Für die nicht-invasive Diagnose und Therapie-Erfolgskontrolle von Erkrankungen der Haut oder die Erkennung von gefährlichen Ablagerungen in Blutgefäßen bietet die optoakustische Bildgebung gegenüber herkömmlichen Methoden einige Vorteile wie große Eindringtiefe und hohe Auflösung. Dabei sind möglichst kurze Laserpulse mit den passenden Wellenlängen entscheidend für aussagekräftige Bilder.

Als größtes menschliches Organ bildet die Haut die Grenze des Organismus zu seiner Umwelt und übernimmt wichtige Aufgaben wie Schutz oder Immunabwehr. Medizinischer Standard für die Erkennung von Erkrankungen der Haut, z. B. Hautkrebs, entzündliche oder Autoimmunerkrankungen, ist heute die optische Dermatoskopie der Hautoberfläche. Eine frühzeitige Diagnose veränderter Strukturen in tiefer liegenden Hautschichten ist mit dieser Methode jedoch nicht möglich.

Für die nicht-invasive Untersuchung und Diagnose von biologischen Gewebestrukturen unterhalb der Hautoberfläche kommt am lebenden Organismus (in vivo) als bildgebendes Verfahren meist Ultraschall zum Einsatz. Auch wenn Ultraschall mit relativ großer Eindringtiefe punkten kann, erzeugt das Verfahren prinzipbedingt nur ein eher niedrig aufgelöstes Abbild der verschiedenen Strukturdichten oder visualisiert per Doppler-Ultraschall den Blutfluss in größeren Gefäßen, stellt jedoch keine Information über weitere biologische Eigenschaften bereit. Rein optische, auf Lichtreflexion oder -streuung basierende Verfahren wie die Raman-Streuung, konfokale oder Multiphoton-Mikroskopie oder auch die optische Kohärenztomografie (engl. Optical Coherence Tomography, OCT, vor allem in der Augenheilkunde etabliert) bieten hier zwar mehr Detailinformation und eine höhere Auflösung im Mikrometerbereich, erreichen wegen der starken optischen Streuung in Hautgewebe jedoch nur Tiefen von unter einem Millimeter (s. Tabelle 1).

Im Vergleich dazu bietet die optoakustische Bildgebung eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung, große Eindringtiefe bis zu einigen Millimetern (bei geringerer Auflösung sogar im Zentimeterbereich) sowie eine sehr gute Empfindlichkeit und liefert strukturelle, funktionale und molekulare Information über das untersuchte Gewebe. Dadurch eignet sich dieses Verfahren für viele Anwendungen in der klinischen und präklinischen Forschung.

Abb. 1: Bei der optoakustischen Bildgebung wird das Gewebe mittels eines Laserstrahls kurzer Dauer angeregt (oben), die Absorption des Laserlichts führt zur Ausdehnung des Gewebes (Mitte) und dadurch bedingter Aussendung von Ultraschallpulsen (unten), welche ein Detektor aufnimmt und in Bildinformation umsetzt. (Bild: iThera Medical)

„Optoakustisch“ bedeutet, dass die Gewebestrukturen „optisch“ angeregt werden (durch gepulstes Laserlicht), die Antwort darauf jedoch „akustisch“ (durch Ultraschall) erfolgt. Bei der optoakustischen Bildgebung gibt ein Laser nur wenige Nanosekunden kurze Laserlichtpulse auf das zu untersuchende Gewebe ab, welches diese Laserstrahlung absorbiert, sich hierdurch bedingt thermoplastisch ausdehnt und dabei Ultraschallwellen aussendet (s. Abb. 1). Ein Ultraschallaufnehmer detektiert diese Wellen, und aus dem Signal des Aufnehmers rekonstruiert ein Computer schließlich ein Bild des Gewebes.

Im Gegensatz zur konventionellen Ultraschalluntersuchung nimmt der Detektor hier nicht nur Echos an Strukturen auf, sondern die Strukturen selbst erzeugen den Ultraschall. Die Intensität des ausgesandten Ultraschalls hängt dabei von der optischen Absorptionsfähigkeit der so genannten Chromophore (Biomoleküle mit inhärenten Lichtabsorptions-Eigenschaften) im untersuchten Gewebe für das Licht der jeweils vom Laser abgestrahlten Wellenlänge ab. Typische Chromophore, die in Hautschichten vorkommen, sind zum Beispiel Melanin, oxydiertes und deoxidiertes Hämoglobin, Collagen, Lipide oder auch Wasser.

Abb. 2: Das RSOM-System von iThera Medical ermöglicht hoch aufgelöste optoakustische Bildgebung in der klinischen Forschung. (Bild: iThera Medical)

Um diese Bestandteile, die jeweils typische Absorptionsmaxima bei unterschiedlichen Wellenlängen aufweisen, eindeutig voneinander unterscheiden zu können, ist der Einsatz von Laserlicht mit verschiedenen Wellenlängen von Vorteil. Genau diesen Ansatz verfolgt das Münchner Unternehmen iThera Medical mit ihrem RSOM-System (s. Abb. 2), welches das Gewebe multispektral, also quasi gleichzeitig mit Laserlicht mehrerer Wellenlängen im Bereich von 532 nm bis 606 nm abtastet – denn hier finden sich typische Absorptionsmaxima von relevanten Gewebebestandteilen wie Hämoglobin oder Melanin. Durch direkte zeitliche Zuordnung des detektierten Ultraschallsignals zur jeweiligen Wellenlänge lassen sich die Verteilung und relative Konzentration dieser unterschiedlichen, lichtabsorbierenden Biomoleküle auflösen.

