Optical characterization of tissue for medical diagnostics

Abstract

This thesis deals with the development and evaluation of some different optical techniques for tissue characterization. The main aim has been to improve and evaluate such investigative techniques in <i>in vivo</i> studies. In this attempt a key issue has been to gain understanding in the underlying mechanisms of laser-based diagnostics of premalignant and malignant lesions and to evaluate methods for efficient analysis of acquired data. In particular, photon migration-based methods, aiming at the characterization of thick tissues such as the female breast, and laser-induced fluorescence for detection of superficial malignant and premalignant lesions have been studied.



Novel time and frequency domain techniques have been employed to determine the optical properties at multiple wavelengths in healthy breast tissue of volunteers. These techniques have proven to be capable of simultaneously determining the fat, water and haemoglobin concentrations in the tissue. This might be essential in the effort to find a reliable intrinsic contrast for optical breast cancer detection. Another technique, based on interference between photon density waves, is improved and its potential for detection of small inhomogeneities in turbid media is evaluated.



The potential of laser-induced fluorescence (LIF) spectroscopy to distinguish between malignant, premalignant and benign lesions <i>in vivo</i> in the colon and in the larynx has been studied. This is an interesting technique, since it could provide information about tissue pathology in real-time during endoscopic examination, thus reducing sampling error in the biopsy procedure. LIF could also help the physician characterize and demarcate lesions for optimal therapy. The technique is shown to be a powerful tool during colonoscopy – fluorescence could to a high degree of accuracy distinguish neoplastic polyps from non-neoplastic polyps and normal mucosa. Also the results from the larynx are promising, lesions could be distinguished from normal, and different lesion types could to some degree be separated. Both autofluorescence and the characteristic fluorescence from d-aminolevulinic acid induced protoporphyrin IX have been studied. Different statistical tools for evaluation of fluorescence emission spectra have been used. In particular, multivariate analysis tools such as multivariate linear regression and partial least squares analysis have been employed. Fluorescence imaging of basal cell carcinomas on the skin, using a multi-wavelength and a fluorescence lifetime system has been performed.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Sammanfattning på svenska



Denna doktorsavhandling beskriver några olika optiska metoder för diagnostik av biologisk vävnad. Målet har främst varit att utvärdera och förbättra dessa metoder för att kunna skilja mellan olika typer av cancertumörer, eller förstadier till sådana, och frisk vävnad. Om uppmätta data behandlas på ett lämpligt sätt kan man få information om vävnadens status direkt under undersökningens gång, utan att behöva ta något vävnadsprov.



Lasern har fått många användningsområden inom medicinen sedan den utvecklades på 1960-talet. De vanligaste och mest kända av dem är nog inom kirurgin och för olika typer av ögonbehandlingar. Då används lasern för att skära eller hyvla i vävnaden, och mycket intensivt laserljus krävs. När det gäller cancerdiagnostik används betydligt svagare laserintensiteter. Ljusenergin är i detta fall så låg att den knappt ens värmer upp vävnaden, ännu mindre skär i den. Anledningen att man använder lasrar är alltså inte främst den höga intensiteten, utan till exempel att man kan välja vilken våglängd (färg) man vill att ljuset ska ha, vilket kan vara viktigt. Att ljuset från en laser är parallellt är också ofta en fördel, eftersom man då effektivt kan sända det genom en optisk fiber.



I princip är det två olika metoder för cancerdiagnostik som har studerats inom ramen för denna avhandling: diagnostik med diffusa fotonvågor och laser-inducerad fluorescens. Mätningar har gjorts på bröstvävnad, stämband, tarmslemhinna och hud. Avhandlingen består av en introduktion, som ger den teoretiska bakgrunden till arbetet, samt tio vetenskapliga artiklar.



<i>Diagnostik med diffusa fotonvågor</i>



Den här typen av diagnostik är främst intressant för undersökning av bröst (optisk mammografi), men kan också användas till exempel för att hitta blödningar i hjärnan. Bröstcancer är den i särklass vanligaste cancerformen hos svenska kvinnor idag. Man beräknar att ungefär var tionde svensk kvinna kommer att få bröstcancer under sin livstid. För en lyckad behandling är det viktigt att hitta tumörerna på ett så tidigt stadium som möjligt. Fördelen med att använda ljus är framför allt att det är ofarligt, att utrustningen är relativt billig och att man kan få information om fysiologiska egenskaper hos vävnaden som inte kan urskiljas med konventionell mammografi.



