Invasive medizinische Eingriffe, beispielsweise solche, die eine Lokalanästhesie erfordern, bergen oft das Risiko einer Nervenschädigung. Während der Operation kann es vorkommen, dass der Chirurg versehentlich einen Nerv schneidet, dehnt oder komprimiert, insbesondere wenn der Nerv fälschlicherweise mit anderem Gewebe verwechselt wird. Dies kann dazu führen, dass bei Patienten langfristige Symptome auftreten, einschließlich sensorischer und motorischer Probleme. Ebenso können Patienten, die Nervenblockaden oder andere Arten von Anästhetika erhalten, Nervenschäden erleiden, wenn sich die Nadel nicht im richtigen Abstand zum peripheren Zielnerv befindet.

Daher haben Forscher hart daran gearbeitet, medizinische Bildgebungsverfahren zu entwickeln, um das Risiko einer Nervenschädigung zu verringern. Beispielsweise können Ultraschall und Magnetresonanztomographie (MRT) Chirurgen dabei helfen, die Lage von Nerven während einer Operation genau zu bestimmen. Allerdings ist die Unterscheidung von Nerven vom umgebenden Gewebe in Ultraschallbildern eine Herausforderung, und die MRT ist teuer und zeitaufwändig.

Forscher der Johns Hopkins University betonen das Potenzial der multispektralen photoakustischen Bildgebung, um Nervenschäden bei invasiven medizinischen Eingriffen zu verhindern und Schlüsselwellenlängen für eine optimale neuronale Visualisierung zu identifizieren.

Photoakustische Bilder des Nervus ulnaris (links) und des Nervus medianus (rechts) vom Schwein wurden zum ersten Mal in vivo aufgenommen. Der Nerv wurde mit 1725-nm-Licht beleuchtet und dem konfokalen Ultraschallbild überlagert. Außerdem werden die Umrisse des Nervs und der umgebenden Agarose-Region von Interesse (ROI) gezeigt. Quelle: M. Graham et al., doi10.1117/1.JBO.28.9.097001

TA GPH14Perspektiven der photoakustischen Bildgebung

Eine vielversprechende Alternative in dieser Hinsicht ist multispektral photoakustische Bildgebung. Als nicht-invasive Technologie kombiniert die photoakustische Bildgebung Licht- und Schallwellen, um detaillierte Bilder von menschlichem Gewebe und Strukturen zu erzeugen. Im Wesentlichen wird der Zielbereich zunächst mit gepulstem Licht beleuchtet, wodurch er sich leicht erwärmt. Dadurch dehnt sich das Gewebe aus und sendet Ultraschallwellen aus, die vom Ultraschalldetektor erfasst werden.

Ein Forschungsteam der Johns Hopkins University führte kürzlich eine Studie durch, in der es die Absorption und photoakustischen Eigenschaften von Nervengewebe im gesamten Nahinfrarot-Spektralbereich (NIR) gründlich charakterisierte. Ihre Forschungsergebnisse wurden am 4. September im Journal of Biomedical Optics veröffentlicht und von Dr. Muyinatu A. Lediju Bell, außerordentlicher Professor von John C. Malone und Direktor des PULSE Laboratory an der Johns Hopkins University, geleitet.

Eines der Hauptziele ihrer Forschung ist die Bestimmung der idealen Wellenlänge zur Identifizierung von Nervengewebe in photoakustischen Bildern. Die Forscher stellten die Hypothese auf, dass Wellenlängen von 1630–1850 Nanometern, die im optischen Nahinfrarot-III-Fenster liegen, der optimale Wellenlängenbereich für die Nervenvisualisierung wären, da die Lipide im neuronalen Myelin in diesem Bereich einen charakteristischen Absorptionspeak aufweisen.

Um diese Hypothese zu testen, führten sie detaillierte optische Absorptionsmessungen an peripheren Nervenproben durch. Sie beobachteten einen Absorptionspeak bei einer Wellenlänge von 1210 Nanometern, die zum Nahinfrarot-II-Band gehört. Dieser Absorptionspeak ist jedoch auch bei anderen Lipidarten vorhanden. Wenn dagegen der Beitrag von Wasser vom Absorptionsspektrum abgezogen wird, zeigt Nervengewebe einen einzigartigen Peak im Nahinfrarot-III-Bereich bei 1725 nm.

Praktische Tests und Auswirkungen

Darüber hinaus führten die Forscher photoakustische Messungen peripherer Nerven bei lebenden Schweinen mit einem speziell angefertigten Bildgebungsgerät durch. Diese Experimente bestätigten weiter die Hypothese, dass die Verwendung von Peaks im Nahinfrarot-III-Band effektiv zwischen lipidreichem Nervengewebe und anderen Gewebetypen sowie wasserhaltigen oder lipidarmen Materialien unterscheiden kann.

Bell ist mit den Ergebnissen zufrieden und sagt: „Unsere Arbeit ist die erste, die Breitwellenlängenspektroskopie verwendet, um das optische Absorptionsspektrum frischer Schweinenervenproben zu charakterisieren, und ist auch die erste, die multispektrale photoakustische Bildgebung im Nahinfrarot-III-Fenster verwendet, um die In-vivo-Visualisierung gesunder und regenerierter Schweinenerven zu demonstrieren.“

Diese Ergebnisse könnten Wissenschaftler dazu inspirieren, das Potenzial der photoakustischen Bildgebung weiter zu erforschen. Darüber hinaus kann die Charakterisierung von Lichtabsorptionsprofilen des Nervengewebes dazu beitragen, die neuronalen Erkennungs- und Segmentierungstechniken bei Verwendung anderer optischer Bildgebungsmodalitäten zu verbessern.

„Unsere Ergebnisse unterstreichen das klinische Potenzial der multispektralen photoakustischen Bildgebung als intraoperative Technik, die zur Bestimmung des Vorhandenseins myelinisierter Nerven oder zur Verhinderung von Nervenschäden bei medizinischen Eingriffen eingesetzt werden kann und Auswirkungen auf andere optische Techniken haben könnte. Unser Beitrag schafft daher erfolgreich eine neue wissenschaftliche Grundlage für die biomedizinische Optik-Community.“