Optoakustische Bildgebungsverfahren: Vom Prinzip zur Klinischen Anwendung

Abstract

Hintergrund und Ziele

Die optoakustische Bildgebung beschreibt die Methodik mittels Laser-gestützter Gewebeanregung Bildinformationen aus resultierenden Schall- bzw. Druckwellen zu erzeugen. Die Kombination aus „Licht und Schall“ ermöglicht eine vergleichsweise hohe Tiefeneindringung bei gleichzeitig hochauflösender und spezifischer Darstellung von Gewebestandteilen. Optoakustik kann nicht als einheitliches Verfahren verstanden werden, sondern ermöglicht Bildgebung über ein sehr breites Einsatzgebiet. Derzeit fehlen für diese Methode häufig noch dezidierte klinisch relevante Fragestellung als auch standardisierte Untersuchungsbedingungen. Ziel dieser Arbeit war zu zeigen, in welchen Einsatzgebieten, vom Tiermodell bis zum Menschen, sich diese neuartigen Bildgebungsinformation nutzen lassen und wie dies mit Veränderungen in den Zielgeweben als auch klinischen Merkmalen korreliert.

Methoden

Für die Versuche in Tiermodellen als auch die klinischen Studien im Rahmen dieser Arbeit wurde auf mehrere verschiedene optoakustische Technologien zurückgegriffen. Es erfolgte eine hochauflösende Darstellung von Gefäßen in einem Tiermodell für die chronische Nierenerkrankung. Hierfür wurde die Raster-scanning Optoaocustic Mesoscopy (RSOM) verwendet, um über die Detektion von Hämoglobin das Gefäßnetzwerk in den explanierten Mäusenieren sichtbar zu machen. Die Ergebnisse der Bildgebung wurden hierfür mit dem vorliegenden Genotyp und der Histologie bzw. Immunhistochemie verglichen.

Im nächsten Schritt erfolgte eine Studie an gesunden Probanden, um die Fehlanfälligkeit von Optoakustischer Bildgebung im klinischen Szenario genauer zu untersuchen. Unter der Nutzung eines tomographischen Verfahrens, der Multispektrale Optoakustische Tomographie (MSOT) wurden n=10 gesunde Probanden im Alter von 25.7+/-4.4 Jahren prospektiv untersucht und damit n=1920 Datensätze geniert. Die Fehlanfälligkeit und Messungenauigkeit wurden mittels semi-automatischer Analyse der Daten genauer bestimmt. Die erzielten Ergebnisse waren Grundlage um mittels optoakustischen Signalen die Krankheitslast bei einer seltenen kindlichen Muskelerkrankung darzustellen. Hierfür wurden n=10 Patienten mit einer spinalen Muskelatrophie (SMA) (Alter: 8.7+/-4.3) und n=10 gesunde Kontrollen (9.0+/-3.7) prospektiv untersucht.

Ergebnisse und Beobachtungen

Mittels RSOM-basierter Detektion gelang die Darstellung von Gefäßnetzwerk in den explanierten Mausnieren. Bei männlichen Tieren mit einer chronischen Nierenerkrankung waren die Nieren im Vergleich nicht betroffenen Mäusen kleiner und wiesen eine geringere absolute Vaskularisierung auf. Bei weiblichen Mäusen fanden sich keine Unterschiede. Die Ergebnisse deuten auf eine größere Nierenmasse bei männlichen Mäusen mit konsekutiv höherer absoluter Gefäßfläche hin. Immunhistochemischen Färbungen für Endomucin (Kappilaren) und SM-Actin (Arteriolen) bestätigten eine deutlich verminderte Gefäßdichte im genetisch veränderten Tier.

