Echtzeitanalysen für die medizinische Diagnostik
Die Bilder zeigen eine Kameraaufnahme und das zugehörige Ramanbild, d.h. die räumliche Verteilung des Saccharose. Fachleute erkennen die Falschfarben als die Intensität des CH2-Drehschwingungs-Signals bei 850 cm-1.
Im Rahmen aktueller Technologietransferprojekte ist es AIP-Wissenschaftlern gelungen, die in der Astrophysik entwickelte Methode der spektralen Bildgebung erfolgreich für die Diagnostik in der Medizin einzusetzen. Hierbei wird im Unterschied zu digitalen Kameras für jeden Bildpunkt nicht nur ein Helligkeitswert registriert, sondern ein ganzes Spektrum aufgezeichnet. Das AIP hat sich mit diesem Verfahren, das auch Integrale Feldspektroskopie (IFS) genannt wird, international einen Namen gemacht. Die Methode wird unter anderem für die Instrumente PMAS und MUSE eingesetzt.
In einer jetzt erschienenen Veröffentlichung konnten die Forscher um Elmar Schmälzlin nun erstmals zeigen, dass die auf IFS beruhende medizinische Bildgebung nicht nur Einzelaufnahmen erzeugt, sondern mit dieser Methode inzwischen ganze Bildsequenzen, d.h. Videos, aufgenommen werden können.
Der verantwortliche Projektleiter Martin Roth stellt fest: „Unserem Team ist hier ein ganz entscheidender Durchbruch gelungen: Erstmalig kann der Medizin eine minimal-invasive optische Echtzeit-Diagnostik in Aussicht gestellt werden, mit deren Hilfe der Operateur künftig in einem Schritt die bislang notwendige Biopsie sowie die restlose Entfernung von krebsverdächtigem Gewebe durchführen kann.“
Die Bestimmung von Resektionsgrenzen, also die Unterscheidung zwischen gesundem und krebsbefallenem Gewebe, kann nach neueren wissenschaftlichen Erkenntnissen auch ohne die vorherige Begutachtung im Labor des Pathologen mit Hilfe einer Fasersonde und durch das Verfahren der Ramanspektroskopie direkt am Patienten gelingen. Bei dieser Methode wird ein sogenannter „spektraler Fingerabdruck“ ausgewertet, der für die verschiedenen Gewebetypen charakteristisch ist, analog zu der Methode, mit der Astrophysiker Alter und chemische Zusammensetzung von Sternen und Gasnebeln messen. Roth weiter: „Heute verfügbare kommerzielle Spektrographen können gerade einmal ein Spektrum für einen einzigen Messpunkt erzeugen. Anders als der Astronom, der in Ruhe am Computer seine Spektren studieren kann, benötigt der Arzt bei einem Eingriff aber in kürzester Zeit eine verlässliche Information über die fragliche Gewebestelle, d.h. ein komplettes Bild - am besten in Echtzeit.“
Bis dahin ist es noch ein weiter Weg. Die Wissenschaftler am AIP beschäftigen sich gegenwärtig in Zusammenarbeit mit Medizinern der Charité-Universitätsmedizin in Berlin, Klinik für Dermatologie, Venerologie und Allergologie, mit der Validierung des Verfahrens, um die Verlässlichkeit der bildgebenden Ramanspektroskopie nachzuweisen: ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg hin zur klinischen Erprobung mit einem optimierten Gerät. Die Vorversuche am AIP zur prinzipiellen Machbarkeit eines künftigen Video-Raman-Verfahrens sind vielversprechend.
Ausgetestet haben die AIP-Forscher die Video-Raman-Technologie zunächst in einer Reihe von Laborversuchen. Als Modellsystem diente ein sich in Wasser auflösendes Zuckerstück. Der Auflösevorgang wurde per Video-Raman dokumentiert, wobei die Aufnahmezeit eines Einzelbildes zehn Sekunden betrug, gefolgt von zehn Sekunden Auslesezeit. Die effektiv erreichte Bildfrequenz betrug damit zwanzig Sekunden. Diese Zeitbegrenzung ist hauptsächlich auf die technischen Eigenschaften des verwendeten Detektorchips zurückzuführen. Derzeit wird an einem schnelleren Kamerasystem gearbeitet, durch das eine anwenderspezifische Auswahl des Auslesebereichs ermöglicht werden soll.
