Arbeitsgruppe Translationale Bildgebung in der Neurochirurgie

Katrin Kirsche

MTLA

0351 458-7018E-Mail

Marlen Reichenbach

Doktorandin

• Thema: Intraoperative Raman Spektroskopie

León Vinzenz Dunker

Doktorand

• Thema: Detektion des IDH1 Mutationsstatus von Gliomen mittels markierungsfreier Multiphotonenmikroskopie

Franz Lehner

Doktorand

• Thema: Identifikation von aggressiven Meningeomen mittels Infratrospektroskopie

Georg Mark

Doktorand

• Thema: Markierungsfreie Multiphotonenmikroskopie zur Klassifikation von Hirntumoren

Sven Richter

Clinician Scientist

• Projekt: BrainAce In vivo brain tumor diagnostics by adaptive computational lensless fiber endoscopy
• Aufgabengebiete

E-Mail

Alumni

• Jonathan Ziegler
• Dr. med. Jonas Bendig
• Dr. med Joana Hirsch
• Dr. med. Katrin Metzler

BrainAce: In vivo brain tumor diagnostics by adaptive computational lensless fiber endoscopy
gefördert durch EKFZ Digital Health (2022-2023)

Intraoperative diagnosis would largely improve clinical management and treatment of patients undergoing stereotactic biopsies of brain tumors. We aim to develop and test a prototype of a novel tiny endoscope that probes autofluorescence of brain tissue and allows optical biopsies in situ. In the project, we will research the spectral characteristics of brain tumor fluorescence and miniaturize an endoscopic system while preserving high optical properties. This is achieved by implementation of recent advances in computational optics and programmable light. The development of tissue classification and strategies for integration of AI-supported diagnosis into the clinical workflow will allow successful translation. Moreover, the research may pave the way for future automated brain tumor diagnosis and tumor removal by laser ablation.

https://digitalhealth.tu-dresden.de/projects/innovation-projects/brainace/

Optimizing light conditions for intraoperative Raman spectroscopy of brain tumors
NCT – Experimental Operating Theatre

Raman spectroscopy is an analytical method for gathering valuable information about tissue and therefore to diagnose and characterize various cancer types by acquiring a Raman spectrum that represents a “biological fingerprint”. Moreover, the technique might be employed for intraoperative brain tumor delineation. This approach is currently tested in brain tumor surgeries in UKD. However, as an optical method, light of different wavelengths and from various sources such as microscopy light, room and daylight as well as infrared signals of the neuronavigation result in serious artifacts. In this proposed project, we therefore want to set up a best medical practice workflow for optimization of lighting conditions in the OR during Raman spectroscopy. Ultimately, this project should result in a guideline for surgeons to which degree OR lights can be tolerated for intraoperative Raman spectroscopy whilst assuring precise measurement positions and patient safety at the same time.

Intraoperative Bildgebung: Innovation und Anwendung

Die intraoperative Bildgebung bietet eine große Chance die Therapie von Patient*innen mit Hirntumor zu verbessern. Neue Technologien, welche (Auto-)fluoreszenz des Gewebes sichtbar machen, bieten eine sofortige Rückmeldung über das Gewebe und können ohne Verzögerung diagnostische Informationen liefern. Am Standort Dresden werden deep learning und KI Strategien erforscht, um aus den Bilddatensätzen relevante klinische Informationen herauszufiltern. Um eine Patient*innen zentrierte Forschung zu ermöglichen und Forschungsergebnisse klinisch anzuwenden wurde an der Klinik und Poliklinik für Neurochirurgie ein System für intraoperative Fluoreszenzbildgebung erworben. Das ZEISS CONVIVO ist in Deutschland bislang (09/2023) nur an drei klinischen Standorten (weltweit an 13 Strandorten) verfügbar. Bei der Therapie von Hirntumoren ist eine sichere Resektion des Tumors essentiell und diese neuen Bildgebungstechnologien können in Kombination mit komplexen Analysen dem Operierenden helfen erkranktes Gewebe besser zu erkennen.

