Maßgeschneiderte FBH-Lichtquellen im Forschungsverbund Leibniz Gesundheitstechnologien

Das FBH bringt sein Know-how bei Laserlichtquellen seit 2014 im Forschungsverbund Leibniz Gesundheitstechnologien ein. Der Verbund aus 15 Forschungseinrichtungen erarbeitet Technologie-Lösungen für drängende medizinische Fragestellungen und vereint Kompetenzen aus verschiedenen Wissenschaftsbereichen, von Photonik und Medizin über Mikroelektronik und Materialforschung bis hin zur Wirtschaftsforschung und angewandten Mathematik. Neuartige Gesundheitstechnologien können so mit Industrie, Kliniken, Versicherungen und Politik entlang einer lückenlosen Innovationskette zur Marktreife geführt werden. Leibniz Gesundheitstechnologien setzt dabei auf einen ganzheitliches Konzept und erforscht auch ökonomische, soziale und ethische Folgen neuer Technologien. Das FBH ist aktuell in die beiden Verbund-Projekte EXASENS und HYPERAM eingebunden.

Blau-emittierender Diodenlaser für SERRDS
Blau-emittierender Diodenlaser, der sich für die Shifted Excitation Resonance Raman Difference Spektroskopie eignet.

EXASENS – Point-of-Care-Sensorplattform für chronisch-entzündliche Atemwegserkrankungen

Das FBH und acht weitere Partner aus dem Forschungsverbund Leibniz Gesundheitstechnologien arbeiten seit Januar 2016 gemeinsam im Verbundprojekt EXASENS an der Erforschung einer Point-of-Care-Technologie (POC) zur Vorhersage und Diagnose von chronisch-entzündlichen Atemwegserkrankungen wie etwa Asthma oder der chronisch-obstruktiven Lungenerkrankung COPD. Daran leiden nach Angaben des Fachblatts „Pneumologie“ alleine in Deutschland knapp 12 Millionen Menschen. Der Verbund wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit 6,25 Millionen Euro gefördert.

Die Vorhersage oder Frühdiagnose von akuten, anfallartigen Verschlimmerungen (Exazerbationen) durch telemedizinfähige POC-Diagnose-Systeme könnte daher die Notwendigkeit intensivmedizinischer Maßnahmen reduzieren und die Prognose verbessern. Am Ende sollen POC-Systeme bereitstehen, die ein rasches Eingreifen bei Akutsituationen, eine individualisierte Behandlung sowie ein engmaschiges Verlaufs- und Therapiemonitoring ermöglichen und so einen wesentlichen Beitrag zur Verbesserung der Lebensqualität leisten.

Das FBH entwickelt die dafür benötigten kompakten Lichtquellen – und damit eine Schlüsselkomponente für das POC-System, das unter anderem die Shifted Excitation Resonance Raman Difference Spectroscopy (SERRDS) anwendet. Die Diodenlasermodule, die bei 532 nm Wellenlänge emittieren, liefern zwei Anregungslinien in einem engen spektralen Abstand von etwa 10 cm-1 – bei Messung zweier Raman Spektren mit Anregungswellenlängen dieses Abstandes lassen sich Raman-Signale von Störsignalen wie Fluoreszenz oder Umgebungslicht separieren. Eine besondere Anforderung an die Lichtquelle, die nur etwa so groß wie eine Streichholzschachtel ist, ist die Möglichkeit zum schnellen spektralen Umschalten der Anregungswellenlänge. Das wiederum ermöglicht deutlich kürzere Messzeiten als bisher und damit auch schnellere Diagnosen.

SERRDS erfordert die genaue Anpassung der Eigenschaften der beiden aktiven Komponenten des Systems: des Diodenlasers als Pumplichtquelle und des Kristalls zur nicht-linearen Frequenzkonversion. Da derartige SHG-Kristalle Zukaufkomponenten sind, muss der Diodenlaser trotz möglicher Herstellertoleranzen bei den Kristallen präzise einstellbar sein. Dies erfordert höchste Präzision bei der Herstellung Wellenlängen-stabilisierender Gitter und beim lateralen Design der Wellenleiter im Halbleiterchip. Zusätzlich sind Heizelemente vorgesehen, mit denen die Wellenlänge präzise über die Temperatur an der Gittersektion angepasst werden kann. Das Umschalten zwischen den zwei Wellenlängen erfolgt direkt über die aktive Gewinnsektion.

HYPERAM – bildgebende Verfahren zur schnellen Gewebediagnostik

Im Leibniz-Forschungsnetzwerk HYPERAM haben sich drei Leibniz-Institute aus den Bereichen Biowissenschaften, Astrophysik, Elektronik sowie Medizin, zusammengetan. Sie bündeln ihr interdisziplinäres Wissen, um eine schnelle, färbefreie und nichtinvasive Gewebediagnostik zu entwickeln, die auf einer Weitfeld-Raman-Bildgebung basiert. Dies eröffnet neue Möglichkeiten, Gewebe noch während eines operativen Eingriffs mit funktionellen Raman-Bildern zur Darstellung von Tumorrändern klinisch zu bewerten. Das verkürzt und präzisiert chirurgische Interventionen, etwa in der Krebsmedizin. Dazu soll unter anderem das in der Astrophysik etablierte Verfahren der integralen Feldspektroskopie, mit dem üblicherweise große Bereiche des Sternenhimmels untersucht werden, auf bildgebende biomedizinische Anwendungen übertragen werden. Das auf drei Jahre angelegte und mit gut einer Million Euro aus dem Leibniz-Wettbewerb geförderte Gesamtprojekt wurde 2016 gestartet.

Das FBH entwickelt auch hier die auf Gewebediagnostik optimierten Raman-basierten Diodenlaser als wichtige Herzstücke des Systems. Die besondere Anforderung besteht darin, die für die Bildgebung erforderlichen höheren Laserleistungen mit den für die Spektroskopie und SERRDS benötigten spektralen Eigenschaften zu kombinieren. Gleichzeitig dürfen die maximal zulässigen Bestrahlungsdosen nicht überschritten werden. Das FBH verfolgt daher zwei Ansätze und entwickelt eine Lichtquelle bei 785 nm Wellenlänge mit einer Ausgangsleistung bis zu 4 Watt. Zusätzlich wird eine zweite Strahlquelle im blau-grünen Spektralbereich mit 457 nm Wellenlänge entwickelt – ein Frequenzbereich, in dem starke Fluoreszenz auftritt. Diese Lichtquelle soll sich für das SERRDS-Verfahren eignen und somit die Trennung von Raman-Signalen und Fluoreszenz auch für das bildgebende Verfahren ermöglichen.