Kontaktlose photoakustische Bildgebung von Gewebe für endoskopische Anwendungen mittels Speckle-Vibrationsanalyse

• Antragsteller: Dr.-Ing. Florian Klämpfl
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme ; Fügetechnik und Trenntechnik
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 397972545

Bei der Benutzung chirurgischer Skalpelle kann es neben starken Blutungen und Entzündungen im Behandlungsbereich zur Perforation und Verletzung wichtiger Gewebestrukturen kommen. Ein Operationsinstrument, dem diese Gefahren nicht inhärent sind, wäre zur Risikominimierung wünschenswert. Der Einsatz eines Lasers ist hier eine denkbare Alternative. Bis dato besitzt diese minimal-invasive Laseranwendung jedoch einen Hauptnachteil gegenüber einem klassischen Skalpell: Die fehlende Tiefeninformation während des Eingriffs. Eine Schädigung essentieller Gewebestrukturen (Blutgefäße, Nerven, Muskelgewebe) durch den Lasereinsatz kann somit nicht ausgeschlossen werden. Benötigt wird deshalb ein Feedbacksystem, das strukturelle Tiefeninformation liefert und so dem behandelnden Arzt während Lasereingriffen eine verbesserte Orientierung ermöglicht. Die Photoakustische Tomographie (PAT) wird im vorliegenden Projektantrag als optimale Modalität zur Erfüllung dieser Anforderungen eingeführt. Im Speziellen wird sich hierbei auf die kontaktlose photoakustische Speckle-Vibrationsanalyse fokussiert. Am Lehrstuhl für Photonische Technologien wird diese Technik seit Längerem erfolgreich erforscht. Im geplanten Forschungsvorhaben sollen die Arbeiten des vorherigen Projekts fortgesetzt und einerseits die im Ausblick des Vorgängerprojekts genannten Punkte, andererseits neu aufgekommene Forschungsfragen adressiert werden. So konnte bisher gezeigt werden, dass es prinzipiell möglich ist, mithilfe der Speckle-Vibrationsanalyse ein kontaktloses, photoakustisches Tiefenfeedbacksystem zu realisieren. Ziel des vorliegenden Projekts ist es nun, zu zeigen, dass es möglich ist, durch den Einsatz der kontaktlosen photoakustischen Speckle-Vibrationsanalyse klinisch relevante Auflösungen im Bereich weniger µm erreicht werden können. Außerdem gilt es, das System zu miniaturisieren. Es wird angestrebt, ein Feld von 4x4 Oberflächenpunkten durch ein Faserbündel mit einer Frequenz von 10 MHz abzutasten, wobei die MZB-Werte (max. zulässige Bestrahlung) für Gewebe nicht überschritten werden sollen. Unter Berücksichtigung dieser Einschränkungen soll die Absorberstruktur bestmöglich rekonstruiert werden. Um diese Ziele zu erreichen, sind neue Ansätze zur Erhöhung der räumlichen und zeitlichen Auflösung sowie zur Rekonstruktion notwendig. Eine dabei zu lösende grundlegende Herausforderung ist der Kompromiss zwischen örtlicher und zeitlicher Auflösung sowie die Empfindlichkeit des Aufnahmesystems bei der Erfassung des Speckle-Musters. Die Vision des Forschungsprojektes ist dabei weiterhin die Entwicklung eines automatisierten und sicheren Laserskalpells, um einen Grundstein für die Verwendung des Lasers als Operationswerkzeug während endoskopischen Eingriffen zu legen. Darüber hinaus ist es langfristig vorstellbar, ein kontaktloses Photoakustik-basiertes Mammografieverfahren umzusetzen, welches keinerlei ionisierende Strahlung benötigt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Michael Schmidt