Interdisziplinäre gekoppelte Physik Bildgebung

Dieses Projekt ist ein Nachfolgeprojekt des auslaufenden nationalen Forschungsnetzwerkes (NFN) Photoakustische Bildgebung in der Biologie und Medizin, (http://www.csc.univie.ac.at/pai/), welches im März 2014 enden wird. Dieses neue Projekt ist wiederum interdisziplinär aufgestellt, behandelt aber nun den erweiterten Themenbereich der gekoppelten Physik Bildgebung (CPI). Wiederum sind ForscherInnen aus den Bereichen Angewandte Mathematik, Biologie und der Medizinischen Physik am Projekt beteiligt. Diese Forschungsgruppen haben bereits am NFN erfolgreich zusammengearbeitet. Durch die Zusammensetzung der Forschungsgruppen können wir fundamentale Forschungsfragen des CPI, die sich zum Beispiel durch die Kombination von OCT, Photoakustik und der Elastographie ergeben, erfolgreich untersuchen. Es ist eine Tatsache, dass den meisten CPI-Experimenten ein sehr einfaches mathematisches Modell zugrunde gelegt wird. Diese vereinfachten Modellannahmen beschränken die Auflösung und den Kontrast der Bildgebung. Im Projekt zeigen wir, dass sich komplizierte mathematische Modelle experimentell und computertechnisch realisieren lassen, und sich dadurch die Imaging Qualität verbessern und die Aufnahmezeit verringern lässt. Außerdem werden wir bisher unzugängliche Parameter rekonstruieren. Wir zeigen, dass mathematische Modellbildung oft kontraintuitive Aussagen zu ingenieurmäßigen Ansätzen liefert, wie man etwa bei der mathematischen Modellbildung von fokussierenden Detektoren sieht.

Diese interdisziplinäre Projekt zwischen dem Computational Science Centers der Universität Wien und dem Zentrum für Medizinische Physik und Biomedizinischem Engineering der Medizinischen Universität Wien beschäftigt sich mit den Möglichkeiten von Optischer Koherenz Tomographie (OCT) und Photoakustischer Tomographie (PAT) für die Analyse von mikroskopischen Daten.Schwerpunkt der Forschungen lag auf der quantitativen Analyse und dem kombinierten Einsatz der beiden Modalitäten.Schon zu Beginn des Projektes stand uns ein multi-modales Meßinstrument, welches OCT und PAT parallel durchführen kann, zur Verfügung. Zu Beginn des Projektes war es sogar international exklusiv in Wien verfügbar, was uns einen enormen wissenschaftlichen Vorteil für theoretisch mathematische und medizinische Forschungen verschaffte. Inzwischen konnte die Meßanordnung soweit transportabel gemacht werden, dass multi-modale medizinische Untersuchungen an Patienten (zum Beispiel an der Haut) durchgeführt werden können.Im Laufe des Projektes wurde eine Anzahl von Möglichkeiten entwickelt um quantitative Werte von physikalischen Parametern (wie etwa Schallgeschwindigkeit oder Kompressibilität) des zu untersuchenden Gewebes mit diesen beiden Modalitäten zu visualisieren. Mit den Modalitäten im Einzelbetrieb können diese physikalischen Parameter nicht visualisiert werden, und sie sind damit einer medizinischen Diagnose nicht zugänglich. Unter allen entwickelten quantitativen Ansätzen hat sich die multi-modale quantitive Elastographie als vielversprechend für medizinische Anwendungen herausgestellt. Dabei wird basierend auf einer Analyse der visualisierten induzierten Verschiebungen (berechnet mit Hilfe des optischen Flusses) im zu analysierenden Medium eine quantitative Analyse der physikalischen Parameter des Gewebes, wie etwa der Steifigkeit, mit Methoden der Inversen Probleme durchgeführt. Zu diesem Zweck sind unbedingt Aufnahmen mehrerer sich komplementierende Modalitäten notwendig und die Auswertung der Daten erfordert diffizile Methoden des Computer Visions und der numerischen Inversen Probleme. Erste praktische Versuche mit elastischen und visko-elastischen Testmaterialen (zb. mit Agarose und Silikon) für quantitative multi-modale Elastographie haben sich als sehr vielversprechend erwiesen.