Das AIP engagierte sich als Mitglied des Leibniz-Forschungsverbunds für Medizintechnik für Wissens- und Technologietransfer aus der Astrophysik für die Medizin www.lfv-medizintechnik.de/.
Diese Arbeiten werden vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der Programme VIP (03V0843), ZIK (03Z2AS1) und Zwanzig20 (03ZZ0423) gefördert.
innoFSPEC Potsdam ist ein Gemeinschaftsvorhaben des Leibniz-Instituts für Astrophysik Potsdam (AIP) und der Universität Potsdam, Physikalische Chemie. Grundlagenforschung und die Entwicklung innovativer Technologielösungen für Fasersensorik und Vielkanalspektroskopie stehen im Zentrum der Arbeit. Das Zentrum für Innovationskompetenz vereint die Kompetenzen neuer chemischer Analyseverfahren mit hochleistungsfähiger Multiobjekt-Vielkanalspektroskopie und setzt methodisch auf der stürmischen Entwicklung der Photonik auf. Zusätzlich betreibt innoFSPEC Potsdam die aktive Förderung von Technologietransfer, Lehre, Netzwerkbildung sowie regionale und internationale Kooperationen mit Industrieunternehmen und Forschungsinstitutionen.
Wissenschaftlicher Kontakt: Prof. Dr. Martin M. Roth, mmroth@aip.de, 0331-7499 313
Pressekontakt: Kerstin Mork, presse@aip.de, 0331-7499 803
Weitere Informationen
Publikation "The Potsdam MRS Spectrograph - heritage of MUSE and the impact of cross-innovation in the process of technology transfer" auf arXiv.org
Publikation "Ultrafast imaging Raman spectroscopy of large-area samples without stepwise scanning" im Journal of Sensors and Sensor Systems
AIP-Meldung "Krebsdiagnostik in der Astrophysik" vom 14. Oktober 2013
Die Bilder zeigen eine Kameraaufnahme und das zugehörige Ramanbild, d.h. die räumliche Verteilung des Saccharose. Fachleute erkennen die Falschfarben als die Intensität des CH2-Drehschwingungs-Signals bei 850 cm-1.
Im Rahmen aktueller Technologietransferprojekte ist es AIP-Wissenschaftlern gelungen, die in der Astrophysik entwickelte Methode der spektralen Bildgebung erfolgreich für die Diagnostik in der Medizin einzusetzen. Hierbei wird im Unterschied zu digitalen Kameras für jeden Bildpunkt nicht nur ein Helligkeitswert registriert, sondern ein ganzes Spektrum aufgezeichnet. Das AIP hat sich mit diesem Verfahren, das auch Integrale Feldspektroskopie (IFS) genannt wird, international einen Namen gemacht. Die Methode wird unter anderem für die Instrumente PMAS und MUSE eingesetzt.
In einer jetzt erschienenen Veröffentlichung konnten die Forscher um Elmar Schmälzlin nun erstmals zeigen, dass die auf IFS beruhende medizinische Bildgebung nicht nur Einzelaufnahmen erzeugt, sondern mit dieser Methode inzwischen ganze Bildsequenzen, d.h. Videos, aufgenommen werden können.
