Ultraschall wird heute in der Medizin für zwei Zwecke eingesetzt. Zum einen als bildgebendes Verfahren, bei dem mit einer Sonde der Ultraschall in den Körper geleitet und das von den Organen hervorgerufene Echo aufgefangen wird. So lassen sich Einblicke in den Körper gewinnen. Zum anderen kann Ultraschall stark gebündelt werden, um eng begrenzte Zonen des Körperinneren mit der Energie des Schalls zu erschüttern. Auf diese Weise können beispielsweise Nierensteine berührungslos zertrümmert werden. Der Nanotechnologe Jay Guo von der Universität von Michigan will noch weitere Anwendungsbereiche erschließen - mit einer neuen Technik zur Erzeugung von Ultraschall.
"Traditionell wird Ultraschall mit Hilfe von Piezoelementen erzeugt. Das sind Kristalle, an die ein Strom angelegt wird, wodurch sich der Kristall ausdehnt und dabei mechanisch die Schallwellen erzeugt. Wir setzen hingegen auf ein optoakustisches Verfahren."
Optoakustik bezeichnet das Erzeugen von Schall mit Hilfe von Licht. Jay Guo überzog kleine gläserne Linsen mit einer dünnen Schicht aus Kohlenstoff-Nanoröhren und einem speziellen Silikon. Werden die Linsen mit kurzen Pulsen eines Lasers bestrahlt, absorbieren die Kohlenstoff-Nanoröhren das Licht und erwärmen sich. Durch die Wärme dehnt sich wiederum das Silikon schlagartig aus. Dabei wird es wie die Membran eines Lautsprechers ausgelenkt. Da die Kohlenstoff-Nanoröhren sich extrem schnell aufwärmen und wieder abkühlen, lassen sich mit diesem Wechselspiel Ultraschallschwingungen mit einer Frequenz von über 15 Megahertz erzeugen.
"Und wir können mit den optoakustischen Linsen nicht nur Ultraschall erzeugen, sondern ihn auch viel stärker bündeln. Die Schallenergie lässt sich auf eine Fläche mit dem Durchmesser eines menschlichen Haares fokussieren."
Das ist mehr als hundert Mal feiner als bei herkömmlichen Ultraschallverfahren und ermöglicht eine viel präzisere Anwendung. Da die Ultraschallwellen so stark gebündelt werden, entsteht selbst bei einer schwachen Ausgangsleistung punktuell ein enormer Schalldruck. Im Labor ist es bereits gelungen, aus einer Gewebeprobe gezielt einzelne Zellen mit konzentrierten Ultraschallpulsen herauszulösen, während das umliegende Gewebe völlig intakt blieb. Jay Guo will auf Basis der neuen Technik optoakustische Skalpelle entwickeln, die berührungslos mit Ultraschall besonders fein geführte Schnitte ermöglichen.
"Dank dieser Präzision könnte man bei chirurgischen Eingriffen zielgenau sensible Regionen vermeiden, zum Beispiel Nerven."
Die Technik könnte sogar in der mikroinvasiven Chirurgie zum Einsatz kommen. Denn die optoakustischen Ultraschallerzeuger sind nur wenige Millimeter groß.
"Es ist denkbar, solche optoakustischen Linsen direkt an das Ende von Lichtleitfasern eines Katheters für endoskopische Anwendungen zu montieren. Somit können wir Laserlicht zu einem gewünschten Ziel lenken und genau dort den gebündelten Ultraschall erzeugen. Das heißt, wir machen das im Inneren des Körpers."
Dabei müsste es nicht zwangsläufig nur um das Schneiden von Gewebe gehen. In einer noch unveröffentlichten Studie konnte Jay Guo nach eigenen Angaben zeigen, dass bei reduzierter Ultraschallenergie die Zellen nicht zerstört, aber ihre Membranen durchlässiger werden. Das bietet die Möglichkeit, Medikamente in Zellen einzuschleusen, die diese Wirkstoffe normalerweise aussperren. Bis diese Technik reif ist für die klinische Anwendung, wird freilich noch einiges an Grundlagenforschung nötig sein.
"Traditionell wird Ultraschall mit Hilfe von Piezoelementen erzeugt. Das sind Kristalle, an die ein Strom angelegt wird, wodurch sich der Kristall ausdehnt und dabei mechanisch die Schallwellen erzeugt. Wir setzen hingegen auf ein optoakustisches Verfahren."
Optoakustik bezeichnet das Erzeugen von Schall mit Hilfe von Licht. Jay Guo überzog kleine gläserne Linsen mit einer dünnen Schicht aus Kohlenstoff-Nanoröhren und einem speziellen Silikon. Werden die Linsen mit kurzen Pulsen eines Lasers bestrahlt, absorbieren die Kohlenstoff-Nanoröhren das Licht und erwärmen sich. Durch die Wärme dehnt sich wiederum das Silikon schlagartig aus. Dabei wird es wie die Membran eines Lautsprechers ausgelenkt. Da die Kohlenstoff-Nanoröhren sich extrem schnell aufwärmen und wieder abkühlen, lassen sich mit diesem Wechselspiel Ultraschallschwingungen mit einer Frequenz von über 15 Megahertz erzeugen.
"Und wir können mit den optoakustischen Linsen nicht nur Ultraschall erzeugen, sondern ihn auch viel stärker bündeln. Die Schallenergie lässt sich auf eine Fläche mit dem Durchmesser eines menschlichen Haares fokussieren."
Das ist mehr als hundert Mal feiner als bei herkömmlichen Ultraschallverfahren und ermöglicht eine viel präzisere Anwendung. Da die Ultraschallwellen so stark gebündelt werden, entsteht selbst bei einer schwachen Ausgangsleistung punktuell ein enormer Schalldruck. Im Labor ist es bereits gelungen, aus einer Gewebeprobe gezielt einzelne Zellen mit konzentrierten Ultraschallpulsen herauszulösen, während das umliegende Gewebe völlig intakt blieb. Jay Guo will auf Basis der neuen Technik optoakustische Skalpelle entwickeln, die berührungslos mit Ultraschall besonders fein geführte Schnitte ermöglichen.
"Dank dieser Präzision könnte man bei chirurgischen Eingriffen zielgenau sensible Regionen vermeiden, zum Beispiel Nerven."
Die Technik könnte sogar in der mikroinvasiven Chirurgie zum Einsatz kommen. Denn die optoakustischen Ultraschallerzeuger sind nur wenige Millimeter groß.
"Es ist denkbar, solche optoakustischen Linsen direkt an das Ende von Lichtleitfasern eines Katheters für endoskopische Anwendungen zu montieren. Somit können wir Laserlicht zu einem gewünschten Ziel lenken und genau dort den gebündelten Ultraschall erzeugen. Das heißt, wir machen das im Inneren des Körpers."
Dabei müsste es nicht zwangsläufig nur um das Schneiden von Gewebe gehen. In einer noch unveröffentlichten Studie konnte Jay Guo nach eigenen Angaben zeigen, dass bei reduzierter Ultraschallenergie die Zellen nicht zerstört, aber ihre Membranen durchlässiger werden. Das bietet die Möglichkeit, Medikamente in Zellen einzuschleusen, die diese Wirkstoffe normalerweise aussperren. Bis diese Technik reif ist für die klinische Anwendung, wird freilich noch einiges an Grundlagenforschung nötig sein.
