Kalibrierungsfreie laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIBS) für die Analyse der elementaren Zusammensetzung von Gewebe

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Fügetechnik und Trenntechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 502911968

Die medizinische Bildgebung hat ihre Anwendung sowohl in der Therapie als auch in der Diagnostik. In Letzterer gewinnt neben der computergestützten Bildgebung und -verarbeitung die Untersuchung von krankheitsbezogenen Parametern wie elementarer Zusammensetzungen zunehmend an Bedeutung. Zusätzlich soll die Gabe von Kontrastmittel vermieden werden.Da die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIBS) die elementare Zusammensetzung ohne Kontrastmittel messen kann, soll sie im vorgeschlagenen Projekt als neues Werkzeug für die Gewebebildgebung untersucht werden – sowohl für die Anwendung im klinischen als auch im Forschungsbereich. Mangels zuverlässiger Methoden stehen hier derzeit biochemische Veränderungen im Vordergrund, während Elementveränderungen meist unberücksichtigt bleiben. Es ist daher das langfristige Ziel, LIBS als Methode zur präzisen Gewebeuntersuchung sowohl ex-vivo als auch in-vivo einzusetzen, um bestimmte Elemente bzw. deren Konzentrationen für ein grundlegendes Verständnis der Funktionsweise des menschlichen Körpers und als krankheitsbezogene Parameter mit hoher Sensitivität und Spezifität zu nutzen.Um diese Vision zu ermöglichen, wird die Erforschung eines zuverlässigen und robusten LIBS-Systems vorgeschlagen, das eine räumlich hochaufgelöste und kalibrierungsfreie Quantifizierung von Gewebeelementen ermöglicht. Zur Ermittlung der richtigen experimentellen Parameter soll ein plasmaphysikalisches Modell verwendet werden, da dies von wesentlicher Bedeutung für die gesamte Zuverlässigkeit der LIBS-Methode ist. Während das Plasma zur Minimierung der Reabsorption im Allgemeinen im lokalen thermodynamischen Gleichgewicht und optisch dünn sein muss, hängen dessen Eigenschaften zugleich auch von Laserparametern (Pulsenergie, Spotgröße) und Gewebespezifika (Absorptionsvermögen, Steifigkeit des zu untersuchenden Substrats) ab. Diese Abhängigkeiten gilt es zu untersuchen.Nach der Untersuchung des robusten LIBS-Systems für Gewebeuntersuchungen sollen in diesem Projekt schließlich Proben von Patienten mit Hämochromatose und Morbus Wilson untersucht werden, um die Fähigkeit des LIBS-Systems zur Detektion des Überschusses an Eisen bzw. Kupfer nachzuweisen und mit bekannten Messmethoden zu vergleichen.Basierend auf diesen technologischen Fortschritten können neue Erkenntnisse gewonnen werden, indem beispielsweise die Zellmigration als Funktion der lokalen Elementkonzentration untersucht wird, um den Mechanismus der Krebsmetastasierung zu verstehen. Ein eher praxisorientierter Anwendungsfall ist die Anwendung von LIBS als Instrument zur Erkennung von Krankheiten. Es wird, zusammenfassend, erwartet, dass ein LIBS-System, wie es in der vorliegenden Projektbeschreibung vorgeschlagen wird, einen großen Beitrag dazu leisten kann, die medizinische Forschung in vielen Bereichen voranzutreiben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen