Allgemeingültige und experimentell validierte Hybridmodelle und Inversionsmethoden für die quantitative photoakustische Tomographie

• Antragsteller: Professor Jan Laufer, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik ; Bioinformatik und Theoretische Biologie ; Medizininformatik und medizinische Bioinformatik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 451574916

Die biomedizinische photoakustische (PA) Tomographie beruht auf der Erzeugung von Ultraschall im Gewebe durch die Absorption von intensitätsmoduliertem Licht. Aufgrund der dominanten Absorption von Hämoglobin im sichtbaren und nahinfraroten Spektralbereich können so hochaufgelöste 3D-Bilder der Gefäßnetzwerke im Weichgewebe erfasst werden. Zugleich bietet der PA Effekt einen Kontrast für die Detektion exogener oder genetisch exprimierter Kontrastmittel. Ein großes Potential dieser Technologie liegt in der Fähigkeit, 3D-Bilder von absoluten Chromophorkonzentrationen (z.B. Oxy-und Desoxyhämoglobin, Kontrastmittel) sowie davon abgeleiteter funktioneller Parameter, wie der Blutsauerstoffsättigung, in hoher räumlicher Auflösung zu bestimmen. Die Entwicklung von Methoden für die quantitative PA Tomographie ist für die Translation zu Routineanwendungen in der funktionellen und molekularen Bildgebung von entscheidender Bedeutung. In diesem Projekt werden umfassende Vorwärtsmodelle entwickelt, um multispektrale PA Bilder zu simulieren, die in hoher Übereinstimmung zu realen und mit arbiträren Tomographen erfassten Bildern stehen. Die Modelle werden in adjungierter Form in Inversionsalgorithmen verwendet und auf Basis neuartiger experimenteller Methoden an Bildern von Gewebephantomen experimentell validiert. Die Limitationen der neuen Methoden werden in silico evaluiert. Perspektivisch sollen die hier entwickelten Modelle die quantitative PA Tomographie sowohl mittels modellbasierter als auch datengesteuerter Inversionen ermöglichen. Eine erfolgreiche Entwicklung der Modelle und Methoden wird die Grundlage für eine schnelle Verbreitung der funktionellen und molekularen PA Bildgebung in der Biologie, den Lebenswissenschaften und der Medizin schaffen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen