Infrarot-Laserskalpell für den OP 2010

Medizinisches Laserzentrum Lübeck (MLL) entwickelt neues System für die minimal-invasive Chirurgie

Seit der Erfindung des Lasers im Jahr 1960 hat die Laserstrahlung in vielen technischen Bereichen Einzug gehalten. Die Anwendungen erstrecken sich von Hochleistungslasern im Automobilbau bis hin zu winzigen Laserdioden in heimischen CD-Playern und PCs. Auch aus der modernen Medizin ist das gebündelte Licht nicht mehr wegzudenken: Die Netzhaut des Auges wird bestrahlt, um drohende Erblindungen zu vermeiden, Tumorzellen oder vorgefallenes Bandscheibengewebe verschmelzen per Laser, selbst Durchblutungsstörungen am Herzen lassen sich mit den energiereichen Lichtblitzen (Laserrevaskularisation) beeinflussen. Am häufigsten wird der Laser direkt auf der Haut angewandt: Zur Glättung von Gesichtsfalten, Entfernung von Tätowierungen oder Behandlung von Feuermalen und Blutschwämmen.

Trotz allem gibt es Grenzen für den Laser: Im „Alltagsgeschäft“ greifen die Chirurgen im Operationssaal noch immer zum bewährten Skalpell. Wenn es darum geht, einen sauberen Schnitt an Lunge, Leber oder Leiste zu vollziehen, verlassen sich die Operateure lieber auf ihr mechanisches Werkzeug. Doch auch das kann sich bald ändern: Am Medizinischen Laserzentrum Lübeck (MLL, Direktor: Prof. Reginald Birngruber ) wird derzeit ein Infrarot-Laserskalpell entwickelt, das bei so genannten Schlüsselloch-Operationen in der minimal-invasiven Chirurgie herkömmliches OP-Besteck ersetzen soll. „Wenn alles klappt, rechnen wir Ende nächsten Jahres mit einem ersten klinischen Einsatz des neuen Lasers“, erläutert Projektleiter Dirk Theisen, Dipl.-Ingenieur in der Arbeitsgruppe „Therapeutische Laseranwendungen“ von Dipl.-Physiker Ralf Brinkmann.

Das Laserskalpell, das in Zusammenarbeit mit der Klinik für Chirurgie der Universität zu Lübeck (Direktor: Prof. Hans-Peter Bruch) möglichst bis zur Serienreife entwickelt werden soll, ist eingebettet in das CEMET-Projekt („Center of Excellence in Medical Technology“), das unter Leitung der Universitäten Lübeck und Kiel in Zusammenarbeit mit der Fachhochschule Lübeck im vergangenen November gestartet wurde. Ziel von CE-MET ist es, den „Operationssaal 2010“ so auszustatten, dass dort unter Einsatz modernster Technologie möglichst ergonomisch operiert werden kann. Die Bundesregierung stellt für den Aufbau dieses Kompetenzzentrums für Medizintechnik in Schleswig-Holstein rund zehn Millionen Euro zur Verfügung. Ein Teil dieser Summe, exakt 509 000 Euro, sind für die Entwicklung des Laserskalpells am MLL vorgesehen.

Der Laser wird zunächst für die minimal-invasive Chirurgie im Bauchraum konzipiert. Dort soll er, so die Vorstellung von Wissenschaftlern und Chirurgen, sowohl Gewebe schneiden als auch Blutgefäße veröden. Beides sind Arbeiten, die bei jedem Eingriff sehr häufig vorkommen und meist einen großen Teil der OP-Zeit beanspruchen. Bewährt sich der Laser, bietet er sich auch für weitere Eingriffe an, bei denen die Arbeitsgeräte der Operateure lediglich durch winzige Schnitte in den Körper geschoben werden.
Derzeit werden vor allem drei Lasersysteme in der Medizin verwandt, erläutert Dipl.-Physiker Ralf Brinkmann vom MLL. Der CO₂-Laser sei prinzipiell sehr gut zum Schneiden geeignet, könne jedoch nur an der Oberfläche eingesetzt werden, weil die Strahlung sich nicht ohne weiteres ins Innere des Körpers transportieren lasse. Dieses Problem bestehe beim Neodym:YAG-Laser zwar nicht. Dafür sei dessen Schneidleistung schlechter; er eigne sich besser zum großflächigen Erhitzen von Gewebe. Ähnliches gelte für den Argon-Laser. Brinkmann: „Wir benötigen also einen Laser, der die Schneideigenschaften eines CO₂-Lasers hat, dessen Energie aber ohne Verluste durch flexible Glasfasern ins Körperinnere geleitet werden kann.“

Fündig geworden sind die Lübecker Forscher ganz offensichtlich in der Industrie. Dort wird seit etwa zwei Jahren ein weltweit neuartiges Lasersystem zum Schweißen von Kunststofffolien benutzt. Bei dem Laser handelt es sich um einen so genannten diodengepumpten Festkörperlaser. Das Lasermaterial ist Thulium, der benötigte Kristall ein Yttrium-Aluminium-Granat; die technische Bezeichnung des Lasers lautet Tm:YAG-Laser. Dieses System wollen die Wissenschaftler so umgestalten, dass es für den klinischen Alltag nutzbar wird.

