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JOURNAL ONKOLOGIE – NEWS
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04. Mai 2017

Mit Lichtwellen Krankheiten und Tumore diagnostizieren

James G. Fujimoto, Eric Swanson und Robert Huber haben ein bedeutendes diagnostisches Bildgebungsverfahren entwickelt. Mit der Optischen Kohärenztomografie (OCT) können Mediziner weiches menschliches Gewebe in hochauflösenden, dreidimensionalen Strukturen abbilden und somit unmittelbar und in Echtzeit im Körper untersuchen. Das schonende Verfahren basiert auf Lichttechnologie und kommt ohne Strahlen oder den Einsatz von Kontrastmitteln aus. Als klinischer Prototyp 1993 eingeführt, wird das OCT inzwischen weltweit bei etwa 30 Millionen Verfahren jährlich genutzt.
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Für diese Leistung sind James G. Fujimoto und sein Team als Finalisten für den Europäischen Erfinderpreis 2017 in der Kategorie „Nicht-EPO-Staaten“ nominiert. Am 15. Juni wird der Preis vom EPA im Rahmen eines Festakts in Venedig zum zwölften Mal verliehen.
 
„Dank dieses Teams können Ärzte jetzt Echtzeitbilder von menschlichem Gewebe zur Früherkennung von Krebs, Glaukom und anderen Beschwerden nutzen“, so EPA-Präsident Benoît Battistelli. „Die Optische Kohärenztomografie ist darüber hinaus ein eindrückliches Beispiel dafür, wie multidisziplinäre Zusammenarbeit Innovationen hervorbringen kann, die Millionen von Patienten helfen.“
 
1990 entwickelten Fujimoto und Swanson die OCT-Technologie am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Boston zunächst als Methode für die Diagnose von Glaukom, einer Augenkrankheit, die zu Erblindung führen kann. Der Durchbruch gelang ihnen, als sie Laserstrahlen auf weiches Körpergewebe richteten und die zeitliche Verzögerung der Lichtstrahlen (das „Echo“) maßen. Auf dem Weg zu diesem Durchbruch meldeten die Wissenschaftler mehr als 50 Patente an. Anfängliche OCT-Apparaturen für die Augenheilkunde wurden Kliniken schon 1996 vorgestellt, der erste kardiovaskuläre OCT-Scanner folgte 2004, ein dermatologischer Scanner 2010 und ein gastrointestinaler Scanner im Jahr 2013. Die Schlüsseltechnologien hinter der kardiovaskulären OCT und den Lasern, die eine bis zu einhundertmal schnellere Bildgebung erlauben, kamen vom deutschen Physiker Robert Huber, der von 2003 bis 2005 Postdoktorand von Fujimotos MIT-Gruppe war.
 
Medizinische Bildgebung mit Licht-Echos

OCT löst ein seit Langem bestehendes Problem in der medizinischen Bildgebung. Da Bilder von weichem Gewebe schwer einzufangen waren, mussten Ärzte zuvor oft invasive Biopsien durchführen, um Gewebeproben für eine Analyse zu erhalten. OCT ermöglicht eine optische Biopsie ohne Operation. In der Funktionsweise ähnlich wie Ultraschall, aber mit Lichtstrahlen anstelle von Schallwellen, liefert die neue Technologie detaillierte Bilder der menschlichen Netzhaut, des Herzens und anderer Organe – von beispielloser Genauigkeit. „Ultraschnelles Infrarot-Laserlicht dringt bis zu drei Millimeter in das Gewebe ein. Damit können wir Querschnittsbilder von Geweben in extrem hoher Auflösung erzeugen. Sie lassen sich in Echtzeit betrachten, Kontrastmittel sind nicht notwendig“, erklärt Fujimoto und weist darauf hin, dass OCT auch Live-3D-Bilder während einer Operation übertragen kann. „OCT ist ein Verfahren, mit dem gemessen werden kann, aus welcher Tiefe welche Lichtbeiträge kommen. Und damit kann über die Laufzeitmessung des Lichtes ein dreidimensionales Bild erstellt werden“, erklärt Huber. Anatomische Merkmale lassen sich mit einer Auflösung im Mikrometer-Bereich analysieren. Auf diese Weise sind Krankheiten diagnostizier- und behandelbar, bevor irreversible Sehverluste auftreten. Die dafür erforderlichen Untersuchungen sind schnell und für den Patienten bequem durchführbar.
 
