Medizinische Bildgebung

Konfokales Mikroskop zur schnellen Erkennung von Tumorgrenzen während der Operation

© Fraunhofer IPMS
Demonstrator des Mikroskops
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Hier sehen Sie den CAD-Entwurf des zu erstellenden LSC-Onco Demonstrators
CAD-Entwurf des LSC-Onco Demonstrators

Jährlich erkranken rund 500.000 Menschen in Deutschland an Krebs. Trotz kontinuierlicher Fortschritte in der Diagnostik und Therapie stellt die intraoperative Beurteilung der vollständigen Tumorentfernung weiterhin eine große Herausforderung dar. Üblicherweise wird nach der Tumorresektion eine Gewebeprobe vom Wundrand entnommen und im Labor pathologisch untersucht - ein Verfahren, das bis zu 20 Minuten dauern kann.

Gewünscht ist eine Methode, die schnell, zuverlässig und direkt vor Ort im OP eingesetzt werden kann. Genau dafür haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer IPMS und des Fraunhofer IZI ein neues konfokales Laserscanning-Mikroskop für die intraoperative Tumordiagnostik entwickelt.

Gesunde und tumoröse Gewebestrukturen sicher unterscheiden

Das präzise Erkennen der Tumorgrenzen ist essenziell, um möglichst viel gesundes Gewebe - etwa Gehirnzellen oder Blutgefäße - zu erhalten und gleichzeitig eine vollständige Entfernung des Tumors sicherzustellen. Derzeitige Verfahren wie die intraoperative Histologie sind jedoch zeitaufwendig, nicht für alle Gewebearten geeignet (z. B. Knochen) und erlauben keine dreidimensionale Bildgebung.

Daher besteht ein hoher Bedarf an einer optischen Methode, die zuverlässig zwischen gesundem und tumorösem Gewebe unterscheidet - schnell und direkt während der Operation.

MEMS-basiertes Lasermikroskop mit fluoreszierender Tumormarkierung

Das neu entwickelte System kombiniert ein konfokales Lasermikroskop mit MEMS-Scanner (entwickelt am Fraunhofer IPMS) und eine spezielle Methode zur fluoreszenzbasierten Markierung von Tumorzellen, die von Fraunhofer IZI beigesteuert wurde. Ziel ist die präzise Lokalisierung von Tumorrändern, insbesondere bei neurochirurgischen Eingriffen.

Ablauf:

  1. Tumorgewebe wird mit fluoreszenzmarkierten Antikörpern selektiv eingefärbt.

  2. Das konfokale Mikroskop erstellt mithilfe eines zweiachsigen MEMS-Scanners hochauflösende Bilder der Schnittfläche in Echtzeit.

Technische Eckdaten:

  • Laterale Auflösung: < 1,0 μm
  • Bildfeld: 200 x 200 μm² (960 x 960 Pixel)
  • Z-Achsen-Abtastung: 2000 μm Reichweite, 5 nm Schrittweite

Erfolgreicher Demonstrator und Ausblick

Ein Demonstrator des Systems wurde 2021 erfolgreich am Fraunhofer -Zentrum Erfurt getestet. Die notwendigen Gewebeproben stellte der klinische Partner Helios-Klinikum Erfurt zur Verfügung.

Zukünftige Entwicklungsschritte umfassen:

  • Einsatz von künstlicher Intelligenz (KI) zur automatisierten Erkennung von Tumorrändern
  • Robotik-Integration zur Unterstützung des OP-Personals
  • Anpassung des Systems für den klinischen Routineeinsatz

Die Technologie stellt einen wichtigen Meilenstein auf dem Weg zur bildgestützten Echtzeit-Tumorchirurgie dar und bietet das Potenzial, Operationsergebnisse zu verbessern und Risiken zu minimieren.

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Entwicklung des LSC-Onco. 

CMUT – Zukunftstechnologie für die Ultraschallbildgebung

Anwendungen für Biotechnologie und Medizintechnik

CMUT Evaluation Kit des Fraunhofer IPMS
© Fraunhofer IPMS
CMUT Evaluation Kit des Fraunhofer IPMS

 

Die Sonographie ist in der Medizintechnik und industriellen Messtechnik ein fest etablierter Analyseansatz. Zentrale Bauelemente bildgebender Ultraschallsysteme sind sogenannte Ultraschallwandler-Arrays, die für die Erzeugung und Detektion von Schallwellen verantwortlich sind.

