Lichtfeldkameras vermessen Tumor-Organoide Personalisierte Krebsmedizin dank 4D-Lichtfeldkameras

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Die 4D-Lichtfeldkameras von Raytrix revolutionieren die personalisierte Krebsmedizin: Sie ermöglichen die schnelle, hochpräzise 3D-Analyse von Organoiden in Echtzeit. Damit lassen sich Medikamentenwirkung effizient testen und Therapien gezielt optimieren. Kameras von Teledyne spielen dabei eine wichtige Rolle.

Die personalisierte Krebsmedizin stellt hohe Anforderungen an Diagnostik und Medikamentenentwicklung. Klassische präklinische Testmethoden mit 2D-Zellkulturen liefern jedoch häufig keine verlässlichen Aussagen über die Wirksamkeit neuer Arzneimittel. Neuartige Ansätze mit «3D-Mini-Organen», sogenannten Organoiden, bilden die Struktur und Funktion menschlicher Tumore deutlich realitätsnäher ab und ermöglichen dadurch bessere Vorhersagen bei der Entwicklung neuer Medikamente.

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Doch 3D-Strukturen verlangen nach 3D-Analyse. Genau hier liegt die nächste Hürde: Klassische Verfahren wie Konfokalmikroskopie oder Laserlichtschnitt sind für die personalisierte Medizin zu langsam, zu aufwendig und nicht auf hohen Probendurchsatz ausgelegt. Dr. Lennart Wietzke, Geschäftsführer der Raytrix GmbH, erläutert das Problem wie folgt: «Neun von zehn Arzneimittelkandidaten, die in Zellkulturen wirksam getestet wurden, scheitern in klinischen Versuchen. Die personalisierte Medizin mit ihrem Anspruch, das richtige Medikament für den richtigen Patienten zu finden, verschärft dieses Problem zusätzlich. Ohne geeignete Analysemethoden bleibt ein grosser Teil der Forschungsinvestitionen wirkungslos für den Patienten – bis zu 85 Prozent, wenn man einer Auswertung der weltweit führenden medizinischen Fachzeitschrift The Lancet glauben mag.» Organoide sind nach Wietzkes Worten ein vielversprechender Weg in der personalisierten Medizin, doch die bestehende 3D-Mikroskopie ist dafür schlicht nicht geeignet. «Unsere 4D-Lichtfeldkameras ermöglichen die volumetrische Erfassung von Organoiden in Echtzeit, mit hohem Durchsatz und bis zu 36-facher Schärfentiefe, ohne bewegliche Teile.»

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Innovative One-Shot 4D-Bildaufnahmetechnologie

Den Anstoss für die Entwicklung der 4D-Lichtfeldkameras gab das Institut für Bioprozess- und Analysenmesstechnik (iba) in Heilbad Heiligenstadt. Die Forschenden dort suchten eine neue Methode, um lebende 3D-Zellkulturen dreidimensional und schnell analysieren zu können. Dabei stiessen sie auf Raytrix.

Die Kieler Spezialisten für Lichtfeldkameras entwickeln ihre Lösungen oft gemeinsam mit Anwendern. So entstand in enger Zusammenarbeit mit dem iba ein System, das das Potenzial der Lichtfeldtechnologie für die personalisierte Medizin sichtbar macht. Wietzke erinnert sich: «Unsere Antwort auf dieses Problem sind 4D-Lichtfeldkameras, eine innovative Form von 3D-Kameras, die ein Standardbild zusammen mit der Tiefeninformation einer Szene erfassen. Metrische 3D-Informationen lassen sich dabei mit einer einzigen Lichtfeldkamera durch ein einziges Objektiv in nur einer Aufnahme gewinnen, ohne dass strukturierte Beleuchtungssysteme erforderlich sind.»

