Photoakustische Bildgebungstechnologie Ein neues Bildgebungsverfahren für die Dermatologie

Die nichtinvasive Messung eines lebenden Körpers durch photoakustische Bildgebung.
Die Diagnose in der Dermatologie läuft oft über optische Verfahren. Für tiefergehende Untersuchungen werden neue Methoden benötigt.

Die nichtinvasive Messung ist maßgeblich für die Beurteilung eines lebenden Körpers. Viele Verfahren hierzu wurden erforscht und entwickelt. Doch ihre Auflösung ist nicht ausreichend, um Bilder der Mikrogefäße in der Lederhaut zu erstellen. Die photoakustische Bildgebung soll hier Abhilfe schaffen.

Im Jahre 1895 wurden die Röntgenstrahlen entdeckt, die heute für die Röntgenbildgebung und Röntgen-Computertomografie (CT) in der Medizin eingesetzt werden. Die Echografie (Ultraschall) und MRI wurden in den 1900er Jahren erfunden und haben sich als nichtinvasive Bildgebungsverfahren entwickelt, ebenso wie die Röntgen-CT. Doch bei Röntgen-CT-Scans wird der Körper hochenergetischer Strahlung ausgesetzt; andere Verfahren erfordern Kontrastmittel für die hochauflösende Bildgebung.

Umgekehrt kann die optische Bildgebungstechnologie hochauflösende Bilder mit hohem Kontrast durch Nutzung der Lichtabsorptionseigenschaften sichtbaren und nahinfraroten Lichtes erzeugen. Für die optische Bildgebung durch Nutzung des sichtbaren Lichts ist die Messtiefe auf 100 µm beschränkt, da lebendes Gewebe das Licht stark streut.

Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) kann Informationen bis zu einer Tiefe von mehreren Zentimetern unterhalb der Oberfläche geben. Die optische Kohärenztomografie (OCT) kann Querschnittsansichten mit herausragender Tiefenauflösung liefern. Aber die Bildgebung der Lederhaut ist auf eine Tiefe von circa 1 mm beschränkt, bedingt durch die Lichtstreuung durch lebendes Gewebe. Daher gibt es derzeit keine nichtinvasive Technik (Tabelle 1), die Bilder von Gefäßen mit akkurater Tiefeninformation bis zu einer Tiefe von mehreren Millimetern unterhalb der Oberfläche lebender Haut bereitstellt.

Die Haut hat eine Schichtstruktur (Bild 1), mit Oberhaut und Lederhaut an der Oberseite und dem Unterhautgewebe darunter. Die Oberhaut ist die äußerste Schicht der Haut und ist 0,2 mm dick. Sie besteht aus dem Stratum corneum, dem Stratum granulosum, dem Stratum spinosum und dem Stratum basale. Sie hat eine Barriere-Funktion – unter anderem die Abwehr von Fremdkörpern – und eine Feuchtigkeitsfunktion – das Aufrechterhalten der Körperflüssigkeit. Im Stratum basale wird Melanin für den Schutz vor UV-Licht produziert. Die Lederhaut besteht größtenteils aus Kollagen und peripheren Blutgefäßen, die mit den Arterien und Venen im Unterhautgewebe verbunden sind. Das Unterhautgewebe besteht aus Fettgewebe und Faszien. Die Muskelschicht liegt unterhalb des Unterhautgewebes. In verschiedenen Körperbereichen des Menschen variiert die Hautdicke in Abhängigkeit von der Dicke der Oberhaut und der Dicke der Lederhaut. Die Haut des Augenlids ist dünner als 1 mm, wohingegen die Haut des Rückens und des Gesäßes am dicksten ist und circa 3 mm misst.

Die Blutzirkulation in der Haut hängt eng mit dem Zustand der Haut zusammen. Die Bildgebung des Gefäßgeflechts und die Beurteilung der Blutzirkulation kann bei der Beurteilung verschiedener Krankheiten eingesetzt werden. Wie aber oben erwähnt, gibt es derzeit keine nichtinvasive Technik, die das Gefäßgeflecht in allen Schichten der Haut bis zu einer Tiefe von mehreren Millimetern visualisiert.

Im Jahr 1880, noch vor der Entdeckung der Röntgenstrahlen, entdeckte Graham Bell, bekannt als Erfinder des Telefons, die photoakustische Wirkung: die Bildung von Schallwellen nach einfallenden Sonnenlichtstrahlen auf einem Probenmaterial in einem versiegelten Behälter. Dieses Phänomen wurde viele Jahre für die Gasanalyse angewendet. In den 1990er Jahren, mehr als 100 Jahre nach der Entdeckung, begann die Forschung zur Anwendung im Bioimaging. Mit der Weiterentwicklung der Pulslasertechnologie und der Ultraschalltechniken sowie wichtigen Verbesserungen der Computerleistung wurden Anwendungsverfahren weltweit erforscht. In den 2000er Jahren wurden verschiedene Anwendungen der photoakustischen Bildgebung untersucht und Anwendungsmöglichkeiten des Verfahrens zur Diagnose von Brustkrebs, Prostatakrebs und Hautkrebs sowie für die Messung der Hirnfunktion von Kleintieren veröffentlicht.