Der Bedarf ist vorhanden, weiß Chirurg Dr. Robert Keller aus täglicher Erfahrung. Derzeit werden bei der minimal-invasiven Chirurgie spezielle Scheren zum Durchtrennen des Gewebes verwandt. Weil nur möglichst wenig Arbeitskanäle (= Hautschnitte) bei den Schlüsselloch-Operationen eingerichtet werden, muss eine solche Schere jedes Mal durch ein anderes Instrument ersetzt werden, um ein Blutgefäß zu veröden. Dr. Keller, der in die Laserentwicklung eingebunden ist, hofft nun auf ein universelles Instrument, das beide Arbeiten durchführen kann. „Das wäre eine erhebliche Zeitersparnis und würde die Operationsdauer erheblich verkürzen“, ist der Chirurg sicher.

Die Vision geht noch ein Stück weiter: In das System könnte ein Rückkoppelungsmechanismus integriert werden, der den Laser automatisch stoppt, wenn er größeren Blutgefäßen zu nahe kommt, die nicht verletzt werden dürfen. Auch scheint es möglich, dass das Gerät selbst die benötigte Energiemenge steuert, um Bindegewebe zu durchtrennen oder kleine Gefäße zu veröden. Das Auge des Chirurgen bleibt aber auch weiterhin unverzichtbar, gibt Projektleiter Theisen Entwarnung, doch könnten solche automatisierten Signalprozesse den Operateur entlasten.

Bis dahin ist es noch ein weiter Weg. Zunächst muss der Industrie-Laser auf die medizinischen Anforderungen abgestimmt werden. Von besonderer Bedeutung sind hier Eindringtiefe und Schneidleistung des Lasers. Erste Versuche mit einem Prototypen haben ergeben, dass der Laser Gewebe, das wie beim Menschen zum größten Teil aus Wasser besteht, stark und schnell erhitzen kann, so dass es verdampft und somit präzise abgetragen wird. Physiker Ralf Brinkmann: „Damit hätten wir genau die Schneidwirkung, die wir erreichen wollen.“

Zudem ist die Laserstrahlung durch robuste, hoch flexible Quarzglasfasern nahezu verlustfrei übertragbar. Die Glasfasern, deren Durchmesser nur 0,1 bis 0,6 Millimeter betragen, sind mit einer Kunststoffhülle überzogen. Sie lassen sich mehrfach um den Finger wickeln, in alle gewünschten Richtungen drehen und wenden, ohne einen nennenswerten Energieverlust zu verursachen. Dies ist gerade bei der Schlüsselloch-Chirurgie von Bedeutung, wenn an entlegeneren Stellen im Bauchraum geschnitten und verödet werden muss.
Doch noch sind eine Reihe von Fragen offen:

• Wie gut lässt sich der Laser bei durchblutetem Gewebe einsetzen und wie gut können kleine Gefäße blutungsfrei verödet werden? Bisher gilt fließendes Blut als problematisch, weil der Strom die erzeugten Temperaturen reduziert und somit höhere Laserleistungen zum Schneiden benötigt werden.
• Mit welcher Spitze muss die hauchdünne Faser ausgestattet sein? Quarzglasfasern leiten zwar Energie optimal weiter, sie sind jedoch sehr empfindlich. Wird die Leistung des Lasers gesteigert, schmilzt die Spitze. Benötigt werden Sonden aus Saphir oder Materialien, deren Zerstörschwelle noch höher liegt.
• Welche Energie wird letztendlich in der klinischen Praxis benötigt? Wie hoch muss die Schnittgeschwindigkeit sein, welche Wellenlängen und welche Laserleistungen (Watt) müssen für ein optimales chirurgisches Ergebnis eingesetzt werden?
• Und schließlich: Wie ist das neue Instrument für den Chirurgen handhabbar? Lässt es sich leicht führen, ist die Bedienung anwenderfreundlich? Die hochwertigste Technik ist nutzlos, wenn ihr Einsatz unhandlich und zu kompliziert wäre.

Fragen, deren Antworten in den nächsten zwei Jahren gefunden werden sollen. Hierzu sind erhebliche theoretische Vorleistungen und viele praktische Tests erforderlich. Techniker und Chirurgen müssen sich immer wieder austauschen, um letztlich zum gewünschten Ergebnis zu gelangen.
Noch handelt es sich um ein Forschungsprojekt. Doch alle Beteiligten sind zuversichtlich, auf dem richtigen Weg zu sein: Wenn das CEMET-Projekt „OP 2010“ in acht Jahren Realität wird, so die Vorstellung der MLL-Forscher, ist der neue Laser schon längst „ein alter Hut“ – denn dessen Markteinführung könnte schon 2005 gelingen, hoffen Brinkmann und Theisen.

Uwe Groenewold