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Medizinisch-optische Bildgebung

Arbeitsgruppe 8.31

Zerebrale Oximetrie - Referenzmessverfahren und Performance-Charakterisierung

Marie Skłodowska-Curie Innovative Training Network (ITN)

  BitMap - Brain injury and trauma monitoring using advanced photonics

Förderung
   European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme
   (Marie Skłodowska-Curie grant agreement No 675332)
   01/2016 – 12/2019

Partner

  • The University of Birmingham (UoB), United Kingdom, Prof. Hamid Dehghani (Koordinator)
  • Fundacio Institut de Ciències Fotòniques (ICFO), Spanien
  • Politecnico die Milano (POLIMI), Italien
  • University College London (UCL), United Kingdom
  • Institute of Biocybernetics and Biomedical Engineering – Polish Academy of Sciences (IBIB PAN), Polen
  • Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Frankreich
  • University of Birmingham NHS Foundation Trust (UHB), United Kingdom
  • Fundacio Hospital Universitari Vall d'Hebron - Institut de Recerca (VHIR), Spanien
  • Picoquant Innovations GmbH (PQ), Deutschland
  • Hemophotonics SL (HP), Spanien

Prinzip der Tiefenauflösung mittels zeitaufgelöster Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) am Kopf. Die Breite der Laufzeitverteilung hängt von den optischen Eigenschaften (Streu- und Absorptionskoeffizient) des durchlaufenen Gewebes ab. Durch Analyse der Form der Laufzeitverteilung ist die tiefenaufgelöste Bestimmung der optischen Eigenschaften möglich: Photonen, die den Detektor nach kurzen Laufzeiten erreichen ("frühe Photonen"), dringen im Mittel weniger tief in das Gewebe ein als Photonen mit langen Laufzeiten ("späte Photonen").

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Die Vision des BitMap-Konsortiums ist die Entwicklung einer Suite von standardisierten nicht-invasiven Geräten, die wesentliche Informationen über die Gesundheit des Gehirns in der neurologischen Intensivmedizin und -Überwachung liefern, mit besonderem Schwerpunkt auf 1. traumatischen Hirnverletzungen, der „stillen Epidemie des dritten Jahrtausends“ und 2. Hypoxie bei Neugeborenen. Die Überlebenden zeigen permanente neurologische Störungen, die einen erheblichen Einfluss auf die Lebensqualität der Betroffenen und ihrer Familien und folglich einen großen sozio-ökonomischen Impakt haben. Die wesentlichen Faktoren, die diese Erkrankungen und ihre Behandlung beeinflussen, sind die Vermeidung von Sauerstoff-Unterversorgung des Gehirns und Störungen des Stoffwechsels. BitMap wird nicht-invasive Photonik-basierte Monitoring-Verfahren und Methoden zur Datenanalyse entwickeln, um entsprechende Biomarker bereitzustellen. Im Mittelpunkt des Projektes werden nicht-invasive Verfahren zur Bestimmung hämodynamischer Parameter stehen, die Nahinfrarot-Spektroskopie (NIRS) und die diffuse Korrelationsspektroskopie (DCS).

Eine Gruppe von multidisziplinären jungen Wissenschaftlern (Early Stage researchers, ESRs), eingebunden in führenden Labors quer durch Europa, wird gemeinsam an einem Programm arbeiten, dessen Konzept wesentliche technische und klinische Herausforderungen in der neurologischen Intensivmedizin anspricht. Die ESRs werden von dem weiten Bereich an Expertise in fortgeschrittener Photonik und klinischer Anwendung profitieren, was ihre Wettbewerbsfähigkeit in der Forschung und am Arbeitsmarkt wesentlich verbessert. Es gibt derzeit kein Graduiertenprogramm, das Forscher mit diesen Attributen produziert, aber es gibt einen erheblichen Bedarf für solche Graduierten auf dem sich schnell entwickelnden Gebiet der biomedizinischen Optik und generell bei der Entwicklung von Verfahren der medizinischen Bildgebung.

