Plastische Chirurgie / Verbrennungs­medizin

In der plastischen Chirurgie wird die HSI-Technologie u. a. für die dynamische und pathophysiologische Beurteilung von Lappenplastiken, Transplantaten sowie Brandwunden eingesetzt. Schlecht durchblutete Lappenplastiken sind bis zu 72 Stunden nach der Operation visuell klinisch nicht unbedingt auffällig. Zu dem Zeitpunkt, bei dem die schlechte Durchblutung erkannt werden kann, sind die Hautlappen jedoch in einem bereits schlechteren Zustand, damit schwieriger zu retten und verursachen einen höheren Revidierungsaufwand.

Mit dem TIVITA® Camera System kann der Arzt frühzeitig Oxygenierungs- und Perfusionsprobleme in Hautlappen, wie z.B. arterielle Insuffizienzen und venöse Stauungen, identifizieren und sofort Korrekturmaßnahmen einleiten. Dadurch werden Komplikationen reduziert und die Behandlungsergebnisse nach plastischen rekonstruktiven Operationen bedeutend verbessert.

HSI-Aufnahmen einer gestielten Latissimus-dorsi Lappenplastik. (a) Farbbild, (b) StO2, (c) THI, (d) NIR-Perfusionsindex, (e) TWI, (f) exemplarische Absorptionsspektren. Es zeigt sich ein deutlich erhöhter Hämoglobinanteil in den nekrotischen minderperfundierten Lappenanteilen. (Bildquelle: Schulz T et al. Hyperspektralimaging zum postoperativen Lappenmonitoring von lokoregionären Lappenplastiken. Handchir Mikrochir Plast Chir 2020; 52: 316–324)

 

Des Weiteren bietet die HSI-Technologie ein nützliches Instrument für die objektive Beurteilung und Bewertung von Verbrennungen und deren Heilungsprozesse sowie für die frühe Prognose der Verbrennungstiefe.

Beurteilung einer Verbrennungswunde der rechten Hand mittels HSI. RGB-Bilder (a,b) mit deutlich sichtbarer Blasenbildung; erhöhter StO2 (c), Gewebehämoglobin-Index (d) und NIR-Perfusionsindex im Bereich der Verbrennung. (Bildquelle: Promny D et al. [Objective burn depth assessment of hand burns]. Handchir Mikrochir Plast Chir. 2019 Sep;51(5):362-366)

Wundmedizin

Mit dem TIVITA® Camera Wound System sind Diagnostiker und Kliniker in der Lage Wunden jeglichen Ursprungs nicht-invasiv und innerhalb weniger Sekunden qualitativ und quantitativ zu beurteilen und Heilungsverläufe zu dokumentieren. So können (neuartige) Therapien und Therapieansätze objektiv bewertet und im zeitlichen Verlauf auf die patientenspezifischen Bedürfnisse angepasst werden.

Aktuell wird die HSI-Technologie in verschiedenen Kliniken und Wundzentren hauptsächlich zur Beurteilung chronischer Wunden vom Typ Dekubitus, Ulcus cruris venosum/arteriosum/mixtum oder Diabetischer Fußulcus verwendet. Diese entstehen meist als Symptom oder Komplikation einer bestehenden Grunderkrankung, wie der chronisch venösen Insuffizienz, der peripheren arteriellen Verschlusskrankheit oder des Diabetes mellitus.

In der Wundversorgung spielt die Gewebeoxygenierung für den Heilungsverlauf eine große Rolle. Ab einer Sauerstoffversorgung des Gewebes von ca. 50 % ist ein Heilungsverlauf sehr wahrscheinlich, während bei dauerhaften Oxygenierungswerten unter ca. 30 % das Gewebe aufgrund der Unterversorgung voraussichtlich absterben wird. Eine ermittelte Gewebesauerstoffsättigung von unter 10 % deutet auf nekrotisches Gewebe hin.

Gerade Wunden im Bereich der Beine und Füße führen bei den Patienten zu starken Schmerzen. Dieses wiederum hindert die Bewegung der Patienten, was für die Sauerstoffversorgung der Wunde und die Heilung nachteilig ist. Somit ist eine kontrollierte Dokumentation der Wundheilung eine wichtige Unterstützung für die Wahl der Therapie.

