Methods, Instrumentation and Mechanisms for Optical Characterization of Tissue and Treatment of Malignant Tumours

Abstract

In this thesis, different optical methods utilising visible light for characterization of tissue have been developed and evaluated. The feasibility of many of these methods has been demonstrated in the laboratory or in animal experiments. However, the goal is naturally to develop methods useful in the clinic, and thus the emphasis in this thesis has been put on in vivo examinations.



Raman spectroscopy is an optical method that can provide information regarding vibrational modes in molecules and concentrations of tissue constituents. The Raman spectra contain sharp peaks and are suited for multivariate evaluation since one specific peak represents a vibrational mode that can be present in many different molecules. The Raman signal is weak and is often hidden in the strong fluorescence emission from tissue. The main challenge lies in the development of clinical Raman spectroscopy systems that are capable of recording Raman spectra with high resolution and low noise in a short accumulation time. This problem is discussed together with applications of Raman spectroscopy in cardiology and dermatology.



Fluorescence spectroscopy is another technique used for tissue characterization and detection of lesions. The application of fluorescence spectroscopy for the delineation of borders between normal and malignant tissue in oncological dermatology and neurosurgery is discussed as well as the potential of classification of myocardial biopsies from patients with transplanted hearts. The construction and usefulness of a small clinical system is also discussed. In the development of models capable of correlating fluorescence spectra with clinical diagnosis, the problem of biopsy location and biological variability within the biopsies has been addressed in a study of protocols for histopathological evaluation in the field of gynaecology.



The use of light for treatment of malignant tumours is often associated with the thermal impact of laser ‘knifes’ employed during excisions. However, light can also be a constituent in non-thermal photochemical reactions where light, together with a tumour-seeking photosensitizer and tissue oxygen, react and lead to critical cell death, which kills tumours. This treatment modality is called photodynamic therapy and some of the involved mechanisms have been explored in the thesis. Due to the limited penetration of visible light, a system for interstitial delivery of treatment light has been developed to be able to treat thicker and deeply located tumours. The dosimetry is important and the photodynamic threshold dose has been estimated.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Denna avhandling handlar om hur ljus kan användas för att detektera, diagnosticera och behandla olika medicinska sjukdomstillstånd. Det vi dagligen kallar ljus är bara en liten del av det elektromagenetiska spektret, nämligen den del vi kan uppfatta med våra ögon. Elektromagnetisk strålning med andra våglängder används i stor utsträckning för klinisk diagnostik. Röntgenstrålning, mikrovågor och gammastrålning är andra exempel på strålning som används för behandling av olika sjudomstillstånd, men det är det synliga ljusets interaktion med vävnad som denna avhandling handlar om.



Genom att sända in ljus i vävnad och med hjälp av känsliga ljusdetektorer mäta ljuset som kommer tillbaka kan man få kunskap om vävnadens ämnesinnehåll och på så sätt göra en diagnos. Lasrar är praktiska att använda då dessa har en välspecifierad emissionsvåglängd (färg), en hög uteffekt och ljusstrålen utbreder sig rätlinjigt i en smal stråle. Ljus från en laser går lätt att sända in i tunna optiska fibrer och på så sätt kan man mäta i hålrum inuti kroppen genom endoskop och nålar. De ljusenergier som används är små och leder inte till någon nämnvärd uppvärmning av vävnaden. Istället är det ljusets interaktion med molekylernas energinivåer som är det intressanta.



Alla har vi någon gång försökt lysa genom handen med en vanlig ficklampa. Då kan man observera två fenomen; man ser inga skuggor av ben i handen och ljuset som kommer ut är rött. Vävnad består av celler vars cellmembran och inre organeller fungerar som små ytor där ljus kan reflekteras och byta riktning. Synligt ljus (till skillnad från röntgenstrålning) studsar omkring i vävnad och på andra sidan handen kommer ljuset ut diffust. Detta fenomen kallas för spridning och vävnad, i likhet med dimma, moln och mjölk, benämns som ett spridande material.



