Spezial: Im Geheimdienst Ihrer Medizin

Wundheilung Ob eine Wunde unter einem Verband gut verheilt, lässt sich von außen nicht erkennen.
Empa-Forscher ermöglichen nun den Blick durchs Pflaster à la James Bond.

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

Die verfeinerte Anwendung von Terahertz-Strahlung könnte im medizinischen Bereich die Analyse
mehrschichtiger Gewebe voranbringen und bei der  Wundbehandlung oder der Diagnostik von Blutgefäßablagerungen zum Einsatz kommen.
Nicht nur fiktive Gestalten wie
Bonds tüftelnder Quartiermeister
Q befassen sich mit dem  „Röntgenblick“.
In der Realität wird der Blick durchs Textil bereits angewendet, beispielsweise bei den 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 nicht etwa ionisierende elektromagnetische Strahlen – wie bei der Röntgenuntersuchung beim Arzt – eingesetzt,  sondern Terahertz-Strahlen im Wellenlängenbereich von 0.1 bis 1 Millimeter. Damit liegen die Wellen zwischen wärmendem Infrarot und Radiowellen und sind gesundheitlich unbedenklich.

Transparente Textilien

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 Terahertz-Strahlen nicht nur versteckte Objekte aufspüren sollen, sondern ebenfalls die Wechselwirkung zwischen verdecktem Zielobjekt und sichtbarer Oberfläche ermitteln. Diese Weiterentwicklung der Terahertz-Technik lässt sich künftig beispielsweise für die schonende Beobachtungvon 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. Terahertz-Strahlen, für die eine Vielzahl von Materialien wie Textilien, Plastik, Papier und Holz transparent ist, erlauben hingegen eine berührungsfreie Inspektion.
„Bisher war die Bildauflösung von Terahertz-Systemen 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 Dauerstrich-Gaslaser als Quelle der Terahertz-Strahlung 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. Vergleichbar ist der Vorgang dem  „Auseinandersammeln“ von Papieren am Bürodrucker, wenn mehrere Druckaufträge gemischt im  Ausgabefach landen.
Schärfung bis in Nanometerbereich
Während Körperscanner am Flughafen eine Auflösung im Millimeterbereich aufweisen, haben die Empa- Forscher sie 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.                                                                                                                                   |

 

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Terahertz Imaging

Kontakt
Dr. Peter Zolliker
Tel.: +41 58 765 45 08
Dr. Erwin Hack
Tel.: +41 58 765 4273
Empa Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology
Abt 405 Transport at Nanoscale Interfaces
Überlandstrasse 129
CH–8600 Dübendorf

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