Dreidimensionale, erweiterte Kurzwellen-Infrarot Floureszenz- und Röntgencomputertomographie (SWIR FMT)

• Antragsteller: Professor Dr. Vasilis Ntziachristos
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik ; Biomedizinische Systemtechnik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 416375901

Nah-Infrarot (NIR) Fluoreszenz-Bildgebung wurde bereits in den letzten zwei Jahrzenten für biologische und klinische Bildgebung in Betracht gezogen, da im Gegensatz zu sichtbarem Licht NIR-Licht aufgrund der bei höheren Wellenlängen verringerten Lichtstreuung mehrere Zentimeter tief ins Gewebe eindringen kann. Um quantifizierbare 3D-Fluoreszenzbildgebung in vivo zu erreichen, haben wir molekulare Fluoreszenztomographie (FMT) entwickelt und damit erfolgreich Messungen verschiedener biologischer Funktionen mittels unterschiedlicher fluoreszierender Farbstoffe durchgeführt. Zudem entwickelten wir ein Hybrid-System durch Inkorporation eines Röntgencomputertomographie (XCT)-Moduls in die FMT-Einheit. Damit können nicht nur anatomische Referenzen addiert, sondern auch akkuratere FMT Rekonstruktionen als mit FMT alleine erreicht werden. Dies ist gelungen, indem die XCT Informationen in den FMT Inversionscode zur Korrektur der Lichtabschwächung eingespeist und die Regelung des inversen Problems verbessert wurde. FMT-XCT wurde in den letzten Jahren für hochauflösende, 3D-Darstellung des Knochenumbaus, von Lungenkrebs, zur Quantifizierung asthmatischer Entzündungen oder zur Charakterisierung rheumatischer Arthritis herangezogen. Der hier vorliegende Antrag beschäftigt sich mit dem nächsten großen Schritt in der Entwicklung von FMT-XCT, von dem wir uns eine erhebliche Verbesserung der Auflösung versprechen, indem wir das System auf das NIR-II Fenster (1000-1700 nm) umstellen. Der Vorteil des NIR-II Fensters gegenüber dem derzeit verwendeten NIR-Fenster ist die signifikant reduzierte Lichtstreuung mit gleichzeitig substanzieller Verbesserungen der Auflösung. Während Bildgebung im NIR-II Bereich bisher durch das Fehlen ausreichend sensitiver Kameras und biokompatibler, fluoreszierender NIR-II-Farbstoffe erschwert wurde, macht die Entwicklung neuer Kontrastmittel und der Indium-Gallium-Arsen (InGaAs) Kameratechnologie das NIR-II Fenster wieder interessant für bildgebende Verfahren. Ziel des vorliegenden Antrages ist nun, das weltweit erste NIR-II FMT-XCT System durch Anpassen des derzeitigen Systems auf den NIR-II Bereich zu entwickeln. Das bedeutet erstens, dass wir InGaAs Kameras statt der derzeit gängigen Kameras einsetzen. Wir haben bereits Demo-Versionen solcher Kameras auf ihre Sensitivität und Eignung für NIR-II FMT-XCT getestet. Zweitens ist es wichtig, das in der Bildrekonstruktion verwendete Vorwärtsproblem derart zu modifizieren, dass es ein akkurates Modell der Photonenausbreitung bei geringerer Streuung widergibt. Danach wird das neue NIR-II FMT-XCT System auf seine Fähigkeit hin, kleine Tumoren mit hoher räumlicher Auflösung genau zu lokalisieren oder kleine Mengen floureszenzmarkierter Zellen in vivo zu erkennen, getestet. Wir erwarten, mit NIR-II FMT-XCT einen neuen Standard für die Fluoreszenz-Bildgebung zu setzen, mit einer Auflösung und Genauigkeit wie sie bisher für diffuse, 3D-Fluoreszenzbilder von Geweben nicht erreichbar war.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: InGaAs Kamera
• Gerätegruppe: 8620 Strahlungsthermometer, Pyrometer, Thermosonden