Vid vanlig (elastisk) spridning bevaras ljusets energi och det spridda ljuset har samma våglängd som det inkommande. Det finns även en mer sällsynt spridningsprocess, Ramanspridning, då det spridda ljusets våglängd förändras något då ljuset sprids mot en vibrerande eller roterande molekyl. Genom att analysera energiskiftet i det spridda ljuset, kan man få information om vilka vibrations- och rotationsenergier som finns. Från dessa energier kan man dra slutsatser om molekylerna som ingår i vävnaden vilket ger en uppfattning om vävnadstyp. Denna metod beskrivs i avhandlingen och ett mobilt system har konstruerats för kliniska studier. Mätningar har utförts på patienter för att försöka särskilja olika typer av hudtumörer och i syfte att undersöka om man kan karakterisera de ingående molekylerna i hjärt- och kärlvävnad.



Hemoglobin är det protein i de röda blodkropparna som transporterar syre från lungorna ut till resten av kroppen. Det är en stark absorbator som tillsammans med melanin (hudens pigment) och andra svagare absorbatorer absorberar grönt och blått ljus vilket leder till att ljuset ser rött ut på andra sidan handen.



En del ämnen har förmåga att fluorescera, dvs. sända ut synligt ljus i olika färger då de belyses med osynligt ultraviolett eller blått ljus med kort våglängd. I vävnad finns det ett fåtal molekyler som har denna förmåga, bl a kollagen, elastin, NADH, ß-karoten, tryptofan och porfyriner. Genom att analysera fluorescensen från vävnad kan man se skillnader mellan olika vävnadstyper. Inom ramen för avhandlingen har utrustning för att mäta vävnadsfluorescens konstruerats och utvärderats. I avhandlingen har studier för att skilja tumörer i huden, på livmoderhalstappen och i hjärnan från normal vävnad utförts. Studier för att se skillnad på avstött hjärtvävnad från normal hjärtmuskel hos personer med transplanterat hjärta har genomförts och även försök att karakterisera olika grader av åderförkalkning i kärlvävnad.



Både Raman och fluorescensspektroskopi är potentiella optiska metoder som utan att orsaka skada kan diagnosticera vävnad i realtid. De kan används för tidig detektion av pre-cancerogena förändringar och som hjälp vid biopsitagning i vävnader där det inte är uppenbart var man skall ta vävnadsprov för mikroskopisk analys, t ex i lungan eller i urinblåsan. Avbildande fluorescens system är till stor hjälp i de fall där en biopsitagning tar bort viktig vävnad, t ex vid stämbandscancer.



Genom att ge patienterna en viss aminosyra, ALA, kommer stora mängder av ett fluorescerande ämne, protoporphyrin IX (PpIX), att ansamlas i högre grad i malign vävnad än i normal på grund av enzymatiska skillnader. Då PpIX fluorescerar starkt i rött är det lätt att skilja den från den blå-gröna fluorescensen från vävnadens egna molekyler. På så sätt blir cancerdetektionen mer känslig.



PpIX kan även användas för behandling av tumörer. ALA ges då i en större dos och efter 3-4 timar kan patienten behandlas. Området belyses vid behandling med en röd laser med samma våglängd (635 nm) där man tidigare mätte fluorescensen, och energin absorberas då av PpIX. Energin omfördelas i PpIX så att dess energitillstånd matchar en energiövergång i syre som finns i vävnaden. Vid kollision överförs energin och syret blir en syreradikal som oxiderar allt i sin närhet. Då PpIX finns i cellens membran går dessa sönder och cellen dör. Efter detta förlopp är PpIX i sitt ursprungstillstånd och kan absorbera nya ljusfotoner. Hela processen är fotokemisk och benämns fotodynamisk tumörterapi eller Photodynamic Therapy (PDT). Då PpIX ansamlas i större grad i tumörvävnad än i normal, är behandlingen selektiv och man kan alltså belysa ett stort område och ändå bara döda tumörceller.



