Optoakustische Bildgebung Hautscanner und KI zeigen den Schweregrad von Diabetes an

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Bei fortgeschrittenen Diabetes verändern sich kleine Blutgefäße. Das ließ sich bisher mit einer Biopsie nachweisen. Mit optoakustischer Bildgebung und künstlicher Intelligenz lassen sich Daten aus verschiedenen Hautschichten analysieren und der Schweregrad der Erkrankung feststellen.

Veränderungen von kleinen Blutgefäßen sind eine häufige Auswirkung von fortschreitendem Diabetes. Solche mikrovaskulären Veränderungen lassen sich mit optoakustischen Bildgebungsmethoden messen. Zum Einsatz kommen Lichtimpulse, um Ultraschallwellen in Körpergewebe zu erzeugen. Diese Wellen werden von Sensoren aufgenommen und in Bilder umgewandelt.

Ultraschallwellen entstehen, wenn sich Körpergewebe um bestimmte Moleküle minimal zusammenzieht oder ausdehnt. Diese Moleküle, zum Beispiel Hämoglobin, absorbieren Licht besonders stark. Da sich Hämoglobin in den Blutgefäßen konzentriert, lassen sich mit der optoakustischen Bildgebung besonders detaillierte Bilder von Blutgefäßen erzeugen, die mit anderen nicht-invasiven Bildgebungsverfahren nicht möglich sind.

Optoakustik praktisch in der Medizin einsetzen

Die Grundlagen der Optoakustik, auch Photoakustik genannt, sind seit mehr als 100 Jahren bekannt. Praktische Anwendungen in der Medizin sind jedoch relativ neu. Vasilis Ntziachristos ist Professor für Biologische Bildgebung an der TUM und Direktor des Instituts für Biologische und Medizinische Bildgebung sowie des Bioengineering Centers bei Helmholtz München. Mit seinem Team hat er eine Reihe optoakustischer Bildgebungsverfahren entwickelt, darunter RSOM, kurz für „Raster-Scan Optoacoustic Mesoscopy“.

Nun hat das Team RSOM weiterentwickelt, um die Auswirkungen von Diabetes auf die menschliche Haut zu untersuchen. Aus RSOM-Aufnahmen der Blutgefäße im Bein von 75 Diabetiker und einer Kontrollgruppe identifizierten die Forscher mit eines KI-Algorithmus Merkmale einer Diabeteserkrankung. Sie erstellten eine Liste von 32 besonders aussagekräftigen Veränderungen im Erscheinungsbild der Hautvenen. Dazu gehörten Merkmale wie die Anzahl der Gefäßverzweigungen oder der Gefäßdurchmesser.

Kleine Blutgefäße in der Haut verändern sich

Schon länger ist bekannt, dass die kleinen Blutgefäße in der Haut von Diabetiker verändert sind. Die Veränderungen lassen sich zum Beispiel in Biopsien erkennen, also in kleinen Hautstücken, die herausgeschnitten werden. Biopsien zeigen aber nicht zuverlässig, was tatsächlich im Körper passiert, denn durch die Schnitte können Gefäße verformt werden. Außerdem stellen sie immer einen Eingriff in den Körper dar und sind für wiederholte Untersuchungen über einen längeren Zeitraum nicht geeignet.

Die RSOM-Messung hingegen ist nicht invasiv, dauert weniger als eine Minute und kommt ohne Strahlung oder Kontrastmittel aus. „Andere optische bildgebende Verfahren liefern nicht die Tiefe oder die Details, die die RSOM ermöglicht“, sagt Angelos Karlas, leitender Arzt der Studie.

Mit einer einzigen RSOM-Messung können gleichzeitig Daten aus verschiedenen Hautschichten gewonnen werden. So konnten die Forschenden erstmals feststellen, dass Diabetes die Gefäße in verschiedenen Hautschichten unterschiedlich beeinflusst: Während beispielsweise die Zahl der Gefäße und Verästlungen in der dermalen Ebene bei Diabetikern verringert war, waren sie dichter unter der Hautoberfläche, in der epidermalen Ebene, erhöht.

Kombination von Merkmalen aussagekräftig

Jedes der 32 oben genannten Merkmale wird durch das Fortschreiten und den Schweregrad der Erkrankung beeinflusst. Doch erst wenn man sie zu einem Score zusammenfasst, lässt sich ein Zusammenhang zwischen dem Zustand der kleinen Blutgefäße in der Haut und dem Schweregrad des Diabetes herstellen. Dies konnte in der Studie erstmals gezeigt werden.

„Mit RSOM können wir jetzt die Auswirkungen von Diabetes quantitativ beschreiben“, sagt Vasilis Ntziachristos. „Da es uns gelungen ist, RSOM immer mobiler und kostengünstiger zu machen, eröffnen diese Erkenntnisse völlig neue Möglichkeiten für die kontinuierliche Überwachung des Gesundheitszustands der Patienten – immerhin mehr als 400 Mio. Menschen weltweit. Mit kurzen und schmerzlosen Untersuchungen könnte so innerhalb von Minuten festgestellt werden, ob Therapien anschlagen – auch zu Hause.“

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