Neue steuerbare optische Faser erreicht bisher unzugängliche Kehlkopftumoren

Forscher des Worcester Polytechnic Institute (WPI) haben eine flexible optische Faser entwickelt, die durch ein medizinisches Endoskop geführt und in den Kehlkopf gelenkt werden kann, um schwer erreichbare Tumore an den Stimmlippen zu zerstören.

Die Forscher berichteten, dass sie bei Tests mit einer 3D-gedruckten Nachbildung eines menschlichen Kehlkopfes etwa 81 % von 70 Zielen erreichen konnten, die sonst bei ambulanten Behandlungen unmöglich gewesen wären.

„Manche Menschen, wie zum Beispiel Patienten mit Herzerkrankungen, können sich bei Wucherungen im Kehlkopf möglicherweise keiner Vollnarkose und herkömmlichen Laseroperationen unterziehen“, sagt Loris Fichera, außerordentlicher Professor in der Abteilung für Robotiktechnik und Leiter des Forschungsteams, das die neue Glasfasertechnologie entwickelt hat. „Ein verbessertes medizinisches Gerät könnte dieses Problem lösen, indem es einigen Patienten die Möglichkeit gibt, sich stattdessen unter leichter Sedierung in Arztpraxen einer Laserbehandlung zu unterziehen.“

Das Gerät der Forscher ist eine flexible optische Faser, die durch eine dünnwandige Nickel-Titan-Hülle mit einem Durchmesser von 1,6 Millimetern geführt und zum Biegen eingekerbt ist. Die Hülle ist dünn genug, um in ein Endoskop zu passen, ein schlauchartiges Gerät mit Licht und Kamera an der Spitze. Chirurgen führen Endoskope in den Körper ein, um Gewebe, Organe und Strukturen zu untersuchen.

Sobald sie sich im Endoskop befinden, können die Hülle und die optische Faser mit Handsteuerungen zu einer Stelle im Kehlkopf, Geweben, die auch als Stimmbänder bezeichnet werden, gesteuert werden, um Wucherungen mit Lichtimpulsen zu zerstören.

Eine Laseroperation der Stimmlippen wird typischerweise durchgeführt, um kleine gutartige oder präkanzeröse Wucherungen wie kallusartige Knötchen und Polypen zu entfernen, die bei Patienten zu rauen Stimmen führen können. Für professionelle Sänger und Redner kann die Erkrankung lebensbedrohlich sein. Allergien, Grunderkrankungen, Rauchen sowie übermäßiger oder falscher Gebrauch der Stimme können bei der Entstehung von Wucherungen eine Rolle spielen.

Die meisten Eingriffe werden in einer Arztpraxis durchgeführt und umfassen typischerweise das Einführen eines Endoskops durch das Nasenloch eines Patienten, dessen Stimmlippen mit einem Kühlspray betäubt wurden. Patienten, deren Wucherungen schwerer zu erreichen sind, können in einem Krankenhaus unter Vollnarkose behandelt werden.

Um ihr Design zu testen, verwendeten die Forscher den 3D-Druck, um ein anatomisch korrektes Modell eines echten menschlichen Kehlkopfes zu erstellen. Sie zeichneten 70 Punkte auf dem Modell auf, die mit nicht steuerbaren optischen Fasern nicht erreicht werden konnten, und erreichten dann mit ihrem steuerbaren Werkzeug 57 oder etwa 81 % der Ziele.

Obwohl Forschungsergebnisse darauf hindeuten, dass das von Ficheras Team entwickelte Gerät die praxisnahen Verfahren zur Laserchirurgie des Kehlkopfs erweitern könnte, sagt Fichera, dass mehr Forschung und Entwicklung des Geräts erforderlich ist. Das starre 3D-gedruckte Modell konnte die Bewegungen, die bei der Behandlung eines Patienten auftreten, nicht nachbilden, und das Gerät erfordert derzeit die Zusammenarbeit von zwei Bedienern. Verbesserungen könnten es ermöglichen, dass ein Bediener das Gerät verwenden kann.

Ein Großteil der Grundlagenforschung ist abgeschlossen. Wir planen ein Folgeprojekt, um Verbesserungen vorzunehmen, die es der Glasfaser ermöglichen würden, sich in verschiedene Richtungen zu biegen und zu krümmen, um mehr Orte zu erreichen. Letztlich ist es unser Ziel, möglichst vielen Patienten zu helfen, indem wir die Möglichkeiten der Praxisabläufe erweitern.“

Loris Fichera, außerordentlicher Professor, Abteilung für Robotiktechnik, Worcester Polytechnic Institute

Die Forschung wurde in der American Society of Medical Engineers veröffentlicht. Zeitschrift für medizinische Geräte. Co-Autoren waren neben Fichera Alex Chiluisa, MS ’20, PhD ’24; Student Kang Zhang; Yao Shen, MS ’18, PhD 25; Doktorand Lucas Burstein; Yuxiang Liu, außerordentlicher Professor in der Abteilung für Maschinenbau und Werkstofftechnik; und Thomas Carroll, außerordentlicher Professor in der Abteilung für Hals-Nasen-Ohrenheilkunde der Harvard Medical School.

Ficheras Forschung konzentriert sich auf den Einsatz von Robotik und Informatik zur Weiterentwicklung von Technologien für die Medizin, insbesondere die Chirurgie. Er erhielt einen prestigeträchtigen CAREER Award der National Science Foundation für die Entwicklung einer Technologie für eine neue Klasse von Operationsrobotern, die Krankheiten behandeln können, ohne menschliches Gewebe zu schneiden oder zu berühren. Er ist außerdem Teil eines Teams am WPI, das Technologien für flexible Roboterarme entwickelt, die Objekte greifen, heben und tragen können. Er ist Miterfinder eines Patents zum Schutz der flexiblen und beweglichen chirurgischen Lasersonde für die Kehlkopfchirurgie.

Quellen: