Laser Ultrasound Surgical Therapy (LUST): erste In vitro- und Ex vivo-Untersuchungen in der Neurochirurgie

Abstract

In der Neurochirurgie und besonders im Bereich der Hirntumoroperationen bedarf es aufgrund der hohen Gewebeempfindlichkeit von Nervenzellen funktionserhaltender, gewebeschonender Operationstechniken , d.h., eine Tumorentfernung mit tumorfreiem Randsaum ist nicht möglich, funktionelle Areale müssen erhalten bleiben und eine effiziente Blutstillung ist zwingend erforderlich. Ziel dieser Arbeit waren In vitro- und Ex vivo-Untersuchungen zur Testung eines neu entwickelten Instruments (Laser-CUSA), bei dem über eine Quarzglasfaser erstmals kombiniert Laserstrahlung und Ultraschall hoher Intensität übertragen werden kann. Es wurden insgesamt drei Versuchsgruppen durchgeführt mit dem Ziel, die generelle Einsetzbarkeit des Laser-CUSA hinsichtlich Funktionalität, Handling, Gewebeeffekt, und Effektivität zu testen. Gegenstand der Untersuchungen war zunächst die Erprobung des Systems in vitro am Rinderhirngewebe hinsichtlich der generellen Einsetzbarkeit. Zur besseren Einschätzung der Koagulationswirkung des eingesetzten Lasers sind Untersuchungen mit humanem Erythrozytenkonzentrat durchgeführt worden. In Ex vivo-Untersuchungen am exstirpierten Hirntumorgewebe verschiedener Entitäten (Gliome, Meningeome, Metastasen) sollten Abtragungsrate und Koagulationswirkung bestimmt werden. Abschließend sind die Handling- Eigenschaften des Instrumentariums untersucht worden. Die Untersuchungen konnten zeigen, dass hinsichtlich des Zusammenwirkens von Laser und Ultraschall synergistische Wirkungen erzielt werden. Bei entsprechender Applikationsreihenfolge und Berücksichtigung der Tumorbeschaffenheit lassen sich gleich gute Ergebnisse wie beim Einsatz der herkömmlichen Einzelkomponenten erzielen bei deutlicher Reduktion der Operationszeit. Eine Weiterentwicklung des Prototyps mit kleineren Modifikationen hinsichtlich Größe und Abwinklung sollte die Handlingeigenschaften zugunsten des mikrochirurgischen Einsatzes verbessern. Die zahlreichen Sicherheitsprüfungen ergeben keine Bedenken hinsichtlich eines In vivo-Einsatzes des Gerätes.

In neurosurgery, especially in the field of brain tumor surgery, function- preserving and tissue-conserving surgical techniques are necessary due to the high tissue sensitivity of neural cells, i.e. a tumor removal with a tumor- free edge is not possible, functional areas need to be preserved and an efficient hemostasis is mandatory. The aim of this study were in-vitro and ex- vivo examinations to test a newly developed instrument (Laser-CUSA), which – for the first time - can transmit a combination of both laser irradiation and ultrasonic waves of high intensity through a fiber of quartz glass. The research was done using a total of three groups to evaluate the general usability of the Laser-CUSA in regard to its functionality, handling, effect on tissue and effectivity. First, the system was tried in vitro on bovine brain tissue to test the general usability. To be able to better judge the coagulating properties of the laser used, studies were performed on human blood. In ex-vivo examinations on extirpated brain tumor tissue of different entities (gliomas, meningiomas, metastases) the ablation rate and the coagulation effects were determined. Finally, the handling characteristics of the instrument were tested. The research was able to show synergies between laser and ultrasonic waves. Using a proper administration sequence and considering the tumor’s properties, the same results can be achieved versus a treatment based on the single components while significantly reducing the time needed for surgery. Further development of the prototype with slight modifications of the size and angulation should be able to improve the handling towards a microsurgical use. The numerous safety checks did not reveal any concerns regarding an in-vivo use of the device.