RSOM steht für „Raster-Scannende, Optoakustische Mesoskopie“, also eine Bildgebung mit mittlerer Auflösung zwischen Makroskopie und Mikroskopie. Galt die optoakustische Bildgebung bisher vor allem als vielversprechende präklinische Labortechnik, deren Anwender ihre Systeme meist aus Einzelkomponenten selbst zusammenstellen mussten, steht mit dem RSOM-System jetzt ein fertiges System inklusive ausgefeilter Software für den Einsatz in der klinischen Forschung bereit, das mit einer hohen Auflösung in Tiefen von über einem Millimeter beispielsweise die Visualisierung von mikrofeinen Gefäßen in der Haut ermöglicht.

Abb. 3: Erzeugt sehr kurze Laserpulse mit schnellem Umschalten zwischen vier Wellenlängen: Der DPSS-Laser „TETRA“. (Bild: AMS Technologies)

Im RSOM-System erzeugt ein von AMS Technologies entwickelter, diodengepumpter „TETRA“-Festkörperlaser (DPSS Laser) sehr kurze Laserpulse (<5 ns) hoher Energie (bis zu 20 µJ) mit den vier Wellenlängen 532 nm, 555 nm, 579 nm und 606 nm (s. Abb. 3). Mithilfe ausgefeilter Technik kann „TETRA“ mit einer sehr hohen Puls-Wiederholfrequenz von 2 kHz von Puls zu Puls zwischen diesen vier Wellenlängen umschalten.

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Diese schnelle Umschaltfrequenz bietet klare Vorteile in der fotoakustischen Bildgebung: Während eines Scans von biologischem Gewebe lässt sich damit an jedem einzelnen Bildpunkt bei vergleichbarer Framerate statt einer Wellenlänge nun die Absorption vierer unterschiedlicher Wellenlängen quasi-simultan messen. So lassen sich Artefakte vermeiden, die bei mehrfachen sequenziellen Komplett-Scans mit jeweils einer anderen Wellenlänge auftreten können.

Abb. 4: Mit 1700 nm Wellenlänge und Pulsbreiten im Bereich von wenigen Nanosekunden eignet sich der OPO „17OPO-1-50 S“ für die Untersuchung von Ablagerungen in Gefäßen. (Bild: AMS Technologies)

Besonders kurze Laserpulse, wie „TETRA“ sie abgeben kann, erzeugen Ultraschallsignale höherer Frequenz, welche wiederum zu einer besseren räumlichen Auflösung der resultierenden Bilder führen. Mit ebenfalls kurzen Pulsen und der „exotischen“ Wellenlänge von 1700 nm trägt ein OPO (Optisch Parametrischer Oszillator) von AMS Technologies (s. Abb. 4) zur Forschung an der optoakustischen Detektion von gefährlichen Lipid-Ablagerungen (Plaque) in Blutgefäßen bei, welche ein Absorptionsmaximum in diesem Bereich um 1700 nm aufweisen.

Abb. 5: Funktionsprinzip eines intravaskulären Katheters, der die vom OPO erzeugten Laserpulse über eine Glasfaser in das Blutgefäß und an die zu untersuchende Stelle leitet und mittels eines Miniatur-Ultraschalldetektors die Antwort des Gewebes aufnimmt. (Bild: TU Eindhoven)

Wissenschaftler der Technischen Universität Eindhoven haben in präklinischen Tierversuchen eine mit dem Ausgang des OPOs gekoppelte Glasfaser und einen Miniatur-Utraschallaufnehmer in einem Katheter kombiniert (s. Abb. 5) und damit im Rahmen präklinischer Versuche innerhalb von Arterien lebender Organismen solche Ablagerungen untersucht. Es zeigte sich, dass mittels der optoakustischen Bildgebung „vulnerable“ Plaque, die sich zu lösen droht und potenziell zu Infarkten führen kann, von stabiler, ortsfester Plaque unterschieden werden kann.

Die Technik der optoakustischen Bildgebung ist inzwischen in der klinischen Erprobung angekommen und kann dort mit vielen Vorzügen wie große Eindringtiefe und hohe Auflösung gegenüber anderen Verfahren punkten. Laserquellen, die sehr kurze Pulse mit exakt passenden Wellenlängen abgeben, tragen wesentlich zu Bildern bei, welche die gewünschten Informationen über das untersuchte Gewebe liefern können.

Weitere Artikel zur Zukunft der Medizintechnik finden Sie in unserem Themenkanal Forschung.

* Die Autoren: Dr. Thomas Moritz ist Business Line Manager und Dr. Torsten Ledig ist Sales Manager bei der AMS Technologies AG.

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