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Ultrakurzpulslaser: effizient und präzise Ultraschnelle Laserpräzision

Redakteur: Anne Richter

Die Bearbeitung von Teilen, die klein genug sind, um durch Gefässkatheter eingesetzt zu werden, ist eine Herausforderung. Mit Ultrakurzpulslasern von Microlution können neuartige Ablationsspitzen mit Mikrobohrungen für eine effizientere und präzisere Behandlung hergestellt werden.

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Vergrösserung einer Katheterspitze.
Vergrösserung einer Katheterspitze.
(Bild: GF Machining Solutions)

Die Medizintechnik ist eine der anspruchsvollsten und aufregendsten Branchen der Welt. Neue Verfahren retten und verlängern Leben und implantierbare und minimal­invasive Geräte beschleunigen Therapien, reduzieren oder verhindern Krankenhausaufenthalte und verkürzen die Return To Work Time. Die Herstellung dieser Instrumente und der für ihre Funktionen benötigten Komponenten wird zunehmend schwieriger. Die Teile müssen sehr klein sein, damit sie in menschliche Venen passen und anspruchsvolle Operationen mit ihnen durchgeführt werden können. Ausserdem müssen sie alle rechtlichen Sicherheits- und Qualitätsanforderungen erfüllen. Neue Bearbeitungstechnologien ermöglichen jetzt erfolgversprechende neue Produkte. Die minimal­invasive Ablation bei Vorhofflimmern im menschlichen Herzen ist ein Bereich, für den diese neue Bearbeitungstechnologie sicherere und effektivere Instrumente ermöglicht.

Das menschliche Reizleitungssystem sendet Signale an das Herz, Blut durch den Körper zu pumpen. Dieses System funktioniert nicht immer richtig. Zellen können unregelmässige Signale senden, wodurch die Herzkammern flimmern und sogenannte Arrhythmien, also Herzrhythmusstörungen, verursachen.

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Katheterablation zur Behandlung von Herzrhythmusstörungen

Eine zunehmend verbreitete Behandlung von Herzrhythmusstörungen ist die Katheterablation, bei der ein Katheter mit einer elektronischen Spitze durch eine Beinvene zum Herzen geschoben wird, um die Ursache der schädlichen Signale zu kauterisieren bzw. zu veröden.

Es gibt mehrere kritische Erfolgsfaktoren für die Katheterablation. So muss die Ablationsspitze positionsgenau zur Quelle der fehlerhaften elektrischen Signale gelenkt werden. Es muss ausreichend Strom fliessen können, um das schädliche Gewebe vollständig und ohne Schädigung des gesunden Nachbargewebes abzutragen, ohne dabei Nekrosen hervorzurufen, die Gewebevernarbungen und Verklumpungen des Bluts (Thromben) auslösen können. Integrierte Bildgebungs- und Sensortechnologie in High-End-Geräten können die abzutragende Gewebestelle genau identifizieren, die durch die Ablation erzeugte Hitze kontrollieren und die Temperatur im zulässigen Bereich halten. Bei zu geringen Temperaturen kann es zu Läsionen kommen, die nicht gross genug sind, um die gesamte Oberfläche an der Arrhythmiequelle abzutragen. Grössere Katheterspitzen können schneller mehr Gewebe abtragen. Bei unterschiedlichen Gewebedicken im Herzen werden kleinere Spitzen auch zur Behandlung kleinerer Bereiche verwendet.

Ablationskatheterspitzen: Bohrungen mit präzisen Geometrien

Neuere Ablationskatheterspitzen arbeiten mit Spülung: Eine Kochsalzlösung wird um oder durch die Spitze gespült, um den Arbeitsbereich so zu kühlen, dass eine erfolgreiche Ablation durchgeführt werden kann. Flüssigkeit in den Ablationsbereich zu bringen, erhöht jedoch das Risiko, dass diese durch Hitze zum Kochen gebracht, Dampf oder Gas freigesetzt und das Herzgewebe perforiert werden kann. Neue Konstruktionen für gespülte Katheterspitzen machen die Spülung effizienter. Sie enthalten Bohrungen mit präzisen Geometrien, um die Flüssigkeitsverteilung zu beeinflussen. Das Ergebnis: mehr Kühlwirkung bei weniger Flüssigkeit, und dadurch eine Verringerung des Siederisikos. Das Herstellen dieser Bohrungen, deren Durchmesser kleiner als der eines menschlichen Haares ist, war mit herkömmlicher Bearbeitungstechnologie bisher wirtschaftlich nicht durchführbar.

Ultrakurzpulslasertechnologie für neues Design

Um die exakten Vorgaben der Kanten- und Oberflächenqualität zu erreichen, die für eine effizientere Dispersion gefordert werden, sind eine Präzision und Geschwindigkeit erforderlich, die in der Mikrofertigungstechnologie bisher nicht möglich waren. Johnson Matthey, ein führender Hersteller von Herz­kathetern, kann nun mit der Ultrakurzpulslasertechnologie neue Designs für Ablationsspitzen herstellen. Ultraschnelle Laser entfernen Material ohne Wärmeentwicklung. So lassen sich winzige Bohrungen mit guter Oberflächen- und Kantenqualität erzeugen. Ablationsspitzen, die mit dieser Technologie hergestellt werden, benötigen die Hälfte des Flüssigkeitsstroms herkömmlicher Katheterspitzen mit Spülung. Die Risiken einer Thrombusbildung oder einer Perforation sind dadurch deutlich reduziert.

Material wird entfernt, bevor Wärme eingetragen wird

Die häufigste Herausforderung eines jeden Bearbeitungsprozesses ist das Verhindern thermischer Schäden am Bauteil. Hitze verursacht Aufschmelzungen, Grate, Wärmeeinflusszonen, Verformungen und andere Schäden, die durch eine Nachbearbeitung behoben werden müssen. Bei Teilen, die so klein sind wie Katheterspitzen, ist nahezu jede thermische Beschädigung inakzeptabel, da es äusserst schwierig ist, Nacharbeit im Mikrometerbereich durchzuführen. Ultrakurzpulslaser senden Licht­impulse so schnell aus, dass bei jedem Impuls eine kleine Menge Material entfernt wird, bevor die Wärme absorbiert werden kann. Das Ergebnis ist, dass die Formen, in diesem Fall die Bohrungen in den Katheterspitzen, nahezu perfekt sind. Die Abmessungen, die Oberflächen- und die Kantenqualität entsprechen den Vorgaben des Konstrukteurs und ermöglichen eine genaue Flüssigkeitsverteilung.

Obwohl schnelle Laser seit Jahrzehnten in Labors eingesetzt werden, waren sie für den anspruchsvollen industriellen Einsatz nicht geeignet und anfällig für Umgebungsbedingungen wie Temperatur­schwankungen und Vibrationen. Die Microlution ML-5 von GF Machining Solutions, die branchenweit führende ultraschnelle Laser-Mikro­bearbeitungsplattform, kombiniert einen aussergewöhnlich stabilen Maschinenaufbau mit Teilehandling und einer präzisen Achssteuerung, die zu einem erfolgreichen Einsatz in den anspruchsvollsten Unternehmen der Welt geführt haben – Automobilindustrie, Medizintechnik und Halbleiterindustrie. GF Machining Solutions mit seiner Marke Microlution und Johnson Matthey haben gemeinsam ein automatisiertes und wirtschaftliches Laserbearbeitungssystem entwickelt, mit dem eine neue Generation von Ablationskathetern auf den Markt gebracht werden konnte. -ari- SMM

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