A1 – Diskriminierung tieferliegender Gewebestrukturen mittels modellgestützter optischer Sensorik

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 die einzelnen 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 Parameter mittels optischer Methoden. Dieser Ansatz beruht darauf, dass Tumorgewebe gegenüber gesundem Gewebe eine veränderte Morphologie 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 extrazellulären Matrix hat eine Veränderungen der elastischen Parameter des Gewebeverbunds zur Folge. Dies dient als Ansatz zur Gewebedifferenzierung, da die Elastizität quantifizierbar ist.

Ziel des Forschungsprojekts ist die Entwicklung multimodaler optischer Sensorsysteme, welche eine Identifikation tieferliegender funktionaler Gewebeverbände erlauben. Hierbei sollen bereits konzeptionell erfolgreich erprobte tiefenauflösende optische Sensorprinzipien bezüglich Miniaturisierung evaluiert und gegebenenfalls kombiniert werden, um eine detaillierte Antwort des Gewebes auf eine eingebrachte Kraft zu erfassen. Weiterhin kann die Gewebedifferenzierung über die hochaufgelöste optische Erfassung von Zell- und Gewebestrukturen als ergänzendes Tumorerkennungsmerkmal (Hypervaskularisierung und engmaschigere EZM) unterstützt werden.