Optoakustische Bildgebung Laser-Ultraschall stellt Gefäße durch die Haut dreidimensional dar

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Eine neue Bildgebungstechnologie kombiniert Laserpulse mit Ultraschall-Detektion für hochauflösende 3D-Gefäßdarstellung durch die Haut. Die portable Hardware von Helmholtz Munich und TUM könnte einen neuen Markt für nicht-invasive Diagnostikgeräte erschließen.

Herz-Kreislauf-Erkrankungen sind weltweit die häufigste Todesursache, doch ihre Früherkennung bleibt eine der größten Herausforderungen der modernen Medizin. Während klassische Diagnoseverfahren wie EKG oder Echokardiographie erst größere strukturelle Veränderungen oder akute Ereignisse erfassen können, beginnen kardiovaskuläre Erkrankungen bereits auf mikrovaskulärer Ebene – in den kleinsten Blutgefäßen. Diese frühen Veränderungen blieben bisher für nicht-invasive Bildgebung unsichtbar und erfordern teure, komplexe Untersuchungsverfahren. Gleichzeitig wächst der Druck auf Elektronikentwickler, kostengünstige, portable Diagnostiksysteme zu entwickeln, die präzise Früherkennung außerhalb spezialisierter Kliniken ermöglichen. In diesem Spannungsfeld positioniert sich eine neue optoakustische Technologie als potenzielle Lösung.

Aus Laserpulsen werden Ultraschallwellen

Das Herzstück von „Fast-RSOM“ (Raster-Scan-Optoakustische Mesoskopie) basiert auf einem eleganten physikalischen Prinzip: Kurze Laserpulse erhitzen Gewebe minimal, wodurch sich dieses ausdehnt und Ultraschallwellen erzeugt. Diese werden von hochsensiblen Ultraschall-Detektoren erfasst und zu 3D-Bildern verarbeitet. Anders als reine Ultraschall- oder optische Verfahren kombiniert RSOM die Vorteile beider Modalitäten und erreicht dadurch hohen Kontrast bei gleichzeitig tiefer Eindringung bis in einzelne Hautschichten und Kapillaren hinein.

Die Fast-Variante optimiert diese Technologie für Echtzeitanwendungen. Dr. Hailong He vom Institut für Biologische und Medizinische Bildgebung erklärt: „Mit fast-RSOM ist es uns erstmals gelungen, die Endothelfunktion beim Menschen nicht-invasiv mit Auflösung einzelner Kapillaren zu erfassen.“ Diese Fähigkeit eröffnet völlig neue Möglichkeiten für die Früherkennung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen, da die Technologie subtile Veränderungen der mikrovaskulären Endothel-Funktionseinschränkung (MiVED) erfassen kann, lange bevor klinische Symptome auftreten.

Eine komplexe Datenverarbeitung

Das ursprünglich laborbasierte RSOM-System musste für den klinischen Einsatz komplett neu konzipiert werden, was erhebliche technische Herausforderungen für Elektronikentwickler mit sich brachte. Die Integration kompakter, stabiler Lasersysteme für reproduzierbare Pulserzeugung war ebenso anspruchsvoll wie die Entwicklung hochauflösender Ultraschall-Arrays in tragbarem Format. Besonders kritisch erwies sich die echtzeitfähige Signalverarbeitung für die Bildrekonstruktion aus optoakustischen Daten sowie das Thermomanagement für sichere Laserleistung bei kompakter Bauweise.

Die größte technische Herausforderung liegt jedoch in der Datenverarbeitung: Aus den optoakustischen Rohdaten müssen in Echtzeit hochauflösende 3D-Bilder mit Einzelkapillar-Auflösung berechnet werden. Die optimierte Software leistet nicht nur Bildrekonstruktion, sondern berechnet auch dynamische Biomarker für MiVED – quantitative Parameter, die subtile Gefäßveränderungen erfassen können. Das Ergebnis ist ein tragbares System, das „schnell und nicht-invasiv" arbeitet und sogar in ambulanten Kliniken eingesetzt werden könnte.

Alternative zu stationären Bildgebungssystemen

Für Elektronikentwickler eröffnet sich dadurch ein vielschichtiges Marktpotenzial. Die Technologie könnte eine Alternative zu teuren, stationären Bildgebungssystemen darstellen und neue Anwendungsfelder in der Präventivmedizin, Therapiemonitorung und Point-of-Care-Diagnostik erschließen. Prof. Vasilis Ntziachristos, Direktor des Bioengineering Center bei Helmholtz Munich, sieht enormes Potenzial: „Durch frühere Interventionen und präzisere Überwachung könnte fast-RSOM die Prävention und Behandlung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen grundlegend verändern.“

Der Weg von der Grundlagenforschung zum marktreifen Produkt steht jedoch noch vor erheblichen Herausforderungen. Das Forschungsteam plant zunächst die Validierung in größeren Patientenstudien und die Integration der Biomarker in klinische Arbeitsabläufe. Gleichzeitig müssen Aspekte wie medizinische Zulassung nach Medizinproduktegesetz, Kostenoptimierung für Praxistauglichkeit und Standardisierung der Messprotokolle bewältigt werden.

Das Funktionsprinzip der RSOM-Technologie nutzt Laserpulse im Nanosekunden-Bereich, die auf Gewebe treffen und durch thermoelastische Expansion Ultraschallwellen erzeugen. Diese tragen Informationen über Gewebeeigenschaften wie Blutgehalt, Sauerstoffsättigung und Gefäßarchitektur. Die Alleinstellungsmerkmale umfassen eine Eindringtiefe von mehreren Millimetern bei mikroskopischer Auflösung, natürlichen Kontrast durch Hämoglobin ohne Kontrastmittel, echtzeitfähige Bildgebung und vollständige Sicherheit durch nicht-ionisierende, nicht-invasive Verfahren.

Neue Gerätekategorie in der Medizintechnik

Fast-RSOM zeigt exemplarisch, wie etablierte Technologien durch durchdachte Kombination völlig neue Anwendungsfelder erschließen können. Für Elektronikentwickler eröffnet sich hier ein expandierender Markt für portable, hochauflösende Bildgebungssysteme jenseits klassischer Ultraschall- oder Röntgentechnik. Die nächsten Jahre werden zeigen, ob sich optoakustische Systeme als neue Gerätekategorie in der Medizintechnik etablieren können und damit eine weitere Technologie-Revolution in der medizinischen Diagnostik einleiten. (heh)

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