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Bildgebendes CARS Endoskop für die Anwendung in der Medizin

Bildgebende Verfahren zur intraoperativen Erkennung von Tumorgrenzen werden dringend benötigt. Die kohärente Anti-Stokes-Raman-Streuung (CARS) ermöglicht eine label-freie, hochauflösende Bildgebung. In diesem Beitrag wird eine starres, kompaktes CARS-Endoskops mit einer räumlichen Auflösung von 800 nm und einem Gesichtsfeld von 250 µm bei 187 mm Arbeitsabstand beschrieben.

Skizze des endoCARS-Demonstrators. Links das Modul zur Einkopplung der Laserfasern, in der Mitte das Modul zur Einkopplung der Signale in die Detektionsfaser zum Detektionsmodul (nicht gezeigt), rechts der Galvoscanspiegel. Unten zu sehen ist die GRIN-Optik.

Oben Foto des endoCARS-Demonstrators. Unten: die Endoskopoptik in direktem Kontakt mit einem Hirngewebeschnitt für Testmessungen.

Links: Adipozyten, rechts oben. GRIN-Linse, links unten: CARS-Bild von Hirngewebe bei 2850 cm-1.

Testmessungen von Polystyrolkugeln als Auflösungstest, links 1µm Durchmesser, rechts 3µm Durchmesser, aufgenommen bei 3050 cm-1.

Von P. Zirak // G. Matz // B. Messerschmidt // T.  Meyer // M.  Schmitt // J. Popp // O. Uckermann // R. Galli // M. Kirsch // M.  Winterhalder // A.  Zumbusch

Die intraoperative Unterscheidung erkrankten von normalem Gewebe im menschlichen Gehirn ist sehr schwer, da bildgebende Verfahren fehlen, die spezifisch Krebsgewebe visualisieren können. Es gibt zwar etablierte Verfahren wie die Magnetresonanz- und Computertomographie, die jedoch nur selten intraoperativ genutzt werden können, oder fluoreszenzbasierte Methoden, die jedoch nicht für jeden Tumortyp ein deutliches Signal liefern, so dass eine sichere Beurteilung insbesondere des Tumorrands in den meisten Fällen erst nach Entnahme des Gewebes und der anschließenden histopathologischen Untersuchung möglich ist. Die färbefreie und molekular sensitive kohärente anti-Stokes Raman Streuung (CARS) Mikroskopie insbesondere in Kombination mit weiteren nichtlinear-optischen bildgebenden Verfahren wie der Frequenzverdopplung (SHG) und der Zweiphotonenfluoreszenz (TPEF) stellt ein neuartiges optisches Verfahren dar, das die intraoperative Tumorranderkennung möglich machen kann.

Im Rahmen des BMBF-geförderten Verbundprojekts endoCARS wurde die multimodale uns insbesondere CARS-Bildgebung zur Abgrenzung von des Tumors von gesundem Gewebe sowie zur Darstellung unterschiedlicher Anteile des normalen Hirngewebes erforscht. Um die Technologie perspektivisch als schnelles und zuverlässiges, endoskopisches Verfahren zur Diagnose und Therapie im klinischen Alltag zu etablieren, wurden dabei neue Endomikrooptiken und Laserquellen erforscht und anschließende zu einem kompakten Gesamtsystem integriert, das schematisch in Abbildung 1 gezeigt ist. In Abb. 2 ist eine Fotographie das Gesamtsystems sowie der GRIN-Optik in Kontakt mit einem Gewebeschnitt bei Testmessungen gezeigt.

Das im Rahmen des Projekts realisierte CARS-Endoskopiesystem besteht aus einer nichtlinearen Endomikroskopoptik mit einer für den Nahinfrarotbereich farbkorrigierten Gradientenindex-Optik (GRIN) mit hoher NA von 0,5 bei einer Gesamtlänge von fast 20 cm und nur 2,2 mm Außendurchmesser, die von Grintech erforscht und entwickelt wurde, einer kompakten und im Bereich der CH-Streckschwingung von 2700-3200 cm-1elektronisch durchstimmbaren Faserlaserquelle von TOPTICA sowie einem kompakten Laser-Scanning-Mikroskop, das in enger Zusammenarbeit vom Leibniz-IPHT, der Universität Konstanz und Grintech erforscht und entwickelt wurde. Die innovative GRIN-Optik hat viele Vorteile im Vergleich zu konventionellen Linsen: Die Oberflächen sind plan und das Brechungsindexprofil lässt sich über den Diffusionsprozess während der Herstellung in einem großen Bereich variieren, so dass trotz kleiner Durchmesser von z.B. 500 µm eine sehr gute optische Abbildung realisiert werden kann. Das CARS-Endoskop liefert Bilder mit einer Auflösung von 800 nm bei einem Gesichtsfeld von 250 µm, weshalb dieses hochauflösende Endomikroskop mit einem neurochirurgisch einsetzbaren Applikator (STORZ) zur Weitfeldbildgebung kombiniert wird, um präzise die Zielregion für den Einsatz des Endoskops auswählen und anfahren zu können. Zur Demonstration der sehr guten optischen Auflösung sind in Abbildung 3 CARS-Aufnahmen von Adipozyten und Hirngewebe gezeigt. Zur Bestimmung der Auflösung wurden in Abbildung 4 CARS-Aufnahmen von Polystyrolkugeln mit 1µm (links) und 3µm Durchmesser (rechts) bei der CH-Streckschwingung bei 3050 cm-1gemacht. Da die Kugeln mit 1 µm Durchmesser visualisiert werden können, wird eine Auflösung besser als 1 µm erreicht, wie ursprünglich angestrebt.

Der lange Arbeitsabstand von 20 cm und der geringe Außendurchmesser ermöglichen aber auch den Einsatz bei minimalinvasiven neurochirurgischen Eingriffen. Aktuell befindet sich der Demonstrator in der Neurochirurgie der TU Dresden für die Erstellung von Referenzdatensätzen und die prä-klinische Evaluierung des Funktionsmusters.

Gefördert von: BMBF

Zugehörige Publikationen

Zirak, P.; Matz, G.; Messerschmidt, B.; Meyer, T.; Schmitt, M.; Popp, J.; Uckermann, O.; Galli, R.; Kirsch, M.; Winterhalder, M. J.; Zumbusch, A. APL Photonics 2018, 3, 092409.

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