Entwicklung und experimentelle Validierung von Methoden für die quantitative, photoakustische Tomographie der Blutsauerstoffsättigung in vivo

• Antragsteller: Professor Jan Laufer, Ph.D.; Dr. Steffen Prohaska
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 268705117

Die photoakustische (PA) Tomographie ist eine neuartige biomedizinische Bildgebungstechnologie, bei welcher die Absorption kurzer Lichtpulse in Gewebefarbstoffen zur Ultraschallerzeugung genutzt wird. Die Wellen propagieren zur Haut, wo das Schallfeld als zeitlich aufgelöste PA-Signale mittels Druckwandler-Arrays aufgenommen wird. Aus den gewonnenen Datensätzen werden durch Rekonstruktionsalgorithmen hochauflösende 3-D Bilder errechnet. Da Oxy- (HbO2) und Desoxyhämoglobin (HHb) die am stärksten absorbierenden Farbstoffe im sichtbaren und nah-infraroten Spektralbereich sind, zeigen PA-Bilder meist die Vaskulatur. Die PA-Tomographie hat leistungsstarke Attribute, wie z.B. Multiskalenbildgebung und, im Gegensatz zu Technologien wie MRT, CT, Ultraschall, starken Kontrast in vaskularisiertem Weichgewebe. Das ausschlaggebende Attribut ist allerdings, räumlich aufgelöste Messungen von HbO2- und HHb-Konzentrationen und physiologischen Parametern wie der Blutsauerstoffsättigung zu ermöglichen. Für Anwendungen in der physiologischen und molekularen Bildgebung ist dies von entscheidender Bedeutung. Diese Methode beruht auf der Ausnutzung der unterschiedlichen Absorptionsspektren von HbO2 und HHb durch eine spektralen Analyse von PA-Bildern, die bei verschiedenen Anregungswellenlängen aufgenommen wurden. Dieses Potential kann aber noch nicht in der Praxis genutzt werden. Um die räumliche Verteilung von HbO2 und HHb zu erhalten, muß das inverse Problem gelöst werden. Die gemessenen Daten werden dabei mit einem theoretischen Modell analysiert, welches die PA-Signale als Funktion der HbO2- und HHb-Verteilung im Gewebe simulieren kann. Das inverse Problem wird gelöst, indem die Farbstoffkonzentrationen variiert werden bis Modell und Messung übereinstimmen. Die Inversion stellt allerdings eine enorme Herausforderung dar, da es aufgrund der hohen Anzahl von Variablen an rechentechnische Grenzen stößt. Um die PA-Tomographie zu einem breiten Anwendungsspektrum in den Lebenswissenschaften zu überführen, sind praktikable und schnelle, aber trotzdem genaue und verlässliche Methoden dringend erforderlich. Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung und experimentelle Validierung von Methoden für die quantitative Blutsauerstoffmessung aus in vivo 3-D PA-Bildern. Aufbauend auf Vorarbeiten der Antragesteller werden folgende Herausforderungen bewältigt: die Entwicklung 1) eines effizienten 3-D PA Vorwärtsmodells und 2) rechnerischer und experimenteller Methoden für die Lösung des inversen Problems, 3) die experimentelle Validierung neuer Methoden in Gewebephantomen und 4) die in vivo Validierung. Dieses Projekt wird experimentell geprüfte Methoden für eine quantitative Messung der Blutsauerstoffsättigung in vivo in tiefem Gewebe erstellen. Die gewonnenen Kenntnisse werden zudem eine wichtige Grundlage für die langfristige Entwicklung von Methoden für die quantitative, molekulare PA-Tomographie bilden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: OPO laser system
• Gerätegruppe: 5700 Festkörper-Laser