Hyperspektrale Aufnahme eines Dekubitalgeschwürs der rechten Ferse. Die Ferse ist bei bettlägerigen Patienten häufig dauerhaftem Druck ausgesetzt und für Dekubitalgeschwüre sehr gefährdet. ©Thomas Wild

Mit hyperspektraler Bildgebung kann parallel zur Sauerstoffsättigung der Wassergehalt des Gewebes bestimmt werden. Daher können auch Ödeme gut beurteilt werden. Ödeme können andere Gefäße durch das Aufbringen von Druck in ihrer Funktionalität beeinträchtigen, was sich negativ auf die Sauerstoffversorgung des Gewebes auswirken kann. Eine andere Ansammlung von Flüssigkeit stellt ein Hämatom dar. Dabei tritt Blut aus verletzten Gefäßen aus und setzt sich im Körpergewebe bzw. einer Körperhöhle ab. Hämatome liegen meistens im subkutanen Bereich, wobei die Färbung durch die Gerinnung des Blutes bzw. Blutabbauprodukte entsteht. Im Unterschied zum Ödem lagert sich dabei kein Wasser ab. In solchen Bereichen ist der Hämoglobinwert eher erhöht und die Sauerstoffsättigung reduziert. 

Gefäß­chirurgie

Mehrere Studien belegen das klinische Potential der hyperspektralen Technik zur Beurteilung von Problemwunden des diabetischen Fußes oder chronischer Wunden bei Patienten mit pAVK.

In der Amputationsmedizin wird die HSI-Technologie angewendet, um zwischen heilungsfähigem und heilungsunfähigem Gewebe zu differenzieren, d.h. die genaue Amputationshöhe bestimmen zu können. Infolgedessen würde im Rahmen einer Teilamputation möglichst viel Gewebe erhalten, das Risiko einer Folgeoperation minimiert und auch die nachfolgende Behandlung des verbleibenden Gewebes optimiert.

HSI konnte bereits erfolgreich in der Amputationsmedizin eingesetzt werden, indem es durch eine schnelle und umfassende Analyse wichtiger mikrozirkulatorischer Parameter dem Arzt objektive Entscheidungskriterien für die Festlegung der Amputationshöhe liefert sowie Voraussagen zur Heilungschance der Amputationswunde zulässt. 

Erste Messungen/Vorstudien im Südstadt Klinikum Rostock lassen eine Reduktion der Reoperationsrate um 50 % erwarten.

Viszeral­chirurgie

Wichtigste klinische Anwendungsgebiete in der Viszeralchirurgie sind aktuell die intraoperative Beurteilung von Anastomosen, des Resektionsrandes im Rahmen kolorektaler Operationen sowie der Schlauchmagendurchblutung bei Ösophagusresektionen. Anhand von Wasser-, Hämoglobin- und Sauerstoffgehalt im Gewebe können intraoperativ Rückschlüsse auf dessen Vaskularisierung und Integrität geschlossen werden. Auch bei der Mesenterialischämie kann die HSI sinnvoll zum Einsatz kommen, um das Resektionsausmaß grenzwertig perfundierten Darms festzulegen. Dabei ist die HSI-Technik ein objektives intraoperatives Entscheidungs-Tool bei der Identifikation der optimalen Resektionslinie bzw. Anastomosenregion mit dem Ziel, das OP-Ergebnis zu optimieren, ideale Bedingungen für eine ungestörte Heilung zu schaffen und letztlich die Patientensicherheit zu erhöhen.

An verschiedenen Kliniken konnte die Machbarkeit der intraoperativen Beurteilung nahezu des gesamten Spektrums intestinaler Anastomosen in der Viszeralchirurgie (Ösophagus, Magen, Pankreas, Dünndarm, Kolon und Rektum) darlegt werden.

Identifikation der optimalen Anastomosenregion mittels HSI. Die Pinzette zeigt die Position der Grenze zur Resektionslinie, die der Chirurg visuell geschätzt hat (RGB-Image, oben links). Die Bilder des TWI (oben rechts), der StO2 – (unten links) und des NIR Perfusion-Index (unten rechts) offenbaren jedoch – im Vergleich zur Einschätzung des Chirurgen – deutlich unterschiedliche Werte. Die Grenze liegt weiter oralwärts und die Resektionsstrategie wurde konsekutiv geändert. (Quelle: Gockel I et al. Die intraoperative Hyperspektral-Bildgebung in der Viszeralchirurgie. Ärzteblatt Sachsen 2018;7:291-294)

Identifikation von minderperfundierten Darmabschnitten (blau) bei einem Patienten mit akuter mesenterialer Ischämie. (A) Farbbild, (B) StO2, (C) NIR-Perfusionsindex und die entsprechenden Absorptionsspektren der farbig markierten Darmbereiche. (Bildquelle: Mehdorn M et al. Hyperspectral Imaging (HSI) in Acute Mesenteric Ischemia to Detect Intestinal Perfusion Deficits. J Surg Res. 2020 Oct;254:7-15)

Zudem wird die HSI-Technologie zunehmend zur Gewebeklassifikation und Tumorerkennung im experimentellen Setting sowie auch bei chirurgischen Eingriffen in klinischen Forschungsarbeiten appliziert.

