9. COMPAMED Frühjahrsforum geeft een voorproefje op de trendthema's voorafgaand aan COMPAMED 2015

Licht is in de geneeskunde al vele jaren een onmisbaar hulpmiddel. Fotonische Verfahren zijn tegenwoordig niet weg te denken in endoscopie, laserchirurgie, Lab-on-a-Chip-systemen, biomedische optosensoren en andere velden. In dit kader vond dit jaar het 9e COMPAMED Voorjaarsforum (7 mei in Frankfurt am Main), dat door de beurs Düsseldorf samen met de vakvereniging Mikrotechniek IVAM wordt georganiseerd, plaats onder het motto „Lichtpunt voor de medische technologie – Fotonicatoepassingen voor diagnose- en therapieverrichtingen“ en gaf daarmee een eerste vooruitblik op de trends van COMPAMED 2015 in Düsseldorf. De met meer dan 700 exposanten internationale toonaangevende vakbeurs voor toeleveranciers van de medische technologie vindt van 16 tot 19 november voor het eerst volledig parallel aan de wereldwijde grootste medische beurs MEDICA 2015 (ca. 4.800 exposanten) plaats en zal vanaf nu altijd plaatsvinden op de nieuwe datums maandag tot en met donderdag.

Vooral de toepassingsgebieden van moderne lasers worden steeds talrijker. Lasers snijden veel preciezer dan elk scalpel, bovendien zijn ze in staat om weefsel te lassen. Ook bij het verwijderen van stenen in het lichaam is de gefocuste lichtstraal vaak het gereedschap bij uitstek. Bij het snijden en afschrapen van zacht weefsel is de laser bovendien superieur aan andere technologieën zoals stroom of geluidsgolven. Fotonica heeft grote vooruitgang geboekt bij minimaal invasieve operaties. Ook endoscopie, de blik in het lichaam met geschikte instrumenten, wordt al jaren succesvol toegepast en voortdurend geoptimaliseerd. De consequente verbetering van lichtbronnen, lichtgeleiding en camerasystemen zijn daarbij cruciale factoren om steeds zachter, sneller en nauwkeuriger te opereren.

De geneeskunde heeft ook grote verwachtingen van de directe blik in de cel. Het doel is om biologische processen op moleculair of cellulair niveau te begrijpen en aan te tonen. Hiermee ontstaat de kans om ziekten in een vroeg stadium te herkennen, beter te diagnosticeren en gerichter te behandelen – onder andere met een methode voor vroege detectie van kanker. Met de door de Göttinger Max-Planck-onderzoeker Stefan Hell ontwikkelde fluorescentiemicroscoop is de resolutie inmiddels zo hoog dat individuele moleculen zichtbaar worden. Hell ontving voor zijn baanbrekende werk aan de superresolutie fluorescentiemicroscoop samen met zijn Amerikaanse collega’s Eric Betzig en William Moerner de Nobelprijs voor Scheikunde 2014 – ook een onderscheiding voor het „gereedschap licht“ in de geneeskunde.

Ongetwijfeld krijgen biophotonica, laser toepassingen en mikro-optiek steeds meer ingang in de medische technologie, omdat deze methoden bijzonder risicovrij en patiëntvriendelijk zijn. In zijn keynote-toespraak „Beyond White Light – Nieuwe beeldvormingmodaliteiten ter verbetering van diagnose en therapie in minimaal invasieve chirurgie“ berichtte Thorsten Jürgens, coördinator Technologieontwikkeling bij Olympus Surgical Technologies Europe, op het COMPAMED Voorjaarsforum over nieuwe beeldvormende technieken die de mogelijkheden van microchirurgie aanzienlijk verbeteren. Met Narrow Band Imaging (NBI) lukt het bijvoorbeeld om fijne structuren en capillairpatronen op slijmvliesoppervlakken te herkennen. Menselijk weefsel absorbeert licht met korte golflengten zeer goed, dat wordt hier gebruikt. Deze eigenschap benut NBI succesvol en levert aanvullende informatie die niet uit het normale endoscopische beeld kan worden afgeleid. Een filter produceert twee spectra van 60 nanometer breed in de golflengtegebieden van 415 nanometer (blauw licht) en 540 nanometer (groen licht). Door de absorptie-eigenschap van hemoglobine wordt het contrast van bloedvaten verhoogd. Door de verschillende doordringdiepten van blauw en groen licht kan de anatomische laag worden vastgesteld waarin een bloedvat ligt.

