Advanced

On the use of light for the characterization and treatment of malignant tumours

af Klinteberg, Claes LU (1999) In Lund Reports in Atomic Physics LRAP-245.
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Olika former av ljus har använts i åtminstone 5000 år i medicinska sammanhang. Man har i många tidiga kulturer använt solljus för att behandla olika sjukdomar. Under det senaste århundradet har användandet av ljus introducerats i den västerländska medicinen. Nya former av ljusterapi har införts. Med utvecklingen av lasern på 1960-talet dök nya användningsområden upp. Lasern kan till exempel användas som en kniv inom kirurgin eller för att korrigera synfel genom att omforma ögats lins. Under senare år har ljus från olika typer av lasrar och lampor använts för att hjälpa läkare att hitta bland annat olika former av cancer och förstadier till cancer, samt att behandla vissa av dessa sjukdomar. I... (More)
Popular Abstract in Swedish

Olika former av ljus har använts i åtminstone 5000 år i medicinska sammanhang. Man har i många tidiga kulturer använt solljus för att behandla olika sjukdomar. Under det senaste århundradet har användandet av ljus introducerats i den västerländska medicinen. Nya former av ljusterapi har införts. Med utvecklingen av lasern på 1960-talet dök nya användningsområden upp. Lasern kan till exempel användas som en kniv inom kirurgin eller för att korrigera synfel genom att omforma ögats lins. Under senare år har ljus från olika typer av lasrar och lampor använts för att hjälpa läkare att hitta bland annat olika former av cancer och förstadier till cancer, samt att behandla vissa av dessa sjukdomar. I avhandlingen beskrivs två tekniker för cancerdiagnostik och en metod att behandla vissa ytliga cancertyper, vilka för närvarande utvärderas för att kunna användas inom sjukvården.



För att kunna utveckla nya optiska metoder för undersökning och behandling av biologisk vävnad krävs det god kännedom om vad som händer med ljuset inne i vävnaden. För att få en uppfattning om detta kan man prova att i ett mörk rum sätta en ficklampa mot handflatan och titta på andra sidan av handen. Vad kan man dra för slutsatser av ett sådant enkelt experiment? Jo, man ser att handen "glöder" med ett rött sken, trots att man lyser med vitt ljus. Det beror på att det röda ljuset har lättast att passera genom kroppen utan att absorberas. Ljus med andra färger absorberas av olika ämnen i kroppen, främst av blod. Tittar man litet närmare på handen upptäcker man att man inte kan se några skuggor av benen i handen. Anledningen till detta är att kroppen sprider ljus kraftigt, på samma sätt som tjock dimma gör det omöjligt att se något om man tänder helljuset på bilen. På sin väg genom handen "studsar" ljuset omkring på ett slumpartat sätt innan det kommer ut på andra sidan. Även om handen endast är några få centimeter tjock, kommer det mesta ljuset att ha färdats flera decimeter. Det medför att man inte kan se några skuggor av benen i handen. Trots den kraftiga ljusspridningen i vävnaden går det att på olika sätt få en bild av till exempel benen i handen. Ett sätt är att lysa på handen med ljuspulser som är ungefär pikosekund (0,000 000 000 001 sekund) långa. Med hjälp av snabba instrument kan man mäta hur mycket ljus som har gått den kortaste vägen genom handen. Mängden ljus ändras om det till exempel finns ett ben på ljusets väg genom handen. Genom att mäta i en punkt i taget kan man få fram en bild. Denna och liknande metoder utvecklas nu som ett alternativ till mammografi för att hitta bröstcancer. I en vanlig mammografiundersökning använder man sig av röntgenstrålning för att undersöka bröstet. Man vet att röntgenstrålning kan påverka levande celler genom att skada dess DNA. På sikt kan detta leda till nya tumörer. Man bör därför begränsa den mängd röntgenstrålning en individ utsätts för. Synligt ljus har lägre energi än röntgenstrålning och kan därför inte orsaka skador på cellernas DNA. Tyvärr återstår det fortfarande en del tekniska problem innan man kan ersätta röntgenstrålningen med ljus. En del av dessa problem diskuteras i avhandlingen.



