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Medizinisch-optische Bildgebung

Arbeitsgruppe 8.31

Optische Eigenschaften von Brustgewebe in vivo

Hintergrund

Brustkrebs ist die häufigste Krebserkrankung bei Frauen. Etwa 10 % aller Frauen sind während ihres Lebens davon betroffen. In Ergänzung zu den etablierten Bildgebungsverfahren wie Röntgenmammographie, MR-Mammographie und Ultraschalluntersuchungen gibt es zahlreiche Versuche, auch die optische Bildgebung für die Charakterisierung von Läsionen in der Brust zu verwenden.

Mit der Nahinfrarotspektroskopie lassen sich insbesondere die lokalen Konzentrationen von oxygeniertem und desoxygeniertem Hämoglobin in der Brust bestimmen, die in Karzinomen durch die Neubildung von Blutgefäßen verändert sind. Weitere Ansatzpunkte sind die Bestimmung des Wassergehalts und des Kollagen-Anteils in Läsionen und dem umliegenden Gewebe. Die PTB hat Methoden entwickelt, die eine Messung der optischen Eigenschaften von bösartigen und auch gutartigen Läsionen in der Brust ermöglichen.

Messverfahren

Die PTB verwendet ein zeitauflösendes Messverfahren. Die Abb. zeigt beispielhaft den Aufbau eines an der PTB fertiggestellten Mammographen, der im Rahmen eines vom BMBF geförderten Verbundvorhabens (2005 bis 2008) in enger Zusammenarbeit mit den Firmen Philips Forschungslaboratorien GmbH (Hamburg), Bayer Schering Pharma AG (Berlin) und PicoQuant GmbH (Berlin) entwickelt wurde. Bei diesem Gerät wird die zwischen zwei Glasplatten befindliche Brust mit Hilfe von Lichtleitern abgerastert. Das Brustgewebe wird mit kurzen Nahinfrarot-Laserimpulsen durchleuchtet.

Schematischer Aufbau und Foto eines an der PTB entwickelten Fluoreszenz-Mammographen für zeitaufgelöste Messungen. Das Gerät verfügt über 4 Laser für spektrale Messungen und einen weiteren Laser für Fluoreszenzuntersuchungen mit Hilfe des Kontrastmittels Indocyaningrün.

Mit Hilfe physikalischer Modelle zur Lichtausbreitung in Gewebe lassen sich optische Mammogramme erzeugen sowie die Absorptions- und Streueigenschaften des Brustgewebes bestimmen. Treffen Laserphotonen auf die Farbstoffmoleküle eines vor der Untersuchung verabreichten Kontrastmittels, dann werden Fluoreszenzphotonen erzeugt. An den Detektorpositionen wird jetzt zusätzlich das Fluoreszenzlicht gemessen, um auch die räumliche Verteilung des Farbstoffs (Kontrastmittels) im Gewebe bestimmen zu können.

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Optische Eigenschaften und physiologische Parameter von Tumoren

Untersuchungen im Rahmen einer klinischen Studie an über 150 Patientinnen haben gezeigt, dass sich Karzinome im Vergleich zum gesunden Gewebe im wesentlichen durch eine erhöhte totale Hämoglobinkonzentration auszeichnen. Für einen Teil der Karzinome wurde außerdem eine verringerte Sauerstoffsättigung beobachtet, die auf einen hohen Stoffwechsel im Tumorgewebe hinweist.

Werte für Sauerstoffsättigung und totale Hämoglobinkonzentration von 87 Brustkarzinomen und für das jeweils benachbarte gesunde Brustgewebe

Die Ergebnisse der durchgeführten klinischen Studie zeigten aber auch, dass gutartige Läsionen ebenfalls eine erhöhte Durchblutung aufweisen können. Dadurch ist eine verlässliche Differenzierung zwischen bösartigen und gutartigen Läsionen allein anhand der Hämoglobinkonzentration im Gewebe nicht möglich. Optische Untersuchungen der Brust ohne zusätzliche Kontrastmittel sind daher zur Erkennung und Differenzierung von Brusttumoren weniger geeignet, sie ermöglichen aber z.B. die regelmäßige Kontrolle von Läsionen mit auffallend hohem Hämoglobingehalt, z.B. zur Prüfung der Wirkung einer Chemotherapie.