Derzeit basieren die meisten eingesetzten Arrays auf piezoelektrischer Keramik, insbesondere Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), das durch den umgekehrten piezoelektrischen Effekt Schwingungen erzeugt. Zwar bietet diese Technologie zuverlässige Bildqualität, doch bringt sie auch Nachteile mit sich:

  • Hohe Herstellkosten bei hochauflösenden oder luftgekoppelten Arrays
  • Komplexe Fertigungsprozesse
  • Eingeschränkte Umweltverträglichkeit durch toxische Materialien (nicht RoHS-konform)

CMUTs als Alternative: Mikromechanisch und zukunftssicher

Kapazitive mikromechanische Ultraschallwandler (CMUTs) stellen eine innovative Alternative dar. Sie basieren auf mikrosystemtechnischen Fertigungsverfahren und bieten zahlreiche Vorteile gegenüber konventionellen PZT-basierten Lösungen:

  • Kosteneffiziente Herstellung durch Halbleiterprozesse
  • Miniaturisierung für invasive Anwendungen wie IVUS (intravaskulärer Ultraschall)
  • Umweltfreundlich – keine toxischen Materialien, vollständig RoHS-konform

Technologische Vorteile von CMUTs

Die bisherigen Entwicklungen belegen das Potenzial von CMUTs für hochfrequente, hochauflösende Ultraschallbildgebung. Zu den wichtigsten Eigenschaften gehören:

  • Sehr hohe akustische Bandbreite
  • Minimale mechanische Kopplung zwischen den Sensorelementen
  • Gute Anpassbarkeit an Wasser und Luft
  • Integration mit elektronischen Komponenten (z. B. ASICs) auf einem Chip
  • Planare Sensorflächen durch monolithische Verbindung mit der Ausleseelektronik

Diese Eigenschaften sind essenziell für moderne Ultraschallsysteme, die eine Bildqualität auf dem Niveau klassischer PZT-Technik bieten sollen - jedoch bei besserer Integration, höherer Umweltverträglichkeit und größerer Designfreiheit.

Tragbares MEMS-basiertes konfokales Fluoreszenz-Laserscanningmikroskop für medizinische Anwendungen

Anwendungen für Biotechnologie und Medizintechnik

Die konfokale Fluoreszenz-Laser-Scanning-Mikroskopie ist ein leistungsfähiges Bildgebungsverfahren, bei dem Proben punktuell bestrahlt und das emittierte Fluoreszenzsignal mit hoher Präzision gemessen wird. Diese fortschrittliche Technologie ermöglicht die Aufnahme hochauflösender horizontaler Schnittbilder sowie die Erstellung genauer 3D-Modelle von strukturierten Oberflächen und fluoreszierenden Proben. Sie spielt eine entscheidende Rolle in der biologischen Forschung, der medizinischen Diagnostik und der industriellen Qualitätssicherung.

Herkömmliche konfokale Fluoreszenzmikroskope sind in der Regel groß, komplex und teuer, was ihren Einsatz auf spezialisierte Forschungslabors beschränkt. Das Fraunhofer IPMS hat ein kompaktes, robustes und tragbares Fluoreszenz-Laser-Scanning-Mikroskop auf MEMS-Basis entwickelt, das optische Standardkomponenten verwendet, um eine exzellente Abbildungsleistung in einem kleinen Formfaktor zu erzielen.

Die Kerninnovation liegt in der Integration eines selbst entwickelten hochpräzisen 2D-MEMS-Mikroscannerspiegels, der eine schnelle und genaue Laserstrahlsteuerung ermöglicht. Diese Technologie macht das Mikroskop ideal für Anwendungen vor Ort, einschließlich Feldforschung, Point-of-Care-Diagnostik und industrielle Inspektion.

