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Authors: Geiger, Florian Benedikt
Title: Ein bildgebendes Quantenkaskadenlaser-Spektrometer zur intraoperativen Gewebedifferenzierung in der chirurgischen Onkologie
Other Titles: A quantum cascade laser based imaging spectrometer for the intraoperative tissue differentiation in surgical oncology
Issue Date: 2015
metadata.ubs.publikation.typ: Dissertation
URI: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-103351
http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/4639
http://dx.doi.org/10.18419/opus-4622
Abstract: Zentrales Ziel der chirurgischen Onkologie ist i. d. R. die vollständige Entfernung (Resektion) eines Tumors, um Rückfälle (Rezidive) zu vermeiden. Tumoren werden daher in den moisten Fällen mit ausreichendem Sicherheitsabstand im gesunden Gewebe entfernt. Dem gegenüber steht, dass zur Schonung des Patienten die Resektion von so wenig Gewebe wie möglich angestrebt wird. Diese beiden Aspekte lassen sich am besten miteinander in Einklang bringen, wenn ein Tumor möglichst exakt entlang seiner Grenze entnommen wird. Voraussetzung dafür ist jedoch eine klare Identifizierung von tumorösen und gesunden Bereichen. Tumoren sind allerdings häufig sowohl optisch als auch haptisch schlecht von ihrem Umgebungsgewebe abzugrenzen, weswegen Hilfsmittel zur Gewebedifferenzierung notwendig sind. Bisher verfügbare Systeme zur Gewebedifferenzierung sind nur eingeschränkt in einer Operationsumgebung (intraoperativ) nutzbar, beispielsweise aufgrund ionisierender Strahlung (z.B. Computertomographie), herausfordernder gerätetechnischer Umsetzung (z.B. Magnetresonanztomographie) oder geringer räumlicher Auflösung (z.B. Sonographie). Um diese Nachteile des Stands der Technik zu vermeiden, ist der Ansatz der vorliegenden Arbeit Gewebedifferenzierung durch hyperspektrale Bildgebung im mittleren Infrarotbereich (MIR) mit dem Ziel des Einsatzes am lebenden Gewebe (in vivo). Die Unterscheidungsmöglichkeit zwischen tumorösem und gesundem Gewebe durch hyperspektrale Bildgebung im MIR wurde durch verschiedene Forschungsgruppen nachgewiesen. Bei den in diesen Untersuchungen verwendeten Proben handelte es sich jedoch um aufwändig vorbehandelte und getrocknete Gewebeschnitte, die sich vor allem aufgrund der dadurch bedingten Abwesenheit von Wasser entscheidend anders verhalten als lebendes bzw. frisches Gewebe. Für die Untersuchungen wurden zudem etablierte Fourier-Transformations-Infrarot-Spektrometer (FTIR-Spektrometer) verwendet, die aufgrund ihrer Größe, ihres Gewichts sowie der benötigten Stickstoffkühlung nur begrenzt das Potenzial zeigen, intraoperativ eingesetzt zu werden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde daher ein Spektrometer entwickelt, das die Messung von frischen, ungetrockneten (nativen) Proben ermöglicht und das potenziell für intraoperative Messungen am lebenden Gewebe eingesetzt werden kann. Die zwei zentralen Elemente des entwickelten Spektrometers sind zum einen die Verwendung von erst seit Kurzem erhältlichen breit durchstimmbaren Quantenkaskadenlasern (QCLs) und zum anderen die Verwendung abgeschwächter Totalreflexion (ATR). Breit durchstimmbare QCLs bieten im Hinblick auf die genannte Anwendung diverse Vorteile gegenüber FTIR-Spektrometern, wie z.B. geringeres Gewicht, geringere Größe oder einfachere Handhabbarkeit und zeigen somit das Potential, intraoperativ als Teil eines handgeführten Geräts eingesetzt zu werden. Die Verwendung von ATR bietet darüber hinaus die Möglichkeit, auf der Oberfläche native Proben befindliches Wasser zu verdrängen und somit auch an nativen Proben hyperspektrale Bildgebung im MIR durchzuführen. Anhand des realisierten QCL-Spektrometers wurde an frisch entnommenen Tierproben unter Laborbedingungen gezeigt, dass mit dem verwendeten spektroskopischen Verfahren im Gegensatz zum Stand der Forschung eine bildgebende Differenzierung auch von nativem tumorösem und gesundem Gewebe möglich ist. Mit Fortschreiten der neuartigen Technologie breitbandiger Quantenkaskadenlaser kann diese Erkenntnis in Zukunft dazu genutzt werden, ein intraoperatives Bildgebungssystem zu schaffen, das eine Identifizierung von Tumorbereichen unmittelbar vor der Gewebeentfernung (Resektion) in vivo und in Echtzeit ermöglicht. Ein solches Assistenzsystem würde Chirurgen bei der exakten Tumorresektion unterstützen und so zu maximal schonenden Eingriffen führen. Es könnten die Zahl der Rückfälle (Rezidive) gesenkt, die Rehabilitationszeit verkürzt und die Kosten des Krankheitsverlaufs reduziert werden.
The main objective in surgical oncology is usually the complete removal (resection) of a tumor in order to avoid recurrence. This means that in most cases tumorous tissue is removed along with a rim of normal tissue around it (safety margins). However, because resection of as little tissue as possible is important to reduce negative effects on patients, the optimal procedure is to remove a tumor exactly along its border. To ensure this, clear identification of tumorous and healthy regions is necessary. Most tumors, however, are hard to differentiate from the tissue around them both optically and haptically. Therefore tissue differentiating devices are needed. Available medical imaging technology shows limitations concerning intraoperative use. The reasons for this are, for example, ionizing radiation (e.g. computed tomography), challenging device implementation (e.g. magnetic resonance tomography) and poor resolution (e.g. sonography). To avoid these disadvantages, this thesis presents an approach that includes tissue differentiation by using hyperspectral imaging in the mid infrared region (MIR), aiming for in vivo use. The differentiation of tumorous and healthy tissue by hyperspectral imaging in the MIR has been shown by various research groups. The tissue used for those experiments, however, was dried and therefore showed significantly different spectral behavior compared to fresh or in vivo tissue. Furthermore those experiments were conducted using prevalent Fourier transform infrared (FTIR) spectrometers. Those devices have limited potential to be used intraoperatively due to their size, weight and need for liquid nitrogen cooling. For these reasons, a spectrometer was developed in this thesis that allows imaging of fresh and undried (native) tissue and shows the potential for intraoperative use. The two main elements of the spectrometer are, firstly, the use of novel broadly tunable quantum cascade lasers (QCLs) and, secondly, the use of attenuated total reflection (ATR). QCLs are significantly lighter, smaller and easier to handle than FTIR spectrometers and therefore show the potential to be used intraoperatively as part of a handheld device. ATR additionally allows hyperspectral imaging of native samples in the MIR. The reason for this is that the thickness of water layers on a fresh tissue’s surface can be minimized by pressing an ATR crystal onto the sample. Laboratory experiments using the developed spectrometer show that, in contrast to the results of research mentioned above, differentiation of native tumorous and healthy animal tissue is indeed feasible. Using advanced broadband QCLs in the future, these findings can be used for an intraoperative imaging system that allows in vivo and real time identification of tumor areas immediately before resection. Such a device would help surgeons to minimize safety margins and thus reduce negative effects on the patient. Recurrence rates could be decreased, as well as the time for convalescence and medical expenses.
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