Vom Tricorder aus Star Trek bis zur Neugeborenen-Intensivstation: Breitbandspektroskopie bringt Science-Fiction der Realität einen Schritt näher.

Forscher nutzen ASD LabSpec 4 zur Erkennung der optischen Signaturen einer nekrotisierenden Enterokolitis bei Frühgeborenen.

Jahrzehntelang konnte Dr. McCoy aus Star Trek Patienten mit einem einfachen Handscanner diagnostizieren – ohne Nadeln, ohne Strahlung, einfach mit sofortiger Erkenntnis. Auch wenn wir Tricorder noch nicht in Krankenhäusern einsetzen, unternehmen Forscher bedeutende Schritte in diese Richtung. Eine aktuelle Studie nutzte ASDs LabSpec 4 Breitbandspektrometer zur Erkennung der spektralen Signaturen der nekrotisierenden Enterokolitis (NEC), einer lebensbedrohlichen Darmerkrankung bei Frühgeborenen, unter Verwendung von nichts anderem als reflektiertem Licht.

Papier: Erkennung nekrotisierender Enterokolitis bei Frühgeborenen mittels Breitband-Optischer Spektroskopie (veröffentlicht in der Zeitschrift für Biophotonik, 2025)

Die Herausforderung

Nekrotisierende Enterokolitis (NEC) ist eine der schwerwiegendsten gastrointestinalen Erkrankungen bei Frühgeborenen. Sie verursacht Entzündungen und Gewebetod im Darm und kann rasch fortschreiten; in schweren Fällen liegt die Sterblichkeitsrate bei bis zu 50 %. Eine der größten klinischen Herausforderungen besteht darin, dass es derzeit keine zuverlässige, nicht-invasive Methode gibt, um NEC frühzeitig genug zu erkennen, um die Prognose zu verbessern. Die Diagnose stützt sich häufig auf Symptome und radiologische Befunde, die erst im fortgeschrittenen Stadium der Erkrankung auftreten.

Das Forschungs

Forscher aus Northwestern University und Lurie Kinderkrankenhaus untersuchte, ob Breitband-Optische Spektroskopie (BOS) könnte frühe physiologische Veränderungen im Zusammenhang mit NEC erkennen.

Die Studie umfasste:

• 89 Frühgeborene
• Über 11,500 Spektralmessungen
• Tägliche Abdomenscans, die auf der Neonatologie-Intensivstation durchgeführt werden.
• Maschinelle Lernalgorithmen wurden trainiert, um gesundes Gewebe von Gewebe im Zusammenhang mit NEC zu unterscheiden.

Anstatt sich auf die herkömmliche Nahinfrarot-Überwachung zu verlassen, die nur eine Handvoll Wellenlängen misst, analysierten die Forscher einen extrem breiten Spektralbereich, der den sichtbaren und den nahinfraroten Bereich umfasst.

ASD LabSpec 4 diente als zentrale Messplattform

Die Forscher sammelten jedes Spektrum mithilfe eines ASD LabSpec 4 Spektrometer (jetzt Teil von SciAps).

Im Einzelnen stellte das Instrument Folgendes zur Verfügung:

• Spektrale Abdeckung von 350 – 2500 nm
• Hochauflösende Messungen im sichtbaren und nahinfraroten Bereich
• Spektrale Qualität in Laborqualität, geeignet für maschinelle Lernanalysen
• Schnelle, nicht-invasive Messungen mit einer Kontaktsonde, die weniger als eine Sekunde sanften Kontakts mit der Haut des Säuglings erfordert.

Der Zeitung zufolge LabSpec 4 vorgesehen 100- bis 500-fach höhere spektrale Auflösung als handelsübliche NIR-Oximeter, die in der Neonatologie eingesetzt werden. Dank dieser spektralen Detailgenauigkeit konnten die Forscher subtile Gewebeunterschiede erkennen, die mit herkömmlichen Überwachungssystemen nicht sichtbar sind.

‍Hauptergebnisse

Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass die optische Breitbandspektroskopie genügend Informationen enthält, um NEC mit hoher Genauigkeit von gesundem Gewebe zu unterscheiden.