Det är även möjligt att använda fluorescens för att hitta vissa cancertyper. Man använder vanligen av violett eller ultraviolett ljus för att belysa en punkt eller en yta på kroppen. Detta ljus absorberas mycket ytligt av ämnen i kroppen, och det mesta ljuset tränger inte längre in i kroppen än ungefär 0,1 millimeter. När ljuset absorberas tillförs molekylerna extra energi. Denna extra energi vill molekylerna snabbt göra sig av med igen. Det kan till exempel ske genom att molekylerna sänder ut ljus igen, så kallad fluorescens. En del av den ursprungliga energin har gått förlorad på vägen. Därför kommer det ljus som molekylerna sänder ut att ha en lägre energi än det man använde för belysning. Ljus med lägre energi får en annan rödare färg. Vilka färger som ingår i fluorescensljuset bestäms av de molekyler som är inblandade i processen. Man har funnit att koncentrationen av olika ämnen och därmed fluorescensen är olika i tumör och frisk vävnad. Det är även möjligt att förstärka skillnaderna mellan frisk och sjuk vävnad genom att använda så kallade tumörmarkörer. Tumörmarkörer är ämnen med två karakteristiska egenskaper; de är starkt fluorescerande och de ansamlas i tumörer. Lyser man på tumörmarkörerna med blått eller violett ljus sänder de ut rött ljus, medan kroppen själv sänder ut blå-grönt ljus vid samma belysning. Eftersom det violetta ljuset inte tränger så långt in i kroppen som rött ljus kan fluorescensundersökningar endast användas för att studera ytliga förändringar, till exempel hudcancer. Genom att använda fiberoptik är det också möjligt att studera håligheter i kroppen, till exempel luft- och matstrupe, magsäck, tarmar och urinblåsa. Det går dock inte att använda denna metod för att hitta till exempel bröstcancer. I avhandlingen presenteras några olika mätinstrument som vi har utvecklat för att mäta fluorescensljuset antingen i en punkt åt gången eller på en större yta. Instrumenten har också använts för att se om det är möjligt att hitta förstadier till livmoderscancer samt för att undersöka vissa typer av hudcancer.



De flesta tumörmarkörerna som används för fluorescensundersökningar kan även användas för att behandla vissa cancerformer. Om man lyser på tumörmarkörerna med rött ljus så absorberas detta. Precis som vid fluorescens leder detta till att molekylerna får extra energi. Om markören med sin extra energi kolliderar med en syremolekyl, kan överskottsenergin överföras till syret. När detta sker, blir syremolekylerna mycket aggressiva och angriper andra ämnen i sin närhet. På så vis kan olika delar av cellerna förstöras, vilket i sin tur leder till celldöd. Eftersom tumörmarkören ansamlas i tumörer, är det cancerceller som dör. På så vis kan man behandla tumörer utan att skada frisk vävnad. Man använder alltså inte lasern för att bränna bort tumörer, utan metoden bygger helt och hållet på en kemisk reaktion i vävnaden. Ljuset behövs för att denna reaktion skall sättas igång. När tumörmarkörerna används för behandling brukar de kallas för fotosensibiliserare, eftersom "foto" innebär att ljus är inblandat och "sensibiliserare" betyder att något görs känsligt för i det här fallet ljus. Behandlingsformen kallas för fotodynamisk tumörterapi (Photodynamic therapy, PDT). Vi har använt PDT för att behandla basalcellscancer som är en vanligt förekommande hudcancerform. Vi har jämfört PDT med frysbehandling, som är den vanligaste metoden att ta bort dessa förändringar. Vi kom fram till att de två metoderna var ungefär lika effektiva, men att såret läkte fortare och ärrbildningen blev betydligt mindre efter PDT. En annan fördel med PDT är att man kan behandla hudcancer på till exempel näsa och ögonlocken där det inte går att göra en frysbehandling. Vi har även studerat hur behandlingsresultatet varierar när färgen på behandlingsljuset ändras, samt om det har någon betydelse om man använder pulsat ljus istället för ett fast sken.



Vid våra behandlingar lägger man på en salva med det fotosensibiliserande ämnet på området som skall behandlas. Salvan får ligga på några timmar före behandling för att ämnet skall tränga in i kroppen och ansamlas i tumören. Vi har studerat denna process med hjälp av fluorescens, för att kunna bestämma hur lång tid innan behandling man skall lägga på salvan för att få bästa resultat. Fluorescensen kan även användas för att bestämma hur länge man skall lysa på tumören vid behandling. Under behandlingen förstörs det aktiva ämnet och när inget fluorescensljus längre sänds ut kan behandlingen avslutas.