Der verantwortliche Projektleiter Martin Roth stellt fest: „Unserem Team ist hier ein ganz entscheidender Durchbruch gelungen: Erstmalig kann der Medizin eine minimal-invasive optische Echtzeit-Diagnostik in Aussicht gestellt werden, mit deren Hilfe der Operateur künftig in einem Schritt die bislang notwendige Biopsie sowie die restlose Entfernung von krebsverdächtigem Gewebe durchführen kann.“
Die Bestimmung von Resektionsgrenzen, also die Unterscheidung zwischen gesundem und krebsbefallenem Gewebe, kann nach neueren wissenschaftlichen Erkenntnissen auch ohne die vorherige Begutachtung im Labor des Pathologen mit Hilfe einer Fasersonde und durch das Verfahren der Ramanspektroskopie direkt am Patienten gelingen. Bei dieser Methode wird ein sogenannter „spektraler Fingerabdruck“ ausgewertet, der für die verschiedenen Gewebetypen charakteristisch ist, analog zu der Methode, mit der Astrophysiker Alter und chemische Zusammensetzung von Sternen und Gasnebeln messen. Roth weiter: „Heute verfügbare kommerzielle Spektrographen können gerade einmal ein Spektrum für einen einzigen Messpunkt erzeugen. Anders als der Astronom, der in Ruhe am Computer seine Spektren studieren kann, benötigt der Arzt bei einem Eingriff aber in kürzester Zeit eine verlässliche Information über die fragliche Gewebestelle, d.h. ein komplettes Bild - am besten in Echtzeit.“
Bis dahin ist es noch ein weiter Weg. Die Wissenschaftler am AIP beschäftigen sich gegenwärtig in Zusammenarbeit mit Medizinern der Charité-Universitätsmedizin in Berlin, Klinik für Dermatologie, Venerologie und Allergologie, mit der Validierung des Verfahrens, um die Verlässlichkeit der bildgebenden Ramanspektroskopie nachzuweisen: ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg hin zur klinischen Erprobung mit einem optimierten Gerät. Die Vorversuche am AIP zur prinzipiellen Machbarkeit eines künftigen Video-Raman-Verfahrens sind vielversprechend.
Ausgetestet haben die AIP-Forscher die Video-Raman-Technologie zunächst in einer Reihe von Laborversuchen. Als Modellsystem diente ein sich in Wasser auflösendes Zuckerstück. Der Auflösevorgang wurde per Video-Raman dokumentiert, wobei die Aufnahmezeit eines Einzelbildes zehn Sekunden betrug, gefolgt von zehn Sekunden Auslesezeit. Die effektiv erreichte Bildfrequenz betrug damit zwanzig Sekunden. Diese Zeitbegrenzung ist hauptsächlich auf die technischen Eigenschaften des verwendeten Detektorchips zurückzuführen. Derzeit wird an einem schnelleren Kamerasystem gearbeitet, durch das eine anwenderspezifische Auswahl des Auslesebereichs ermöglicht werden soll.
Das AIP engagierte sich als Mitglied des Leibniz-Forschungsverbunds für Medizintechnik für Wissens- und Technologietransfer aus der Astrophysik für die Medizin www.lfv-medizintechnik.de/.
Diese Arbeiten werden vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der Programme VIP (03V0843), ZIK (03Z2AS1) und Zwanzig20 (03ZZ0423) gefördert.
innoFSPEC Potsdam ist ein Gemeinschaftsvorhaben des Leibniz-Instituts für Astrophysik Potsdam (AIP) und der Universität Potsdam, Physikalische Chemie. Grundlagenforschung und die Entwicklung innovativer Technologielösungen für Fasersensorik und Vielkanalspektroskopie stehen im Zentrum der Arbeit. Das Zentrum für Innovationskompetenz vereint die Kompetenzen neuer chemischer Analyseverfahren mit hochleistungsfähiger Multiobjekt-Vielkanalspektroskopie und setzt methodisch auf der stürmischen Entwicklung der Photonik auf. Zusätzlich betreibt innoFSPEC Potsdam die aktive Förderung von Technologietransfer, Lehre, Netzwerkbildung sowie regionale und internationale Kooperationen mit Industrieunternehmen und Forschungsinstitutionen.
Wissenschaftlicher Kontakt: Prof. Dr. Martin M. Roth, mmroth@aip.de, 0331-7499 313
Pressekontakt: Kerstin Mork, presse@aip.de, 0331-7499 803
Weitere Informationen
Publikation "The Potsdam MRS Spectrograph - heritage of MUSE and the impact of cross-innovation in the process of technology transfer" auf arXiv.org
Publikation "Ultrafast imaging Raman spectroscopy of large-area samples without stepwise scanning" im Journal of Sensors and Sensor Systems
AIP-Meldung "Krebsdiagnostik in der Astrophysik" vom 14. Oktober 2013
Bilder
Die Bilder zeigen eine Kameraaufnahme und das zugehörige Ramanbild, d.h. die räumliche Verteilung des Saccharose. Fachleute erkennen die Falschfarben als die Intensität des CH2-Drehschwingungs-Signals bei 850 cm-1.