Ljus som utbreder sig i vävnad sprids och absorberas av strukturer och molekyler i och utanför cellerna. Både spridningen och absorptionen beror på ljusets våglängd. Hemoglobin och vatten är de viktigaste absorberande molekylerna för synligt ljus. Mellan 600 och 1300 nanometer, dvs i det röda och nära infraröda våglängdsområdet är absorptionen relativt låg, och ljuset kan tränga flera centimeter in i vävnaden. Spridningen är dock ganska hög i detta våglängdsområde, vilket försämrar upplösningen. Om man skickar in en kort ljuspuls eller en våg som varierar periodiskt i intensitet, utbreder sig ljuset genom vävnaden som en så kallad diffus fotonvåg. Genom att mäta tidsberoendet hos det ljus kommer kommer ut på andra sidan bröstet, eller på samma sida en bit ifrån ljuskällan, kan man bestämma hur mycket ljuset spridits och absorberats inne i vävnaden, och förbättra upplösningen. Både spridningen och absorptionen varierar mycket mellan olika vävnadstyper och individer. Tumörer har också ofta andra optiska egenskaper än normal bröstvävnad, beroende på till exempel högre hemoglobin-innehåll, mindre fett och mer fibrös vävnad runt tumören. I avhandlingen behandlas några olika tekniker som kan användas för att bestämma spridning och absorption i vävnad. Koncentrationer av vatten, hemoglobin och fett samt blodets syresättning har kunnat bestämmas från mätningar på frisk bröstvävnad.



<i>Laser-inducerad fluorescens</i>



Laser-inducerad fluorescens (LIF) är en metod där man sänder in ljus i vävnaden och observerar den fluorescens som vävnaden då avger. Fluorescens innebär i grova drag att om man sänder ljus mot någon materia (som i princip kan vara vad som helst, t ex papper, någon gas, eller i detta fallet biologisk vävnad), kan ljuset absorberas av molekylerna i materian. Ljuset tillför molekylerna extra energi. Denna extra energi måste dock molekylerna göra sig av med igen, till exempel genom att skicka ut ljus igen, fluorescens. En del energi har alltid gått förlorad på vägen, så fluorescensen har en lägre energi, dvs en rödare färg än det ursprungliga ljuset. Vilka färger fluorescensen består av beror på vilka molekyler det gäller. I vävnad är det bland annat kollagen och NADH som bidrar till fluorescenssignalen. Man har funnit att tumörvävnad och olika förstadier till tumör ger en fluorescens som ser annorlunda ut än den som kommer från frisk vävnad. Detta hoppas man kunna använda för att hitta förändringar som annars är svåra att se.



Man har också provat att mäta fluorescensen på patienter som man har gett någon så kallad tumörmarkör. Tumörmarkören ansamlas i sjuk vävnad och ger en kraftig fluorescens. I vissa fall tror man att detta kan ge en ännu tydligare skillnad mellan fluorescensen från normal och sjuk vävnad. I den här avhandlingen har en tumörmarkör som heter ALA använts. ALA i pulverform rördes ut i juice och gavs till patienterna ett par timmar före undersökningen. ALA är ett kropps-eget ämne, dvs det finns naturligt i kroppens celler. Det är ett förstadium till färgämnet hem, som är den del av hemoglobin som binder syre och ger blodet dess röda färg. Det är inte ALA som fluorescerar, utan ett ämne som cellerna omvandlar ALA till (protoporfyrin IX, PpIX, också ett förstadium till hem). Om man ger patienten ett litet överskott av ALA kommer detta att yttra sig som ett överskott av PpIX i tumörcellerna. Därför kan man urskilja tumörvävnaden som den vävnad där man ser fluorescens ifrån PpIX.



En nackdel med fluorescenstekniken är att man använder ljus i violett eller ultraviolett, och detta ljus tränger bara bråkdelen av en millimeter in i vävnaden innan allt är absorberat. Man kan alltså bara mäta på förändringar som ligger ytligt. Men metoden är ändå mycket intressant, tack vare att man kan sända ljuset genom tunna optiska fibrer. Dessa fibrer används både till att leda ljuset till den vävnad som ska undersökas och till att samla upp fluorescensljuset. De är nämligen så tunna (oftast mindre än 1 mm i diameter) att de kan stickas in i endoskop. Endoskop är rörformade, ofta böjliga instrument som används för att undersöka kroppshåligheter som inte kan nås med blotta ögat. Fluorescensdiagnostik i kombination med endoskopi kan användas för att undersöka t ex luftvägar, matstrupe, tjocktarm och urinblåsa. Man kan då få information om vävnaden direkt medan undersökningen pågår, och detta kan vara till hjälp för att skilja olika typer av förändringar, hitta misstänkta områden där vävnadsprov bör tas och se tumörgränser vid kirurgi.

• author: Eker, Charlotta
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Sevick-Muraca, Eva, Texas A&M University, College Station, USA
• publishing date: 1999
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Atom and Molecular Physics and Optics
• keywords: tissue optical properties, tissue optics, near-infrared spectroscopy, multiple scattering, light propagation in tissues, fluorescence spectroscopy, optical mammography, in vivo diagnostics, Atomic and molecular physics, Atom- och molekylärfysik, Fysicumarkivet A:1999:Eker
• pages: 212 pages
• defense location: Lecture hall B, Physics Department, Sölvegatan 14, Lund.
• defense date: 1999-12-03 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUTFD2/(TFAF-1041)1-96(1999)
• ISBN: 91-628-3889-X
• language: English
• LU publication?: no
• id: d597639b-c93e-466f-bb1d-e2419a4d02c7 (old id 40128)
• date added to LUP: 2016-04-04 12:08:07
• date last changed: 2018-11-21 21:09:11