Mund-Kiefer-Gesichts­chirurgie

Im Bereich der MKG wird aktuell mittels der TIVITA die Perfusion von freien oder gestielten Lappentransplantaten gemonitort werden. Durch die hyperspektrale Analyse der Gewebe konnten bisher Anzeichen einer Verschlechterung schon Stunden vor der klinischen Diagnose erkannt werden.

Intraoperative hyperspektrale Aufnahme zum Monitoring der Perfusion einer Lappenplastik direkt nach der Transplantation. Die Perfusion wurde in verschiedenen Regionen des Lappens analysiert. (Bildquelle: Thiem DGE et al. Hyperspectral analysis for perioperative perfusion monitoring-a clinical feasibility study on free and pedicled flaps. Clin Oral Investig. 2020 Jun 15)

Rheumatologie

Ein Beispiel für eine rheumatische Systemerkrankung ist die systemische Sklerodermie mit pulmonaler und schwerer Hautmanifestation. Die Symptome sind akrale Ulzerationen an den Fingerknöcheln, welche stark entzündlich sind. Zudem ist die Beweglichkeit der Finger stark eingeschränkt. Aufnahmen mit der TIVITA® Tissue zeigen eine deutlich höhere Oxygenierung der Gelenke in den Fingern, was auf eine Entzündung schließen lässt. Dieses ist in der oberflächlichen (StO2), aber auch der tieferliegenden Oxygenierung (NIR Perfusion) zu erkennen.

Hyperspektrale Aufnahme einer rechten Hand mit systemischer Sklerodermie. (Bildquelle: Sicher C et al. Hyperspectral imaging as a possible tool for visualization of changes in hemoglobin oxygenation in patients with deficient hemodynamics – proof of concept. Biomed Tech (Berl). 2018 Oct 25;63(5):609-616)

Neuro­chirurgie

Zur Resektion von Hirntumoren werden präoperativ MRT-Aufnahmen gemacht, um den Tumor zu lokalisieren und anschließend die Planung des chirurgischen Eingriffs vornehmen zu können. Intraoperativ fehlen derzeit weitestgehend Hilfsmittel, den Tumor sicher zu lokalisieren.

Intraoperative Aufnahmen mit der TIVITA® Tissue während eines neurochirurgischen Eingriffs
Intraoperative Aufnahmen mit der TIVITA® Tissue während eines neurochirurgischen Eingriffs. HSI-Perfusionsdarstellung (links) und RGB-Kamerabild (rechts).

Ergebnisse mit der HSI-Technologie zeigen, dass es mit dieser Methode sehr wahrscheinlich möglich sein wird, den Tumor zu identifizieren. Die Arbeiten an diesem Thema werden in Kooperation mit dem Institut für Biomedizinische Technik der TU Dresden durchgeführt, welche bereits erste Veröffentlichungen dazu verfasst hat und einen kurzen Einblick auf Ihrer Homepage bietet.

Allgemein­chirurgie

In weiteren Studien wird die HSI-Technologie als Methode zur objektiven Gewebebeurteilung in Schilddrüsenchirurgie untersucht. Die Autofluoreszenzeigenschaft der Nebenschilddrüse bietet einen vielversprechenden Ansatz bei der Resektion der Nebenschilddrüse, diese intraoperativ zu lokalisieren und von Schilddrüsenknoten, Fettgewebe, Nervensträngen und Lymphknotengewebe zu unterscheiden.

Erste Arbeiten mit der HSI Absorptionstechnik wurden zur Identifikation der Nebenschilddrüse durchgeführt (Barberio et al. 2018, Gockel et al. 2020). Insbesondere Wassergehalt, Oxygenierung und NIR-Perfusion sind in der Nebenschilddrüse geringer als in der Schilddrüse. Computer-assistierte Verfahren bieten sich daher für die automatische Gewebe-Diskriminierung an. Insbesondere die spektrale Analyse des Fluoreszenzlichtes eröffnet einzigartige Möglichkeiten, das Verfahren zu optimieren.