Ihr optimiertes neuronales Netzwerk erreichte ungefähr Folgendes:

• 88% Genauigkeit
• 89% Empfindlichkeit
• 88 % Spezifität

Ein wichtiger Beitrag der Studie war die Entwicklung einer neuen Merkmalsauswahlmethode namens iterative Hauptkomponentenanalyse (iPCA)Anstatt das gesamte Spektrum zu benötigen, identifizierte der Algorithmus eine kleine Anzahl hochinformativer Wellenlängen, die dennoch eine ausgezeichnete diagnostische Leistungsfähigkeit aufwiesen.

Die Autoren kommen zu dem Schluss, dass ein zukünftiges medizinisches Gerät möglicherweise Frühgeborene mit nur wenigen Hilfsmitteln untersuchen könnte. sieben sorgfältig ausgewählte Wellenlängenwodurch die Anwendung am Krankenbett wesentlich praktischer wird.

Warum es wichtig ist

Diese Studie ist ein gutes Beispiel dafür, wie Die Breitbandspektroskopie mit ASD ermöglicht Entdeckungen, die über traditionelle Spektroskopieanwendungen hinausgehen. Durch die Bereitstellung von Spektraldaten in Laborqualität über den gesamten Bereich von 350–2500 nm bietet das ASD LabSpec 4 half Forschern, optische Signaturen einer verheerenden neonatalen Erkrankung zu identifizieren, die zu einer schnelleren, nicht-invasiven Diagnose und verbesserten Behandlungsergebnissen für Frühgeborene führen könnten.

Lesen Sie den Originalartikel

Publikationen:

Flowerday, E., Daneshkhah, A., Su, Y., Backman, V. und Goldstein, SD (2025), Nachweis nekrotisierender Enterokolitis bei Frühgeborenen mittels Breitband-Optischer Spektroskopie. J. Biophotonics, 18:e202400273.

Abstract:

Nekrotisierende Enterokolitis (NEC) ist eine schwerwiegende Erkrankung, die Frühgeborene betrifft. Die Breitband-Optische Spektroskopie (BOS) ist eine Methode zur nichtinvasiven optischen Datenerfassung aus intraabdominalen Organen von Frühgeborenen und bietet Potenzial für die Krankheitserkennung. In dieser Studie wird ein neuartiger maschineller Lernansatz, die iterative Hauptkomponentenanalyse (iPCA), entwickelt, um optimale Wellenlängen aus in vivo von Patienten auf der Neonatalintensivstation (NICU) mittels BOS erhobenen Daten für die NEC-Klassifizierung auszuwählen. Neuronale Netzwerkmodelle wurden für die Klassifizierung trainiert. Ein Modell mit reduziertem Merkmalsumfang konnte NEC mit einer Genauigkeit von 88 %, einer Sensitivität von 89 % und einer Spezifität von 88 % unterscheiden. Während Modelle mit dem gesamten Spektrum die besten Ergebnisse hinsichtlich Genauigkeit und Spezifität erzielten, zeichnete sich ein Modell mit reduziertem Merkmalsumfang durch eine hohe Sensitivität bei minimalen Einbußen bei anderen Metriken aus. Diese Forschung stützt die Hypothese, dass die Analyse menschlichen Gewebes mittels BOS eine nichtinvasive Krankheitserkennung ermöglicht. Darüber hinaus könnte ein mit diesen Modellen optimiertes medizinisches Gerät potenziell mit nur sieben Wellenlängen ein NEC-Screening durchführen.

Stichwörter:

Deep Learning, Diagnose, Maschinelles Lernen, Neugeborenenkrankheiten, Spektroskopie

Zugang zur Veröffentlichung:

https://doi.org/10.1002/jbio.202400273

Über diese Zeitschrift:

Zeitschrift für Biophotonik, eine Physikzeitschrift von Wiley, konzentriert sich auf das interdisziplinäre Gebiet der Biophotonik und veröffentlicht Spitzenforschung über die Wechselwirkungen zwischen Licht und biologischem Material.

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