Veelbelovend is ook de fotodynamische diagnostiek (PDD), die in vivo speciale tumoren kan herkennen en al wordt toegepast in de dermatologie en urologie. Hiervoor wordt eerst een fotosensibilisator toegediend, dat zich selectief ophoopt in of aan de tumorcellen. Door bestraling met licht worden de kleurstoffen tot fluoresceren gebracht, het uitgezonden licht wordt vervolgens gedetecteerd. Er worden breedbandige xenon-lichtbronnen gebruikt, waarvan het benodigde golflengtespectrum wordt afgetakt met filters. In de afgelopen jaren zijn nieuwe en specifieke kleurstoffen ontwikkeld. „NBI en PDD worden al routinematig in de klinische zorg ingezet. In de toekomst zullen alternatieve kleurstoffen de gerichte markering van risicostructuren en ziekten mogelijk maken“, legt Thorsten Jürgens uit.

Functionalisierte Nanostäbchen zur Krebsfrüherkennung

Meerdere fotonische platformen ontwikkelt het Austrian Institute of Technology (AIT) in Wenen, de grootste niet-universitaire onderzoeksinstelling in Oostenrijk. Zo is het AIT betrokken bij het project NAMDIATREAM (Nanotechnological Toolkits for Multi-Modal Disease Diagnostics and Treatment Monitoring), dat door de EU wordt gefinancierd en bijdraagt aan de vroege detectie van kanker op basis van nanotechnologie. Het AIT, dat een patent bezit voor innovatieve immunodiagnostiek, heeft functionalisierte kern-schil nanostäbchen ontwikkeld die in de toepassing uiterst eenvoudig zijn: „Bereits in de ambulance kunnen metingen worden gedaan met een speekselmonster van de patiënt, het beste medium voor point-of-care gebruik“, legt Dr. Giorgio C. Mutinati van het AIT uit. De methode is gebaseerd op optische veranderingen in de rotatiedynamiek van magnetische staven, die een magnetische kern en een schil van edelmetaal hebben. Specifieke moleculen uit het monster binden aan de nanodeeltjes en veranderen zo meetbaar de fysieke eigenschappen. De methode heeft vele voordelen: er zijn slechts kleine monsterhoeveelheden nodig die geen voorbereiding vereisen, de handeling „Mengen en meten“ is eenvoudig, en de analyse duurt kort.

Optische microsensoren krijgen steeds meer ingang in de medische technologie. Het CiS Onderzoeksinstituut voor Mikrosensoriek heeft een in-oor sensor ontwikkeld die de polsslag en het zuurstofgehalte in het bloed niet-invasief kan meten en doorgeven aan een opnameapparaat. Het systeem voor langdurige monitoring van vitale parameters bestaat uit een miniatuur lichtbron, die slechts 0,6 x 0,7 x 1,4 millimeter groot is, en laser-Doppler-sensoren. „Het meetprincipe berust erop dat door laserlicht dat wordt verstrooid door bloedbestanddelen een snelheids- en richtingsafhankelijke frequentieverandering optreedt volgens het Doppler-effect“, legt Dr. Hans-Georg Ortlepp van het CiS uit. Door de superpositie met de oorspronkelijke golf ontstaan interferentie-effecten in het meetbare frequentiebereik. Het meetpunt moet zich bij de ingang van de gehoorgang bevinden. De sensor wordt ingebouwd in een otoplastiek, zodat de meeteenheid als een hoortoestel kan worden gedragen.

