Therapeutische Verfahren: Heilende Maschinen

Wodurch werden Operationen am offenen Herzen möglich?

Durch den Einsatz einer sog. Herz-Lungen-Maschine, welche die Aufgabe des Herzens übernimmt und den Blutkreislauf in Gang hält. Eine Operation am Herzen kann meist nur dann durchgeführt werden, wenn das Herz zuvor stillgelegt wird – ohne Herzschlag funktioniert jedoch der Blutkreislauf nicht mehr und der Körper wird nicht mehr mit Sauerstoff versorgt. Die Folge sind irreparable Schäden beim Patienten nach bereits drei Minuten. Deshalb wird bei solchen Operationen eine Herz-Lungen-Maschine eingesetzt, die den Blutkreislauf aufrechterhält. Dies gelingt mithilfe der vier »Anschlüsse« des Herzens: An einem wird sauerstoffarmes Blut in die Lunge gepumpt, wo es mit Sauerstoff angereichert wird, beim zweiten »Anschluss« wird es wieder angesaugt, um am dritten in den Körper gepumpt zu werden. Dort gibt das Blut den Sauerstoff an die Organe ab, wird in diesem sauerstoffarmen Zustand vom vierten »Anschluss« zurückgesaugt und durch den ersten erneut in die Lunge gepumpt. Um das Operationsrisiko zu verringern, legt man aber bei manchen Operationen lediglich den Lungenkreislauf still; dann sind nicht alle vier »Anschlüsse« zu versorgen.

Wie funktioniert eine Herz-Lungen-Maschine?

Zunächst wird das sauerstoffarme Blut aus den Venen abgepumpt. In einem Oxygenator wird es dann mit Sauerstoff versorgt und gelangt durch einen Wärmetauscher über einen Filter zurück in die Hauptschlagader. Der Oxygenator übernimmt dabei die Funktion der Lunge: Entweder lässt man Sauerstoffgas durch das Blut perlen oder den Sauerstoff durch eine Membran ins Blut diffundieren. Der Wärmetauscher soll bei Eingriffen Operationen das Blut auf Körpertemperatur halten, es bei langen Operationen hingegen abkühlen. Denn bei Körpertemperatur drohen dem Herzmuskel Schäden, die sich durch Unterkühlung für Zeiträume von etwa 20 Minuten vermeiden lassen, mit speziellen Spüllösungen sogar bis zu zwei Stunden lang. Der Filter schließlich verhindert, dass Blutgerinnsel in die Blutbahn gelangen.

Übrigens: Operationen mit der Herz-Lungen-Maschine sind nicht ungefährlich. Obwohl ein solcher Apparat aus chemisch neutralen Materialien mit möglichst glatten Oberflächen besteht, werden die Blutkörperchen beschädigt. Der Zerfall der Blutzellen dauert sogar noch nach der Operation an. Weitere Gefahren sind Gefäßablagerungen durch das Einsetzen der Schläuche oder Infektionen.

Was ist ein Endoskop?

Endoskope sind, vereinfacht gesagt, dünne Schläuche oder Röhren, die zwischen einem und 15 Millimeter Durchmesser haben; sie werden durch eine natürliche Öffnung oder einen Schnitt in den Körper eingebracht. Wird ein flexibles Endoskop in natürliche Körperöffnungen eingeführt, z. B. in die Speiseröhre oder in den Darm, so ist gar kein Schnitt erforderlich; bei starren Endoskopen, die durch die Bauchdecke in den Bauchraum eingeführt werden, sind die Schnitte nur wenige Millimeter lang.

Jedes Endoskop enthält mindestens ein Beleuchtungssystem und ein System zur Bildbetrachtung, das bei einer operationsvorbereitenden Untersuchung Einblicke in das Innere des Körpers gestattet. Das nötige Licht, das über Glasfasern geleitet wird, liefert eine Xenon- oder Halogenlampe.

Wie gelangt das Endoskopbild zum Arzt?

