In-vivo-Spektren optischer Eigenschaften an fünf Körperstellen bei zehn Probanden mittels zeitaufgelöster diffuser Optik

Licht tief in den Körper bringen

Medizinische Forschende nutzen zunehmend Licht statt Röntgenstrahlen, um unter die Haut zu blicken und Vorgänge im Körper zu verfolgen. Damit Licht jedoch zu einem verlässlichen diagnostischen Werkzeug wird, müssen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler genau wissen, wie verschiedene Gewebe es absorbieren und streuen. Dieser Artikel stellt einen umfangreichen, offen verfügbaren Datensatz vor, der abbildet, wie Licht an mehreren Körperstellen durch lebendes menschliches Gewebe wandert, und ebnet so den Weg für sicherere, präzisere optische Tests und Therapien.

Warum Licht ein leistungsfähiges medizinisches Werkzeug ist

Zwischen rotem und nahinfrarotem Licht liegt ein „sweet spot“, in dem Licht mehrere Zentimeter ins Gewebe eindringen kann, ohne vollständig absorbiert zu werden. Dieser Bereich wird bereits in Geräten genutzt, die Hirnoxygenierung überwachen oder Laserbehandlungen steuern. Die meisten bestehenden Messungen der optischen Eigenschaften von Gewebe stammen jedoch aus außerhalb des Körpers untersuchten Gewebestücken, von Tiermodellen oder aus kleinen, fragmentierten Experimenten. Das erschwert die Entwicklung neuer Geräte, den Vergleich von Studien und das Berücksichtigen natürlicher Unterschiede zwischen Menschen. Die Autorinnen und Autoren wollten diese Lücke mit einem standardisierten, in vivo an Menschen erhobenen Datensatz schließen, den jede*r nutzen kann.

Wie die Messungen erhoben wurden

Das Team verwendete eine Technik namens zeitaufgelöste diffuse optische Spektroskopie. Sie schickten ultrakurze Lichtpulse mit einer kleinen Handsonde in den Körper und maßen, wie lange gestreute Photonen bis zur Rückkehr benötigten. Die Form dieser „Time-of-Flight“-Kurve verrät, wie stark Gewebe Licht absorbiert und wie stark es gestreut wird. Zehn gesunde Versuchspersonen mit unterschiedlichem Alter, Geschlecht, Hautfarbe und Körperbau wurden an fünf Stellen gemessen: oberer Arm, Unterarm über Radius und Ulna, Bauch, Stirn und Fersenbein (Calcaneus). Für jede Stelle wurden Lichtmessungen bei 51 Wellenlängen von 610 bis 1110 Nanometern zweimal (mit Neupositionierung der Sonde) und dreimal pro Position aufgenommen, während an denselben Stellen Ultraschallbilder gemacht wurden, um die zugrundeliegende Anatomie zu zeigen.

Aus Photonenzeiten Gewebekarten erstellen

Um die rohen Photonenankunftszeiten in biomedizinisch nutzbare Größen zu übersetzen, passten die Autorinnen und Autoren jede Time-of-Flight‑Kurve an ein erprobtes physikalisches Modell der Lichtdiffusion in streuenden Medien an. Dadurch konnten sie zwei zentrale Werte für jede Wellenlänge schätzen: wieviel Licht durch Absorption verloren geht und wie stark es gestreut wird. Die Verarbeitung erfolgte sorgfältig, um Rauschen und Verzerrungen zu vermeiden, und das System wurde gegen flüssige ‚Phantome‘ mit bekannten Eigenschaften sowie gegen internationale Leistungstandards geprüft. Der finale Datensatz, gehostet auf Zenodo, enthält die unbearbeiteten Rohdateien, Metadaten, die jede Datei mit Proband und Körperstelle verknüpfen, Beispielanalyseergebnisse sowie einsatzbereite Python‑ und MATLAB‑Werkzeuge zum Einlesen und Plotten der Daten.

Was die Daten über echte Körper verraten

Die resultierenden Spektren zeigen, wie Wasser, Fett, Blut und Strukturproteine jeweils einen charakteristischen Fingerabdruck an verschiedenen Körperstellen hinterlassen. Beispielsweise zeigen Bauchmessungen bei Probanden mit höherem Body‑Mass‑Index stärkere Signale von Fett bei Wellenlängen, an denen Lipide stark absorbieren, während bei schlankeren Probanden Spektren dominierend durch Wasser geprägt sind. Knochenreiche Regionen wie Unterarm und Ferse teilen subtile Merkmale, die wahrscheinlich mit Kollagen im Knochen zusammenhängen, und die Stirn, die wenig Fettreserven hat, wird von Wasser‑ und Blut‑Signaturen dominiert. Durch den Vergleich wiederholter Messungen an derselben Stelle mit Unterschieden zwischen Personen zeigen die Autorinnen und Autoren, dass die natürliche Variation von Person zu Person deutlich größer ist als das Instrumentenrauschen, was unterstreicht, wie wichtig es ist, biologische Vielfalt bei der Entwicklung optischer Diagnostik zu berücksichtigen.

Eine Grundlage für zukünftige lichtbasierte Medizin

Alltäglich gesprochen ist dieses Projekt wie der Bau einer detaillierten Straßenkarte dafür, wie Licht durch den Körper reist. Wer einen neuen optischen Scanner entwickelt, eine Theorie zur Photonenbewegung im Gewebe testet oder ein KI‑System zum Interpretieren optischer Signale trainiert, kann nun auf präzisen, offen geteilten Menschendaten statt auf Vermutungen aufbauen. Durch die Kombination sorgfältig validierter Messungen, Ultraschallbilder und transparenter Analysetools bietet der Datensatz eine gemeinsame Referenz, die die Entwicklung nichtinvasiver, lichtbasierter Methoden zur Krankheitserkennung, Gesundheitsüberwachung und Therapiebegleitung beschleunigen sollte.

Zitation: Damagatla, V., Karremans, S., Bossi, A. et al. In-vivo optical properties spectra across five body locations on ten subjects using time-domain diffuse optics. Sci Data 13, 261 (2026). https://doi.org/10.1038/s41597-026-06586-9

Schlüsselwörter: Gewebeoptik, Nahinfrarotes Licht, nichtinvasive Bildgebung, offene biomedizinische Daten, Photonenmigration