Gewebsanalysen mit optischen Methoden – medizinische Anforderungen und technische Möglichkeiten

Kopf-Hals-Tumoren gehören zu den häufigsten bösartigen Tumoren mit mehr als 18.000 Neuerkrankungen pro Jahr in Deutschland und einer Sterberate von ca. 50-60 Prozent. Eine "optische Biopsie" ist deshalb schon seit langem das Ziel der endoskopierenden Fachbereiche. So sollen Patienten besser gescreent, Tumoren möglichst früh erkannt und die Tumorgrenzen besser bestimmt werden.

Im ersten Teil dieser HealthTech Lecture gibt Prof. Dr. Christoph Arens von der Klinik für Hals-Nasen-Ohrenheilkunde, Kopf-Halschirurgie und plastische Operationen des Universitätsklinikums Gießen/Marburg einen Überblick zum klinischen Bedarf bildgebender Methoden im HNO-Bereich.

Im zweiten Teil der Lecture stellt der Leibniz-Forscher Dr. Werner Zuschratter mit der "Single Photon Counting"-Technologie eine zukunftsweisende Methode für funktionelles Imaging vor. Der Wissenschaftler vom Leibniz Institut für Neurobiologie hat mit seinen Kollegen eine ultra-empfindliche, zeitauflösende Kamera entwickelt, die bereits als Produkt erhältlich ist und eine neuartige "pixel-freie" Form der medizinischen Bildgebung möglich macht und künftig für die Endoskopie miniaturisiert werden soll.


Datum: 04.03.2022

Optische Biopsie – Wo stehen wir?

Prof. Dr. Christoph Arens

Klinik für Hals-Nasen-Ohrenheilkunde, Kopf-Halschirurgie und plastische Operationen des Universitätsklinikums Gießen/Marburg, Standort Gießen

Die optische Biopsie ist seit langem das Ziel der endoskopierenden Fachbereiche, um Patienten zu screenen, Tumoren in einem möglichst frühen Stadium zu erkennen und die Tumorgrenzen besser bestimmen können. Hierbei spielen vier Faktoren eine entscheidende Rolle, die im Rahmen des Vortrages näher betrachtet werden sollen:

  1. Auflösung
  2. Vergrößerung
  3. Licht
  4. Künstliche Intelligenz

Vor allem die digitale Chromo-Endoskopie hat in den letzten Jahren eine zunehmend wichtige Rolle eingenommen.  In diesem Zusammenhang ermöglicht beispielsweise die Kontaktendoskopie mit Narrow Band Imaging eine detaillierte Analyse von Gefäß- und Epithelveränderungen, die durch ein Computer-Aided Diagnosis (CAD)-System analysiert werden kann. Hierbei ist die Merkmalsextraktion ein wesentlicher Bestandteil des CAD. Üblicherweise geht ihr ein Vorverarbeitungsschritt voraus, gefolgt von einer Bildklassifizierung. Normalerweise ist eine große Anzahl von Merkmalen erforderlich, um zu den gewünschten Klassifizierungsergebnissen zu gelangen. Insgesamt kann derzeit in Organsystemen des Kopf-Hals-Gebietes eine Genauigkeit in der Unterscheidung von benignen und malignen Läsionen von über 95% erzielt werden.

Single Photon Counting - eine zukunftsweisende Methode für funktionelles Imaging

Dr. Werner Zuschratter

Combinatorial Neuroimaging Core Facility, Leibniz-Institut für Neurobiologie (LIN), Magdeburg

In der modernen mikroskopischen Bildgebung werden heute fast ausschließlich Sensoren aus ladungsgekoppelten Halbleiter-Arrays oder, im Fall von Scanning-Mikroskopen, verschiedene Arten von Photomultipliern verwendet, um Lichtsignale (Photonen) in elektrische Signale zu wandeln. Die kleinste Einheit eines solchen digitalen Photonensensors bilden dabei die „Picture elemente“ oder „Pixel“, welche die während der Belichtungszeit akkumulierten Ladungen (proportional zur Anzahl eintreffender Photonen) repräsentieren. Zusammen bilden die Pixel-Arrays ein Histogramm aus unterschiedlichen Ladungsinformationen, die digitalisiert und als Grauwerte in Form von Bildern bzw. „Frames“ gespeichert werden.

Im technischen Teil dieser Vorlesung soll eine fundamental unterschiedliche, pixel-freie Art der Bildgenerierung und Speicherung vorgestellt und ihre Vorteile für die funktionelle Bildgebung an Hand verschiedener Applikationen in der Neurobiologie und Immunologie erläutert werden. Dazu wird das Prinzip einer am Leibniz Institut für Neurobiologie entwickelten ultra-empfindlichen, zeitauflösenden Forschungskamera erklärt und es werden Beispiele für die Detektion von Biosensoren, aber auch für markierungsfreies metabolisches Imaging der Autofluoreszenz intrinsischer Biomarker vorgestellt. Ferner zeigen wir das Potential der Methode für die hochauflösende Fluoreszenzmikroskopie, Einzelmolekülbeobachtung und Raman-Spektroskopie. In Zukunft erwarten wir, dass sich diese Art der Bildgebung durch weitere Forschung miniaturisieren lässt, um sie auch für die medizinische Diagnostik innerhalb von Endoskopen für die im ersten Teil der Vorlesung beschriebenen optischen Biopsien zu nutzen.