Therapeutischer Ultraschall mit Piezokomponenten

Ultraschall eröffnet neue und innovative Therapiemöglichkeiten, die viele etablierte Verfahren verbessern oder ersetzen. Unter Nutzung von Piezokomponenten können minimalinvasive und schonendere Behandlungsmethoden mit verbessertem Therapieerfolg und geringeren Nebenwirkungen realisiert werden. Therapeutischer Ultraschall bezeichnet eine Gruppe von Therapieverfahren, bei denen Ultraschall nicht nur Mittel zum Zweck der Diagnose, sondern das Kernelement der Therapie ist. Dazu gehören Anwendungen wie die Gewebeablation, die gezielte Wirkstoffabgabe, die ultraschallunterstützte Thrombolyse und die Lithotripsie. Sowohl fokussierter als auch unfokussierter Ultraschall können dafür genutzt werden.

Hochintensiver fokussierter Ultraschall (HIFU) für die berührungslose Gewebeablation

Die ultraschallbasierte Ablation von Gewebe, beispielsweise von Tumoren in Prostata oder Gebärmutter, erfolgt extrakorporal und damit nicht-invasiv. Für diese Therapiemethode wird mithilfe von piezoelektrischen Elementen hochintensiver fokussierter Ultraschall (HIFU) in den Körper projiziert. Um eine gerichtete Welle zu erzeugen, werden viele Piezoelemente auf einer Kugelkalotte angeordnet und synchron angeregt. Dadurch fokussiert sich die Energie in der Stoßwelle.

Diese akustischen Wellen haben verschiedene Effekte im Körper: Bei der Histotripsie entstehen durch Ultraschall Kavitationsbläschen, deren mechanische Energie Zellen zerbersten lässt. Die thermische Ablation mithilfe von Ultraschall erzeugt durch die Absorption der Wellenenergie eine Wärmebildung von über 42°C, sodass die Eiweiße der Zellstrukturen denaturieren und ganze Gewebeareale im Schallfokus koaguliert werden. Über die gezielte Erwärmung von Hirnstrukturen lassen sich mit HIFU außerdem Tremor oder Epilepsie medikamentenfrei behandeln. Das Monitoring erfolgt zeitgleich mittels MRT.

PI Ceramic bietet eine Vielzahl an Piezokomponenten, die für den Aufbau von HIFU-Transducern genutzt werden: >> Scheiben, >> Platten und Fokusschalen werden in kundenspezifischen Geometrien und Elektrodendesigns gefertigt. Durch unser umfassendes Know-how in den Fertigungstechnologien Kleben und Löten können wir diese Komponenten zu Bauelementen assemblieren und kontaktieren. Die so entstehenden Fokuselemente sind für den Einsatz in starken Magnetfeldern, beispielsweise bei MRT-Anwendungen, geeignet.

Gezielte Wirkstoffabgabe: Medikamentenapplikation im Fokus

Die gezielte Wirkstoffabgabe mithilfe von HIFU ermöglicht die Freisetzung oder Aktivierung von Medikamenten an einem bestimmten Ort im Körper. Dabei kommen verschiedene Wirkmechanismen zum Tragen. Grundvoraussetzung ist die Injektion von mit Medikamenten oder Gas gefüllten Mikrokugeln, die sich während der Behandlung im Blutkreislauf des Patienten verteilen und nur dort genutzt werden, wo sie sich im Schallfeldfokus befinden. Eine durch Ultraschall hervorgerufene instabile Kavitation führt zum Platzen der Mikrokugeln und zur lokalen Medikamentenfreisetzung.

Um eine erhöhte Aufnahme therapeutischer Substanzen zu ermöglichen, können mit Gas gefüllte Mikrokugeln injiziert werden. Durch deren stabile Oszillation entstehen Mikroströmungen, die im Zusammenspiel mit der mechanischen Energie der akustischen Wellen die Permeabilität der Blutgefäßwände für den Wirkstoff im Blut erhöhen. Dieser Mechanismus der Sonoporation wird beispielsweise für die reversible Öffnung der Blut-Hirn-Schranke genutzt – ein Prozess, der die medikamentöse Therapie neurodegenerativer Krankheiten wie Parkinson oder Alzheimer um ein Vielfaches verbessern kann.

Bei der sonodynamischen Therapie induzieren fokussierte Ultraschallwellen die Entstehung von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS), die zytotoxisch auf Zellen z. B. in Krebstumoren wirken. Wie auch bei der >> Gewebeablation wird für die gezielte Wirkstoffabgabe HIFU durch piezoelektrische >> Scheiben, >> Platten und Fokusschalen erzeugt.

Intravaskuläre Lithotripsie mit miniaturisierten Piezokomponenten

Um atherosklerotische Plaques in Blutgefäßen oder an den Herzklappen sowie lebensgefährliche Stenosen minimalinvasiv abzubauen, wird das Verfahren der intravaskulären Lithotripsie angewandt. Durch Sonoporation erhöhen Ultraschallwellen dabei die Permeabilität der Blutgefäßwand, sodass Medikamente besser eindringen und die Auflösung der Plaques einleiten können.

Hat sich bereits ein Thrombus gebildet, kann dessen Struktur mithilfe der mechanischen Ultraschall-Energie aufgelockert werden. Medikamente dringen dann leichter in sein Inneres ein und lösen ihn auf. So wird der Blutfluss zu lebenswichtigen Organen gewährleistet und Embolien vorgebeugt.

Als Piezoelemente für die intravaskuläre Lithotripsie und Thrombektomie eignen sich >> Miniatur-Piezorohre oder kleinste >> Plättchen, da sie in feinste Katheter integriert Ultraschallwellen erzeugen können. PI Ceramic stellt miniaturisierte Piezoelemente mit Dimensionen von weniger als einem Millimeter her und veredelt diese applikationsspezifisch beispielsweise durch >> Kontaktierung mit Litzen oder Assemblierung auf Substraten.

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Piezokeramische Materialien und Bauelemente

Grundlagen, Eigenschaften und Anwendungen
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CAT125
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