In der klinischen Anwendung bestätigte sich an gesunden Probanden durch die Ermittlung von 13 Einzelwellenlängen (single wavelength, SWL) zwischen 660-1210nm und 5 berechneten MSOT Parametern (deoxygeniertes/oxygeniertes/totales Hämoglobin, Kollagen und Lipid) eine exzellente Intrarater-Reproduzierbarkeit (Intraclass Correlation Coefficient, ICC, SWL: 0.82–0.92; MSOT-parameter: 0.72−0.92) und Interrater-Reproduzierbarkeit (SWL: 0.79−0.87; MSOT-parameter: 0.78−0.86) mit Ausnahme des Parameters Lipid (0.56). Zusätzlich konnte die Stabilität des Verfahrens auch über einen Zeitraum von 14 Tagen bestätigt werden.

Das MSOT Verfahren zeigte an Patienten mit SMA, dass insbesondere Veränderungen im 800nm Signal, dem isosbestischen Punkt für Hemoglobin, detektiert und klinisch genutzt werden konnten. Diese Signale entsprachen am ehesten der Strukltur einer degenertierten Muskelstruktur im Sinn einer „mottenfraas“-artigen Degeneration. Die quantitativen Signalinternsitäten korrelierten dabei mit standardisierten klinischen Testverfahren und dem klinischen Grad der Krankheitsausprägung.

Alternate abstract:

Background and goals

Optoacoustic imaging describes the methodology of generating image information from resulting sound or pressure waves by means of laser-induced tissue excitation. The combination of "light and sound" allows a comparable high depth penetration with simultaneous highresolution and specific imaging of tissue components. Optoacoustics cannot be understood as a uniform method, but enables imaging over a very wide range of applications. At present, there is often a lack of clinically relevant questions and standardized examination conditions for this method. The aim of this work was to show in which application, from animal models to humans, this novel imaging technology can be used and how this correlates with changes in the target tissues as well as clinical features.

Methods

Different optoacoustic technologies were used for the experiments in animal models and clinical studies in this work. High-resolution imaging of vessels in an animal model of chronic kidney disease was performed. For this purpose, raster-scanning optoacoustic mesoscopy (RSOM) was used to visualize the vascular network in the explanted mouse kidneys via the detection of hemoglobin. For this purpose, the imaging results were compared with the present genotype and histology or immunohistochemistry.

In the next step, a study was performed in healthy volunteers to further investigate the susceptibility of optoacoustic imaging in the clinical scenario. Using a tomographic technique, multispectral optoacoustic tomography (MSOT), n=10 healthy volunteers aged 25.7±4.4 years were prospectively enrolled and n=1920 data sets were generated. The repeatability and reproducibility errors were determined by means of semi-automatic analysis of the data. The obtained results were the basis to demonstrate the disease burden in a rare childhood muscle disease by means of optoacoustic signals. For this purpose, n=10 patients with spinal muscular atrophy (SMA) (age: 8.74.3) and n=10 healthy controls (9.03.7) were prospectively studied.

Results and observations

RSOM-based detection was successful in visualizing vascular network in the explanted mouse kidneys. In males with chronic kidney disease, kidneys were smaller and had less absolute vascularization compared with unaffected mice. No differences were found in female mice. The results suggest a larger kidney mass in male mice with consecutive higher absolute vascular area. Immunohistochemical staining for endomucin (capillaries) and SM-actin (arterioles) confirmed significantly decreased vessel density in the genetically modified animal.

In the clinical application, the determination of 13 single wavelengths (SWL) between 660- 1210nm and 5 calculated MSOT parameters (deoxygenated/oxygenated/total hemoglobin, collagen and lipid) in healthy volunteers confirmed excellent intrarater reproducibility (Intraclass Correlation Coefficient, ICC, SWL: 0. 82-0.92; MSOT-parameter: 0.72-0.92) and interrater reproducibility (SWL: 0.79-0.87; MSOT-parameter: 0.78-0.86) with the exception of the MSOT-derived lipid parameter (0.56). In addition, the stability of the procedure was also confirmed over a 14-day period.

In SMA patients, MSOT visualized changes in the 800nm signal, the isosbestic point for hemoglobin. These signals resembled the structure of a degenerated muscle structure in the sense of a "moth-eaten"-like degeneration. The quantitative signal intensities correlated with standardized clinical testing procedures and the clinical degree of disease status.