Mathematiker und Medizinphysiker der Medizinischen Universität Wien versuchen zwei bildgebende medizinische Verfahren zu verbinden. Ziel ist es, eine neue Analysetechnik für Krebs zu entwickeln.
Das kombinierte Verfahren würde zwei neuartige Anwendungen ermöglichen: Zum einen könnte damit Hautkrebs früher erkannt werden und zum anderen könnten während einer Tumor-Operation Gewebeproben in Echtzeit analysiert werden. So könnten Chirurgen erkennen, ob es sich noch um verändertes Material handelt, oder ob sie schon zum gesunden Gewebe gelangt sind.
Mathematischer Prozess
Es handelt sich um zwei laserbasierte Tomographien, die photo-akustische Tomographie (PAT) und die optische Kohärenztomographie (OCT). Wenn man bei diesen Verfahren Laser in ein Gewebe schickt, bekommt man unterschiedliche Signale. Diese lassen aber in vielen Fällen noch keinen Rückschluss auf den Zustand des Gewebes zu, erklärt der Mathematiker Otmar Scherzer vom Radon Institute for Computational and Applied Mathematics der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW).
Damit aus bloßen Lichtsignalen Bilder werden, die medizinische Diagnosen zulassen, braucht es Mathematik. Scherzer und seine Kollegen aus der Medizinphysik arbeiten schon seit einigen Jahren an der Verbindung der beiden Analysetechniken. Der Mathematiker ist verantwortlich dafür, die unterschiedlichen Lichtsignale der beiden Verfahren zu einem Bild zusammen zu rechnen.
Gute Ergänzung
Die Voraussetzungen für die Kombination der beiden Verfahren sind gut. Beide funktionieren über einen kurzen und intensiven Laserimpuls – und ergänzen sich sehr gut:
- Das OCT zeigt an, wie das Licht im Gewebe gestreut und reflektiert wird;
- Das PAT misst, wie viel von dem Lichtstrahl vom Gewebe absorbiert wird. Im Fall von Blutgefäßen absorbiert das Blut das Laserlicht. Je mehr Blut vorhanden ist, desto dunkler wird das PAT-Bild.
Diese Informationen könnten für Hautkrebsdiagnosen genutzt werden. Dieser kündigt sich durch eine verstärkte Bildung von Blutgefäßen in der Haut an. Aber jede Art von Tumor braucht mehr Blutversorgung – und das würde die kombinierte Analysetechnik zeigen.
Elastographie
Die Forschenden streben die Anwendung der Elastographie an. Dabei würde die Früherkennung von Hautkrebs in einem zweistufigen Prozess erfolgen:
- Eine Platte wird auf die Haut gepresst und gibt den Laserimpuls in die obersten Gewebeschichten ab.
- In einem zweiten Durchgang wird der Laser ohne Druck unter die Haut befördert.
Der Test zeigt an, ob steifes Gewerbe vorhanden ist und wie steif es ist. Das sagt nicht, ob das Gewebe gut- oder bösartig ist, gäbe aber einen Anhaltspunkt, ob weitere Untersuchungen anzustellen sind, erklärt Scherzer. Darüberhinaus erleichtert die kombinierte Analysetechnik Tumoroperationen – weil verändertes Material von gesundem Material in Echtzeit unterschieden werden kann. Dadurch könnten die Chirurgen präziser arbeiten.
Schwieriges Unterfangen
Wie Scherzer eingesteht, habe er das Vorhaben weniger schwierig eingeschätzt. Dennoch ist er zuversichtlich, das Projekt erfolgreich abschließen zu können. Die Rechenmodelle und Messanordnungen werden immer präziser und die Abstimmung der zwei Analysetechniken besser. Die aktuelle Hürde beschreibt Scherzer folgend: „Man kann es mit einem alten Fernseher vergleichen. Damals passierte es manchmal, dass sich die Farben etwas verschoben haben und nicht exakt übereinander lagen. Ein ähnliches Problem haben wir, wenn es darum geht, die beiden Bilder so genau zu überlagern, dass man ein klares Bild errechnen kann.“ In Annäherung an eine Problemlösung achten die Mathematiker auf eine optimale Einstellung der Rekonstruktions-Algorithmen und die medizinischen Physiker auf eine zunehmend präzise Anordnung der Messung.
Auch die Proben, an denen die Forscher das Verfahren testen, mussten erst erdacht und hergestellt werden. „Wir brauchen hier Material, bei dem wir die einzelnen Bestandteile genau kennen und das dem menschlichen Gewebe ähnelt“, erklärt Scherzer. Zunächst kochen die Forscher das Material selbst. Es ist eine Art Sülze, die nur kurze Zeit verwendet werden kann. Das Material altert innerhalb eines Tages und wird damit unbrauchbar.
OCT und PAT
Die optische Kohärenztomografie (OCT) liefert mehrdimensionale Aufnahmen aus streuenden Materialien, wie zum Beispiel organischem Gewebe in Mikrometerauflösung. Möglich wird dies durch Lichtimpulse. Anwendung findet OCT in der Augenmedizin, als Diagnosemethode für den Grünen Star oder eine diabetische Netzhauterkrankung. Bei der photo-akustischen Tomografie (PAT) werden Objekte mit Laserimpulsen bestrahlt und erzeugen durch die Erwärmung Schallwellen. Diese werden gemessen und die Daten in Bilder der Objekte umgewandelt. PAT liefert dreidimensionale Darstellungen von Blutgefäßen und anderen Gewebebestandteilen.
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