RGB-Bild und HSI-Aufnahmen einer Schilddrüse (SD) und Nebenschilddrüse (NSD) mit deutlich sichtbar geringeren Werten für die Nebenschilddrüse. NIR-Perfusionsindex (b), StO2(c), Wasser-Index (d). (Bildquelle: Gockel I et al. Hyperspektral-Imaging (HSI) – Eine verlässliche Gewebedifferenzierung? Zentralbl Chir 2020; 145:125-129).

Transplantations­medizin

Neben Faktoren wie Alter und Gesundheitszustand des Spenders trägt die Organkonservierung entscheidend zur Funktionalität eines Organs und somit zum Erfolg der Transplantation bei.

In den letzten Jahren gab es diesbezüglich viele Bemühungen, die Organqualität zu verbessern. Im Vergleich zur klassischen Kryokonservierung, die meist aufgrund der kühlen Lagerung, Wiedererwärmung und Durchblutung im Empfänger mit Ischämie/Reperfusionschäden einhergeht, kann die (normotherme) Organperfusion und -konservierung durch dynamische Flussprinzipien (Maschinenperfusion) die Organqualität erheblich verbessern.

Mithilfe der TIVITA® Camera könnte die Organqualität effizient, mit geringem Zeitaufwand und nicht-invasiv untersucht werden. Zusätzlich zur prä-operativen Analyse der Viabilität des Organs, kann die Organlagerung und -behandlung sowie der kurzfristige Erfolg der Transplantation am Ende der Operation (Kontrolle der Gewebeperfusion) anhand von Parametern zur Gewebeoxygenierung und Durchblutung beurteilt werden. Das heißt, der Chirurg kann bereits vor der OP objektiv beurteilen, ob das Organ zur Transplantation geeignet ist oder nicht. Zudem ist es ihm möglich, direkt nach der Transplantation zu überprüfen, ob die Blutgefäße richtig vernäht wurden und das Organ ausreichend mit Blut versorgt wird.

In einer aktuellen Studie von Sucher et al. (2020) konnte mittels HSI intraoperativ erfolgreich die Lebens- und Leistungsfähigkeit des Nierenparenchyms und des Harnleiters von Nierentransplantaten objektiv beurteilt und eine verzögerte Transplantatfunktion vorhergesagt werden.

Die Methode der Organkonservierung mittels Maschinenperfusion wird aktuell in Leipzig und Innsbruck erforscht. In diesen Untersuchungen dient die TIVITA® als Monitoring-Instrument zur Beurteilung der Organqualität vor der Transplantation bzw. bei der Organbehandlung während der Maschinenperfusion.

Dermatologie

Auch in der Dermatologie steht die Optimierung der Versorgung akuter und chronischer Wunden im Fokus vieler klinischer Studien. Neben der Wundreinigung stellen moderne bioaktive Wundauflagen sowie kaltes Atmosphärendruckplasma innovative Behandlungsoptionen dar. Großes Ziel in diesem Fachbereich ist es zudem, mittels der hyperspektralen Kameratechnik und künstlicher Intelligenz, Hautkrebs nicht-invasiv und sicher zu diagnostizieren.

HSI-Aufnahmen einer Wunde vor, direkt nach und 10 min nach Behandlung mit kaltem Atmosphärendruckplasma. Obere Reihe: StO2, untere Reihe: NIR-Perfusionsindex. Vor der Behandlung ist die Perfusion in oberen und tieferen Schichten im Wundbereich deutlich reduzierter als in der Umgebung. Durch die Behandlung mit kaltem Atmosphärendruckplasma steigt die Perfusion im Wundbereich signifikant an. (Bildquelle: Daeschlein G et al. Hyperspectral imaging: innovative diagnostics to visualize hemodynamic effects of cold plasma in wound therapy. Biomed Tech (Berl). 2018 Oct 25;63(5):603-608)

Auch im Rahmen einer Pilotstudie der Arbeitsgruppe um Prof. Emmert (Universitätsmedizin Rostock) wird aktuell überprüft, ob die Therapie mit kaltem Atmosphärendruckplasma den Heilungsverlauf von Spalthautentnahmestellen günstig beeinflusst und möglichen Komplikationen wie Infektionen vorbeugt. Hierbei wird der Verlauf der Wundheilung u. a. durch die hyperspektrale Technologie dokumentiert und so verschiedene Wundtherapien objektiv miteinander verglichen.

In einer weiteren Studie aus Greifswald wird die TIVITA eingesetzt, um den Wundheilungsverlauf von Spalthautentnahmestellen am Oberschenkel zu monitoren, welche mit einem Wundgel behandelt wurden.

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