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Schonendes Wunden-Monitoring

Medizin-Gadget bringt Durchblick à la James Bond

| Autor/ Redakteur: Dr. Andrea Six / Christian Lüttmann

Geheimagenten mit Spionagebrille haben ihn – den Röntgenblick. Doch auch in der Medizin ist solch ein „Durchblick“ hilfreich, z.B. um Wundheilung unter Verbänden zu beobachten. Hier haben Forscher nun ein Verfahren entwickelt, dass auf schonendere Terahertz-Strahlung setzt und damit eine bessere Wundüberwachung erlauben soll.

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Terahertz-Strahlen erlauben es, ein Objekt (links) durch Textilien hindurch abzubilden, wie die Rekonstruktion (rechts) zeigt.
Terahertz-Strahlen erlauben es, ein Objekt (links) durch Textilien hindurch abzubilden, wie die Rekonstruktion (rechts) zeigt.
(Bild: Empa)

Dübendorf/Schweiz – Ein Abend im Casino, der Spion im Smoking zieht das neueste Gadget aus seiner Tasche: eine blau getönte Brille. Und mit dem Blick durch die Spezialgläser vermag James Bond in „Die Welt ist nicht genug“ mühelos durch die Kleidung der Casino-Schurken zu sehen und ihre Waffen unter den Jacketts zu erkennen.

Doch nicht nur in der fiktiven Welt von James Bond ist der Röntgenblick ein Thema. Tatsächlich ist der Blick durchs Textil längst in der Realität angekommen und wird z.B. bei den Sicherheitschecks am Flughafen mittels so genannter Body- oder Nacktscanner angewendet. Damit die freie Sicht auf verborgene Objekte auch in der Biomedizin genutzt werden kann, entwickeln Empa-Forscher neue Verfahren, die beispielsweise einen Blick auf eine Wunde ermöglichen, ohne den Verband ablösen zu müssen.

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Hierbei setzt man allerdings nicht auf ionisierende elektromagnetische Strahlen, wie bei der Röntgenuntersuchung beim Arzt, sondern nutzt Terahertz-Strahlen im Wellenlängenbereich von 0,1 bis 1 Millimeter. Damit liegen die Wellen zwischen wärmendem Infrarot und Radiowellen und sind gesundheitlich unbedenklich, im Gegensatz zu der energiereicheren Röntgenstrahlung.

Der Blick durch den Verband

Forscher der Empa-Abteilung „Transport at Nanoscale Interfaces“ haben in einem Projekt untersucht, wie sich versteckte Objekte mithilfe von Terahertz-Strahlen aufspüren lassen, Und auch die Wechselwirkung zwischen verdecktem Zielobjekt und sichtbarer Oberfläche wurde analysiert.

Diese Weiterentwicklung der Terahertz-Technik soll sich künftig beispielsweise für die schonende Beobachtung von Wunden nutzen lassen, da der Verband dann nicht entfernt werden muss. Denn derzeit lassen sich zwei Vorgaben bei der Wundpflege nicht optimal vereinen: Einerseits möchte man den Patienten nicht dem Risiko einer Infektion aussetzen oder das fragile heilende Gewebe beschädigen, indem man einen Verband zu häufig ablöst. Andererseits ist das Monitoring von komplexen Wunden, etwa nach Verbrennungen oder bei chronischen Hautschäden, nötig und trägt zur personalisierten medizinischen Behandlung bei.

Bessere Auflösung und Objekterkennung

Hier könnten Terahertz-Strahlen die Lösung sein. Denn sie sind für eine Vielzahl von Materialien wie Textilien, Plastik, Papier und Holz transparent und erlauben somit eine berührungsfreie Inspektion. „Bisher war die Bildauflösung von Terahertz-Systemen allerdings ziemlich bescheiden“, sagt Empa-Forscher Lorenzo Valzania. Zudem sei der Effekt von Textilien auf der Haut bisher nicht direkt beobachtbar gewesen.

Will man aber die Interaktion von Textil und Haut bestimmen, müssen auch die Eigenschaften des bedeckenden Materials in der Bildrekonstruktion der Hautoberfläche berücksichtigt werden. Valzania hat hierzu eine neue Phasenbestimmungstechnik entwickelt, mit der das gewünschte Objekt und das bedeckende Textil mittels Durchstrahlungsgeometrie erfasst werden können.

Der Terahertz-Scanner kann bereits Formen abbilden, die hinter einer Schicht aus Glasfaser verborgen sind (Video der Empa):

Nötig sind unter anderem ein Dauerstrich-Gaslaser als Quelle der Terahertz-Strahlung und ein Flächendetektor, der die resultierenden Beugungsmuster aufnimmt. Mithilfe eines speziellen Algorithmus zur Phasenbestimmung lässt sich eine zusammenhängende, dreidimensionale Rekonstruktion aller Gebilde erstellen, da der Algorithmus die Trennung der Durchstrahlungsfunktionen der beiden Objekte erlaubt. Vergleichbar ist der Vorgang dem Auseinandersammeln von Papieren am Bürodrucker, wenn mehrere Druckaufträge gemischt im Ausgabefach landen.

Noch schärfere Bilder angestrebt

Während Körperscanner am Flughafen eine Auflösung im Millimeterbereich aufweisen, haben die Empa-Forscher in ihren Experimenten eine Auflösung von zwei Zehntelmillimetern erreicht. In Zukunft wollen sie die Bildschärfe bis in den Nanometerbereich verbessern. So sollten sich künftig Blut, Hautprofil und Textilien gut unterscheiden lassen.

Als weitere Anwendungen in der Biomedizin bieten sich die bildgebende Krebsdiagnostik ohne Kontrastmittelgabe für den Terahertz-Scanner an. Aber auch die nicht-invasive Analyse von Blutgefäßen mit verdächtigen Ablagerungen könnte von dieser Technik profitieren.

Originalpublikation: Lorenzo Valzania, Peter Zolliker, and Erwin Hack: Coherent reconstruction of a textile and a hidden object with terahertz radiation, Optica Vol. 6, Issue 4, pp. 518-523 (2019); DOI: 10.1364/OPTICA.6.000518

* Dr. A. Six, EMPA Eidgenössische Material- Prüfungs- und Forschungsanstalt, Dübendorf/Schweiz

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