Physikalisch-Technische Bundesanstalt

Quantitative dynamische Fluoreszenzbildgebung zur Detektion entzündlicher Gelenkerkrankungen

Etwa 1% der Bevölkerung leidet unter rheumatoider Arthritis, einer entzündlichen Gelenkerkrankung, die vermutlich durch autoimmune Reaktionen hervorgerufen wird und den Krankheiten des rheumatischen Formenkreises zugeordnet wird. Erkrankte erleiden Schmerzen und eine Einschränkung der Beweglichkeit der Gelenke und verlieren damit stark an Lebensqualität. Gelenkschäden im fortgeschrittenen Krankheitsverlauf sind zudem ohne chirurgische Eingriffe zurzeit nicht reparabel. Deshalb ist es sehr wichtig, Rheuma so früh wie möglich zu erkennen und zu stoppen. Die zur Rheuma-Behandlung eingesetzten Medikamente sind nicht nur teuer sondern haben teilweise auch schwere Nebenwirkungen - ein Sachverhalt, der ebenfalls eine frühe genaue Diagnose erfordert.

Um eine Verbesserung dieser Situation zu erreichen, wurde im Fachbereich 8.3 Biomedizinische Optik zusammen mit klinischen und industriellen Partnern ein neuartiges Bildgebungsverfahren entwickelt, welches zur Untersuchung von entzündlicher Gelenke nahinfrarotes (NIR) Licht sowie den für andere Anwendungen bereits bekannten und klinisch zugelassenen Farbstoff Indocyaningrün (ICG) als Kontrastmittel verwendet. Ein hoch empfindliches Bildaufnahmesystem zeichnet den Weg und den zeitlichen Verlauf des im Blut befindlichen Kontrastmittels ICG durch die Fingergelenke auf und ermöglicht damit eine Erkennung und Bewertung von Entzündungsherden in den Fingergelenken.

In einem durch die Investitionsbank Berlin (IBB) mit Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE)  geförderten Projekt mit mehreren Kooperationspartnern wurde dieser Ansatz zwischen 2008 und 2010 in einer klinischen Studie überprüft. Zur Durchführung dieser Studie wurden im Fachbereich 8.3 zwei Prototypen, ein scannendes System (Scanner) und ein kamerabasiertes System (Imager), konzipiert und gebaut. Die Berliner Firma mivenion GmbH hat inzwischen für die Herstellung des Imagers die Lizenzrechte erworben und mit dem Vertrieb begonnen. Deutschlandweit sind bereits mehr als 20 Geräte im Einsatz.

Die o.g. Studie hat deutlich gezeigt, dass sich das neue optische Bildgebungsverfahren im klinischen Einsatz bewährt. Die Interpretation der Ergebnisse der dynamischen optischen Bildgebung ist jedoch nicht immer einfach, da die optischen Eigenschaften der Haut und der darunter liegenden Gewebeschichten sowie auch die Ausprägung der rheumatisch veränderten Regionen in den Händen individuell sehr unterschiedlich sein können. Bei der Auswertung der Bilder und Bildserien muss deshalb berücksichtigt werden, dass diese Variationen die Intensität der Aufnahmen und die subjektive visuelle Wahrnehmung beeinflussen. Neben der „klassisch“ radiologischen, personengestützten Auswertung und Validierung nach Training und Schulung an Fallbeispielen wurde deshalb von der PTB ein objektives, quantitatives Auswerteverfahren für die Analyse der Bildserien entwickelt. Die Idee hinter dem Verfahren besteht darin, eine höchstwahrscheinlich nicht entzündete Region, zum Beispiel die Fingerspitze, als individuelle Referenz zu nutzen, um den Status der Fingergelenke durch Vergleich mit diesem Referenzgebiet ableiten zu können. Die Messdaten von gesunder Region und Fingergelenk werden miteinander korreliert und analysiert. Mit vertretbarem technisch-numerischem Aufwand lassen sich so schnell objektiv reproduzierbare Aussagen treffen. Im Vergleich mit der von Rheuma-Ärzten konventionell erstellten Diagnose wurden bis zu 92% der Gelenke von 12 Probanden und 13 Patienten, die mit dem Scanner der PTB untersucht wurden, richtig klassifiziert. Die Auswertung der entsprechenden Ergebnisse, die mit dem Imager an 10 Probanden und 12 Rheuma-Patienten erzielt wurden, ergab bis zu 72% richtig klassifizierte Gelenke. Die Güte der Trennung zwischen gesunden und erkrankten Gelenken der beiden Prototypen  wird in der Abbildung durch die ROC (Receiver Operating Characteristic)-Kurven charakterisiert. Die  bessere Trennung des Scanners ist nach vorläufigem Kenntnisstand durch das sein höheres Auflösungsvermögen begründet, was jedoch durch weitere Untersuchungen noch genauer verifiziert werden muss.

Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass sich durch den Einsatz objektiver, quantitativer  Datenanalyseverfahren die Interpretation und Aussagefähigkeit der dynamischen Fluoreszenz-Bildgebung verbessern lässt, was vorteilhaft zur Diagnose entzündlicher Gelenkerkrankungen angewandt werden kann.

Links: Lage und Ausdehnung der untersuchten Fingergelenk-Regionen; DIP - distales Interphalangealgelenk , PIP – proximales Interphalangealgelenk, MCP - proximale Interphalangealgelenk; FS – Fingerspitze als Referenzregion. Ergebnisse des Daumens sind nicht mit in die Auswertung eingegangen. Rechts: Die ROC-Kurven visualisieren die Güte der Trennung zwischen gesunden und erkrankten Gelenken der Studienteilnehmer. Eine Kurve auf der Diagonalen entspräche einer vollständigen Überlappung der Gruppen, je weiter die Werte einer Kurve von dieser Geraden entfernt sind, desto besser die Trennung.

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