Forschungskolleg LUMEN

Photoakustische Darstellung von subkutanen Gefäßnetzen

Projektziel

Im Rahmen dieses Teilprojektes soll ein hochauflösendes, sehr schnelles optisch-holographisches Detektionsverfahren zur Photoakustischen Tomographie für die Darstellung subkutaner Gefäße realisiert werden.

Beschreibung

Die kutane und subkutane Gefäßarchitektur und -perfusion spielt zur Beurteilung von Haut- und Muskeldurchblutung, bei entzündlichen Hautreaktionen sowie medikamentöser Behandlung eine entscheidende Rolle. Die hierfür benötigte Tiefendarstellung und laterale Auflösung lassen sich weder mit optischer Kohärenztomographie (OCT) noch mit Ultraschall (US) realisieren.

Die Photoakustische Bildgebung basiert auf Druckwellen, die aufgrund der thermoelastischen Expansion von Chromophoren nach Absorption gepulster Laserstrahlung emittiert werden. Zur Kontrastierung von Blutgefäßen wird eine Wellenlänge im grünen Spektralbereich gewählt, die spezifisch von Hämoglobin und gering von der Dermis absorbiert wird. Die Drucktransienten werden bei den bisher implementierten Verfahren an der Hautoberfläche detektiert und Bilder generiert, die nicht auf den meist geringen akustischen Impedanzdifferenzen (wie bei US) beruhen, sondern auf dem deutlich spezifischeren optischen Kontrast. 

Die von uns entwickelte innovative Detektion basiert auf einem kontaktlosen sehr schnellen optisch-holografischen Messverfahren, das es gestattet, die kompletten Daten in Zeiten deutlich unterhalb einer Sekunde zu erfassen. Hierbei wird die durch die Druckwellen induzierte Oberflächenschwingung ganzflächig parallel abgetastet. Um die vaskulären Strukturen darzustellen, erfolgt die Erzeugung von Druckwellen mit einer Laserpulsfolge von > 1 kHz und einer Pulsdauer im ns-Bereich mit bis zu 20 mJ/cm². Anschließend wird rechnerisch aus der zeitabhängigen Topographie die Lage der Absorber / Blutgefäße tomografisch rekonstruiert.

Ergebnisse

Ziel des Projekts ist die experimentelle Realisierung eines hochauflösenden non-contact en face Messsystems zur schnellen Erfassung der sich aufgrund photoakustischer Volumenanregung ändernden Topographie einer Objektoberfläche mit anschließender mathematischer Rekonstruktion der Absorberpositionen. Die Arbeiten sind trotz unvorhersehbarer experimenteller Hürden zielorientiert durchgeführt worden und zeigten, ebenso wie zwei parallel implementierte Algorithmen zur mathematisch nummerischen Rekonstruktion der Absorbergeometrie, sehr gute Ergebnisse. Der derzeitige Projektstatus kann in Bezug auf die geplanten Ziele und klinische Anwendbarkeit als sehr positiv bewertet werden.
Ein besonders positiver Impuls auf die Projektarbeiten ist aus der strukturierten Vernetzung der Promovierenden, besonders durch die initiierten Methodenkolloquien und Arbeitsgruppen, und den im zweiwöchentlichen Rhythmus stattfindenden Projektleitermeetings abzuleiten. Hier konnten durch persönlichen Kontakt Erfahrungen aus anderen Arbeitsgruppen, insbesondere zur Bildverarbeitung von Instituten der Universität zu Lübeck sowie zum konstruktiven und messtechnischen Know-how der Fachhochschul-Labore direkt und kontinuierlich in das Projekt einfließen.

Projektleitung

Dr. Ralf Brinkmann
Institut für Biomedizinische Optik
Universität zu Lübeck

Verantwortliche Wissenschaftler

Christian Buj, Dipl. Inf. , M. Sc.
Institut für Biomedizinische Optik
Universität zu Lübeck

Projektpartner

Dr. Gereon Hüttmann
Institut für Biomedizinische Optik
Universität zu Lübeck

Prof. Dr. Bodo Nestler
Labor für Medizinische Sensor- und Gerätetechnik
Fachhochschule Lübeck

Dr. med. Mariella Fleischer
Klinik für Dermatologie, Allergologie und Venerologie
Universität zu Lübeck im Universitätsklinikum Schleswig-Holstein

Dr. Mathias Kraas
Olympus Surgical Technology Europe