Hirnschwellung: Laser statt Bohrer

3. Mai 2013, 07:41
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Bisher griffen Mediziner beim Öffnen der Schädeldeck zum Bohrer - Künftig soll ein Laserstrahl Knochen schneiden

Ein Schlaganfall kommt plötzlich und reißt viele Betroffene unvorhergesehen aus ihrem gewohnten Leben. Ist der Infarkt sehr groß, kann das Hirn anschwellen: Der Druck in der Schädelhöhle steigt, das Gehirn wird weniger durchblutet und weiter geschädigt. Um es vor Quetschungen zu schützen, öffnen Ärzte oftmals die Schädeldecke des Patienten (Entlastungs-Kraniotomie, Anm. Red.)

Bisher schneiden Chirurgen Schädelknochen mechanisch, also mit einem Bohrer. Das birgt jedoch ein hohes Risiko für den Patienten: Mit dem Bohrer kann der Chirurg auch die Hirnhaut verletzen, was zu einer Hirnhautentzündung und im schlimmsten Fall zum Tod führen kann.

Forscher wollen dieses Risiko nun senken, indem sie den Bohrer durch einen hochenergetischen Femto-Sekundenlaser ersetzen. "Unsere Kollegen am Fraunhofer-Institute für Lasertechnik (ILT) haben eine Vorrichtung entwickelt, mit dem der Chirurg den Laserstrahl führen und den Schädelknochen schneiden kann«, sagt Thilo Sandner, Gruppenleiter am Fraunhofer-Instituts für Photonische Mikrosysteme (IPMS) in Dresden.

Leistungsstarke Mikrospiegel

Der Laserstrahl wird dabei über einen Spiegel-Gelenkarm in das Handstück eingekoppelt. Dessen Herzstück sind zwei neuartige Mikrospiegel, die die Forscher am IPMS entwickelt haben: Der erste schneidet die Schädeldecke, er lenkt den Laserstrahl dynamisch über den Schädelknochen. Der zweite korrigiert Fehlpositionierungen.

Das Besondere: Die Bauelemente sind miniaturisiert, vertragen aber dennoch Laserleistungen von bis zu 20 Watt – also etwa zweihundert Mal mehr als herkömmliche Mikrospiegel. Diese können – abhängig vom konkreten Design – bereits bei 100 Milliwatt an ihre Grenze gelangen. Mit 5 x 7 oder 6 x 8 Millimetern sind die neuen Modelle zudem sehr groß und können somit auch Laserstrahlen mit großem Durchmesser führen. Zum Vergleich: Herkömmliche Mikrospiegel haben eine Größe von 1 bis 3 Millimetern.

Schneidleistung optimieren

"Während die Siliziumplatte bei herkömmlichen Mikrospiegeln durch eine hundert Nanometer dicke Aluminiumschicht verspiegelt wird, haben wir hochreflektierende elektrische Schichten auf das Siliziumsubstrat aufgebracht", erklärt Sandner. Der Spiegel reflektiert daher im sichtbaren Spektralbereich nicht nur 90 Prozent der Laserstrahlung wie übliche Bauelemente, sondern 99,9 Prozent. Es dringt viel weniger der hochenergetischen Strahlung in das Substrat ein. Das heißt, der Spiegel "merkt" weniger von der Laserstrahlung und verträgt deutlich höhere Leistungen.

Die Herausforderung für die Wissenschaftler lag vor allem darin, diese Hochleistungsbeschichtung auf das, lediglich wenige zehn Mikrometer dünne, Silizium-Substrat aufzubringen, das in der Mikrosystemtechnik üblich ist. Denn um die gewünschten Reflektions-Eigenschaften zu erreichen, müssen die Forscher viele verschiedene Schichten aufbringen – insgesamt einige Mikrometer dick. In jeder dieser Schichten herrscht jedoch eine gewisse mechanische Spannung, zudem dehnen sich alle Schichten bei hoher Temperatur unterschiedlich stark aus. Das führt dazu, dass sich das Substrat durch die Beschichtung verformt, es wölbt sich. "Diese Wölbung verschlechtert die optische Qualität des Spiegels. Wir gleichen sie aus, indem wir auf der Rückseite des Substrates nochmal dieselben Schichten aufbringen", sagt Sandner. In weiteren Entwicklungsschritten wollen die Forscher nun die Schneidleistung optimieren. (red, derStandard.at, 3.5.2013)

 

Demonstratoren des Handstücks sowie des Mikrospiegels gibt es bereits. Auf der Messe Laser – World of Photonics (13. bis 16. Mai) in München stellen die Forscher das Projekt vor (Halle B2, Stand 421).

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