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Optische Bildgebung für die Untersuchung tiefer Gewebestrukturen

Die Forschungseinheit "Deep-Tissue Imaging und Endoskopie" unter Leitung von Prof. Dr. Iwan Schie zielt darauf ab, neue optische Werkzeuge für biomedizinische Anwendungen zu entwickeln, mit denen besonders präzise Bildgebungen verschiedener Körpergewebe möglich sind – etwa für die Früherkennung von Krankheiten. Mit Hilfe dieser neu entwickelten optischen Technologien sollen auch schwer zugängliche Körperregionen erreicht werden und detaillierte Aufnahmen von inneren Organen oder Geweben nicht-invasiv untersucht werden können.

Dabei werden unter anderem fortschrittliche optische Methoden wie die optische Kohärenztomografie (OCT) und Raman-Spektroskopie genutzt und kombiniert, um hochauflösende Bilder von Gewebestrukturen zu erzeugen, ohne dass eine Operation nötig ist. Im Fokus der Forschung stehen grundlegende Prinzipien, technologische Innovationen, KI-gestützte Datenverarbeitung sowie Anwendungen in der medizinischen Diagnostik, Bildgebung und Therapie.

Forschungsziele

Das primäre Ziel des Projekts ist die Entwicklung neuartiger optischer Systeme, die eine verbesserte Eindringtiefe und Bildqualität in biologischen Geweben ermöglichen. Insbesondere werden biophotonische Verfahren weiterentwickelt, die in einem speziellen Wellenlängenbereich arbeiten – dem sogenannten dritten biologischen Fenster (2080–2350nm). In diesem Bereich wird Licht weniger stark durch Wasser absorbiert, was eine tiefere und präzisere Bildgebung ermöglicht. So können Gewebestrukturen bis zu mehreren Millimetern Tiefe sichtbar gemacht werden, was für die Diagnose verschiedener Erkrankungen von großer Bedeutung ist.

Technologische Innovationen

Im Rahmen des Projekts werden Freiform- und Mikrooptiken genutzt (siehe FFM und MLDOE), die die Miniaturisierung von Endoskopen vorantreiben. Diese speziellen optischen Bauelemente ermöglichen es, flexible Endoskope mit einem Durchmesser von weniger als 0,5 Millimetern zu entwickeln. Diese Mini-Endoskope können in schwer zugängliche Körperregionen vordringen und präzise, hochauflösende Bilder liefern. Darüber hinaus werden optische Systeme entwickelt, die mehrere Bildgebungsverfahren kombinieren, wie etwa OCT und Raman-Spektroskopie, um umfassende Diagnosen zu ermöglichen. Der Einsatz von Ultrakurzpuls-Lasern zur Anregung und Abtastung der Gewebestrukturen ermöglicht eine besonders hohe räumliche Auflösung.

Lichtstrahlen der Medizintechnik

Die biomedizinische Optik nutzt die Wechselwirkung von Licht mit biologischem Gewebe, um den menschlichen Körper auf unterschiedlichen Ebenen zu untersuchen – von der subzellulären Struktur bis hin zu ganzen Organen. Durch den Einsatz optischer Prinzipien und photonischer Bildgebung werden nicht-invasive und minimal-invasive Instrumente für Diagnostik, Therapie und Forschung entwickelt. Zu den wichtigsten Interaktionen von Licht und Gewebe zählen Absorption, Streuung, Fluoreszenz und Biolumineszenz. Diese Phänomene liefern wertvolle Einblicke in die Zusammensetzung, Struktur und Funktion von Gewebe.

Dieses dynamische Forschungsumfeld profitiert von einer regen interdisziplinären Herangehensweise, die die traditionellen Fachgrenzen überschreitet und die Verzahnung von theoretischer Forschung und anwendungsorientierter Praxis fördert. Diese Grundlage ermöglicht fortwährend neue Perspektiven zur Translation wissenschaftlicher Erkenntnisse. Die biomedizinische Optik steht noch am Anfang ihrer Entwicklung, aber ihr Potenzial zur Revolutionierung der Gesundheitsversorgung ist immens. Es ist an uns, dieses Potenzial voll auszuschöpfen und die Grenzen des medizinisch Machbaren weiter zu verschieben.

Anwendungsgebiete

Die neuen optischen Systeme könnten in verschiedenen medizinischen Bereichen zum Einsatz kommen, beispielsweise:

• Früherkennung von Krebs: Mit den präzisen Aufnahmen können Tumore in frühen Stadien entdeckt werden.
• Herz-Kreislauf-Erkrankungen: Untersuchungen der Blutgefäße können mit diesen Technologien verbessert werden.
• Neurologie: Tiefe Einblicke in das Gehirn oder andere schwer zugängliche Organe werden möglich.

Kooperationen und interdisziplinäre Zusammenarbeit

Das Projekt wird von der interdisziplinären Forschungsgruppe 'Biophotonische Instrumentierung' an der EAH Jena vorangetrieben, die Expertise aus den Bereichen Biophotonik, Optik, Medizintechnik und medizinische Bildgebung vereint. In mehreren aktuellen Projekten entwickelt die Arbeitsgruppe um Prof. Schie neue Methoden für die optische Diagnostik und KI-gestützte Datenverarbeitung. Mehr Informationen zur Arbeitsgruppe 'Biophotonische Instrumentierung' sind hier zu finden: https://www.mt.eah-jena.de/Fachbereich/Professoren/homepage.php?id=ISchi Partnerinstitutionen wie das Leibniz-Institut für Photonische Technologien (IPHT) in Jena sowie internationale Universitäten sind in die Forschung eingebunden. Diese Kooperationen ermöglichen es, die entwickelten Technologien in klinischen Studien zu testen und perspektivisch in die medizinische Praxis zu überführen.

Ziele und Visionen

Ein zentrales Ziel ist die Entwicklung von optischen Systemen, die in der Lage sind, unterschiedliche Wellenlängen und Fokustiefen gleichzeitig zu erfassen. Dies verbessert die Bildqualität und ermöglicht, verschiedene Gewebeschichten simultan zu analysieren. Die Nutzung und Kombination verschiedener Makro- und Mikrooptiken sowie die Kombination mehrerer bildgebender Verfahren könnten in der Zukunft minimal-invasive Untersuchungen revolutionieren. Durch enge Kooperationen mit klinischen Partnern und den Einsatz von Spektroskopiemethoden, Bildgebungssystemen, künstlicher Intelligenz und Mixed-Reality-Technologien werden innovative Lösungen geschaffen, die sowohl die Gesundheitsversorgung verbessern als auch ein tieferes Verständnis von Krankheitsursachen ermöglichen – mit dem Ziel, die Lebensqualität der Menschen zu steigern.