UltraLas

Optimierte Tumorresektion in der Neurochirurgie

In Deutschland kommt es jährlich zu rund 43.000 onkologischen Neuerkrankungen im zentralen Nervensystem (ZNS), wobei diese Zahl aufgrund der Bevölkerungsentwicklung zukünftig weiter steigen wird. Die mikrochirurgische Resektion stellt die Standardbehandlung für den Großteil der Tumore im ZNS dar. Die Überlebensrate hängt dabei u.a. vom Resektionsausmaß ab. Bis heute sind die Tumorränder zum intakten Gewebe intraoperativ, jedoch nur schwer oder mit hohem technologischem Aufwand erkennbar. Problematisch sind weiter die stark schwankende Dissektionsrate bei der Verwendung von Ultraschall- oder Laserinstrumenten und die mangelhafte Erkennbarkeit der unterliegenden Gefäßverläufe. Folge sind eine für den Chirurgen schwierige Wahl der Geräteparameter und intraoperative Blutungen, die derzeit meist mit stromdurchflossenen bipolaren Pinzetten gestillt werden. Nachteile dieser kontaktbasierten Blutstillung sind u.a. Probleme durch Gewebeanhaftungen an den Elektroden sowie eine induzierte weiter erschwerte farbliche/haptische Unterscheid-barkeit des tumorösen Gewebes. Übergeordnetes Ziel der Verbundarbeiten ist es daher, durch die automatische Detektion von Tumoreigenschaften und Tumorrändern das Resektionsaus-maß während der Operation zu verbessern. Gleichzeitig soll das mit der Operation verbundene Risiko für den Patienten minimiert werden und so zu einer verlängerten Lebenszeit bei hoher Lebensqualität führen.

Optische Messverfahren kombiniert mit Ultraschall- bzw. Laser-Geweberesektion für die klinische Praxis

In diesem Projekt sollen verschiedene Methoden zur intraoperativen in-vivo-Erfassung von Tumorausdehnung, Gefäßarchitektur sowie Tumorelastizität in der Neurochirurgie erarbeitet und evaluiert werden. Mehrere innovative photonische Verfahren sollen einerseits zu einer schnellen und nicht-invasiven Vermessung der Läsionen ein-gesetzt werden und andererseits in Verbindung mit therapeutischen Instrumenten zu einer effektiven Dissektion und Koagulation des Tumorgewebes führen. Teilziele sind neuar-tige Systemlösungen aus optischen Messverfahren in Kombi-nation mit Laser- bzw. Ultraschallinstrumenten. Eine solche Kombination unterschiedlicher Technologien vereint eine intraoperative, vergleichsweise kostengünstige optomechanische Gewebeanalyse unter hoher lokaler Auflösung und Visualisierung der tiefliegenden Gefäßarchitektur mit einem verbesserten Laser- bzw. Ultraschallinstrument. Diese neuartige Optimierung des Resektionsverfahrens ermöglicht durch unterstützende Resektionsranderkennung und optimierte Dissektionsperformance eine deutlich verbesserte Tumorresektion in der klinischen Praxis. Nach Abschluss des Projektes sollen die Ergebnisse in marktreife Produkte überführt werden.

Paper:

Kren, J. et al., Mechanical characteristics of glioblastoma and peritumoraltumor‑free human brain tissue

Burhan, S. et al., Phase unwrapping for MHz optical coherence elastography and application to brain tumor tissue

Hutfilz, A. et al. Pulsed thulium laser blood vessel haemostasis as an alternative to bipolar forceps during neurosurgical tumour resection

Bockelmann N, et al.. Toward intraoperative tissue classification: exploiting signal feedback from an ultrasonic aspirator for brain tissue differentiation.

Proceedings

Burhan, S. et al. Characterization of brain tumor tissue by time-resolved, phase-sensitive optical coherence elastography at 3.2 MHz line rate

Dirk Theisen-Kunde et al., Clinical evaluation of thulium laser / ultrasonic aspirator combination instrument during neurosurgical tumour resection,

Nicolas Detrez et al, Air-jet based optical coherence elastography of brain tumor tissue: stiffness evaluation by structural histological analysis, in Emerging Technologies for Cell and Tissue Characterization II , Seemantini K. Nadkarni and Giuliano Scarcelli, Eds. SPIE, 2023. pp. 126290M

Nicolas Detrez, et al., Air-Jet based optical coherence elastography: processing and mechanical interpretation of brain tumor data

Sazgar Burhan, et al., Phase analysis strategies for MHz OCE in the large displacement regime,

Sazgar Burhan et al., Advanced FFT-based contrast approach for MHz optical coherence elastography,

Hutfilz, A. Laser application for non-destructive blood vessel haemostasis on brain
tissue as an alternative to bipolar forceps, DGNCH 2022

Hutfilz A, et al. Laser coagulation of brain tissue at 1480 nm and 1940 nm wavelengths: SPIE; 2021.

Detrez N, et al. Flow Controlled Air Puff Generator Towards In Situ Brain Tumor Detection Based on MHz Optical Coherence Elastography. European Conferences on Biomedical Optics 2021 (ECBO);

Rewerts K, et al., editors. Phase-Sensitive Optical Coherence Elastography with a 3.2 MHz FDML-Laser Using Focused Air-Puff Tissue Indentation. European Conferences on Biomedical Optics 2021 (ECBO)