Um das Bild des Organs an das Auge des Chirurgen zu führen, verwendet man bei starren Endoskopen Linsensysteme; bei ihnen kann das Körperinnere also direkt durch ein Okular betrachtet werden. Bei flexiblen, mit Schläuchen ausgestatteten Endoskopen dagegen muss man die Bilder nach außen übertragen. Dies geschieht etwa über Bündel von Lichtleitfasern, die in einem Okular münden. Sollen mehrere Ärzte gleichzeitig die Aufnahmen ansehen können, wird eine Videokamera eingesetzt. Sie schickt das Bild an einen Monitor. Das gute Auflösungsvermögen der Kamera, das für ein brauchbares Bild unerlässlich ist, beruht auf digital arbeitenden Bildsensoren – lichtempfindlichen Chips, welche die Bildpunkte in elektronische Signale umwandeln. Sie werden dann in einem Computer verarbeitet und auf einem Monitor angezeigt.

Lassen sich Endoskope auch bei Operationen einsetzen?

Ja, mithilfe von Endoskopen kann man nicht nur Untersuchungen, sondern auch Eingriffe durchführen. Dazu werden durch den flexiblen Schlauch oder die starre Röhre des Endoskops miniaturisierte Instrumente wie Scheren oder elektrische Skalpelle in den Körper eingeführt. Auch Laserstrahlen lassen sich über Endoskope an eine zu behandelnde Stelle leiten. Da man mit diesem Verfahren nur noch minimal in den Körper des Patienten »eindringen« muss, werden solche Operationsverfahren als »minimalinvasive Chirurgie« (MIC) bezeichnet.

Eine minimalinvasive Operation bedeutet für den Patienten in der Regel eine viel geringere Belastung als eine »klassische« Operation. Durch die kleineren Operationswunden reduziert sich vor allem die Heilungsdauer. Einige Operationen – beispielsweise am Meniskus – sind deshalb inzwischen sogar ambulant möglich.

Eignen sich Röntgenstrahlen nur zur Diagnose?

Nein, denn Röntgenstrahlung kann im Rahmen der Strahlentherapie auch zu therapeutischen Zwecken genutzt werden. Ihre Wirkung beruht darauf, dass sie den Atomen, auf die sie trifft, Elektronen entreißt und die Atome zu Ionen macht; man spricht deshalb auch von ionisierender Strahlung. Trifft ionisierende Strahlung auf lebende Zellen, lässt sie Molekülbindungen aufbrechen, löst biochemische Reaktionen wie Veränderungen der Erbsubstanz (Mutationen) aus und führt im Extremfall zum Zelltod.

Dies kennen viele Menschen unter dem Begriff Strahlenschäden. Ihre negativen Auswirkungen sind jedoch gegen krankhafte Zellen wie Tumorzellen nützlich. Denn während sich gesunde Zellen von nicht zu hohen Strahlendosen erholen, werden Tumorzellen davon viel stärker geschädigt. Bestrahlt man also den Körper mehrmals in Zeitabständen, die gesundem Gewebe eine Regeneration erlauben, dann werden die Krebszellen zerstört. Um das kranke Gewebe so genau wie möglich zu bestrahlen und gesunde Zellen weitestmöglich zu schonen, muss vor der Strahlentherapie der Tumor genau lokalisiert werden.

Welche Strahlen kommen in der Strahlentherapie zum Einsatz?

Neben elektromagnetischer Strahlung in Form von Röntgen- und Gammastrahlen werden radioaktive Strahlen und sog. schwere Ionen eingesetzt. Die Anwendung der unterschiedlichen Strahlenarten richtet sich dabei nach den medizinischen Erfordernissen. Oberflächennahe Tumore beispielsweise werden mit weicher Röntgenstrahlung oder »schnellen« Elektronen bestrahlt. Für tiefer sitzende Tumore nutzt man härtere Röntgenstrahlung oder Gammastrahlung.

Übrigens: Die sinnvolle Dosis hängt einerseits von der physikalischen Energiedosis der Strahlung ab, andererseits von der relativen Empfindlichkeit des Gewebes, in dem z. B. ein Tumor eingebettet ist. So liegt die Empfindlichkeit der Keimdrüsen bei 0,2, die der Haut bei 0,01. Hinzu kommt ein Faktor, der von der Strahlungsart abhängt und in etwa angibt, wie viel mal intensiver als Röntgenstrahlung die Strahlung ist. Das Ergebnis dieser drei Parameter wird in der Einheit Sievert (Sv) gemessen.

Wie unterscheiden sich Röntgen-, Gamma- und Teilchenstrahlung?

