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Klein statt klobig: LED-Winzlinge sollen Augenchirurgen die Arbeit erleichtern

Ein neues Beleuchtungssystem für die Netzhautchirurgie, das auf kleine weiße Leuchtdioden (LED) setzt, verspricht Patienten mehr Sicherheit und Operateuren mehr praktischen Nutzen. Ehe die Idee als Medizinprodukt auf den Markt gelangt, werden wohl noch drei Jahre vergehen. Prototypen müssen optimiert, zugelassen und dann in der Frankfurter Universitäts-Augenklinik auf Sicherheit und Funktionalität getestet werden.

Dr. Christian Lingenfelder, Geschäftsführer des Medizinprodukteherstellers alamedics GmbH & Co. KG (Dornstadt) hat mit seinen Kooperationspartnern, Prof. Dr. Martin Heßling von der Hochschule Ulm und Prof. Frank Koch von der Frankfurter Universitäts-Augenklinik, bereits vielversprechende Ergebnisse vorgelegt. Patente wurden angemeldet, Versuche am Schweineauge mit Prototypen verliefen erfolgreich. Jetzt sollen Versuche am menschlichen Auge folgen.

Glossar

  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Absorption steht in der Biologie für Aufnahme (im pharmakologischen Zusammenhang ist die Aufnahme eines Wirkstoffes gemeint; im physikalischen Zusammenhang ist die Aufnahme von Licht gemeint)
  • LED ist die Abkürzung für Licht emittierende Diode.
Die europäische Fachgesellschaft EURETINA hat ihren Ansatz prämiert: Dr. Christian Lingenfelder, Prof. Frank Koch und Prof. Martin Heßling (v.l.) © Hochschule Ulm

Fördermittel wird das interdisziplinäre Team, zu dem noch der Berliner LED-Spezialist EPIGAP Optronic GmbH ins Boot geholt wurde, jetzt beim „Zentralen Innovationsprogramm Mittelstand" (ZIM) beantragen. Damit sollen die bisherigen Resultate optimiert und Prototypen zum Medizinprodukt entwickelt, zugelassen und nach einer klinischen Studie auf den Markt gebracht werden. Im September 2015 hat das Verbundprojekt (Arbeitstitel „SafeLED") den Ritterschlag der europäischen Fachwelt erhalten, den mit 20.000 Euro dotierten EURETINA Science & Medicine Innovation Award. In der Jury sitzen acht der weltweit führenden Netzhautchirurgen, berichtet Lingenfelder. Die Kooperationspartner verstehen das als „einen deutlichen Hinweis", das Projekt voranzutreiben.

„Wir müssen den auf sich alleine gestellten Chirurgen das Leben so einfach wie möglich machen", umreißt Lingenfelder die Ausgangslage für den „radikal neuen Ansatz", den Lingenfelder, Heßling und Koch im steten Abgleich mit den Erfordernissen der Augenchirurgie entwickelt und am Schweineauge getestet haben. Allein in Deutschland (nach Zahlen des Statistischen Bundesamts) summieren sich die Operationen an Netzhaut und Glasauge auf 200.000.

Auge muss vor bestimmtem Licht geschützt werden

Enge herrscht im Auge bei OPs. Unser Bild zeigt chirurgische Instrumente und einen Lichtleiter (2. von links). © Uniklinikum Frankfurt/Main

Wenn Chirurgen am kranken Auge eingreifen, müssen sie ihr Operationsgebiet ausleuchten. Das menschliche Auge reagiert aber sehr empfindlich auf blaues, violettes oder UV-Licht, bei zu hoher Intensität wird das Auge geschädigt. Rückt man dem Auge mit Licht zu nahe, kann das Auge schon nach wenigen Minuten thermisch oder photochemisch geschädigt werden. Besonders schutzbedürftig ist die menschliche Netzhaut, sie ist eines der Gewebe mit dem höchsten Stoffwechsel. Die Norm (DIN EN ISO/DIS 15004-2:2014) gibt Grenzwerte zum Schutz des Auges vor Licht vor. Strahlungsleistung, Einfallswinkel und Spektrum der Lichtquelle müssen bekannt sein, um die maximale Dauer der Ausleuchtung zu bestimmen, ohne das Auge zu schädigen.