Monochromer Bildsensor

Neuer Hochgeschwindigkeitssensor mit erweiterter Empfindlichkeit

Lichtfeld-Tomographie als Lösungsbasis

Die Grundlagen von Lichtfeldern, auf denen die Raytrix-Technologie basiert, erklärt Wietzke so: «Lichtfelder beschreiben physikalisch vollständig alle Lichtstrahlen, die durch eine Szene verlaufen. Diese werden durch vier Parameter charakterisiert: Zwei definieren die Position eines Lichtstrahls auf der Sensorebene, zwei weitere seine Richtung im Raum. Diese vierdimensionalen Informationen lassen sich mit einer einzigen Aufnahme erfassen. Aus diesem Grund spricht man von einem 4D-Lichtfeld.»

Möglich wird dies durch ein speziell entwickeltes Mikrolinsenarray, das direkt auf dem Bildsensor angebracht ist. Es teilt das einfallende Licht in viele tausend kleine Teilbilder auf, die jeweils einen leicht versetzten Blickwinkel auf die Szene liefern. Aus diesen Daten kann die Software sowohl 2D-Bilder mit variabler Fokusebene als auch vollständige metrische 3D-Informationen rekonstruieren.

Das Besondere an der Lichtfeldtechnologie von Raytrix zeigt sich erst bei der Auswertung: Aus einem aufgezeichneten 4D-Lichtfeld lassen sich nicht nur klassische 2D-Bilder mit variabler Fokusebene erzeugen, sondern auch vollständige 3D-Datensätze, unabhängig davon, wo sich das Objekt im Raum befindet. Tumorzellen können dadurch nach der Aufnahme exakt vermessen und analysiert werden, selbst wenn sie ausserhalb der klassischen Schärfeebene liegen. Dies macht die Methode besonders geeignet für lebende Zellkulturen mit komplexer 3D-Struktur.

Die spezielle, patentierte Mikrolinsenanordnung auf dem Bildsensor ermöglicht zudem eine bis zu 36-fach erhöhte Schärfentiefe im Vergleich zur konventionellen Mikroskopie. Die gesamte Information wird in einer einzigen Aufnahme erfasst, ohne mechanisches Nachfokussieren. Der Raytrix-Bildsensor misst die Richtung eines jeden Strahls in der Einheit MegaRay.

Für die Verarbeitung verwendet Raytrix die inzwischen durch den KI-Hype bekannte CUDA®-Plattform von NVIDIA, so Wietzke: «Die gesamte Verarbeitung erfolgt auf einem Grafikprozessor. In dieser Anwendung verarbeiten wir 150 Rohbilder mit jeweils 26 MegaRay Auflösung pro Sekunde und erzielen damit 150 vollständige 2D- und 3D-Bilder mit je 6 Megapixeln pro Sekunde. Für die Lichtfeldrekonstruktion nutzen wir ausschliesslich Fliesskommaoperationen auf den allgemeinen Recheneinheiten der GPU. Spezialisierte Recheneinheiten, wie sie häufig für Künstliche Intelligenz verwendet werden, bleiben dabei vollständig verfügbar.» Auf diese Weise lassen sich Bildverarbeitung und KI-Algorithmen bei Bedarf gleichzeitig nutzen, ohne dass sie sich gegenseitig verlangsamen. Das schafft Freiraum für komplexe und zeitkritische Auswertungen.

Teledyne als Technologiepartner

Bei innovativen Bilderfassungssystemen wie derartigen 4D-Lichtfeldkameras spielen die eingesetzten Kameras eine entscheidende Rolle. Raytrix vertraut deshalb schon lange auf Bildverarbeitung von Teledyne: «Wir haben bereits vor 15 Jahren unsere erste 4D-Lichtfeld-Zeilenkamera mit drei Zeilen für die schnelle 3D-Inline-Inspektion von speziellen Display Glass Panels auf Basis einer Teledyne-Zeilenkamera entwickelt und auf den Markt gebracht», erinnert sich Wietzke. «Seitdem überzeugt uns dieser Partner bei jedem unserer gemeinsamen Projekte durch die schnelle, flexible, unkomplizierte und professionelle Zusammenarbeit.»

