Forschung & Entwicklung

Terahertzstrahlen zur Wundbeobachtung

Eine Weiterentwicklung der Terahertztechnik könnte im medizinischen Bereich die Analyse mehrschichtiger Gewebe voranbringen und bei der Wundbehandlung oder der Diagnostik von Blutgefäßablagerungen zum Einsatz kommen.

In der Realität wird der Blick durchs Textil bereits angewendet, beispielsweise bei Sicherheitschecks am Flughafen mittels sogenannten Body- oder Nacktscannern. 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. Hierbei werden allerdings keine ionisierenden elektromagnetischen Strahlen, wie bei der Röntgenuntersuchung beim Arzt, eingesetzt, sondern gesundheitlich unbedenkliche Terahertzstrahlen im Wellenlängenbereich von 0,1 bis 1 mm.

Das Team um Peter Zolliker und Erwin Hack vom Laboratory for Transport at Nanoscale Interfaces in Dübendorf hat nun ein vom Schweizerischen Nationalfonds (SNF) gefördertes Projekt abgeschlossen, bei dem die Terahertzstrahlen nicht nur versteckte Objekte aufspüren sollen, sondern ebenfalls die Wechselwirkung zwischen verdecktem Zielobjekt und sichtbarer Oberfläche ermitteln. Diese Weiterentwicklung der Terahertztechnik lässt sich künftig beispielsweise für die schonende Beobachtung von Wunden nutzen, die in einem Verband sicher verpackt sind. 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. Und andererseits ist das Monitoring von komplexen Wunden, etwa nach Verbrennungen oder bei chronischen Hautschäden, nötig und trägt zur personalisierten medizinischen Behandlung bei. Terahertzstrahlen, für die eine Vielzahl von Materialien wie Textilien, Plastik, Papier und Holz transparent ist, erlauben hingegen eine berührungsfreie Inspektion. „Bisher war die Bildauflösung von Terahertzsystemen allerdings ziemlich bescheiden“, erklärt 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. Nötig sind unter anderem ein Dauerstrichgaslaser als Quelle der Terrahertzstrahlung und ein Flächendetektor, der die resultierenden Beugungsmuster aufnimmt. Mithilfe eines speziellen Phasenbestimmungs-Algorithmus lässt sich eine zusammenhängende, dreidimensionale Rekonstruktion aller Gebilde erstellen, da der Algorithmus die Trennung der Durchstrahlungsfunktionen der beiden Objekte erlaubt.

Während Körperscanner am Flughafen eine Auflösung im Millimeterbereich aufweisen, haben die Empa-Forscher diese in ihren Experimenten auf zwei Zehntelmillimeter optimiert. Und: Weitere Schärfungen bis in den Nanometerbereich sollen bald folgen. So sollten sich künftig Blut, Hautprofil und Textilien gut unterscheiden lassen. Als weitere Anwendungsmöglichkeiten in der Biomedizin bieten sich die bildgebende Krebsdiagnostik ohne Kontrastmittelgabe und die nicht invasive Analyse von Blutgefäßen mit verdächtigen Ablagerungen an.

von mn

www.empa.ch

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