Translationale molekulare Spektroskopie
Kooperation:
Prof. Dr. G. Steiner (Klinisches Sensoring und Monitoring, Medizinische Fakultät TU Dresden)
PD Dr. habil. Roberta Galli (Medizinische Physik und biomedizinische Technik, Medizinische Fakultät TU Dresden)

Schwingungsspektrokopie

Schwingungsspektroskopie ist der Sammelbegriff für zwei analytische Techniken: Infrarot- und Raman-Spektroskopie. Diese adressieren Bindungsschwingungen von molekularen Gruppen der Probe. Beide sind schädigungs-freie, rein optische Techniken, die umfassende Informationen über die Zusammensetzung der Probe in Form eines Spektrums liefern. Dieses Probenspektrum ist einzigartig, wie ein Fingerabdruck. Die Erfassung mehrerer Spektren einer Probe mit anschließender mathematischer Verarbeitung liefert molekulare Kartierungen und ermöglicht die Analyse der räumlichen Verteilung der chemischen Zusammensetzung. Durch intensive Forschung im letzten Jahrzehnt konnte die Schwingungsspektroskopie als klinisch relevante Strategie zur objektiven Charakterisierung von Tumoreigenschaften etabliert werden und wurde in großem Umfang zur Analyse pathologischer Gewebeveränderungen eingesetzt. Exemplarisch erfolgte bereits eine operationsbegleitende wie auch eine Anwendung in situ im Sinne einer intraoperativen Pathologie.

Färbefreie multiphotonen Bildgebung

Die coherent anti Stokes Raman scattering (CARS) Mikroskopie ist eine nichtlineare Variante der Raman-Spektroskopie, die Intensitätsinformationen über einzelne molekulare Schwingungsmoden in subzellulärer-Auflösung liefert. In Kombination mit anderen Multiphotonen-Techniken (TPEF: endogene zwei-Photonen-Fluoreszenz und SHG: second harmonic generation) liefert CARS morphochemische Informationen, die mit der Standard-Histopathologie vergleichbar sind und in vivo generiert werden können. Pathologische Veränderungen der Gewebestruktur bei traumatischen Schäden, degenerativen Veränderungen und Tumorerkankungen können so der verfolgt werden. Abgestimmt auf die Schwingungen von CH-Bindungen stellt CARS eine hervorragende Technik dar, um die Mikromorphologie des Myelins in nativen Proben des Zentralnervensystems zu untersuchen.

Biomechanik in der Neuroonkologie
Kooperation:
PD Dr. habil. Roberta Galli (Medizinische Physik und biomedizinische Technik, Medizinische Fakultät TU Dresden)
M. Sc. Jan Rix (Klinisches Sensoring und Monitoring, Medizinische Fakultät TU Dresden)

Tumore besitzen mechanische Eigenschaften, die sich von denen des Normalgewebes unterscheiden. So ist das z. B. das metastatische Potential von den zellmechanischen Eigenschaften abhängig. Weiterhin stehen die Invasion und die Metastasierung von Tumorzellen in engem Zusammenhang mit der Steifigkeit der Mikroumgebung. In der Neuroonkologie steht die Untersuchung der Zellbiomechanik noch am Anfang, wobei einige Forschungsarbeiten ihr eine enorme Bedeutung zuweisen.
Die Brillouin Spektroskopie ist eine optische Analysemethode zur nicht-invasiven, kontakt- und färbefreien Untersuchung der Steifigkeit einer Probe. Die Methode ist ein innovativer Ansatz zur Gewebsanalyse und wird zurzeit nur von wenigen biophysikalischen Forschungsgruppen weltweit verfolgt. Die Kombination von Brillouin und Raman-Spektroskopie ermöglicht die Messung der mechanischen Eigenschaften simultan mit der biochemischen Signatur als Referenz. Ein solcher, kombinierter Aufbau wurde im neurochirurgischen Forschungslabor in Zusammenarbeit mit technischen Arbeitsgruppen realisiert und wird zur Erforschung von Hirntumoren genutzt: Ziel ist es die Korrelation zwischen Biomechanik und zugrundeliegenden Zellbestandteilen sowie dem funktionellen Zustand der Zellen herzustellen. Weiterhin werden humane Hirntumore mit dem Ziel untersucht, deren biomechanischen Eigenschaften zu bestimmen, um neoplastische Veränderungen der Biomechanik zu identifizieren.

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/?term=uckermann+o&sort=date