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Veröffentlichungen

D. Grosenick, H. Wabnitz, B. Ebert,
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A. Poellinger, S. Burock, D. Grosenick, A. Hagen, L. Lüdemann, F. Diekmann, F. Engelken, R. Macdonald, H. Rinneberg, P. M. Schlag,
Breast cancer: early- and late-fluorescence near-infrared imaging with indocyanine green - a preliminary study,
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D. Grosenick, A. Hagen, O. Steinkellner, A. Poellinger, S. Burock, P.M. Schlag, H. Rinneberg, R. Macdonald,
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D. Grosenick, K. T. Moesta, M. Möller, J. Mucke, H. Wabnitz, B. Gebauer, C. Stroszczynski, B. Wassermann, P. M. Schlag, H. Rinneberg,
Time-domain scanning optical mammography: I. Recording and assessment of mammograms of 154 patients,
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D. Grosenick, H. Wabnitz, K. T. Moesta, J. Mucke, P. M. Schlag, H. Rinneberg,
Time-domain scanning optical mammography: II. Optical properties and tissue parameters of 87 carcinomas,
Phys. Med. Biol. 50 (2005) 2451-2468.

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Scanning Time-domain Optical Mammography: Detection and Characterization of Breast Tumors In Vivo,
Opens external link in new windowTechnol. Cancer Res. Treat. 4 (2005) 483 - 496.

T. Dierkes, D. Grosenick, K. T. Moesta, M. Möller, P. M. Schlag, H. Rinneberg, S. Arridge,
Reconstruction of optical properties of phantom and breast lesion in vivo from paraxial scanning data,
Phys. Med. Biol. 50 (2005) 2519-2542.

B. Wassermann, A. Kummrow, K. T. Moesta, D. Grosenick, J. Mucke, H. Wabnitz, M. Möller, R. Macdonald, P. M. Schlag, H. Rinneberg,
In-vivo tissue optical properties derived by linear perturbation theory for edge-corrected time domain mammograms,
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A. Pifferi, A. Torricelli, A. Bassi, P. Taroni, R. Cubeddu, H. Wabnitz, D. Grosenick, M. Möller, R. Macdonald, J. Swartling, T. Svensson, S. Andersson-Engels, R. L. P. van Veen, H. J. C. M. Sterenborg, J. M. Tualle, H. L. Nghiem, S. Avrillier, M. Whelan, and H. Stamm,
Performance assessment of photon migration instruments: the MEDPHOT protocol,
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D. Grosenick, H. Wabnitz, K. T. Moesta, J. Mucke, M. Möller, C. Stroszczynski, J. Stößel, B. Wassermann, P. M. Schlag, H. Rinneberg,
Concentration and oxygen saturation of haemoglobin of 50 breast tumours determined by time-domain optical mammography,
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D. Grosenick, K. T. Moesta, H. Wabnitz, J. Mucke, C. Stroszczynski, R. Macdonald, P. M. Schlag, H. Rinneberg,
Time-domain optical mammography: Initial clinical results on detection and characterization of breast tumors,
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V. Chernomordik, D. W. Hattery, D. Grosenick, H. Wabnitz, H. Rinneberg, K. T. Moesta, P. M. Schlag, A. Gandjbakhche,
Quantification of optical properties of a breast tumor using random walk theory,
J. Biomed. Opt. 7 (2002) 80-87.

B. Ebert, U. Sukowski, D. Grosenick, H. Wabnitz, K. T. Moesta, K. Licha, A. Becker, W. Semmler, P. M. Schlag, H. Rinneberg,
Near-infrared fluorescent dyes for enhanced contrast in optical mammography: phantom experiments,
J. Biomed. Opt. 6 (2001) 134-140.

D. Grosenick, H. Wabnitz, H. Rinneberg, K. T. Moesta, P. Schlag,
Development of a time-domain optical mammograph and first in vivo applications,
Appl. Opt. 38 (1999) 2927-2943.

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