Unsere Forschung entwickelt innovative hybride Verfahren, die thermoakustische, optoakustische und fluoreszenzbasierte Bildgebung kombinieren.
Gefördert durch einen DFG-Koselleck-Preis sowie durch das BMBF (Tech2See, Sense4Life), konzentrieren wir uns auf drei zentrale Forschungsbereiche:
- Untersuchung fundamentaler Wechselwirkungen zwischen elektromagnetischer (EM) und optischer Energie mit Gewebe, um diese für neuartige Sensoranwendungen nutzbar zu machen.
- Entwicklung neuartiger Instrumentendesigns zur optimalen Beleuchtung und Energieeinbringung in Gewebe – sowohl für diagnostische als auch therapeutische Anwendungen.
- Entwicklung neuer Sensorklassen, darunter Nanopartikel und innovative Sensortechnologien, zur Erfassung pathophysiologischer Gewebeeigenschaften, die auf Krankheiten hinweisen – mit dem Ziel, neue Paradigmen zur Früherkennung zu schaffen.
Ein besonderer Fokus unserer Arbeitsgruppe liegt auf der Systementwicklung, Datenverarbeitung und dem in-vivo-Monitoring biophysikalischer Prozesse.
Darüber hinaus fließen unsere technologischen Entwicklungen in die Arbeit weiterer Forschungsgruppen am Lehrstuhl und Institut ein.
Forschungs-Highlights
Thermoakustische Bildgebung von Kleintieren mit hoher räumlicher Auflösung
Der thermoakustische Effekt beschreibt die Umwandlung transienter elektromagnetischer (EM) Energie in Gewebe in eine akustische Welle, die durch thermisch-elastische Ausdehnung entsteht. In der thermoakustischen Bildgebung werden Objekte mit kurzen, hochenergetischen EM-Impulsen bestrahlt, um akustische Wellen zu erzeugen. Der Bildgebungskontrast basiert dabei auf den elektrischen und dielektrischen Eigenschaften des Gewebes.
Um ausreichend Energie im Gewebe zu deponieren, verlängern konventionelle thermoakustische Tomographie-Verfahren (TAT) die Dauer der EM-Impulse – auf Kosten der räumlichen Auflösung. Dies begrenzt die Fähigkeit von TAT, submillimetergroße Strukturen aufzulösen.
Zur Überwindung dieser Einschränkungen in Auflösung und Energieeinbringung schlagen wir eine Nahfeld-Kopplung des Objekts an das energieabstrahlende Element (Antenne) in Kombination mit ultraschnellen Hochfrequenzimpulsen vor. Unser Ansatz der Nahfeld-Radiofrequenz-Thermoakustik (NRT) basiert auf der Anregung biologischen Gewebes mit nanosekundenschnellen Hochenergieimpulsen, im Gegensatz zur Trägerfrequenzverstärkung in konventionellen TAT-Systemen.
Wir haben spezielle Hochspannungsimpulsgeneratoren entwickelt, die Impulse von unter 100 ns Dauer mit Energien im Bereich mehrerer hundert Millijoule erzeugen. Durch den Einsatz von Übertragungsleitungs-Pulsgebern konnten wir die Impulsdauer verkürzen, ohne die Impulsenergie zu beeinträchtigen – und so eine nicht-invasive Bildgebung von Kleintieren mit hoher räumlicher Auflösung ermöglichen (siehe Omar M., Med. Phys. 2012, 39(7): 4460–4466).
Raster-Scan Optoacoustic Mesoscopy
Figure: CBI
In raster-scan optoacoustic mesoscopy (RSOM) we focus on imaging the mesoscopic gap, which re-fers to the depths beyond what microscopic techniques can image, i.e. deeper than 500 µm, and before macroscopic techniques become efficient in imaging, i.e. up to 5 mm in depth. The range of applications at this depth include imaging of model organisms used in developmental biology, skin imaging, and imaging the microenvironment of diseases.
Hybrid optical and Optoacoustic Microscopy
Figure: CBI
The combination of optoacoustic imaging with optical microscopy techniques offers several ad-vantages. First, the use of label-free modalities allows for imaging of various disease biomarkers without interfering with biological systems. Second, the integration of RSOM enables multi-scale imaging, where optical microscopy techniques allow for high resolution imaging of smaller regions at the first few hundreds of microns, while optoacoustic mesoscopy facilitates whole-organism imaging at larger depths of several millimeters. Finally, the combination of optical and optoacoustic imaging techniques provides visualization of different anatomical markers with complimentary contrast, ena-bling broader information to be obtained from complex biological organisms. Examples of optical microscopy modalities that are combined with optoacoustic imaging are selective plane illumination microscopy (SPIM), as well as non-linear microscopy techniques such as two-photon excitation fluo-rescence imaging (TPEF), second harmonic, and third harmonic generation microscopy (SHG / THG).
Maßgebliche Publikationen
Omar M, Soliman D, Gateau J, Ntziachristos V. Ultrawideband reflection-mode optoacoustic mesoscopy, Optics Letters 39(13); 3911-3914 (2014)
George J. Tserevelakis, Dominik Soliman, et al. Hybrid multiphoton and optoacoustic microscope. Optics letters 39.7 (2014): 1819-1822. Omar M, Gateau J, Ntziachristos V. Raster-scan optoacoustic mesoscopy in the 25-125 MHz range, Optics Letters 38(14); 2472-2474 (2013)
Kellnberger S, Deliolanis NC, Queirós D, Sergiadis G, Ntziachristos V. In vivo frequency domain optoacoustic tomography, Optics Letters 37(16); 3423-3425 (2012)
Omar M, Kellnberger S, Sergiadis G, Razansky D, Ntziachristos V. Near-field thermoacoustic imaging with transmission line pulsers, Med. Phys. 39(7); 4460-6 (2012)
Kellnberger S, Hajiaboli A, Razansky D, Ntziachristos V. Near-field thermoacoustic tomography of small animals, Phys. Med. Biol. 56(11); 3433-44 (2011)
Razansky D, Kellnberger S, Ntziachristos V. Near-field radiofrequency thermoacoustic tomography with impulse excitation, Med. Phys. 37(9); 4602-4607 (2010)