Bildgebung / optische Kohärenztomografie : Präzisionsbilder für die Neurochirurgie

Die optische Kohärenztomografie liefert hochauflösende Aufnahmen des Gewebes, ihre Weiterentwicklung Hochfrequenz-OCT sogar in Echtzeit und 3-D. Im Verbundprojekt Neuro-OCT wollen Lübecker Forscher die Technologie nutzen, um Tumoren des zentralen Nervensystems künftig radikaler und zugleich schonender zu operieren.

Ein weißes Operations-Mikroskop, in welches eine Frau mit Operationskleidung hineinschaut.
Durch ihr Operations-Mikroskop sollen Neurochirurgen in Zukunft Tumore noch genauer erkennen und so gezielter entfernen können.

Jedes Jahr wird in Deutschland bei 43.000 Menschen eine Krebserkrankung in Gehirn oder Rückenmark festgestellt, die in vielen Fällen eine Operation unumgänglich macht. Als Neurochirurg am Universitätsklinikum Schleswig-Holstein (UKSH) weiß Matteo Bonsanto, dass präzises Arbeiten bei diesen mikrochirurgischen Eingriffen im zentralen Nervensystem (ZNS) höchste Priorität besitzt. „Die Herausforderung besteht darin, dass einerseits der Tumor komplett reseziert werden muss, um ein frühes Rezidiv zu verhindern“, erklärt der Experte. „Andererseits darf möglichst wenig gesundes Gewebe entfernt werden, denn das kann zu neurologischen Ausfällen und den damit verbundenen Folgeerscheinungen wie Lähmungen führen.“

Eine anspruchsvolle Aufgabe, die Matteo Bonsanto seinen Chirurgenkollegen mit dem von ihm geleiteten Projekt Neuro-OCT künftig erleichtern möchte. Das Kürzel OCT steht für optische Kohärenztomografie. Ob diese relativ neue Bildgebungstechnik dazu eingesetzt werden kann, die Tumorgrenzen während des Eingriffs exakt zu erfassen, soll das durch das Bundesforschungsministerium mit knapp 2,3 Millionen Euro geförderte Projekt bis September 2020 klären.

„Ziel ist, dem Chirurg per OCT optische Biopsien aus dem Operationsgebiet zu liefern, die klar erkennbar machen, wo das Tumorgewebe endet und die gesunde Umgebung anfängt“, sagt Bonsanto.

Lichtwellen liefern hochauflösende Bilder

Neben den Neurochirurgen vom UKSH, Campus Lübeck, sind bei dem Projekt noch das Institut für Biomedizinische Optik der Universität zu Lübeck sowie ein Team um Ralf Brinkmann vom Medizinische Laserzentrum Lübeck mit im Boot. „Vom Grundprinzip her ähnelt die optische Kohärenztomografie der Ultraschalluntersuchung“, erläutert Brinkmann. „Beide Verfahren strahlen Wellen ins Gewebe, die dort teilweise zurückgeworfen und anschließend wieder aufgefangen werden.“ Da verschiedene Gewebeschichten die Wellen unterschiedlich reflektieren, kann der Computer über die Messung der Laufzeiten dann Schnittbilder der untersuchten Region errechnen.

Während die Sonografie dazu Schallwellen mit einer Frequenz oberhalb des menschlichen Hörbereichs einsetzt, verwendet die optische Kohärenztomografie Lichtwellen, deren Wellenlänge im nahen Infrarotbereich zwischen 800 und 1500 Nanometer liegt. „Die Eindringtiefe in Gewebe beträgt zwar nur ein bis zwei Millimeter, doch dafür ist die Auflösung des OCT sehr viel höher als bei der Sonografie“, sagt Brinkmann. In der medizinischen Diagnostik füllt die Technik damit die Lücke zwischen Mikroskopie und Ultraschalluntersuchung.

Diagnosemethode mit wachsender Bedeutung

In der Augenheilkunde hat sich diese innovative Form der Bildgebung in den vergangenen Jahren bereits etabliert. Denn die OCT ist das einzige Verfahren, dass es dem Augenarzt ermöglicht, nicht nur auf, sondern auch in und hinter die Netzhaut zu blicken. Wie dick ist die Retina? Gibt es im Netzhautgewebe Flüssigkeitseinlagerungen, sogenannte Ödeme? Ist der gelbe Fleck, die Stelle des schärfsten Sehens, krankhaft verändert? All diese Fragen lassen sich mit einem OCT-Gerät von außen, ohne das Auge zu manipulieren, beantworten. Weitere Anwendungsgebiete, in denen die innovative Methode immer mehr Bedeutung gewinnt, sind die Beurteilung der Herzkranzgefäße sowie die Diagnostik von Tumoren und anderen Erkrankungen auf der Haut und in der Blase.

Ob sich die optische Kohärenztomografie für die Neurochirurgie eignen könnte, haben die Lübecker Forscher vor einigen Jahren schon einmal in einer Studie untersucht. „Damals konnten bereits gute Bilder aufgenommen werden“, berichtet Ralf Brinkmann. „Doch die Geschwindigkeit der Bildaufnahme war noch zu langsam, deshalb wurde die Idee wieder auf Eis gelegt.“ Das hat sich inzwischen geändert, auch dank des Unternehmens Optomedical Technologies GmbH.

