Diffuse Optik für die medizinische Diagnostik: Fortschritte in Richtung Standardisierung

Unter den verschiedenen auf Optik basierenden Werkzeugen, die in der Diagnostik verwendet werden, entwickelt sich die diffuse Optik (DO) schnell zu einer der attraktivsten Technologien. Die Technik basiert auf der Analyse, wie Licht von biologischen Geweben absorbiert und gestreut wird, was sich auf die chemische Zusammensetzung und Struktur des Gewebes bezieht. Einer der Hauptvorteile von DO ist, dass es nicht invasiv ist (es verwendet Nahinfrarotlicht mit geringer Leistung). Darüber hinaus kann es verwendet werden, um Gewebe in einer Tiefe von bis zu einigen Zentimetern zu untersuchen und sogar funktionelle Aktivierung und Sauerstoffversorgung von Gehirn oder Muskeln zu erkennen. DO wird daher wahrscheinlich eine zentrale Rolle bei der Diagnose und Überwachung von Patienten sowohl im Krankenhaus als auch zu Hause einnehmen.

Doch selbst wenn dieselben DO-Prinzipien zur Untersuchung oder Diagnose einer bestimmten Krankheit verwendet werden, verwenden Kliniken und Labors auf der ganzen Welt sehr unterschiedliche Plattformen und Techniken. Dies stellt eine Herausforderung dar, wenn versucht wird, ihre Leistung zu bewerten, was notwendig ist, um fehlerhafte Geräte zu identifizieren, Entwicklungen in der DO-Technologie zu bewerten, eine gemeinsame Grundlage für den Vergleich von Techniken und Instrumenten zu schaffen und eine zuverlässige Wiederverwendung und Interpretation generierter offener Daten zu ermöglichen.

Glücklicherweise macht eine Zusammenarbeit zwischen 12 europäischen Institutionen – im Rahmen des Marie Skłodowska-Curie Innovative Training Network „BitMap“ der Europäischen Union von Horizont 2020, unter der Leitung von Hamid Dehghani, University of Birmingham – große Fortschritte bei der Verwirklichung der Leistungsbewertung und -standardisierung (PAS ) im Bereich DO. Die Initiative stützt sich auf mehr als zwei Jahrzehnte gemeinsamer Forschungsanstrengungen und konzentriert sich auf drei zuvor entwickelte Protokolle zur Bewertung der Leistung von DO-Instrumenten. Diese Initiative sieht drei Hauptaktionen vor: Aktion 1 beinhaltet die Sammlung experimenteller Daten, Aktion 2 konzentriert sich darauf, diese Daten als offene Daten verfügbar zu machen, und Aktion 3 dreht sich um eine gemeinsame Analyse der Daten unter Verwendung derselben Tools und Techniken.

Eine Studie veröffentlicht in Zeitschrift für biomedizinische Optik (JBO) stellt die Ergebnisse vor, die im Rahmen von Aktion 1 erzielt wurden. Die in diesem Dokument vorgestellte BitMap-Übung ist der größte Multi-Labor-Vergleich von DO-Instrumenten, der 12 Institutionen und 28 Systeme umfasst. Durch diesen Vergleich zielt die Studie darauf ab, die Kultur von PAS in der DO-Community und darüber hinaus zu stärken und eine gemeinsame Methodik vorzuschlagen, die in anderen Umgebungen übernommen werden kann. Ein interessantes Ergebnis dieser besonderen Arbeit ist die Konzeption von einfachen numerischen Werten, synthetischen Indikatoren genannt, für jeden der verwendeten Tests. Diese Indikatoren ermöglichen einen einfachen Vergleich über die Bandbreite der registrierten Instrumente hinweg.

Der Vergleich der Leistung verschiedener DO-Instrumente ist schwierig. Die Forscher entschieden sich für drei international anerkannte Protokolle (BIP, MEDPHOT und NEUROPT), um jedes DO-System herauszufordern. Das BIP-Protokoll diente dazu, die grundlegendsten optischen Leistungen jedes Instruments zu charakterisieren, während das MEDPHOT-Protokoll charakterisierte, wie gut jedes Instrument homogene optische Eigenschaften, dh Absorption und reduzierte Streukoeffizienten, wiederherstellen konnte. Schließlich testete das NEUROPT-Protokoll, wie gut jedes System Inhomogenitäten in einer Probe erkennen konnte, indem es sich auf kontrastbezogene Maßnahmen konzentrierte. Darüber hinaus einigten sich die Forscher auf drei verschiedene Phantom-Kits, von denen jedes speziell auf eines der Protokolle zugeschnitten war (ein „Phantom“ bezieht sich auf eine künstliche Struktur, die typischerweise zur Kalibrierung und zum Testen verwendet wird und bestimmte Eigenschaften menschlichen Gewebes nachahmt).

Die Experimente bestanden aus der Durchführung einer Auswahl relevanter Tests aus jedem Protokoll an seinem jeweiligen Phantom-Kit, wobei jedes der DO-Instrumente verwendet wurde. Die Forscher verglichen dann die Ergebnisse dieser Experimente, um zu verstehen, welche Instrumente und Techniken die beste Leistung zeigten, wie reproduzierbar die Ergebnisse waren und wie viel Variabilität es zwischen Messungen gab, die mit verschiedenen Systemen durchgeführt wurden. Sie fanden einen erheblichen Unterschied in der Hardwareleistung zwischen verschiedenen Systemen, was ihnen half, einige kritische Probleme im Zusammenhang mit der Leistungsbewertung in DO zu identifizieren.

Die Forscher planen, den gesamten durch Aktion 1 gesammelten Datensatz in einem offenen Datenspeicher (Aktion 2) bereitzustellen. Dies würde ihnen und anderen helfen, spezifische Aspekte der DO-Systeme zu analysieren und zu vergleichen (Aktion 3). Eines der ultimativen Ziele des Projekts besteht darin, Unsicherheiten und Messartefakte für jedes Instrument und jede Analysemethode zu identifizieren und zu mindern, wodurch ihr volles Potenzial freigesetzt wird.

„Große Fortschritte in der Physik resultieren aus präzisen Messungen bestimmter physikalischer Größen – Planetenbahnen, Lichtgeschwindigkeit, Teilchenmassen usw. Die Photonenwanderung durch den menschlichen Körper wird durch die biologische Variabilität erschwert, aber nicht durch die grundlegende Physik, die dem Ganzen zugrunde liegt“, sagt er leitender Autor Antonio Pifferi, Politecnico di Milano, Italien. „Wir können die Unsicherheiten und Artefakte, die von den Instrumenten und Analysewerkzeugen erzeugt werden, von der biologischen Variabilität trennen, mit großem Nutzen für die klinische Anwendung.“

Diese Bemühungen werden Türen zu einer leistungsstarken und zuverlässigen DO-Technologie öffnen, die eine genauere und bequemere Diagnose ermöglicht.

Bereitgestellt von SPIE – International Society for Optics and Photonics