Horen met Licht

Dankzij licht horen is normaal, horen door licht is een nieuwe benadering die het CSEM Centrum Zwitserland (Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique) nastreeft. Want licht wordt niet alleen steeds vaker in de diagnostiek ingezet, maar ook in de therapie. Tot nu toe werken cochleair-implantaten via elektrische stimulatie, die echter op meerdere punten beperkt is, bijvoorbeeld door slechte ruimtelijke resolutie en het zogenaamde overspraak. Met de „opto-akoestische“ stimulatie is het CSEM betrokken bij het EU-project ACTION (ACTive Implant for Optoacoustic Natural sound enhancement). „Het project moet het gehoor versterken bij ernstig gehoorgestoorde patiënten door beperkingen in ruimtelijke en temporele stimulatie van cochleaire implantaten die op elektrische stimulatie berusten, weg te nemen“, benadrukt Dr. Stefan Mohrdiek van het CSEM. ACTION bouwt voort op de ontdekking dat pulserend infrarood laserlicht in staat is om gehooractiviteit in de haarcellen op te wekken. De hoofdcomponenten van het optische microsysteem zijn lasers voor optische stimulatie, waarvoor halfgeleiderlaserdioden worden geprefereerd, respons-elektroden en flexibele verbindingsstukken met geprint elektrische geleidingen. Totdat dergelijke systemen gerealiseerd kunnen worden, zijn nog veel uitdagingen te overwinnen. Daartoe behoren de consequente miniaturisering, geavanceerde VCSEL-lasers voor lange golflengten, biocompatibiliteit, de productie van microlenzen op wafers en de mogelijkheid tot kleine series.

Laserstraling wordt tegenwoordig al intensief ingezet om verschillende therapeutische effecten te bereiken, van acupunctuur tot het verdampen van weefsel en het afschrapen of verstoren (bijvoorbeeld huid, kraakbeen en stenen). Daarnaast wordt de gerichte lichtstraal ook toegepast bij fotodynamische therapie en thermische coagulatie. Zeer goede effecten kunnen worden bereikt met methoden waarbij licht uit glasvezels via zijstroom wordt uitgestraald om grotere oppervlakken te bestralen. Corresponding starre en ook flexibele diffusers voor lasertherapie worden ontwikkeld door Laser- und Medizintechnologie in Berlijn (LMTB). „Voor polymer-diffusers die aansluiten op kwartsglas-lichtgeleiders hebben we een nieuwe fabricagemethode ontwikkeld, waarbij laser-geïnduceerde verstrooiingscentra, zogenaamde micro-dots, in het diffuser-materiaal worden ingebracht“, vertelt Dr. Jürgen Helfermann, senior projectmanager Biomedical Optics bij LMTB. Hiermee kunnen verschillende actieve lengtes tussen 5 en 30 millimeter worden vervaardigd, waarbij tot 90 procent van de straling zijwaarts wordt uitgestraald. Hierdoor zijn ook hoge laserprestaties boven de 10 watt mogelijk. De golflengten variëren van UV tot nabij-infrarood. Starre diffusers zijn al geïntroduceerd, flexibele uitvoeringen bevinden zich in ontwikkeling.

Laserchirurgie met realtime controle

Welke kansen laserchirurgie onder realtime controle met behulp van optische coherence tomography (OCT) biedt, liet Dr. Alexander Krüger van het Laser Zentrum Hannover (LZH) zien tijdens het COMPAMED Voorjaarsforum. De laser voor weefsel snijden kan direct worden gekoppeld aan de optische toegang tot de beeldvorming. De volledig geïntegreerde oplossing gebruikt gezamenlijke lasers, scanners en objectieven. Alternatief zijn modulair geïntegreerde (gedeelde scanner) en grotendeels gescheiden versies. Femtoseconden- en excimer-lasers worden tegenwoordig veel gebruikt in de oogchirurgie. Hiermee kunnen de glasvochten in het oog doelgericht worden veranderd, zonder het netvlies of zenuwen te beschadigen. Met ultrasnelle lasers zijn tegenwoordig innovatieve behandelingen mogelijk voor cataract, presbyopie en retinaproblemen, waarbij OCT voor directe controle zorgt. In de toekomst wordt verwacht dat de beeldgestuurde lasertherapie verdere toepassingsgebieden zal veroveren – zoals voor tumorverwijdering, endoscopische hersenlaserchirurgie, botbewerking en keelholtelaseroperaties.

„Zonder twijfel biedt het gebruik van licht uitstekende mogelijkheden in de medische technologie“, vat Dr. Thomas Dietrich, directeur van IVAM, de bevindingen van dit jaar’s COMPAMED Voorjaarsforum samen. Daarom zal dit bijzonder veelzijdige thema, dat zowel bijdraagt aan diagnose als therapie, ook tijdens COMPAMED 2015 van 16 tot 19 november in de hallen 8a en 8b van de Messe Düsseldorf een belangrijke rol spelen.