Bestimmung optischer Gewebeeigenschaften in vivo: Messungen an Blasenwand und Gehirngewebe

T. Beck, W. Beyer, S. Wagner, H. Stepp, T. Pongratz, W. Stummer, R. Waidelich

Laser-Forschungslabor, Klinikum Großhadern, Ludwig-Maximilians-Universität München

Einführung: Für die klinische Anwendung der Photodynamischen Diagnostik und Therapie (PDD, PDT) spielt die effektive Eindringtiefe des Lichts eine entscheidende Rolle. Diese ist abhängig von der Wellenlänge des verwendeten Lichts und begrenzt das Gewebevolumen, welches untersucht bzw. behandelt wird. Daher ist es für eine verlässliche Beurteilung der angewendeten Methoden notwendig, die tatsächliche Eindringtiefe des Lichts und damit auch die optischen Eigenschaften des Gewebes zu kennen. Da es sich bei Gewebe um ein streuendes Medium handelt, kann man dessen optische Eigenschaften in guter Näherung durch zwei Parameter beschreiben: den Absorptionskoeffizienten μ_a und den reduzierten Streukoeffizienten μ_s’.

Material und Methoden: Zur Bestimmung der beiden gewebespezifischen Parameter wurden zwei unabhängige Messungen durchgeführt. Im ersten Schritt wurde die zu untersuchende Gewebestelle mit Weißlicht beleuchtet und das diffus zurückgestreute Licht spektral gemessen. Das so erhaltene Rückstreuvermögen ergibt das Verhältnis von μ_a zu μ_s’. Im zweiten Schritt wurde Licht mit einer bestimmter Wellenlänge (λ = 420-450nm, 532nm, und 635nm) über eine Lichtleitfaser punktuell eingestrahlt mit einer CCD-Kamera die Rückstreuung in Abhängigkeit vom seitlichen Abstand zur Faser vermessen (Abb. 1). Dies geschah entweder direkt bei der offenen Operation (Gehirn) oder durch den Arbeitskanal eines Endoskops (Blasenwand). Zu dem Verhältnis μ_a / μ_s’ wurden Monte-Carlo-Rechungen durchgeführt, an welche die gemessenen Rückstreuprofile angepaßt wurden. Der Fit der Kurve erfolgte über eine Anpassung der x-Achse (Abstand) und die y-Achse (Skalierungsfaktor) angepaßt. Das Ergebnis dieser Anpassung ergab die effektive Eindringtiefe als resultierenden Fitparameter, wodurch über das ermittelte Verhältnis μ_a / μ_s’ der Absorptionskoeffizient und der reduzierte Streukoeffizient abgeleitet werden konnten.

Ergebnisse und Diskussion: Insgesamt wurden 12 Patienten in der Urologie und 11 Patienten in Neurochirurgie untersucht. Als wichtiger Parameter wurde in Abb. 2 die effektiven Eindringtiefen für die drei Farben rot, grün und blau dargestellt.

Abb. 1: Ortaufgelöste Rückstreuung in Abhängigkeit vom seitlichen Abstand zur Faser. Messung für punktuelle Beleuchtung mit λ=635nm an der Blasenwand. Das Rückstreuvermögen betrug 65% und die resultierende effektive Eindringtiefe war 8,1mm.

Abb. 2: Effektive Eindringtiefe von rotem, grünem und blauem Licht für die Blasenwand (A) und für Gehirngewebe (B).

Beide Gewebearten zeigen eine deutlich höhere Eindringtiefe für rot, als für grün und blau. Im Vergleich der beiden Gewebetypen untereinander zeigt sich, dass für alle drei Wellenlängen das Gehirngewebe eine um den Faktor 3 geringere Eindringtiefe aufweist als die Blasenwand.