Das 2010 mit Unterstützung des EXIST-Förderprogramms vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gegründete Spin-off des Medizinischen Laserzentrums entwickelte ein mikrochirurgisches Operationsmikroskop, das mit einer OCT-Kamera ausgestattet ist. Ein solches System wurde für Neuro-OCT angeschafft. In dem Projekt vergleicht das Forscherteam um Matteo Bonsanto und Ralf Brinkmann die Aussagekraft der optischen Kohärenztomografie bei der Erkennung von ZNS-Tumoren mit zwei anderen Methoden. Die eine ist die histologische Laboruntersuchung von während der Operation entnommenen Gewebeproben, die in puncto Tumorzelldetektion bis heute den Goldstandard darstellt. Die zweite ist die intraoperative Fluoreszenz. Hier bekommen die Patienten vor dem Eingriff fluoreszierende Farbstoffe verabreicht, die sich im Tumor anreichern und diesen so unter dem Operationsmikroskop mithilfe von Filtern sichtbar machen.

Neben der konventionellen OCT, die Licht mit einer Wellenlänge von 800 Nanometern verwendet, wird im Projekt auch die Hochfrequenz-OCT untersucht. Dieses innovative Verfahren hat Ralf Brinkmanns Institutskollege Robert Huber entwickelt. Für seine Pionierarbeit auf dem Gebiet der optischen Kohärenztomografie erhielt der Lübecker Physiker gemeinsam mit zwei Wissenschaftlern vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) im vergangenen Jahr den Europäischen Erfinderpreis.

In Echtzeit ins Gewebe schauen

Die Hochfrequenz-OCT arbeitet mit Licht einer Wellenlänge von 1300 Nanometer, das tiefer in das Gewebe eindringen kann. Noch entscheidender: Die Technologie ist um ein Vielfaches schneller als die bisherigen Systeme für die optische Kohärenztomografie. „Mit der Hochfrequenz-OCT lässt sich der gesamte Resektionsraum in deutlich unter einer Sekunde aufnehmen“, berichtet Ralf Brinkmann. Aus den in videotauglichen Raten in Echtzeit erstellten Schnittbildern errechnet eine Computer-Software eine vollständige 3-D-Rekonstruktion des gescannten Gebiets, die in alle Richtungen gedreht und so aus unterschiedlichen Winkeln betrachtet werden kann.

„Die Hochfrequenz-OCT ermöglicht es dem Operateur, live in das Gewebe zu schauen und zu beurteilen, ob er in dem Bereich, in dem er reseziert, den Tumor tatsächlich vollständig entfernt hat“, sagt Neurochirurg Matteo Bonsanto. Ein weiterer interessanter Aspekt der Technologie, der bei Neuro-OCT realisiert werden soll, ist die optische Darstellung von Blutgefäßen und der dortigen Blutflüsse. Diese intraoperative Angiografie macht ersichtlich, welche Gefäße tumorassoziiert sind und welche das umliegende Hirngewebe versorgen. „Mit diesen Informationen können wir schonender operieren“, erläutert Bonsanto.

Lenken ohne abzulenken

Die 3-D-Visualisierung des Gewebes ständig zu sehen, zusätzlich zum Blick durch das Operationsmikroskop, würde den Arzt allerdings zu sehr von seiner eigentlichen Tätigkeit – dem Operieren – ablenken. Um einen solchen Information-Overload zu vermeiden, suchen die Forscher in dem Projekt auch nach Wegen, wie die OCT-Daten optimal präsentiert werden können. Eine Idee ist, ins OP-Mikroskop verschiedenfarbige LEDs einzubauen. „Damit projiziert man dann ins Operationsgebiet und beleuchtet beispielsweise den Bereich Krebs mit rotem Licht und gesundes Hirngewebe mit grünem“, erklärt Ralf Brinkmann.

Eine andere Option wäre, dem Chirurg mit einem akustischen Signal deutlich zu machen, dass die Tumorgrenzen erreicht sind. „Das erfordert allerdings eine Mustererkennung, die zuverlässig ist und schnell genug reagiert“, betont Projektleiter Bonsanto. Die Algorithmen, die das Tumorgewebe mit der erforderlichen Sensitivität und Spezifität identifizieren, wollen die Wissenschaftler aus Deutschlands Norden in ihrem Verbundvorhaben bis 2020 erarbeiten – auch durch den Vergleich mit den Befunden aus der intraoperativen Fluoreszenz und der histologischen Untersuchung. Sollte das gelingen, prophezeit Matteo Bonsanto der optischen Kohärenztomografie in seinem Fachgebiet eine ähnliche Entwicklung wie in der Augenheilkunde. „Wenn die Spezifität und die Sensitivität der optischen Kohärenztomografie gut genug sind, könnte die Technologie sich schnell in der Neurochirurgie verbreiten und die vorhandenen intraoperativen Bildgebungsverfahren zukünftig ersetzen.“

Mehr im Internet

Pressemitteilung der Universität zu Lübeck

Website der Optomedical Technologies GmbH

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