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Medizintechnik

Magnetisch gesteuert in feine Bronchien

Die Forscher haben ihren „magnetischen Tentakel“ zur Erprobung des Konzepts durch 3D-Nachbildungen des Bronchiensystems gesteuert. © University of Leeds

Dünn und raffiniert steuerbar: Forscher haben ein Sonden-System entwickelt, das bis in feine Verästlungen der Lunge vordringen kann. Der nur zwei Millimeter breite „Tentakel“ wird dabei automatisch von außen durch Magnetkräfte gesteuert, die von beweglichen Roboterarmen ausgehen. Das nun in der weiteren Erprobung befindliche System könnte es zukünftig ermöglichen, noch tiefere Lungenbereiche als bisher zu erreichen, um Gewebeproben zu entnehmen oder Behandlungen durchzuführen, sagen die Wissenschaftler.

Endoskope und Katheter ,Sonden-Systeme, die von außen in den Körper eingeführt werden, haben in den letzten Jahrzehnten die Möglichkeiten der Diagnostik und Behandlung von verschiedenen Erkrankungen stark vorangebracht. Im Fall der Lunge nennt sich das derzeit eingesetzte Verfahren Bronchoskopie. Dabei wird ein flexibles, röhrenförmiges Instrument mit einem Durchmesser von etwa 3,5 bis 4 Millimetern durch die Nase oder den Mund in die Bronchien des sedierten Patienten eingeführt. Aufgrund seiner Größe kann das Bronchoskop allerdings nur bis in die oberen Ebenen des Bronchialbaums vordringen. Um noch tiefer zu kommen, wird dann ein Katheter oder ein feiner Schlauch durch das Bronchoskop und schließlich in die feineren Röhren der Lunge eingeführt.

Feinere Bereiche im Visier

Diese Sonden besitzen zwar nur einen Durchmesser von etwa zwei Millimetern. Doch mit den bisherigen manuellen Steuerungstechniken lassen sie sich nur begrenzt durch das verzweigte Bronchialsystem leiten, wodurch bestimmte Bereiche unerreichbar bleiben. Zudem sind oft Röntgenuntersuchungen während des Verfahrens nötig, was für das medizinische Personal eine weitere technische Herausforderung darstellen kann. Es besteht somit Optimierungspotenzial in der Endoskop- und Katheter-Technologie. Diesem Forschungsfeld widmen sich die Wissenschaftler um Pietro Valdastri von der University of Leeds. Konkret arbeiten sie an der Entwicklung von wendigeren und genauer steuerbaren Systemen, die mit weniger Aufwand verbunden sind.

So entstand das Katheter-Konzept, das sie als „magnetischen Tentakel“ bezeichnen. Dieses Gebilde ist aus miteinander verbundenen, zylindrischen Segmenten aufgebaut, die einen Durchmesser von jeweils zwei Millimetern aufweisen. Bei dem Material handelt es sich um einen weichen Elastomer-Kunststoff, der dem Tentakel zusätzlich zur Segmentierung eine enorme Flexibilität verleiht. Um seine Bewegungen fernsteuern zu können, sind magnetische Partikel in das Material integriert. Die Segmente lassen sich dadurch unabhängig voneinander durch äußere Magnetfelder beeinflussen. Das Ergebnis ist ein hochflexibles Gebilde, das sich wie ein Tentakel krümmen lässt und klein genug ist, um sich nicht an anatomischen Strukturen in der Lunge zu verfangen, schreibt die University of Leeds.

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Fernsteuerbare Wendigkeit

Der Tentakel steht dabei im Bann von Magnetfeldern, die von zwei Roboterarmen ausgehen, die sich über dem Patienten feinmotorisch bewegen. Sie bewirken die Richtungsänderungen des Katheters, wodurch die Sonde beim langsamen Vortrieb zum Ort einer verdächtigen Stelle in der Lunge manövriert werden kann. Dies geschieht allerdings nicht manuell, sondern vollautomatisch: Der Weg durch den Bronchialbaum wird anhand von vorhergehenden Scans der Lunge des Patienten geplant und dann in das Robotersystem einprogrammiert. „Durch unser autonomes magnetisches Führungssystem muss der Patient während des Eingriffs somit auch nicht geröntgt werden“, sagt Valdastri.

Bisher haben die Forscher allerdings erst den „Proof of Concept“ geliefert: Sie haben die grundlegende Funktionalität ihres Konzepts durch Labortests aufgezeigt: Sie steuerten den Tentakel erfolgreich durch eine 3D-Nachbildung eines Bronchialbaums, der anhand anatomischer Daten modelliert wurde. Bis zum klinischen Einsatz ist also noch Entwicklungsarbeit nötig. In der nächsten Phase plant das Team nun, die Leistungsfähigkeit des Systems bei der Navigation in der Lunge eines Leichnams zu untersuchen. Nach der weiteren Erprobungen könnte die „magnetische Tentakel“-Technologie vielleicht in einigen Jahren erstmals Patienten zugutekommen, schreibt die University of Leeds.

Dies könnte dann einen wichtigen Fortschritt darstellen, betont Valdastri: „Ein magnetischer Katheter, der der nur zwei Millimeter breit ist und dessen Form magnetisch gesteuert werden kann, um sich der Anatomie des Bronchialbaums anzupassen, kann die meisten Bereiche der Lunge erreichen und wäre ein wichtiges klinisches Instrument für die Untersuchung und Behandlung von möglichem Lungenkrebs und anderen Lungenerkrankungen“, resümiert der Wissenschaftler.

Quelle: University of Leeds

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