Vorteile der Fraunhofer IPMS Technologie:

  • Hochauflösendes 3D-Fluoreszenz-Imaging
  • Kompaktes und tragbares Design für den mobilen Einsatz
  • Kostengünstige Alternative zu herkömmlichen stationären Systemen
  • Vielseitigkeit für Anwendungen im medizinischen, biologischen und industriellen Bereich

Selektive Beleuchtung mit Mikrospiegel-Arrays für fortschrittliche Lichtmikroskopie

Anwendungen für Biotechnologie und Medizintechnik

Datenschutz und Datenverarbeitung

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Die moderne Lichtmikroskopie steht vor einer großen Herausforderung: Die dauerhafte Beleuchtung mit hoher Helligkeit kann phototoxische Schäden an biologischen Proben verursachen. Dies schränkt die Untersuchung empfindlicher lebender Gewebe über längere Zeiträume ein. Um die Proben zu schützen, muss die Beleuchtung präzise, selektiv und auf die zu untersuchenden Bereiche begrenzt sein.

Mikrospiegel-Arrays: Ein Durchbruch in der Lichtmodulation

Das Fraunhofer IPMS entwickelt innovative Mikrospiegel-Arrays, um dieses Problem zu lösen. Diese Systeme bestehen aus Millionen winziger Spiegel auf einem Halbleiterchip und ermöglichen die dynamische Modulation und gezielte Steuerung des Lichts in der Mikroskopie.

Funktionsweise: Dynamische Steuerung von Beleuchtungsmustern
Durch den Einsatz von zwei Mikrospiegel-Arrays in einem speziell entwickelten optischen Aufbau kann Fraunhofer IPMS sowohl das Beleuchtungsmuster als auch den Einfallwinkel des Lichts auf die Probe flexibel steuern. Diese Präzision ermöglicht eine selektive Beleuchtung, reduziert die Lichtbelastung und minimiert phototoxische Effekte.

Vorteile von Mikrospiegel-Arrays in der hochauflösenden Mikroskopie

  • Ermöglicht hochauflösende Bildgebung bei minimaler Probenbelastung
  • Unterstützt dynamische und flexible Beleuchtungsmuster
  • Verbessert die Lebensfähigkeit von Lebendzell-Untersuchungen und Langzeitstudien
  • Kompatibel mit bestehenden hochauflösenden Mikroskopsystemen

Zukünftige Anwendungen

Diese Technologie ebnet den Weg für fortschrittliche biologische und medizinische Forschung durch schonende, selektive Bildgebungsverfahren. Zudem eröffnet sie Potenziale in der medizinischen Diagnostik und der Materialwissenschaft, wo präzise Lichtsteuerung entscheidend ist.

Innovatives Messsystem für die präzise Erfassung der Mikroperfusion („MikroFlow“)

Anwendungen für Biotechnologie und Medizintechnik

Das Projekt MikroFlow hat das Ziel, ein kompaktes, neuartiges Messsystem zur präzisen und praktikablen Erfassung der Mikroperfusion - der Durchblutung in Organen und Geweben - zu entwickeln.

Kerntechnologie: CMOS-integrierter Sensor mit optoelektronischem Ansatz

Im Mittelpunkt steht ein CMOS-integrierter Sensor, der optische und mechanische Messmethoden kombiniert. Dieses System kann flexibel in tragbare Kleidung integriert werden und ermöglicht eine sichere, energieeffiziente Datenübertragung über DECT NR+.

Anwendungsbereiche und Vorteile

Das Messsystem zielt darauf ab, die Diagnose von Mikrozirkulationsstörungen sowie die Überwachung von Patienten mit Herz-, Stoffwechsel- und Gefäßerkrankungen, schweren Infektionen oder nach Operationen deutlich zu verbessern. Darüber hinaus eröffnet die Technologie Anwendungsmöglichkeiten in der Augenheilkunde und der Hals-Nasen-Ohren-Heilkunde (HNO).

Proof-of-Concept und Weiterentwicklung

Das Fraunhofer IPMS und die TU Dresden haben bereits erfolgreich im Proof-of-Concept-Projekt die Erfassung der kapillären Auffüllzeit mittels eines optoelektronischen Verfahrens nachgewiesen. Aufbauend darauf wird ein anwendungsorientierter Sensor entwickelt, der die Grundlage für innovative Medizintechnik-Produkte bildet.

Zukünftige Perspektiven

Geplante Schritte umfassen erste Patientenuntersuchungen sowie eine Erweiterung der Anwendungsmöglichkeiten in den Bereichen Freizeit und Sport, um die Messung der Mikroperfusion auch außerhalb klinischer Umgebungen zu ermöglichen.