En del av avhandlingen är studier av de olika mekanismerna som finns vid PDT. Då hudtumörer behandlas genom att belysa vävnaden från ytan med laserljus har mätningar gjorts av hudens temperatur med hjälp av en värmekamera. Även om patienten kan uppleva PDT behandlingen som brännande och stickande är det i princip ingen värme inblandad eftersom det är en rent kemisk process. En liten del av behandlingsljuset absorberas av hudens melanin men ger alltså inte upphov till någon nämnvärd värme. För att PDT skall fungera krävs det syre som transporteras ut i vävnaden med blodet. Mätningar har gjorts med ett svepande lasersystem som mäter Doppler skiftet på en del av ljus som reflekteras mot blodkroppar i rörelse. Man kan då erhålla en bild över blodflödet i tumören och utanför. Mätningar utfördes före, direkt efter och en timme efter behandlingen, och intressanta skillnader uppvisades.



Som beskrivits ovan, är det röda behandlingsljusets inträngningsdjup i vävnad begränsad till ett par millimeter. För att kunna behandla tjockare tumörer och tumörer inbäddade i vävnad, har system för interstitiell PDT (IPDT) utvecklats. Ljuset skickas genom tunna optiska fibrer som sätts in i vävnaden med hjälp av nålar. På så sätt kan en större tumörmassa behandlas. För att kontrollera behandlingen krävs en god kunskap om dosimetrin, dvs hur ljuset fördelar sig. Experimentella försök har gjorts på råttor med inplanterade tumörer på bakbenen, för att få kunskap om den ljusdos och koncentration av det sensibiliserande ämnet som krävs för att vävnaden skall dö. Tekniken har även används vid klinisk behandling av tjocka tumörer.

