A1 – Streifenprojektion mittels 3D-gedruckter Mikrooptik zur modellgestützten Gewebediskriminierung anhand optischer und elastischer Eigenschaften

Das übergeordnete Ziel aller neuen interventionellen Verfahren in der Chirurgie ist die Vereinbarung minimaler Invasivität und hoher Effektivität mit einer kurzen Behandlungsdauer und geringen Komplikationsraten. Ein zentraler Aspekt in der Onkologie ist die Unterscheidung der malignen Zielstrukturen und des umgebenden Gewebes während des operativen Eingriffs. Die Schnellschnittdiagnostik gilt als Goldstandard der intraoperativen Gewebedifferenzierung. Das Gewebe wird bei diesem Verfahren direkt nach der Resektion in ein Labor gebracht, in Schichten geschnitten, angefärbt und histopathologisch untersucht. Die Operation muss dazu meist bis zum Vorliegen des Ergebnisses unterbrochen werden. Zudem sind hier Therapie (Tumorentnahme) und Diagnose (histologische Untersuchung) sowohl räumlich als auch zeitlich voneinander getrennt.

Die Fusion von neuartigen, multimodalen Sensoriken mittels maschineller Lernverfahren weist ein hohes Potential auf, das über einzelne Sensoren hinausgeht. Die multimodalen Sensoriken sollen die Operateurinnen und Operateure als Ergänzung zur Schnellschnittdiagnostik bei der Entscheidungsfindung zwischen Resektion und Gewebeerhalt unterstützen. Im Rahmen des multimodalen Ansatzes sollen Sensoriken entwickelt und verwendet werden, welche durch die veränderten Gewebeeigenschaften eine schnelle und intraoperative Beurteilung des Gewebes ermöglichen.

Um für den Patienten einen maximalen Funktionserhalt zu ermöglichen, ist eine kleinvolumige Identifikation der Tumorgrenzen notwendig. Das zentrale Thema des Forschungsprojekts A1 ist die Diskriminierung der Gewebegrenzen anhand elastischer sowie optischer Parameter mittels optischer Methoden. Dieser Ansatz beruht darauf, dass Tumorgewebe gegenüber gesundem Gewebe eine veränderte Morphologie sowie eine verstärke Proliferation und damit einen veränderten Zellmetabolismus aufweist.

Das verstärkte Wachstum des Tumorgewebes führt zu einer dichteren, aber weniger organisierten Struktur des malignen Gewebes und zu Veränderungen der extrazellulären Matrix (EZM). Die erhöhte Dichte der EZM hat eine Veränderungen der elastischen Parameter des Gewebeverbunds zur Folge. Dies dient als Ansatz zur Gewebedifferenzierung, da die Elastizität quantifizierbar ist.

Biologisches Gewebe kann zudem als optisch diffuses, trübes Medium angesehen werden, da bei der Lichtausbreitung innerhalb des Gewebes die Streuung üblicherweise gegenüber der Absorption dominiert. Ähnlich zu den elastischen Parametern, lassen sich auch diese optischen Parameter quantifizieren. Aufgrund der Chromophorkonzentrationen im Gewebe lassen sich Absorptions- und Streukoeffizienten messtechnisch bestimmen. Durch einen veränderten Zellmetabolismus und der veränderten Struktur enthält Tumorgewebe gegenüber gesundem Gewebe unterschiedliche Konzentrationen dieser Chromophore, was einen weiteren Ansatz zur Gewebediskrimierung bildet.

Die diffuse optische Bildgebung kann in Reflexions- oder Transmissionskonfiguration durchgeführt werden. Beispiele für derartige Messmethoden sind die diffuse optische Tomografie oder auch die quantitative multispektrale Bildgebung von diffusen Medien im Ortsfrequenzbereich (SFDI, engl. „Spatial Frequency Domain Imaging“) mittels strukturierter Beleuchtung.

Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines multimodalen und miniaturisierten optischen Sensorsystems, welche eine Identifikation tieferliegender funktionaler Gewebeverbände erlauben soll. Hierbei sollen bereits konzeptionell erfolgreich erprobte tiefenauflösende optische Sensorprinzipien bezüglich Miniaturisierung evaluiert und kombiniert werden (SFDI und elastografische Messung), um eine ortsaufgelöste Unterscheidung der Tumorränder gegenüber des gesunden Gewebes zu erhalten.

Innerhalb des Projekts soll unter anderem beantwortet werden, ob die Kombination optischer Deformations- sowie ortsaufgelöster Streulichtmessung eine schnelle und verbesserte (modellgestützte) Gewebedifferenzierung ermöglichen kann und was die Grenzen dessen sind. Dabei soll untersucht werden, wie diese unterschiedlichen Messverfahren in einer multimodalen Sonde miteinander kombiniert und als minimalinvasiv und intraoperativ einsetzbares Gerät realisiert werden können.

Die SFDI soll eingesetzt werden, um anhand der optischen Eigenschaften tieferliegende Gewebestrukturen zu differenzieren. Dafür soll ein miniaturisierter Streifenprojektor weiterentwickelt werden, der bereits erfolgreich zur Deformationsmessung benutzt wurde, sodass eine multimodale Sonde entsteht, die durch kombinierte elastografische sowie Streulicht- und Absorptionsmessungen eine Gewebedifferenzierung ermöglicht.

Die elastischen Parameter sollen zudem mit theoretischen Simulationsmodellen verglichen und verifiziert werden. Ziel des Forschungsprojekts ist es, eine sensitive multimodale miniaturisierte Sonde für den endoskopischen Einsatz zu entwickeln, welche die Erfassung der elastischen sowie optischen Parameter des vorliegenden Gewebes erlaubt.