Efter behandlingen kan man använda en teknik kallad laser-doppler för att studera genomblödningen och därmed läkningen av det behandlade området. När ljus reflekteras mot ett rörligt föremål ändras våglängden på ljuset, vilket kan ses som en liten ändring av färgen på ljuset. Principen är den samma som när man passeras av en ambulans med påslagen siren. När ambulansen närmar sig ändras våglängden på ljudet och tonen blir högre, för att sedan minska när ambulansen avlägsnar sig igen. Genom att mäta ändringen i ljudets eller ljusets frekvens kan man räkna ut med vilken hastighet föremålet rörde sig. Denna teknik använder sig polisen av vid hastighetsövervakning med radar eller "laserpistol". Riktar man en laser mot kroppen kan man använda samma princip för att mäta blodkropparnas hastighet i kapillärerna. Man kan även räkna ut genomblödningen som man får genom att multiplicera koncentrationen av blodkroppar med deras hastighet. I en hudtumör är genomblödningen högre än den omkringliggande huden. Efter PDT eller frysbehandling ökar genomblödningen ännu mera i det sjuka området. En tid efter en lyckad behandling är genomblödningen likas stor överallt. Vi har konstaterat att denna läkning går fortare efter PDT än efter frysbehandling. Vi såg även att genomblödningen ökade igen i de områden där behandlingen inte lyckades helt. (Less)
Abstract
Some aspects on the use of light for tissue characterization and treatment of malignant tumours are discussed within this thesis. The work presented aims at improving optical techniques for tissue characterization, especially to detect malignant and pre-malignant lesions. A knowledge on the interaction between light and tissue is of utmost importance to understand and improve the various techniques. A relatively thorough discussion on the light propagation in scattering media is given. A commonly used mathematical model, the diffusion approximation of the transport equation, is derived. Moreover, knowledge of the optical properties of tissue, <i>i.e.</i>, the absorption and scattering coefficients, the scattering anisotropy,... (More)
Some aspects on the use of light for tissue characterization and treatment of malignant tumours are discussed within this thesis. The work presented aims at improving optical techniques for tissue characterization, especially to detect malignant and pre-malignant lesions. A knowledge on the interaction between light and tissue is of utmost importance to understand and improve the various techniques. A relatively thorough discussion on the light propagation in scattering media is given. A commonly used mathematical model, the diffusion approximation of the transport equation, is derived. Moreover, knowledge of the optical properties of tissue, <i>i.e.</i>, the absorption and scattering coefficients, the scattering anisotropy, and the refractive index, is needed to use the mathematical models. Various techniques for <i>in vivo</i> measurements of the tissue optical properties are presented. Furthermore, some of these techniques have been developed into prototype equipment to be used for breast cancer detection, as an alternative to the ordinary mammography based on ionizing X-rays.



A therapeutic modality, photodynamic therapy (PDT), presently being introduced into clinical practice has also been investigated. This technique relies on the selective uptake of a photosensitizing agent, and the subsequent irradiation using light. The light absorbed by the photosensitizer triggers a photochemical reaction, leading to local cell death. In the work presented here, d-aminolevulinic acid (ALA) induced protoporphyrin IX (PpIX) has been used as a photosensitizer. A randomized Phase III clinical trial has been conducted to compare PDT with cryosurgery for the treatment of basal cell carcinomas of the skin. The influence on the treatment of various parameters have been investigated and are discussed.



Laser-induced fluorescence studies were performed to detect and demarcate superficial malignant and pre-malignant lesions. Both the tissue autofluorescence and the characteristic emission of fluorescent tumour markers were employed. Fluorescence was also used to monitor the selective buildup and the photodegradation of the photosensitizer in connection to PDT, using a point-monitoring technique. Two fluorescence imaging systems have also been used to outline skin lesions.