Der Unterschied zwischen Gamma- und Röntgenstrahlung liegt zum einen in ihrer Wellenlänge, zum anderen in der Art, wie sie entstehen. Während Gammastrahlen eine Wellenlänge unter 0,01 Nanometer (milliardstel Meter) haben, liegen Röntgenstrahlen im Bereich von 0,01 bis 10 Nanometer. Anders als Röntgenstrahlung wird Gammastrahlung nicht mithilfe von abgebremsten Elektronen in einer Röntgenröhre erzeugt, sondern stammt aus dem radioaktiven Zerfall von Atomkernen. Für den Einsatz in der Medizin werden meist Cobalt-60-Präparate verwendet, die zwar nur wenige Zentimeter Kantenlänge aufweisen, aber eine intensive radioaktive Strahlung aussenden.

Röntgen- wie auch Gammastrahlen geben im Gewebe ihre Energie in einem größeren Gebiet ab, daher lässt sich ihr Wirkungsbereich nicht so genau festlegen. Anders ist dies bei Teilchenstrahlung, die in einer sehr scharf eingegrenzten Tiefe wirkt. Teilchenstrahlen wie Protonen, Alphateilchen oder Schwerionen lassen sich jedoch nur in sehr aufwendigen Teilchenbeschleunigern herstellen. Deshalb steht diese Therapiemöglichkeit nur in wenigen Großforschungslabors zur Verfügung.

Kann man Nierensteine ohne Operation entfernen?

Ja, mithilfe von akustischen Stoßwellen. Sie entstehen, wenn sich Schallwellen so überlagern, dass die mit ihnen verbundenen Schwankungen von geringem zu höherem Druck sehr rasch aufeinander folgen – bekannte Beispiele sind Überschallknall und Donner, die oft Fensterscheiben zum Scheppern bringen. Es ist leicht vorstellbar, dass die Scheiben zerspringen, wenn sie kurz hintereinander von vielen solcher Stoßwellen getroffen werden.

Steine können sich in Nieren, Blase und Galle bilden, wenn der Harnsäurestoffwechsel gestört ist. Diese unlöslichen Kristalle können, wenn sie sich festsetzen, heftige Schmerzen verursachen. Bis in die 1980er Jahre hinein konnte man sie nur operativ entfernen. Heute lassen sie sich mithilfe der Stoßwellenlithotripsie meist von außen zertrümmern.

Um dieses Verfahren anwenden zu können, muss die Position der Nierensteine zunächst durch eine Röntgenuntersuchung genau bestimmt werden. Dann wird der Stein von mehreren Ultraschallerzeugern gleichzeitig beschallt, so dass ihn eine sehr hohe Intensität trifft. Während die Ultraschallwellen das umliegende Gewebe kaum schädigen, regen sie den Stein zu mechanischen Schwingungen an, die ihn zerbrechen lassen. Die Bruchstücke werden mit dem Harn ausgeschieden.

Wann lässt sich die Stoßwellentherapie nicht einsetzen?

Wenn die Nieren- oder Gallensteine in der Nähe eines Knochens liegen, denn diese schirmen den Ultraschall ab. In diesem Fall müssen die Stoßwellen direkt im Körper in der unmittelbaren Nähe des Steins erzeugt werden. Dazu strahlt man über ein Endoskop einen Laserstrahl ein. Dieser erhitzt die Umgebung seines Auftreffpunkts und erzeugt dadurch eine Dampfblase, die nach dem Erlöschen des Strahls zusammenfällt. Lässt man nun durch sehr schnell aufeinander folgende Laserpulse die Blasen in rascher Folge entstehen und zerfallen, werden im Körperinneren Ultraschallstoßwellen erzeugt, die den Stein schließlich zertrümmern.

Wie hilft der Laser bei Netzhautschäden und grünem Star?

Durch verklumpen von Eiweißen im Auge. Bereits 1962, zwei Jahre nach dem Bau des ersten Lasers, wurde zum ersten Mal mit diesem besonderen Licht eine Netzhaut behandelt. Entzündungen oder Durchblutungsstörungen führen manchmal dazu, dass sich die Netzhaut ablöst. Mit Laserlicht können die um die Ablösungsstelle liegenden Gebiete koaguliert werden, d. h., die im Gewebe enthaltenen Eiweißstoffe beginnen zu verschmelzen und verklumpen. Dieses »Verkleben« beugt einer weiteren Ablösung der Netzhaut vor.

