Die fotoakustische Tomografie verbindet die Vorteile von Licht- und von Ultraschallmethoden in der Medizin. In einem nationalen Forschungs- netzwerk wird sie zur Marktreife entwickelt.
Es gibt mittlerweile viele verschiedene bildgebende Verfahren, die in der Medizin eingesetzt werden. Sie arbeiten mit unterschiedlichen Technologien, bilden dadurch jeweils andere Strukturen ab und werden infolgedessen für unterschiedliche diagnostische Zwecke angewendet. Beim Röntgen wird mit Röntgenstrahlen gearbeitet, die von unterschiedlich dichtem Gewebe verschieden stark absorbiert werden. Es dient beispielsweise zum Abchecken von Knochenbrüchen und in der Mammografie zur Untersuchung der weiblichen Brust.
Beim Ultraschall oder der Sonografie wird Schall mit Frequenzen oberhalb des menschlichen Hörfrequenzbereichs eingesetzt, um Herzrhythmusstörungen festzustellen, die Geschwindigkeit des Blutstroms zu messen oder um die Entwicklung eines Ungeborenen zu verfolgen. Bei der Computertomografie oder kurz beim CT werden mehrere Röntgenaufnahmen, die von einem Objekt aus verschiedenen Richtungen gemacht werden, via Computer ausgewertet und zu einem 3-D-Bild zusammengesetzt.
Dadurch kann ein ganzes Organ, zum Beispiel das Gehirn, dargestellt werden. Eines der jüngsten bildgebenden Verfahren ist die Magnetresonanztomografie – kurz MR. Sie liefert eine Darstellung der Struktur und Funktion von Organen und Geweben. Das Verfahren basiert auf starken Magnetfeldern und elektromagnetischen Wechselfeldern im Radiofrequenzbereich, mit denen im Körper bestimmte Atomkerne angeregt werden, die im Empfängerstromkreis elektrische Signale induzieren.
Doch das ist längst nicht alles. Kaum ist das jüngste Verfahren „state of the art“, drängt schon das nächste Verfahren aus den Labors in den Klinikalltag. Fotoakustische Tomografie – kurz: PAT – heißt die neuartige Technologie, die von Wissenschaftlern vor ungefähr 15 Jahren entdeckt wurde und seitdem ständig verbessert und zur Markttauglichkeit optimiert wird.
Maßgeblich daran beteiligt ist ein Team der Arbeitsgruppe Magnetometrie und Photonik rund um Günther Paltauf von der Universität Graz. Er ist Mitglied in einem vom FWF geförderten nationalen Forschungsnetzwerk (NFN), das von Otmar Scherzer (Universität Wien) koordiniert wird. Das Konsortium mit weiteren Partnern von der Medizinischen Universität Innsbruck und vom „Research Center for Non Destructive Testing“ (RECENDT) in Linz vereint Experten aus den Gebieten Mathematik, Biologie, Medizin und Physik. Gemeinsam versuchen die Forscher, die medizinische Diagnostik um diese vielversprechende Methode zu erweitern.
„Das fotoakustische Verfahren, auch thermoakustische Tomografie genannt, kombiniert Licht- und Ultraschalltechnologie“, erklärt Günther Paltauf. Es beruht auf dem fotoakustischen Effekt, der erstmals 1880 vom Erfinder des Telefons, Alexander Graham Bell, beschrieben wurde. Dabei wird einem Medium, im medizinischen Bereich handelt es sich dabei um biologisches Gewebe, Energie durch kurze Lichtimpulse (aus einem Laser) zugeführt. Durch die Erwärmung dehnt sich das Gewebe aus und erzeugt dabei Ultraschallwellen in der Umgebung.
