Spectral characterisation of short-wave infrared (SWIR) tissue chromophores and tissue-mimicking phantom optical properties

Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, eine neue Art von Kamera zu bauen, die in das Innere des menschlichen Körpers „sehen“ kann, indem sie eine spezielle Art von Licht verwendet, die man Kurzwellen-Infrarotlicht (SWIR) nennt. Dieses Licht ist wie eine Geheimsprache, die sich anders durch unsere Haut bewegt als das sichtbare Licht, das wir mit unseren Augen sehen. Bevor Ingenieure jedoch diese Kameras bauen können, benötigen sie eine detaillierte Karte darüber, wie dieses spezielle Licht reagiert, wenn es auf die verschiedenen Bestandteile in unserem Körper trifft. Bis jetzt hat diese Karte gefehlt oder war unvollständig, was es sehr schwierig machte, die richtigen Werkzeuge zu entwerfen.

Dieses Papier ist so etwas wie Kartografen, die diese fehlende Karte zeichnen. Die Forscher agierten als „Lichtdetektive“ und maßen genau, wie verschiedene Teile unseres Körpers mit diesem speziellen Licht interagieren, wobei sie das gesamte Spektrum von den Farben, die wir sehen können, bis hin in das unsichtbare Infrarotspektrum abdeckten.

So sind sie dabei vorgegangen, unter Verwendung einiger einfacher Vergleiche:

• Die Zutaten: Betrachten Sie unseren Körper als eine komplexe Suppe. Die Hauptzutaten (Chromophore), die das Licht beeinflussen, sind Wasser, Blut (Hämoglobin), Fett (Maisöl/Schmalz) und Hautpigment (Melanin). Die Forscher haben nicht einfach die ganze Suppe untersucht; sie haben zuerst die einzelnen Zutaten „probiert“. Sie maßen reines Wasser, reines Blut, reines Fett und reines Pigment, um genau zu verstehen, wie jedes einzelne das Licht absorbiert oder reflektiert.
• Die Testküche: Um sicherzustellen, dass ihre Messungen genau waren, verwendeten sie eine spezielle „Lichtfalle“ (eine Integrationskugel), die jedes einzelne Photon des Lichts auffängt und so sicherstellt, dass nichts verloren geht. Sie bauten auch „künstliche Körperteile“ (Phantome) unter Verwendung gängiger Materialien, um zu sehen, ob sie echtes menschliches Gewebe erfolgreich nachahmen konnten.
• Die Entdeckung: Sie fanden heraus, dass einige der künstlichen Materialien zwar gut funktionierten, aber eine entscheidende Zutat fehlte, um perfekt zu imitieren, wie Wasser dieses spezifische Licht absorbiert. Es ist, als würde man versuchen, einen Kuchen zu backen, der exakt wie ein echter schmeckt, aber das Mehl ist leicht falsch; man benötigt ein spezielles Zusatzmittel, um die richtige Textur zu erhalten. Sie identifizierten genau, was in diesen künstlichen Geweben fehlte.
• Das Werkzeugset: Anstatt diese Messungen in einem Labornotizbuch verschlossen zu halten, verpackten die Forscher all ihre Daten in ein kostenloses Open-Source-Digital-Toolkit (genannt SIMPA). Man kann es sich so vorstellen, dass man jedem Ingenieur eine vorgefertigte, hochpräzise Simulations-Engine zur Verfügung stellt. Nun kann jeder diese Zahlen eingeben, um virtuell zu testen, wie ihre neuen Kameras oder Sensoren an menschlichem Gewebe funktionieren würden, noch bevor sie jemals einen physischen Prototyp bauen.

Kurz gesagt liefert dieses Papier das erste konsistente, zuverlässige „Regelwerk“ dafür, wie Licht durch die Hauptbestandteile unseres Körpers in diesem spezifischen Bereich wandert. Indem sie dieses Regelwerk und die Werkzeuge zu dessen Nutzung teilen, hoffen die Forscher, anderen dabei zu helfen, die nächste Generation medizinischer Bildgebungsgeräte, die dieses spezielle Licht nutzen, schnell zu entwickeln und zu testen.