beschichtungen zu realisieren, die als Markierungen für die radiologische und sonografische Bildgebung genutzt werden können. Die Funktion wird durch eine biokompatible Polyurethanbeschichtung realisiert, in die ein einlagiger Partikelfilm eingebettet ist.

Das Trocknen und Vernetzen der Beschichtung wird mittels Laser durchgeführt. Die Wärmeeinleitung in die Beschichtung erfolgt dabei indirekt über ein metallisches Substrat oder über metallische Partikel, die in der Beschichtungsmasse eingelagert sind. Dadurch ist es möglich, Polyurethan oder andere Beschichtungssysteme auch auf nichtmetallischen Vorrichtungen, wie beispielsweise einem Katheter aus Kunststoff, mit dem Laser zu vernetzen. Es können sowohl bildgebende Bereiche mit relativ großer Ausdehnung als auch kleinflächige Beschriftungen, Muster, Markierungen und Ähnliches mit hoher Präzision ausgehärtet werden. Das Freistellen der Markierungen erfolgt durch anschließendes Abspülen unbestrahlter und damit nicht vernetzter Beschichtungsmasse. Die Markierungen können so in jeglicher geometrischer Form ausgeführt werden.

Die Bildgebung der Markierungen wird durch die eingelagerten Partikel gewährleistet. Für sonografische Anwendungen werden beispielsweise Mikroglashohlkugeln und für Röntgensichtbarkeit sphärische Metallpartikel (z. B. Tantal) eingesetzt (s. Abb. 4). Das in den Glashohlkugeln eingeschlossene Gas bewirkt dabei einen ähnlichen sonografischen Effekt wie die Poren im Katheter des anfangs beschriebenen Beispiels. Tantalpartikel erzeugen andererseits aufgrund ihrer hohen Dichte und Ordnungszahl eine hohe Röntgenopazität. Wie in Abb. 4 dargestellt, werden die Partikel nahezu flächendeckend und einlagig in die Beschichtung eingebettet.

Messergebnisse zeigen, dass die gesamte Stärke des Schichtaufbaus nur unwesentlich über der mittleren Größe der Partikel liegt. In Abb. 5 sind beispielhaft umlaufende Ringmarkierungen auf einer Kanüle und einem Katheter dargestellt.

Für die Untersuchungen der Ultraschallsichtbarkeit wurden verschiedene Vorrichtungen in einer 45°-Lage zur Schallrichtung in einer Tiefe von 2 bis 4 cm sowohl in einem Wasserbad als auch in einem Ultraschallphantom mit körpergewebeähnlichen Eigenschaften und in einer Schweineleber positioniert. Die im konventionellen B-Mode aufgenommenen Ultraschallbilder einer 0,7 mm dünnen Nadel bei einer Ultraschallfrequenz von 8 MHz zeigen, dass die Markierungen deutlich heller mit guter Konturenschärfe gegenüber den umgebenden Substanzen abgebildet werden.

Bei Verwendung von Tantal sind Schichtstärken von 30 µm ausreichend, um eine Bildhelligkeit zu erzielen, die nahezu der Darstellung einer 2 mm starken Aluminiumplatte im Röntgenbild entspricht.

Da durch die Spezifik des Einbettens der Partikel eine gewisse Porosität im Schichtaufbau entsteht, zeigen auch die metallgefüllten Markierungen ein sehr gutes echogenes Verhalten. Das Verfahren kann somit auf metallischen und polymeren Vorrichtungen angewendet werden und ermöglicht Markierungen, die gleichzeitig sowohl mit radiologischen als auch mit sonografischen Diagnoseverfahren eine verbesserte Bildgebung ermöglichen.

Die Markierungen zeichnen sich durch eine hohe Wisch- und Kratzfestigkeit aus und sind bei nachträglichen Dampfsterilisationsprozessen stabil. Die bevorzugte musterförmige Ausbildung ermöglicht eine einfache Unterscheidung von körpereigenen Strukturen und erlaubt das leichte Erkennen von Verlagerungen, Knicken oder Verdrehungen.

Mit Hilfe der neuen Erkenntnisse lassen sich lokale Markierungen auf medizinischen Vorrichtungen aufbringen, die gegenüber bisherigen technischen Lösungen erhebliche Vorteile aufweisen. Durch die mit bildgebender Diagnostik sichtbaren Markierungen können medizinische Maßnahmen wie Punktionen, Biopsien, Abszess-Drainage, Chemotherapie-Einführungen und Regionalanästhesie entscheidend erleichtert werden.

Weitere Artikel zur Zukunft der Medizintechnik finden Sie in unserem Themenkanal Forschung.

* Der Autor: Holger Gunkel Wissenschaftlicher Mitarbeiter Medizintechnik/Abteilung Kunststoff-Forschung TITK – Thüringisches Institut für Textil- und Kunststoff-Forschung Rudolstadt e.V

(ID:48628779)