• author: Pålsson, Sara
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Prof Bigio, Irving J.
• organization: Atomic Physics
• publishing date: 2003
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Atom and Molecular Physics and Optics
• keywords: temperature, perfusion, PDT, photodynamic therapy, mechanisms, tissue characterization, instrumentation, optical biopsy, fluorescence spectroscopy, spectroscopy techniques, Raman spectroscopy, interstitial photodynamic therapy, photodynamic threshold dose, Atomic and molecular physics, Atom- och molekylärfysik
• in: Lund Reports in Atomic Physics
• volume: LRAP-295
• pages: 250 pages
• defense location: Physics Department, hall B
• defense date: 2003-03-14 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUTFD2(TFAF-1051)1-57(2003)
• ISSN: 0281-2762
• ISBN: 91-628-5560-3
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: I. S. Pålsson, N. Bendsoe, K. Svanberg, S. Andersson-Engels and S. Svanberg, NIR Raman spectroscopy for in vivo characterization of skin lesions, Submitted to Photochemistry and Photobiology (2003). Article: II. J. Swartling, S. Pålsson, P. Platonov, B. Olsson and S. Andersson-Engels, Changes in tissue optical properties due to radio frequency ablation of myocardium, Resubmitted to Medical and Biological Engineering and Computing, after minor corrections (2003). Article: III. S. Pålsson, S. Yuan, B. Kornhall, M. Block, L. Johansson, B. Olsson and S. Andersson-Engels, Laser-induced fluorescence examination of myocardial biopsies in patients with transplanted hearts, Submitted to Journal of Biomedical Optics (2002). Article: IV. U. Gustafsson, S. Pålsson and S. Svanberg, Compact fibre-optic fluorosensor using a continuous wave violet diode laser and an integrated spectrometer, Rev. Sci. Instrum. 71, 3004-3006 (2000). Article: V. S. Pålsson, E.-O. Backlund, O. Eriksson, P. Lundberg, P. Sturnegk, K. Wårdell, K. Svanberg and S. Andersson-Engels, ALA-PpIX fluorescence spectroscopy studied during stereotactic biopsy of human glioblastomas, Manuscript in preparation (2003). Article: VI. S. Pålsson, U. Stenram, M. Soto Thompson, A. Vaitkuviene, V. Puskiene, R. Ziobakiene, J. Oyama, U. Gustafsson, M.J. DeWeert, N. Bendsoe, S. Andersson-Engels, S. Svanberg and K. Svanberg, Methods for detailed histopathological investigation and localisation of cervical biopsies to improve the interpretation of autofluorescence data, Submitted to Lasers in Surgery and Medicine (2003). Article: VII. U. Gustafsson, E. McLaughlin, E. Jacobson, J. Håkansson, P. Troy, M.J. DeWeert, S. Pålsson, M. Soto Thompson, S. Svanberg, A. Vaitkuviene and K. Svanberg. Fluorescence and reflectance monitoring of human cervical tissue in vivo - A case study, in Spectral Imaging: Instrumentation, Applications and Analysis, Proc. SPIE 4959-12, To appear (2003). Article: VIII. M.J. DeWeert, J. Oyama, E. McLaughlin, E. Jacobson, J. Håkansson, G.S. Bignami, U. Gustafsson, P. Troy, V. Poskiene, K. Kriukelyte, R. Ziobakiene, A. Vaitkuviene, S. Pålsson, M. Soto Thompson, U. Stenram, S. Andersson-Engels, S. Svanberg and K. Svanberg, Analysis of the spatial variability in hyperspectral imagery of the uterine cervix in vivo, in Spectral Imaging: Instrumentation, Applications and Analysis, Proc. SPIE 4959-08, To appear (2003). Article: IX. M. Soto Thompson, L. Gustafsson, S. Pålsson, N. Bendsoe, M. Stenberg, C. af Klinteberg, S. Andersson-Engels and K. Svanberg, Photodynamic therapy and diagnostic measurements of basal cell carcinomas using esterified and non-esterified δ-aminolevulinic acid, J. Porphyrins Phthalocyanines 5, 147-153 (2001). Article: X. S. Pålsson, L. Gustafsson, M. Soto Thompson, M. Stenberg, N. Bendsoe, S. Andersson-Engels and K. Svanberg, Kinetics of the superficial perfusion and temperature in connection with photodynamic therapy of basal cell carcinomas using esterified and non-esterified 5-aminolevulinic acid, British Journal of Dermatology, In press (2003). Article: XI. I. Karu, S. Pålsson, I. Wang, C. af Klinteberg, N. Bendsoe, S. Andersson-Engels, S. Svanberg and K. Svanberg, Photodynamic therapy using δ-amino levulinic acid and intensity modulated diode laser light, Manuscript in preparation (2003). Article: XII. S. Pålsson, L. Gustafsson, U. Stenram, M. Soto Thompson, S. Svanberg, K. Svanberg and S. Andersson-Engels, Estimation of the protoporphyrin IX photodynamic threshold dose, Submitted to Photochemistry and Photobiology (2003). Article: XIII. M. Stenberg, M. Soto Thompson, T. Johansson, S. Pålsson, C. af Klinteberg, S. Andersson-Engels, U. Stenram, S. Svanberg and K. Svanberg, Interstitial photodynamic therapy - diagnostic measurements and treatment in malignant experimental rat tumours, in Optical Biopsy and Tissue Optics, eds. I.J. Bigio, G.J. Mueller, G.J. Puppels, R.W. Steiner and K. Svanberg, Proc. SPIE 4161, 151-157 (2000). Article: XIV. M. Soto Thompson, T. Johansson, S. Pålsson, S. Andersson-Engels, S. Svanberg, N. Bendsoe, U. Stenram, K. Svanberg, J. Spigulis, A. Derjabo and J. Kapostins, Photodynamic therapy of basal cell carcinoma with multi-fibre contact light delivery, Submitted to the British Journal of Dermatology (2003).
• id: 9fe89705-ddc4-40e7-95fa-06a006200d7f (old id 465481)
• date added to LUP: 2016-04-01 15:47:38
• date last changed: 2019-05-21 17:54:06