Intraoperative multisensorische Gewebedifferenzierung in der Onkologie

Bei der Proliferation von Tumorzellen verändern sich die Verhältnisse der Gewebebestandteile, was auch zu einer Änderung der optischen Eigenschaften führt. Da tumoröses Gewebe andere Absorptionskoeffizienten und somit auch andere IR-Spektren aufweist als gesundes Gewebe, ist es möglich diese zuverlässig voneinander zu unterscheiden.

Die spektroskopische Untersuchung von organischem Material wurde bisher üblicherweise mit FTIR-Spektrometern durchgeführt, welche aber inzwischen durch moderne IR-Spektrometer ersetzt werden, die auf dem Prinzip der abgeschwächten Totalreflexion beruhen. Vorherige Arbeiten haben zudem gezeigt, dass ein stark begrenztes Spektrum mit nur wenigen Banden zur Unterscheidung von malignem und benignem Gewebe ausreichen kann. Deshalb sollen in diesem Projekt nur einige wenige schmalbandige DFB-Quantenkaskadenlaser in einem Sensor vereint und genutzt werden.

Dies bringt einige Vorteile mit sich:

• besseres Signal-Rausch-Verhältnis
• kürzere Aufnahmedauer
• Minimierung der Störeffekte durch unerwünschte Schwingungen

Die erste Zielsetzung in diesem Projekt liegt darin, dass geeignete Wellenlängen zur bestmöglichen Unterscheidung des Gewebes gefunden werden müssen. Dabei werden die folgenden unterschiedliche Ansätze verfolgt:

1. Analyse von IR-Spektren aus der Literatur, von Simulationen und Experimenten
2. Datenanalysen mit multivariaten statistischen Methoden (z.B. Principle Component Analyse)
3. Einsatz neuronaler Netze

Verantwortlich: Felix Fischer

Das verstärkte Wachstum sowie der veränderte Zellmetabolismus von Tumoren führt zu einer dichteren, aber weniger organisierten Struktur des malignen Gewebes. Die erhöhte Dichte der extrazellulären Matrix hat eine Veränderungen der elastischen Parameter des Gewebeverbunds zur Folge. Dies dient als Ansatz zur Gewebedifferenzierung, da die Elastizität quantifizierbar ist.

Zudem wird das Streu- und Absorptionsverhalten des Lichts durch Einstrahlung in das Tumorgewebe beeinflusst. Biologisches Gewebe kann als optisch diffuses, trübes Medium angesehen werden, da bei der Lichtausbreitung innerhalb des Gewebes die Streuung üblicherweise gegenüber der Absorption dominiert. Ähnlich zu den elastischen Parametern, lassen sich auch diese optischen Parameter quantifizieren. Aufgrund der Chromophorkonzentrationen im Gewebe lassen sich ortsaufgelöste Absorptions- und Streukoeffizienten messtechnisch bestimmen. Durch einen veränderten Zellmetabolismus und der veränderten Struktur enthält Tumorgewebe gegenüber gesundem Gewebe unterschiedliche Konzentrationen dieser Chromophore.

Das Ziel ist die quantitative Detektion der veränderten mechanischen sowie der ortsaufgelösten optischen Eigenschaften des Gewebes mittels modellbasierter bildgebender Verfahren. Dabei soll das Prinzip der Streifenprojektion mittels 3D-gedruckter Mikrooptiken so miniaturisiert werden, dass sowohl die Erfassung der elastischen Parameter durch Deformation als auch der ortsaufgelösten optischen Eigenschaften endoskopisch möglich ist.

Verantwortlich: Ömer Atmaca