Als wesentliches Argument für Teledyne spricht laut Wietzke dabei die Tatsache, dass das Unternehmen als einziger Hersteller am Markt sämtliche aktuellen Kameratechnologien im Portfolio hat. «Ganz gleich, ob wir Flächen- oder Zeilenkameras für unsere Systeme benötigen, ob wir im UV-, im sichtbaren VIS-, im SWIR- oder sogar allgemein im multispektralen Bereich unterwegs sind, welche Geschwindigkeitsanforderungen die jeweilige Anwendung mit sich bringt oder ob wir Kameras mit grossen oder kleinen Sensorformaten einsetzen wollen: Teledyne deckt alle Anforderungen ab.»

Dieses breite Angebot zahlt sich besonders dann aus, wenn man 3D-Systeme realisieren möchte, unterstreicht der Raytrix-Geschäftsführer: «3D-Lösungen sind niemals «out-of-the-box» Standardlösungen und erfordern immer eine breite Auswahl an verschiedenen Sensoren und Interfaces. Auch hier hat Teledyne ein absolutes Alleinstellungsmerkmal: Kein anderer Kamera-Hersteller produziert seine eigenen Bildsensoren selbst. Dadurch kann Teledyne so flexibel auf Kundenwünsche reagieren. Ich sehe Teledyne daher nicht einfach nur als Kameralieferanten, sondern als innovativen Technologiepartner, der wesentlichen Anteil an der Leistungsfähigkeit unserer 4D-Lichtfeld-Sensoren hat und mit seiner breiten Produktauswahl immer flexibel auf neue Anforderungen reagieren kann.»

Bearbeitung von 3D- und 2D-Vision-Aufgaben

Neue Software-Tools für Inline-3D-Bildverarbeitungsanwendungen

Weitere Einsatzfelder

Die Raytrix-Lösung löst zwei kritische Engpässe der Zelltherapie: Erstens kann die Wirksamkeit von Medikamenten vor der Produktion und Behandlung zuverlässiger getestet werden, und zweitens lässt sich die Kosteneffizienz in der Medikamentenentwicklung und von Krebsbehandlungen deutlich erhöhen. Die enge Zusammenarbeit zwischen Raytrix und Teledyne ermöglicht skalierbare Systeme für die anspruchsvolle Analyse moderner 3D-Zellmodelle und unterstützt so den Fortschritt in der personalisierten Krebsmedizin. Das Kieler Unternehmen ist mit seiner Lichtfeldtechnologie jedoch auch in vielen weiteren Einsatzfeldern aktiv, unter anderem in Anwendungen wie

• Messung von 3D-Strömungen (Flow, PIV, PTV),

• 3D-Phänotypisierung (Life Science),

• Inspektion von Halbleiterbauelementen wie z.B. Photomasks, TGV, MEMS-Scannern und Multi-Layer PCBs

• während der industriellen Produktion von kleinen Bauteilen in Bewegung durch die Aufnahme eines einzigen Bildes,

• im Bereich der automatisierten optischen Inspektion in der Industrie

• 3D-Endoskopie für schwer zugängliche kritische Regionen

Welche Kamera und welcher Sensor dabei zum Einsatz kommt, entscheidet Wietzke mit seinem Team in Abhängigkeit von den jeweiligen Anforderungen. Für die Systeme zur Krebsforschung setzt Raytrix vor allem auf Kameras mit kleinen 1»-Sensoren, die mit ihrem guten Preis-Leistungsverhältnis punkten und dennoch eine hervorragende Bildqualität für diese Aufgabenstellung liefern. Bei Bedarf kann Teledyne jedoch auch Kameras mit bis zu 67 MegaPixel-Sensoren liefern.

«Wir haben mittlerweile aufgrund der langjährigen Erfahrungen ein natürliches Gefühl dafür, was mit unserer 4D-Lichtfeldtechnologie lösbar ist, und welche Kombination aus Sensor, Optik, Beleuchtung und Software dafür die Richtige ist. Klar ist aber unabhängig von der Aufgabe, dass die Kombination aus Kameras von Teledyne und Lichtfeldtechnologie von Raytrix extrem leistungsfähige, skalierbare und flexible Systeme in vielen Einsatzbereichen ermöglicht.»

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