Die Haut – ein Fenster zur Gesundheit, wenn sie nur durchsichtig wäre!
Die optoakustische Bildgebung ermöglicht einen Einblick in die Vorgänge im Gewebe, wie er mit einem Mikroskop unerreichbar ist. Dabei werden dreidimensionale optische Aufnahmen mit hoher Auflösung von bis zu 1 cm in das Innere des Gewebes erfasst. Über INNODERM, ein früheres Projekt, wurde gezeigt, dass mit optoakustischer Rasterscan-Mesoskopie(öffnet in neuem Fenster) (RSOM) bisher unsichtbare pathophysiologische, sauerstoffhaltige und morphologische Merkmale der Haut in einer Tiefe von 1-5 mm abgebildet werden können. Dies könnte Millionen von Menschen zugutekommen, die an Hautkrankheiten leiden, denn derzeit ist in der Dermatologie die visuelle Prüfung der Haut der Goldstandard für viele Krankheiten. Diese ist auf die Außenseite der Haut beschränkt und hängt von der visuellen Beurteilung der behandelnden Person ab. Der Schweregrad der Erkrankung oder die Auswirkungen der Therapie lassen sich jedoch möglicherweise nur in tieferen Hautschichten erkennen, die mit RSOM visualisiert und analysiert werden können. Im Projekt WINTHER(öffnet in neuem Fenster) wird auf den Errungenschaften von INNODERM aufgebaut, um RSOM in ein noch leistungsfähigeres klinisches Instrument zu verwandeln. „Bei WINTHER wird die Haut als Fenster für die Krankheitsbeurteilung genutzt, unterstützt durch moderne Computeralgorithmen und künstliche Intelligenz (KI). Das Ziel ist, die klinische Genauigkeit von RSOM zu verbessern und die klinische Anwendung zu erweitern, um den Verlauf und die Therapie von Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Diabetes zu beurteilen“, erklärt Vasilis Ntziachristos(öffnet in neuem Fenster), Projektkoordinator und Lehrstuhlinhaber für Biologische Bildgebung am Zentralinstitut für Translationale Krebsforschung(öffnet in neuem Fenster) der Technischen Universität München(öffnet in neuem Fenster) (TUM). „Bei INNODERM ging es um dermatologische Erkrankungen. Bei WINTHER haben wir die Anwendungen der optoakustischen Mesoskopie auf kardiometabolische Erkrankungen ausgeweitet und parallel dazu die Methodik und die Hardware verbessert, damit RSOM viel schneller wird als frühere Versionen“, fügt Ntziachristos hinzu.
Schnelle RSOM kombiniert mit KI für Diagnostik der nächsten Generation
Mit schneller RSOM (F-RSOM) können dynamische Prozesse in der Haut abgebildet werden, z. B. Veränderungen des Blutflusses und der Sauerstoffversorgung. Das ist wichtig für die Beurteilung der Endothelfunktion und die Überwachung der Wirksamkeit von Therapien bei Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Diabetes. Diese Veränderungen in Echtzeit zu erfassen, ermöglicht eine genauere und rechtzeitige Diagnose und Behandlungsentscheidung. Mit der Haut als Fenster zum Körper werden die erzeugten Bilder dann von einem modernen Computersystem interpretiert, das auf deterministischen und KI-Algorithmen basiert. Mit diesen Verbesserungen sollten die Geschwindigkeit, die Genauigkeit und der klinische Nutzen von RSOM erhöht werden. Zu den Hardware-Verbesserungen bei F-RSOM gehören die Entwicklung von Ultrabreitband-Ultraschallwandlern für hochauflösende Bildgebung, die Einführung innovativer Abtastprotokolle zur dynamischen Steuerung des abgebildeten Bereichs und die Entwicklung eines modernen Computersystems für eine bessere Verarbeitung und Analyse von F-RSOM-Aufnahmen. Im Rahmen des Projekts, das auch von iThera Medical(öffnet in neuem Fenster) unterstützt wurde, entstanden auch Deep-Learning-Modelle, die auf die Erkennung und Segmentierung verschiedener Merkmale in den F-RSOM-Aufnahmen trainiert wurden.
Neue Anwendungen für F-RSOM
Ntziachristos ist stolz darauf, dass über WINTHER ein Paradigmenwechsel in der therapeutischen Überwachung von Diabetes, kardio-metabolischen Erkrankungen und entzündlichen Hauterkrankungen bewirkt wurde. „In unserem Artikel(öffnet in neuem Fenster) in ‚Nature Biomedical Engineering‘ haben wir die Möglichkeit von RSOM beschrieben, die Auswirkungen von Diabetes auf die Haut zu quantifizieren und dann einzusetzen, um das Fortschreiten von Diabetes mit einem einfachen Hautscan zu bestimmen. Das könnte die Diabetesbehandlung erheblich verbessern, sodass der kritische Bedarf an wirksamen Management- und Präventionsstrategien für eine globale Epidemie gedeckt wird, die mehr als 500 Millionen Menschen betrifft.“
