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TECHNOLOGIETRANSFER
Astro-Spektralanalyse hilft Medizinern
Redaktion / Pressemitteilung des Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam
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18. August 2016

Mithilfe der Integralen Feldspektroskopie untersuchen Astronomen in der Regel die chemische Zusammensetzung von Sternen und Nebeln. Am Leibniz-Institut für Astrophysik in Potsdam versuchen Wissenschaftler nun, dieses Verfahren so weiterzuentwickeln, dass es auch in der Medizin sinnvoll angewendet werden kann. Dabei gab es jüngst einen entscheidenden Durchbruch.

Ramanbild

Experiment mit Zuckerstück: Das Ramanbild zeigt die räumliche Verteilung des Saccharose.  Bild: AIP [Gesamtansicht]

Im Rahmen aktueller Technologietransferprojekte ist es Wissenschaftlern des Leibniz-Instituts für Astrophysik Potsdam (AIP) gelungen, die in der Astrophysik entwickelte Methode der spektralen Bildgebung erfolgreich für die Diagnostik in der Medizin einzusetzen. Hierbei wird im Unterschied zu digitalen Kameras für jeden Bildpunkt nicht nur ein Helligkeitswert registriert, sondern ein ganzes Spektrum aufgezeichnet. Das AIP hat sich mit diesem Verfahren, das auch Integrale Feldspektroskopie (IFS) genannt wird, international einen Namen gemacht. Die Methode wird unter anderem für die Instrumente PMAS und MUSE eingesetzt.

Forscher um Elmar Schmälzlin konnten nun erstmals zeigen, dass die auf IFS beruhende medizinische Bildgebung nicht nur Einzelaufnahmen erzeugt, sondern mit dieser Methode inzwischen ganze Bildsequenzen, also Videos, aufgenommen werden können. "Unserem Team ist hier ein ganz entscheidender Durchbruch gelungen: Erstmalig kann der Medizin eine minimal-invasive optische Echtzeit-Diagnostik in Aussicht gestellt werden, mit deren Hilfe der Operateur künftig in einem Schritt die bislang notwendige Biopsie sowie die restlose Entfernung von krebsverdächtigem Gewebe durchführen kann", so der verantwortliche Projektleiter Martin Roth.

Die Bestimmung von Resektionsgrenzen, also die Unterscheidung zwischen gesundem und krebsbefallenem Gewebe, kann nach neueren wissenschaftlichen Erkenntnissen auch ohne die vorherige Begutachtung im Labor des Pathologen mit Hilfe einer Fasersonde und durch das Verfahren der Ramanspektroskopie direkt am Patienten gelingen. Bei dieser Methode wird ein sogenannter "spektraler Fingerabdruck" ausgewertet, der für die verschiedenen Gewebetypen charakteristisch ist, analog zu der Methode, mit der Astrophysiker Alter und chemische Zusammensetzung von Sternen und Gasnebeln messen.

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"Heute verfügbare kommerzielle Spektrographen können gerade einmal ein Spektrum für einen einzigen Messpunkt erzeugen. Anders als der Astronom, der in Ruhe am Computer seine Spektren studieren kann, benötigt der Arzt bei einem Eingriff aber in kürzester Zeit eine verlässliche Information über die fragliche Gewebestelle, also ein komplettes Bild - am besten in Echtzeit.", so Roth.

Bis dahin ist es noch ein weiter Weg. Die Wissenschaftler am AIP beschäftigen sich gegenwärtig in Zusammenarbeit mit Medizinern der Charité-Universitätsmedizin in Berlin, Klinik für Dermatologie, Venerologie und Allergologie, mit der Validierung des Verfahrens, um die Verlässlichkeit der bildgebenden Ramanspektroskopie nachzuweisen: ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg hin zur klinischen Erprobung mit einem optimierten Gerät.

Die Vorversuche am AIP zur prinzipiellen Machbarkeit eines künftigen Video-Raman-Verfahrens sind vielversprechend. Ausgetestet haben die AIP-Forscher die Video-Raman-Technologie zunächst in einer Reihe von Laborversuchen. Als Modellsystem diente ein sich in Wasser auflösendes Zuckerstück. Der Auflösevorgang wurde per Video-Raman dokumentiert, wobei die Aufnahmezeit eines Einzelbildes zehn Sekunden betrug, gefolgt von zehn Sekunden Auslesezeit. Die effektiv erreichte Bildfrequenz betrug damit zwanzig Sekunden. Diese Zeitbegrenzung ist hauptsächlich auf die technischen Eigenschaften des verwendeten Detektorchips zurückzuführen.

Derzeit wird an einem schnelleren Kamerasystem gearbeitet, durch das eine anwenderspezifische Auswahl des Auslesebereichs ermöglicht werden soll. Das AIP engagierte sich als Mitglied des Leibniz-Forschungsverbunds für Medizintechnik für Wissens- und Technologietransfer aus der Astrophysik für die Medizin.

Über ihre Arbeiten berichten die Wissenschaftler in zwei aktuellen Fachartikeln, die in den Zeitschriften SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation und Journal of Sensors and Sensor Systems erscheinen.

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siehe auch
Medizin: Astrophysik-Knowhow zur Krebserkennung - 14. Oktober 2013
Technologie: Innovativer Filter für bessere Sicht - 13. Dezember 2013
PMAS: Spektralanalyse im Breitwandformat - 5. November 2009
Links im WWW
Fachartikel in JSSS
Preprint des SPIE-Fachartikels in arXiv.org
Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP))
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