Schnelle rein optische photoakustische Mikro-Bildgebung von Blutgefäßen

In einer interdisziplinären Zusammenarbeit von Forschern mit Expertise in Physik, Mathematik und Medizin soll die photoakustische Bildgebung mit optischen Ultraschalldetektoren in Hinblick auf ihre Anwendung in der biomedizinischen Forschung weiterentwickelt werden. Die Photoakustik ermöglicht die Generierung von Bildern mit optischem Absorptions-Kontrast und mit einer Auflösung, die durch Ausbreitung und Detektion von Ultraschall bestimmt wird. Diese Kombination macht die photoakustische Bildgebung besonders attraktiv für die biomedizinische Forschung, da die Verteilung von Blutgefäßen und sogar die Sauerstoffsättigung des Blutes ohne Verwendung von Kontrastmitteln untersucht werden kann. Ziel dieses Projektes ist es einen für die Anwendung optimierten photoakustischen Tomographen und ein photoakustisches Mikroskop zu entwickeln. Die gemeinsame Besonderheit der beiden Geräte ist die Detektion der erzeugten Ultraschallwellen mit einem optischen Phasenkontrastverfahren und die Aufnahme von Projektionen akustischer Felder mit einer Kamera. Das im Vorgängerprojekt entwickelte System benötigte eine Drehung der Probe zur Gewinnung von Projektionsdaten für die dreidimensionale Tomographie, was zu Einschränkungen für potentielle Anwendungen führte. Der angestrebte drehbare Tomograph wird es ermöglichen, in-vivo Experimente an Mensch und Tier durchzuführen ohne die Probe zu bewegen. Mit dem optimierten Tomograph wird es möglich sein, dreidimensionale (3D) Bilder innerhalb einer Aufnahmedauer von einer Minute und einer Bildauflösung von <50 m zu erhalten. Die Nutzung der optischen Ultraschalldetektion mittels einer Kamera für die photoakustische Mikroskopie ist ein völlig neuer innovativer Ansatz. Bei dieser Methode wird der Anregungslaserpuls zu einer Linie, mit Orientierung senkrecht zur Projektionsrichtung des optischen Phasenkontrastverfahrens, auf die Probe fokussiert. Im Unterschied zu herkömmlichen photoakustischen Mikroskopen ist zur Gewinnung von 3D Bildern daher nur der Scan entlang einer Richtung notwendig, da das aufgezeichnete Kamerabild bereits zwei Richtungen abdeckt, was zu einer erheblichen Reduktion der Datenerfassungszeit führt. Die so gewonnen C-Scan Bilder zeigen für oberflächliche Strukturen akustische Auflösung in Linienrichtung und optische Auflösung senkrecht dazu. 2D Bilder können mit dieser Methode in Echtzeit aufgenommen werden. Die Aufnahmedauer von C-Scan Bildern hängt von dem Lasersystem ab. Z.B. mit einer Pulswiederholrate von 10 kHz könnte man ein C-Scan Bild mit einem Bildbereich von 5x5 mm in weniger als einer Sekunde erhalten. Die Gewinnung der Bilder aus den aufgenommenen Rohdaten von beiden Verfahren, d.h. von der Tomographie und der Mikroskopie, erfolgt durch die effiziente Implementierung geeigneter Bildrekonstruktionsalgorithmen. Die Einsetzbarkeit der entwickelten bildgebenden Systeme für schnelle hochauflösende 3D Bildgebung wird an speziell ausgewählten Anwendungen getestet. Dabei soll auch die Möglichkeit der funktionellen Bildgebung durch multispektrale Anregung genutzt werden. Neben der Untersuchung des Wundheilungsprozesses an Mäusen und Ratten werden auch die Blutgefäße der menschlichen Haut mit den neu entwickelten Geräten sichtbar gemacht.