Licht erzeugt Schallsignale. Spezielle Sensoren außerhalb des Mediums registrieren diese Wellen. Aus der Laufzeit der Schallsignale lässt sich auf die Tiefe von Strukturen schließen, in denen besonders viel von der Laserstrahlung absorbiert worden ist. Am Computer wird schließlich ein dreidimensionales Bild des biologischen Gewebes rekonstruiert. So können Tumore, zum Beispiel Melanome in der Haut, bis zu einer Gewebetiefe von etwa sechs Zentimetern exakt lokalisiert werden.
„Die fotoakustische Tomografie liefert aufschlussreiche Bilder von Objekten und Strukturen, von denen mittels herkömmlicher bildgebender Verfahren nur Bilder mit wenig Kontrast hergestellt werden können. Bei Röntgen, Ultraschall, CT oder MR müssen den Patienten daher spezielle Kontrastmittel verabreicht werden, um solche Strukturen sichtbar zu machen. Das wäre durch PAT nicht mehr notwendig“, so Paltauf über die Vorteile dieser neuen Methode.
Solche Strukturen sind beispielsweise Blutgefäße. Bei Tumoren bilden sich neue, abartige Blutgefäße, die sich mit diesem Verfahren hervorragend erkennen lassen, wenn auch nur in einem eingeschränkten Bereich. „Licht kann nur wenige Zentimeter ins Gewebe eindringen. Das ist der Bereich unter der Körperoberfläche, in dem diese Form der Tomografie für die Diagnostik nutzbar ist.“
Der große Vorteil für die Patienten: Licht ist im Gegensatz zu Röntgenstrahlen – die ja zu den ionisierenden Strahlen zählen – gesundheitlich unbedenklich. Die Temperaturerhöhung durch die Laserstrahlung beträgt nur wenige Zehntel Grad.
Die größte Herausforderung für die Wissenschaftler besteht nun darin, leistungsfähige Geräte und Detektoren zu entwickeln. „Anders als bei der herkömmlichen Ultraschalldiagnostik weisen die Schallwellen bei der PAT ein breites Frequenzspektrum auf. Daher benötigen wir ganz spezielle Sensoren, schließlich haben wir den Anspruch, immer exaktere Bilder zu bekommen.“ Auch an der räumlichen Anordnung der Detektoren wird gefeilt. „Um die gewonnenen Daten am Untersuchungsobjekt exakt lokalisieren zu können, brauchen wir möglichst viele Sensoren, die von unterschiedlichen Positionen aus messen.“ Eine andere Möglichkeit wäre, dass sich ein Sensor um das Objekt bewegt.
Diese technischen Aspekte sind aber nicht die einzigen Forschungsfragen. Eine eigene Arbeitsgruppe widmet sich mathematischen Methoden der Datenauswertung – der Leiter des nationalen Forschungsnetzwerks, Otmar Scherzer, ist Mathematiker. Konkret werden schnelle Berechnungsalgorithmen, Modellierungs- und Simulationsmethoden oder Filter entwickelt, um das Optimum aus den Daten herauszuholen.
Der Tomograf mit den selbst entwickelten Sensoren des Teams von Günther Paltauf liefert derzeit schon dreidimensionale Bilder. Getestet wurde das unter anderem an Mäuseherzen, Fischen oder Flöhen (siehe kleines Foto).Dabei lassen sich bereits Strukturen mit einer Größe von weniger als einem Zehntelmillimeter sichtbar machen und auswerten.
Das aktuell größte Handicap ist der zeitliche Aufwand für eine PAT-Untersuchung. Derzeit können zehn Laserimpulse pro Sekunde ausgesendet werden. Für ein vollständiges, dreidimensionales Bild benötigen die Forscher 30.000 Signale oder umgerechnet etwa eine Stunde. Das ist natürlich verbesserungswürdig, um einmal klinisch einsetzbar zu sein. „Wir arbeiten daran, die Methode ungefähr zehnmal schneller zu machen“, so Paltauf, „um sie dann am lebenden Objekt einsetzen zu können.“
("Die Presse", Print-Ausgabe, 16.01.2011)