Forschungsschwerpunkt A: Sensorentwicklung

A5 – Gewebedifferenzierung mittels elektrischer Impedanzspektroskopie

Im Promotionsthema soll die Differenzierung von gesundem und malignem Gewebe auf Basis der Impedanzspektroskopie untersucht und weiterentwickelt werden. Im Gegensatz zur Detektion der elektrischen Eigenschaften zur Unterstützung von bildgebenden Verfahren in der präoperativen Diagnostik zielt dieses Projekt auf die Entwicklung von Verfahren zur intraoperativen Anwendungen ab. Als beispielhafter Eingriff dient die Blasentumor-Resektion.

Elektrisches Ersatzschaltbild für Gewebe.
Impedanzmessungen an einer Gurke. Pflanzliche Zellen verhalten sich qualitativ ähnlich wie biologisches Gewebe. Oben: Nyquist-Diagramm, unten: Bode-Diagramm

Elektrische Eigenschaften von Gewebe

Biologisches Gewebe verhält sich im elektrischen Wechselfeld kapazitiv und weist frequenzabhängige Veränderungen auf. So kann es qualitativ als Schaltung zweier Widerstände und eines Kondensators oder Constant-Phase-Elements dargestellt werden. Hierbei repräsentieren die Widerstände Re und Ri den Extra- bzw. Intrazellulärraum und die Kapazität Cm das sperrende Verhalten der Zellmembran. Das bedeutet, dass der Strom bei niedrigen Frequenzen um die Zellen herum fließt (Weg über Re) und erst ab einem bestimmten Schwellenwert die Zellmembran durchdringen kann.

Auf den ersten Blick lässt sich die elektrische Impedanz recht unkompliziert durch Messung des Stromflusses bei Anregung des Gewebes mit Wechselspannung bestimmen. Allerdings spielen viele Einflussfaktoren wie die Flächenpressung, die Temperatur oder die Messelektrodenanordnung eine Rolle - und so auch der Zustand des Gewebes. Bereits Anfang des letzten Jahrhunderts konnte experimentell bestimmt werden, dass Tumorgewebe eine veränderte Impedanz im Vergleich zu gesundem Gewebe hat. Hierfür verantwortlich sind einerseits die strukturellen Veränderungen wie die Verdichtung der EZM und die Vergrößerung des Zellkerns, sowie die veränderte Physiologie.

 

Experimentelle Bestimmung der Impedanz

Das Ziel der Experimente ist die Erzeugung von Frequenzspektren, welche die relevanten Bereiche der sogenannten alpha- und beta-Dispersion abdecken. Der verwendete Sensor spielt eine entscheidene Rolle bei der Qualität der erhaltenen Daten. Um unerwünschte Polarisierungseffekte zu minimieren und eine hochstmögliche Präzision zu erreichen, ist eine Vierleitermessung unabdingbar. Dabei benötigt man insgesamt vier elektrische Kontaktpunkte mit dem Gewebe - zwei zur Leitung des Signals und zwei zur Messung der anliegenden Spannung. Ebenso einen Einfluss hat die Anordnung dieser Elektroden auf der verfügbaren Fläche, vor allem im Hinblick auf den Anwendungsfall Blasenkrebs, bei dem der endoskopische Zugang max. 2mm beträgt. Während bei der konventionellen Vierleitermessung die Elektroden traditionell in einer Reihe angeordnet werden, bietet sich bei der minimalinvasiven Version eine versetzte oder sogar konzentrische Anordnung an.

Die ersten Versuche und der Vergleich verschiedener Messanordnungen erfolgt an Schweineblasen und dient der Optimierung des Sensors, bevor dieser dann an menschlichen ex-vivo Proben getestet wird.

In der ersten Projektphase werden zur Etablierung des Sensorprinzips Versuche an Schweineblasen durchgeführt.
In der ersten Projektphase werden zur Etablierung des Sensorprinzips Versuche an Schweineblasen durchgeführt.

Klassifizierung

Im Fall von Brustkrebs existieren bereits Ansätze zur Klassifikation von gesundem und malignem Gewebe mithilfe Neuronaler Netze oder linearer Diskriminanzanalyse. Bei Darmkrebs wurde sogar eine Unterscheidung der verschiedenen Tumorstadien aufgrund Messungen der relativen Permittivität gezeigt. Im Projekt A5 sollen sowohl modellbasierte Ansätze als auch datenbasierte Ansätze zur Klassifikation untersucht werden.

Dieses Bild zeigt Carina Veil
M.Sc.

Carina Veil

Doktorandin A5

Dieses Bild zeigt Oliver Sawodny
Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c.

Oliver Sawodny

Sprecher des GRK 2543

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