Eingesetzt werden bislang in der Augenchirurgie häufig Xenon-Lichtquellen oder Quecksilberdampflampen, die mit sterilen Einweg-Lichtleitern kombiniert werden. Diese gibt es in zwei Varianten, entweder handgeführt mit starren Enden oder als sogenannte Chandelier-Endoilluminatoren. Die Lichtleiter werden durch kleine Schnitte an der „pars plana" ins Auge eingeführt, damit der Operateur freien Blick auf das Operationsgebiet hat. Die Schnittstelle befindet sich im vorderen Bereich des Augapfels, der keine Netzhaut und auch kein funktionelles Gewebe aufweist.

Operateur soll beide Hände für Eingriff benutzen

Herkömmliche Beleuchtungssysteme sind in großen Kästen verbaut, gegen die sich LED-basierte Lösungen, wie sie auf dem Foto die Hand hält, winzig ausnehmen. © Pytlik

Allerdings beleuchten die Lichtsonden dieser Lichtleiter den intraokularen Raum oft unzureichend, sodass mehrere Lichtsonden eingesetzt, weitere handgeführte Lichtleiter verwendet oder während der Operation die Lichtsonden umgesetzt werden müssen. In vielen Fällen bedeutet dies, dass die eine Hand beleuchtet, die andere operiert. Für den Patienten kann dies nachteilig sein, weil die Operation länger dauert und möglicherweise nicht so präzise durchgeführt werden kann. Die herkömmlichen Lichtquellen (100 bis 300 Watt starke Xenon- oder Quecksilberdampfleuchten) sind in großen kistenähnlichen Apparaten verbaut.

Weiße LED erobern gerade die Lichttechnik, sie beleuchten Smartphones und werden in Autoscheinwerfern eingesetzt. 2014 haben drei Japaner für die Entwicklung der zugrundeliegenden blauen LED den Physiknobelpreis erhalten. Der Physiker Heßling hält weiße LED im Vergleich zu herkömmlichen Beleuchtungssystemen für die Augenchirurgie für besonders geeignet. Ihr Lichtspektrum besitzt nur wenige für das Auge gefährliche Blau-Anteile und stimmt gut mit der Empfindlichkeitskurve des menschlichen Auges überein. Außerdem sind sie preisgünstig und um ein Vielfaches kleiner als konventionelle Beleuchtungssysteme. Die Winzlinge (Durchmesser: 0,7 mm) liefern anders als konventionelle Lampen nur ein Tausendstel der Leistung, die aber geht sowieso größtenteils im dünnen Lichtleiter der herkömmlichen Lampen verloren.

Mini-LED mit angepasster Geometrie passen ins Auge und brauchen nur einen elektrischen Anschluss und eine kleine Knopfbatterie: Diesen Kerngedanken haben Heßling, Koch und Lingenfelder zu zwei alternativen Ansätzen entwickelt. Ein seit 2011 auf dem Markt befindliches LED-Beleuchtungssystem sei, sagen die Kooperationspartner, uneffizient und gefährde die Netzhaut, wenn ihr die Spitze des Lichtleiters zu nahe komme.

Kleiner, sicherer, effizienter

Ein Prototyp des neuen Beleuchtungssystems mit Lichtsonde. © alamedics

Die erste Alternative, ein Miniatur-LED-Endoilluminator mit Lichtsonde, verzichtet auf Lichtleiter und leuchtet das Operationsgebiet im Auge besser als herkömmliche Systeme aus. Die leicht konische LED verankert sich im Auge, sodass der Operateur beide Hände frei hätte. Ein Teil des Lichts (bis zu 20 Prozent) dringt auch durch die Sklera (Lederhaut), sodass zwei Lichtquellen das Auge relativ gleichmäßig ausleuchten. Das Auge werde damit zum Leuchtkörper, erläutert Lingenfelder.

Da das Emissionsspektrum der LED fast doppelt günstiger ist als das verglichener Xenonlampen, ließe sich das Auge 13 Stunden ohne photochemische Schäden beleuchten. Für die thermische Gefährdung errechnete Heßling eine weit unter dem Grenzwert (0,7 W/cm2) liegende Zahl (0,1 mW/cm2). An der Kontaktfläche Auge/LED unterschritt die gemessene Temperatur von 40,2 Grad Celsius den für das retinale Pigmentepithel kritischen Wert von 47 bis 57 Grad Celsius.

