Browsing by Author "Herkommer, Alois (Prof. Dr.)"

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    Ein bildgebendes Quantenkaskadenlaser-Spektrometer zur intraoperativen Gewebedifferenzierung in der chirurgischen Onkologie
    (2015) Geiger, Florian Benedikt; Herkommer, Alois (Prof. Dr.)
    Zentrales Ziel der chirurgischen Onkologie ist i. d. R. die vollständige Entfernung (Resektion) eines Tumors, um Rückfälle (Rezidive) zu vermeiden. Tumoren werden daher in den moisten Fällen mit ausreichendem Sicherheitsabstand im gesunden Gewebe entfernt. Dem gegenüber steht, dass zur Schonung des Patienten die Resektion von so wenig Gewebe wie möglich angestrebt wird. Diese beiden Aspekte lassen sich am besten miteinander in Einklang bringen, wenn ein Tumor möglichst exakt entlang seiner Grenze entnommen wird. Voraussetzung dafür ist jedoch eine klare Identifizierung von tumorösen und gesunden Bereichen. Tumoren sind allerdings häufig sowohl optisch als auch haptisch schlecht von ihrem Umgebungsgewebe abzugrenzen, weswegen Hilfsmittel zur Gewebedifferenzierung notwendig sind. Bisher verfügbare Systeme zur Gewebedifferenzierung sind nur eingeschränkt in einer Operationsumgebung (intraoperativ) nutzbar, beispielsweise aufgrund ionisierender Strahlung (z.B. Computertomographie), herausfordernder gerätetechnischer Umsetzung (z.B. Magnetresonanztomographie) oder geringer räumlicher Auflösung (z.B. Sonographie). Um diese Nachteile des Stands der Technik zu vermeiden, ist der Ansatz der vorliegenden Arbeit Gewebedifferenzierung durch hyperspektrale Bildgebung im mittleren Infrarotbereich (MIR) mit dem Ziel des Einsatzes am lebenden Gewebe (in vivo). Die Unterscheidungsmöglichkeit zwischen tumorösem und gesundem Gewebe durch hyperspektrale Bildgebung im MIR wurde durch verschiedene Forschungsgruppen nachgewiesen. Bei den in diesen Untersuchungen verwendeten Proben handelte es sich jedoch um aufwändig vorbehandelte und getrocknete Gewebeschnitte, die sich vor allem aufgrund der dadurch bedingten Abwesenheit von Wasser entscheidend anders verhalten als lebendes bzw. frisches Gewebe. Für die Untersuchungen wurden zudem etablierte Fourier-Transformations-Infrarot-Spektrometer (FTIR-Spektrometer) verwendet, die aufgrund ihrer Größe, ihres Gewichts sowie der benötigten Stickstoffkühlung nur begrenzt das Potenzial zeigen, intraoperativ eingesetzt zu werden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde daher ein Spektrometer entwickelt, das die Messung von frischen, ungetrockneten (nativen) Proben ermöglicht und das potenziell für intraoperative Messungen am lebenden Gewebe eingesetzt werden kann. Die zwei zentralen Elemente des entwickelten Spektrometers sind zum einen die Verwendung von erst seit Kurzem erhältlichen breit durchstimmbaren Quantenkaskadenlasern (QCLs) und zum anderen die Verwendung abgeschwächter Totalreflexion (ATR). Breit durchstimmbare QCLs bieten im Hinblick auf die genannte Anwendung diverse Vorteile gegenüber FTIR-Spektrometern, wie z.B. geringeres Gewicht, geringere Größe oder einfachere Handhabbarkeit und zeigen somit das Potential, intraoperativ als Teil eines handgeführten Geräts eingesetzt zu werden. Die Verwendung von ATR bietet darüber hinaus die Möglichkeit, auf der Oberfläche native Proben befindliches Wasser zu verdrängen und somit auch an nativen Proben hyperspektrale Bildgebung im MIR durchzuführen. Anhand des realisierten QCL-Spektrometers wurde an frisch entnommenen Tierproben unter Laborbedingungen gezeigt, dass mit dem verwendeten spektroskopischen Verfahren im Gegensatz zum Stand der Forschung eine bildgebende Differenzierung auch von nativem tumorösem und gesundem Gewebe möglich ist. Mit Fortschreiten der neuartigen Technologie breitbandiger Quantenkaskadenlaser kann diese Erkenntnis in Zukunft dazu genutzt werden, ein intraoperatives Bildgebungssystem zu schaffen, das eine Identifizierung von Tumorbereichen unmittelbar vor der Gewebeentfernung (Resektion) in vivo und in Echtzeit ermöglicht. Ein solches Assistenzsystem würde Chirurgen bei der exakten Tumorresektion unterstützen und so zu maximal schonenden Eingriffen führen. Es könnten die Zahl der Rückfälle (Rezidive) gesenkt, die Rehabilitationszeit verkürzt und die Kosten des Krankheitsverlaufs reduziert werden.