Objektive Diagnostik

Hyperspectral Imaging für die Medizintechnik

Multi- und hyperspektrale Kameratechniken sind seit Jahren bekannt und finden u.a. im Agrarumfeld, der Raumfahrt oder im Recycling Anwendung. Zunehmend etabliert sich die Technologie auch in anderen Bereichen. Dabei spielen vor allem die Stabilität der Systeme, die Reproduzierbarkeit der Daten und die Senkung der Systemkosten eine Rolle. Eine Branche, in der hyperspektrale Bildgebung immer mehr in den Fokus rückt, ist die Medizintechnik, bei der sie eine neuartige Diagnostik ermöglicht.

Bild 1 | Oxygenierung eines Fußes: Die blauen Bereiche sind nekrotisches Gewebe (chemisch bereits umgesetzt, die Spektren zeigen einen Peak bei ca.640nm, der im gesunden Gewebe nicht vorhanden ist). (Bild: Diaspective Vision GmbH)

Die optoelektronische Analyse physiologischer Zustände ist seit Etablierung der Pulsoximetrie zur punktuellen Messung der Sauerstoffsättigung ein grundlegender Bestandteil der Medizin. Damit sich die Genauigkeit erhöht und die Stabilität der Technologie gegen Messartefakte verbessert, wurde die Grundtechnologie von zwei auf bis zu zwölf Wellenlängen erweitert. Allerdings zeigten sich auch hier schnell die Grenzen in der Genauigkeit und der Vielfalt der auswertbaren chemischen Substanzen. Mit der hyperspektralen Bildgebung ist es nun dank neuster technischer Entwicklungen möglich, chemische Informationen ortsaufgelöst darzustellen. Dabei wird für jeden Bildpunkt ein vollständiges Spektrum aufgenommen, welches Informationen über die chemische Zusammensetzung des Messobjektes liefert. In welchem Wellenlängenbereich das Spektrum aufgenommen wird, hängt dabei von dem eingesetzten Sensor ab. In der Medizin verbergen sich die interessanten Informationen meist im Wellenlängenbereich von 500 bis 1.000nm. Diesen Spektralbereich erfasst die TI-CAM (Tissue-Camera) für die Perfusionsbildgebung. Die Aufnahmen der Kamera enthalten 100 Spektralkanäle, wodurch alle 5nm eine Stützstelle vorhanden ist. Das kompakte Kamera-Sensor-System ist patentiert und wird bereits klinisch eingesetzt. Mit der selbstentwickelten Software TI-CAM Suite ist es möglich, die aufgenommenen Rohdaten weiterzuverarbeiten und auszuwerten. Derzeit werden mit der Software die Parameter Gewebeoxygenierung, Gewebe-Hämoglobin-Index (Tissue-Hemoglobin Index, THI), Nahinfrarot-Perfusion (NIR-Perfusion) und der Gewebe-Wasser-Index (Tissue Water Index, TWI) erfasst und in Falschfarbbildern dargestellt. Diese Parameter können ausgewertet werden, da deren spektrale Eigenschaften bereits bekannt sind. Diaspective Vision arbeitet mit verschiedenen Partnern und Einrichtungen daran, die spektralen Eigenschaften verschiedener Gewebetypen tiefgründiger zu erforschen und so weitere Informationen aus den aufgenommenen Spektren zu gewinnen. Für einige Parameter ist mittlerweile sogar deutlich, dass sie in absoluten Werten angegeben werden können.

Früherkennung von Problemen

Es stellt sich die Frage: Welche Mehrinformationen liefern die gewonnenen Parameter? Der THI zeigt an, wie viel Hämoglobin im betrachteten Gewebe ankommt. Hämoglobin ist ein eisenhaltiger Proteinkomplex der Erythrozyten (rote Blutkörperchen), welcher Sauerstoff binden kann und das Gewebe versorgt. Noch entscheidender ist allerdings, wie viel Sauerstoff im Gewebe wirklich abgegeben wird. Dieses verdeutlicht zum einen die oberflächliche Gewebeoxygenierung und zum anderen die Sauerstoffversorgung tieferer Gewebeschichten (ca. 6mm), die mittels NIR-Perfusion erfasst wird. Hier wird in den Aufnahmen im nicht-sichtbaren NIR-Bereich des Lichts ausgewertet. In der Kombination von THI, Gewebeoxygenierung und NIR-Perfusion werden so Versorgungs- oder Abfuhrprobleme durch einen gestörten Bluttransport im Gewebe dargestellt. Mit hyperspektraler Bildgebung ist es beispielsweise möglich, venöse oder arterielle Stauungen zu erkennen. In der plastischen Chirurgie und der Wunddiagnostik können mit den neuen Erkenntnissen Operationen eingespart werden, da medikamentöse Behandlungen oder die Anwendungen von Wundauflagen objektiv überwacht und im zeitlichen Verlauf dargestellt werden können. In den Industrieländern ist der Diabetische Fuß ein großes Problem für das Gesundheitssystem und die betroffenen Patienten. Hier soll ebenfalls die TI-CAM durch frühzeitige Erkennung von Problematiken Abhilfe schaffen.

Wundspezifische Parameter zur Diagnostik

Bild 2 | Okklusionstest am linken Arm zur Validierung der TI-CAM, Auswertung der
einzelnen Parameter in Falschfarbbildern (Bild: Diaspective Vision GmbH)

Es gibt in der Medizin weitere Einsatzfelder, in denen ein sinnvoller Einsatz der TI-CAM denkbar ist. Dazu gehören z.B. Hautuntersuchungen, Histologie, Angiographie, Organtransplantationen – die Vielfalt ist groß. Ebenso groß wie die vorstellbaren Einsatzgebiete sind die Vorteile der hyperspektralen Kamera. Durch die objektive Diagnostik und Dokumentation ist es möglich, geeignete Therapien zeitnah auszuwählen, zu überwachen und zu bewerten. Es können Operationen vermieden, die Heilungszeit verkürzt und dadurch die Kosten gesenkt werden. Ein weiterer großer Bereich ist das gesteigerte Patientenwohl durch kürzere Behandlungs- und Liegezeiten. Mit neuen Erkenntnissen aus klinischen Studien, die mit Forschungspartnern und Partnern aus dem klinischen Alltag gewonnen werden, entwickelt man derzeit eine weitere, verfeinerte Kamera – die HyperWound-CAM. Diese wird zusätzliche wundspezifische Parameter zur Diagnostik ausgeben. Dazu gehören Wundgröße und die Klassifizierung der einzelnen Gewebetypen.

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