Die Messungen wurden an Schweineaugen vorgenommen mit einer 0,1 W LED. Von der neuen Generation der Chandelier(frz.: Kerzenhalter)-LED-Endoillumination versprechen sich die Verbundpartner mehr Effizienz und ein geringeres photochemisches Risikopotenzial. Winzige LED mit 0,3 mm Durchmesser könnten die Größe des nach wie vor nötigen Einschnitts verringern. Die patentierten Ideen sind noch nicht umgesetzt worden und bedürfen weiterer Erforschung.

Beleuchtung ohne Eingriff

Ohne Einschnitt am Auge kommen transsklerale LED-Endoilluminatoren aus. Dabei wird die LED von außen an das Auge gesetzt mithilfe eines Lidsperrers, einem Standardinstrument der Augenchirurgie. Eingesetzt wird bei diesem nichtinvasiven Ansatz eine relativ schwache weiße Lichtdiode, die keine Emissionen in den besonders netzhautschädigenden violetten und UV-Spektralbereichen aufweist.

Die LED wird möglichst vorne seitlich an einer Stelle ans Auge gedrückt, an der sich keine Netzhaut befindet („pars plana"). Das Licht gelangt durch Lederhaut (Sklera) und Aderhaut ins Augeninnere, wo es teilweise absorbiert und teilweise gestreut wird. Der Ansatz nutzt die Lichtdurchlässigkeit der Lederhaut aus. Diesen überraschenden Befund haben Messungen an Schweineaugen erbracht, bei denen im Spektralbereich von 400-750 nm 10 bis 15 Prozent Lichttransmission gemessen wurde. Diese steigt mit Wellenlänge und wachsendem Druck auf die Augenwand. Das System ist als medizinisches Einwegprodukt gedacht, das der Chirurg sterilisiert bezieht und das mindestens eine halbe Stunde lang das Operationsgebiet ausreichend beleuchtet. Diese Beleuchtungsdauer wäre ein Fortschritt gegenüber vielen kommerziellen Beleuchtungssystemen, die wegen stärkerer photochemischer Netzhautbelastung nur eine geringere Einsatzdauer erlauben.

Schemata der intraokularen Ausleuchtung bei operativem Eingriff. a: Herkömmliche Beleuchtung über starre Lichtleiter oder Chandelier-Endoilluminatoren mit starrem Lichtleiter. b: Beleuchtung über Lichtsonde und Lederhaut. c: Beleuchtung über eine anliegende LED und Lederhaut. © Hochschule Ulm

In Kürze Tests am menschlichen Auge

Die Untersuchungen an Schweineaugen stimmten weitgehend mit bereits publizierten Resultaten an menschlichen Augen überein. Dort wurde bei einer Wellenlänge von knapp unter 600 nm eine Transmission der Lederhaut von 15 bis 20 Prozent ermittelt, bei steigendem Druck von bis zu 40 bis 50 Prozent. Messungen zur Augensicherheit des transskleralen Ansatzes erbrachten unter ungünstigen Annahmen weder eine photochemische noch eine thermische Gefährdung. Die thermische Belastung lag mit 0,35 W/cm2 um die Hälfte niedriger als der Grenzwert, auch die LED selbst erwärmte sich nur auf ungefährliche 30 Grad Celsius. Die Resultate wurden mit einer chirurgischen Aufsatzlinse auf der Linse des Schweineauges gemacht, da es keinen passenden Lidsperrer gibt. Mit dem in der Literatur genannten Transmissionswert von 20 Prozent für die Augenwand, so Heßling, wäre eine mittlere Beleuchtungsstärke im Augeninneren möglich.

Weiterführende Literatur:

Kölbl, P.S. et al.: An extraocular non-invasive transscleral LED-endoilluminator for eye speculum integration, Graefes Arch. Clin. Exp. Ophthalmol., Berlin Heidelberg 2015, DOI: 10.100/s00417-015-3036-9
Heßling, M. et al.: Kleinste LED-Illuminatoren für die Netzhautchirurgie, BioPhotonik 1/2015, S. 32-35

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