Laser-Doppler perfusion imaging is a non-contact optical technique used to monitor the superficial blood perfusion, and was here used to evaluate the healing time following cryosurgery and PDT. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Assoc. Prof Tromberg, Bruce J, Beckman Laser Institute, University of California, Irvine, CA, USA
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Diffusion equation, Aminolevulinic acid, Protoporphyrin IX, Photodynamic therapy, Fluorescence spectroscopy, Fluorescence imaging, Laser-Doppler perfusion imaging, Atom- och molekylärfysik, Atomic and molecular physics, Multiple scattering, Tissue optics, Tissue optical properties, Fysicumarkivet A:1999:Klinteberg
in
Lund Reports in Atomic Physics
volume
LRAP-245
pages
302 pages
publisher
Division of Atomic Physics, Department of Physics, Faculty of Engineering, LTH, Lund University
defense location
Lecture Hall B, Department of Physics, Sölvegatan 14, Lund, Sweden
defense date
1999-05-07 10:15
external identifiers
  • Other:ISRN: LUTFD2/(TFAF-1039)/1-121/(1999)
ISBN
91-628-3511-4
language
English
LU publication?
yes
id
0c339cf9-4269-4e98-95bc-a5a61a511a0e (old id 39608)
date added to LUP
2007-09-28 09:11:22
date last changed
2016-09-19 08:45:13
@phdthesis{0c339cf9-4269-4e98-95bc-a5a61a511a0e,
  abstract     = {Some aspects on the use of light for tissue characterization and treatment of malignant tumours are discussed within this thesis. The work presented aims at improving optical techniques for tissue characterization, especially to detect malignant and pre-malignant lesions. A knowledge on the interaction between light and tissue is of utmost importance to understand and improve the various techniques. A relatively thorough discussion on the light propagation in scattering media is given. A commonly used mathematical model, the diffusion approximation of the transport equation, is derived. Moreover, knowledge of the optical properties of tissue, &lt;i&gt;i.e.&lt;/i&gt;, the absorption and scattering coefficients, the scattering anisotropy, and the refractive index, is needed to use the mathematical models. Various techniques for &lt;i&gt;in vivo&lt;/i&gt; measurements of the tissue optical properties are presented. Furthermore, some of these techniques have been developed into prototype equipment to be used for breast cancer detection, as an alternative to the ordinary mammography based on ionizing X-rays.<br/><br>
<br/><br>
A therapeutic modality, photodynamic therapy (PDT), presently being introduced into clinical practice has also been investigated. This technique relies on the selective uptake of a photosensitizing agent, and the subsequent irradiation using light. The light absorbed by the photosensitizer triggers a photochemical reaction, leading to local cell death. In the work presented here, d-aminolevulinic acid (ALA) induced protoporphyrin IX (PpIX) has been used as a photosensitizer. A randomized Phase III clinical trial has been conducted to compare PDT with cryosurgery for the treatment of basal cell carcinomas of the skin. The influence on the treatment of various parameters have been investigated and are discussed.<br/><br>
<br/><br>
Laser-induced fluorescence studies were performed to detect and demarcate superficial malignant and pre-malignant lesions. Both the tissue autofluorescence and the characteristic emission of fluorescent tumour markers were employed. Fluorescence was also used to monitor the selective buildup and the photodegradation of the photosensitizer in connection to PDT, using a point-monitoring technique. Two fluorescence imaging systems have also been used to outline skin lesions.<br/><br>
<br/><br>
Laser-Doppler perfusion imaging is a non-contact optical technique used to monitor the superficial blood perfusion, and was here used to evaluate the healing time following cryosurgery and PDT.},
  author       = {af Klinteberg, Claes},
  isbn         = {91-628-3511-4},
  keyword      = {Diffusion equation,Aminolevulinic acid,Protoporphyrin IX,Photodynamic therapy,Fluorescence spectroscopy,Fluorescence imaging,Laser-Doppler perfusion imaging,Atom- och molekylärfysik,Atomic and molecular physics,Multiple scattering,Tissue optics,Tissue optical properties,Fysicumarkivet A:1999:Klinteberg},
  language     = {eng},
  pages        = {302},
  publisher    = {Division of Atomic Physics, Department of Physics, Faculty of Engineering, LTH, Lund University},
  school       = {Lund University},
  series       = {Lund Reports in Atomic Physics},
  title        = {On the use of light for the characterization and treatment of malignant tumours},
  volume       = {LRAP-245},
  year         = {1999},
}