Das Ziel des Forschungsprojektes für den/die Doktoranden/in in der PTB ist eine verbesserte Quantifizierung der Hämoglobin-Sauerstoffsättigung im menschlichen Gehirn mittels nicht-invasiver zeitaufgelöster Nahinfrarotspektroskopie. Das beinhaltet folgende Aufgaben:

  • Optimierung der Messtechnik für die zuverlässige Messung der zeitaufgelösten diffusen Reflexion
  • Entwicklung, Implementierung und Validierung von neuartigen Analysemethoden, die auf eine genaue Quantifizierung der Absorption und Sauerstoffsättigung in tiefen Gewebekompartimenten (Gehirn) abzielen
  • Konzipierung und Herstellung adäquater gewebeähnlicher Phantome und Entwicklung von Tests zur Performance-Bewertung von Geräten und Methoden zur Datenanalyse für die zerebrale Oximetrie
  • Performance-Charakterisierung und Vergleich verschiedener Geräte

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Publikationen (frühere Arbeiten)

  • F. Martelli, S. Del Bianco, L. Spinelli, S. Cavalieri, P. Di Ninni, T. Binzoni, A. Jelzow, R. Macdonald, and H. Wabnitz, “Optimal estimation reconstruction of the optical properties of a two-layered tissue phantom from time-resolved single-distance measurements.,” J. Biomed. Opt. 20(11), 115001 (2015) [doi:Opens external link in new window10.1117/1.JBO.20.11.115001].
  • H. Wabnitz, D. R. Taubert, M. Mazurenka, O. Steinkellner, A. Jelzow, R. Macdonald, D. Milej, P. Sawosz, M. Kacprzak, A. Liebert, R. Cooper, J. C. Hebden, A. Pifferi, A. Farina, I. Bargigia, D. Contini, M. Caffini, L. Zucchelli, L. Spinelli, R. Cubeddu, and A. Torricelli, “Performance assessment of time-domain optical brain imagers, part 1: basic instrumental performance protocol,” J. Biomed. Opt. 19(8), 86010 (2014) [doi:Opens external link in new window10.1117/1.JBO.19.8.086010].
  • H. Wabnitz, A. Jelzow, M. Mazurenka, O. Steinkellner, R. Macdonald, D. Milej, N. Zolek, M. Kacprzak, P. Sawosz, R. Maniewski, A. Liebert, S. Magazov, J. C. Hebden, F. Martelli, P. Di Ninni, G. Zaccanti, A. Torricelli, D. Contini, R. Re, L. Zucchelli, L. Spinelli, R. Cubeddu, and A. Pifferi, “Performance assessment of time-domain optical brain imagers, part 2: nEUROPt protocol,” J. Biomed. Opt. 19(8), 86012 (2014) [doi:Opens external link in new window10.1117/1.JBO.19.8.086012].
  • A. Jelzow, H. Wabnitz, I. Tachtsidis, E. Kirilina, R. Brühl, and R. Macdonald, “Separation of superficial and cerebral hemodynamics using a single distance time-domain NIRS measurement,” Biomed. Opt. Express 5(5), 1465–1482 (2014) [doi:Opens external link in new window10.1364/BOE.5.001465].
  • L. Spinelli, M. Botwicz, N. Zolek, M. Kacprzak, D. Milej, P. Sawosz, A. Liebert, U. Weigel, T. Durduran, F. Foschum, A. Kienle, F. Baribeau, S. Leclair, J.-P. Bouchard, I. Noiseux, P. Gallant, O. Mermut, A. Farina, A. Pifferi, A. Torricelli, R. Cubeddu, H.-C. H.-C. Ho, M. Mazurenka, H. Wabnitz, K. Klauenberg, O. Bodnar, C. Elster, M. Bénazech-Lavoué, Y. Bérubé-Lauzière, F. Lesage, D. Khoptyar, a. a. Subash, S. Andersson-Engels, P. Di Ninni, F. Martelli, and G. Zaccanti, “Determination of reference values for optical properties of liquid phantoms based on Intralipid and India ink,” Biomed. Opt. Express 5(7), 2037 (2014) [doi:Opens external link in new window10.1364/BOE.5.002037].
  • F. Martelli, P. Di Ninni, G. Zaccanti, D. Contini, L. Spinelli, A. Torricelli, R. Cubeddu, H. Wabnitz, M. Mazurenka, R. Macdonald, A. Sassaroli, and A. Pifferi, “Phantoms for diffuse optical imaging based on totally absorbing objects, part 2: experimental implementation.,” J. Biomed. Opt. 19(7), 76011 (2014) [doi:Opens external link in new window10.1117/1.JBO.19.7.076011].

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