Grüner Star (Glaukom) entsteht durch eine Überproduktion von sog. Kammerwasser. Der dadurch erhöhte Augeninnendruck schädigt den Sehnerv, was zur Erblindung führen kann. Laser werden hier sowohl zur Diagnose als auch zur Therapie eingesetzt. Ein Laserscanner tastet dabei die Oberfläche des Sehnervs ab und macht verdächtige Veränderungen sichtbar. Zur Behandlung des grünen Stars kann der Ziliarkörper des Auges, der das Kammerwasser produziert, durch infrarotes Laserlicht teilweise koaguliert werden. Danach produziert er weniger Kammerwasser.

Wie wird Fehlsichtigkeit mithilfe von Laserstrahlen behandelt?

Kurzsichtigkeit lässt sich beheben, indem die zu stark gekrümmte Hornhaut in der Mitte durch die fotoablative Wirkung des Laserstrahls abgetragen wird, d. h., der Laser führt zu einer gezielten Verdampfung dünner Gewebsschichten. Der Vorteil eines Lasers gegenüber konventionellen Diamantmessern, mit denen man früher gearbeitet hat, ist seine große Tiefengenauigkeit. Bei derartigen Operationen werden UV-Laser eingesetzt, die im sog. gepulsten Betrieb arbeiten. Sie versenden Laserpulse mit einer Pulsdauer von nur wenigen Nanosekunden. Dies schont das umliegende Gewebe und konzentriert die Energie auf die Operationsstelle.

Geringe Weitsichtigkeit mit bis zu zwei Dioptrien lässt sich ebenfalls mit Laserstrahlen behandeln. Dabei wird ein ringförmiger Bereich um das Hornhautzentrum mithilfe von Laserlicht auf etwa 60 °C erwärmt. Das Bindegewebe schrumpft, die zu schwach gekrümmte Hornhaut zieht sich in dem bestrahlten Bereich zusammen und wölbt sich vor.

Wie ersetzt ein Beatmungsgerät die natürliche Atmung?

Ein solches Gerät liefert Sauerstoff und medizinische Druckluft, die in der richtigen Dosierung und nach Befeuchtung in die Lunge des Patienten gelangen. Die Beatmungseinheit sorgt dafür, dass die Ventile korrekt geschaltet werden. Dabei lassen sich verschiedene Möglichkeiten unterscheiden: Bei der totalen Atemunterstützung atmet der Patient überhaupt nicht mehr eigenständig, das Gerät liefert also die Atemluft und sorgt dafür, dass sie in die Lungen gelangt. Bei der teilweisen Atemunterstützung atmet der Patient noch selbst und das Gerät unterstützt lediglich dessen Atemzüge. Bei der reinen Spontanatmung ist der Patient in der Lage selbstständig zu atmen, das Beatmungsgerät sorgt nur für eine kontrollierte Sauerstoffversorgung, etwa im Rahmen von Operationen und postoperativer Pflege. Wenn in solchen Fällen die natürliche Spontanatmung gestört ist, kann die Atemversorgung durch ein Langzeitbeatmungsgerät übernommen werden.

Ein Langzeitbeatmungsgerät belastet das Herz-Kreislauf-System schwer, da es die Luft mit Überdruck in die Lunge hineindrückt und sie nicht durch Unterdruck in das Organ strömt. Der Einsatz von Langzeitbeatmungsgeräten wie auch die Entwöhnung von ihnen müssen deshalb ständig überwacht werden,

Übrigens: Das erste klinische Gerät, das die Beatmung eines Menschen mithilfe einer Maschine ermöglichte, war die sog. Eiserne Lunge. Sie wurde in den 1920er Jahren von dem Ingenieur Philip Dinker entwickelt und war zur Beatmung von Lungenkranken gedacht. Eine Eiserne Lunge besteht aus einem Hohlzylinder, der den Körper des Patienten bis zum Hals umschließt. Das Gerät erzeugt einen Unterdruck, wodurch die Außenluft über den Mund des Kranken in die Lungen eingesogen wird. Zum Ausatmen wird ein Überdruck in der Kammer aufgebaut, der die Luft herauspresst.