Revolutionäre medizinische Einblicke

OCT wurde rasch  die Standardtechnologie  für die  Untersuchung von Augen: „OCT ist eines der meistgenutzten Bildgebungsverfahren in der Augenheilkunde. 30 Millionen OCT-Scans werden jedes Jahr weltweit durchgeführt: Einer alle paar Sekunden“, sagt Swanson. Da sie schwere  Augenerkrankungen wie Glaukom, Diabetische Retinopathie und Makuladegeneration in einem Stadium erkennt, in dem die Krankheit noch behandelbar ist, hat die Technologie bereits das Augenlicht unzähliger Menschen gerettet. Diese Leistung wird umso  bemerkenswerter, wenn man in Betracht zieht, dass das Team aus Ingenieuren und einem Physiker besteht: „Ich bin kein Arzt und damit nicht direkt in die Behandlung von Patienten involviert. Aber auch als Ingenieur ist es möglich, Dinge zu tun, die einen positiven Einfluss haben“, sagt Fujimoto. „Der wirtschaftliche Einfluss der OCT war außergewöhnlich. Allein der Markt für die Geräte nähert sich der Milliarden-Dollar-Marke pro Jahr. Über 16.000 Arbeitsplätze sind entstanden. Milliarden Dollar an Gesundheitsausgaben wurden eingespart“, sagt Swanson.   
 
Das Potenzial der Technologie ist damit jedoch bei Weitem nicht ausgereizt. In der Krebsdiagnostik und Kardiologie war es bisher kaum möglich, verändertes Gewebe allein durch Bildgebungsverfahren zu analysieren. Die OCT stellt deshalb einen Quantensprung dar: Diagnostische Eingriffe sind dank der bahnbrechenden Technologie von Fujimoto, Swanson und Huber seltener erforderlich.
 
Auge in Auge mit dem medizinischen Fortschritt

Ungeachtet ihres unternehmerischen Erfolgs arbeiten alle drei Erfinder weiter an der Verbesserung der OCT-Technologie. James G. Fujimoto schloss seine Studien in Elektrotechnik und Informatik am MIT 1984 mit dem Doktortitel ab und unterrichtet dort immer noch. Er ist als Erfinder oder Miterfinder von 15 Patentfamilien weltweit genannt, die als die ersten und wichtigsten Patente für die OCT-Technologie angesehen werden. Fujimotos Beiträge wurden unter anderem mit dem Carl Zeiss Research Award (2011), dem António Champalimaud Vision Award (2012), dem IEEE Photonics Award (2014), der Frederic Ives Medal der Optical Society (2015) und dem Russ-Award der Nationalen Akademie für Ingenieurwissenschaften (2017) honoriert.

Als Professor am MIT ist Fujimoto Forschungsleiter im Research Laboratory of Electronics (RLE) und in der Abteilung für Elektrotechnik und Informatik. Er betreut viele talentierte Nachwuchswissenschaftler, von denen einige sogar ihre eigenen OCT-Startups gegründet haben. „Junge Fachleute in der Wissenschaft können unglaubliche Beiträge durch ihre Technik leisten – nicht nur für die Forschung, sondern für die Gesellschaft insgesamt“, sagt Fujimoto ermutigend.
 
Der Elektroingenieur Swanson erlangte seinen Master of Science in Elektrotechnik 1984 am MIT. Er ist unter anderem  Co-Autor von 81 journalistischen Artikeln, 142 Konferenzvorträgen und über 40 Patenten. Auch er wurde bereits mit zahlreichen Preisen ausgezeichnet, darunter dem Rank Prize in optoelectronics (2002), dem António Champalimaud Vision Award (2012) und dem Russ-Award der Nationalen Akademie für Ingenieurwissenschaften (2017).
 
Robert Huber erlangte seinen Doktortitel 2002 an der Fakultät für Physik der Ludwig-Maximilians-Universität in München (LMU). Momentan entwickelt er mit seinem Unternehmen, der Optores GmbH, eine ultraschnelle OCT-Version. Diese nutzt das sogenannte Fourier domain mode locking (FDML) – eine Technik, die Bildgebungsgeschwindigkeiten um bis zu einhundertmal schneller macht. Huber ist Autor von 100 Peer-Review-Publikationen. Seine Arbeit wurde mit dem Albert-Weller-Preis der Gesellschaft Deutscher Chemiker (2003), dem Rudolf-Kaiser Preis (2008) und dem Klung-Wilhelmy-Weberbank Preis (2013) ausgezeichnet.
 
Immenses Marktpotenzial in zahlreichen medizinischen Bereichen

Als Carl Zeiss – ein Marktführer – 1996 das erste klinische OCT-Instrument für die Augenheilkunde in Umlauf brachte, wurde OCT von der Association of Research and Vision als eine „transformative medizinische Technologie“ begrüßt. Während zahlreiche Unternehmen die OCT-Technologie vermarkteten, gründeten die drei Erfinder mehrere eigene erfolgreiche Startup-Unternehmen, darunter Advanced Ophthalmic Diagnostics (AOD) (1992) und LightLab Imaging (1998) von Fujimoto und Swanson und die Optores GmbH (2013), gegründet von Huber.
 
OCT hat im Alleingang ein neues Marktsegment medizinischer Technologien erschlossen. Die Optische Koheränztomographie brachte zwischen 1996 und 2016  Erträge von ungefähr 4.77 Milliarden Euro ein. Unabhängige Analytiker bei BioOpticsWorld meldeten weltweite Erträge der OCT-Systeme von 688 Millionen Euro im Jahr 2015 – in einer Marktlandschaft, die vor neuer Aktivität geradezu strotzt.
Europäisches Patentamt
 
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