Untersuchung von Lipödemen, Lymphödemen und Gefäßmalformationen mittels multispektraler optoakustischer Tomographie (MSOT)

Bisher verläuft die Diagnostik von Erkrankungen mit veränderter Fettgewebsarchitektur meist langsam und hängt stark von der Erfahrung des Untersuchers ab, so dass es oft mehrere Jahre dauert, bis der Patient richtig behandelt wird. Aktuelle bildgebende Verfahren zur quantitativen Beurteilung des Unterhautfettgewebes liefern nur unspezifische Befunde. Mit unserer Studie stellen die Forscher ein neuartiges bildgebendes Verfahren zur Untersuchung von Fettgewebe vor.

Optoakustik ist ein innovatives hybrides Bildgebungsverfahren, das den hohen Kontrast der optischen Bildgebung mit der hohen Auflösung der Akustik kombiniert. Das verwendete MSOT-System besteht aus einem Laser im sichtbaren Nahinfrarot- und Ferninfrarot-Wellenlängenbereich (660 nm – 1300 nm) und einem Ultraschallsensor, der an einen Computer angeschlossen ist. Mittels optischer Komponenten wird der zu messende Bereich mit ultrakurzen Lichtimpulsen wählbarer Wellenlänge beleuchtet. Das Licht wird im Inneren des Objekts unterschiedlich stark absorbiert – je nach Beschaffenheit des Gewebes. Das Laserlicht stimuliert Chromophore wie Hämoglobin oder Melanin im menschlichen Körper, was zu einer Ausdehnung und anschließenden Kontraktion des Gewebes führt, dem sogenannten thermoelastischen Effekt. Die lokalen mikroskopischen Volumenschwankungen emittieren Druckwellen im Ultraschallbereich (photoakustischer Effekt). Mithilfe hochpräziser Mikrotische wird die Hautoberfläche gescannt. An jedem Standort werden die durch den Lichtimpuls erzeugten Ultraschallsignale außerhalb des Objekts mit dem Detektor tomographisch erfasst und im Computer gespeichert. Mit Hilfe spezieller Algorithmen können aus dem gemessenen Ultraschallsignal die Eigenschaften des Gewebes am Computer rekonstruiert werden. MSOT ermöglicht eine nichtinvasive, nichtionisierende Bildgebung mit hoher räumlicher Auflösung (80 μm), die eine spezifische Visualisierung endogener Gewebepigmente wie Kollagenfasern, Fett, Melanin, Oxyhämoglobin und Desoxyhämoglobin ermöglicht. Laser zur Stimulierung bestimmter Chromophore werden in der Dermatologie bereits in großem Umfang therapeutisch eingesetzt; Ihre Wirkungen und Nebenwirkungen sind bekannt und bei geeigneter Energiewahl minimal bis gar nicht vorhanden. Die Eindringtiefe von MSOT ist im Vergleich zu anderen optischen Bildgebungsverfahren deutlich größer.

Darüber hinaus kann dieses nicht-invasive Echtzeit-Messsystem bei zahlreichen alltäglichen klinischen Fragestellungen eingesetzt werden, die sonst invasivere Methoden wie CT oder MRT erfordern. Neben der Untersuchung der Fettgewebsarchitektur könnte MSOT prä- und perioperativ zur Darstellung von Gefäßen eingesetzt werden, beispielsweise um die Perfusion von Lappen zu optimieren oder sogar primär zu ermöglichen. Ziel ist es, die Architektur des Unterhautfettgewebes bei Patienten mit plastischer Chirurgie mittels MSOT darzustellen und zu analysieren.

Die Studie ist als prospektive Kohortenstudie mit Probanden konzipiert, die aus der Patientenpopulation der plastischen Chirurgie rekrutiert wurden. MSOT-Messungen werden an 50 Probanden mit klinisch gesundem Unterhautfettgewebe und 50 Probanden mit Veränderungen im Unterhautfettgewebe (z.B. Lipödem). Die erfassten Daten werden quantifiziert und verglichen.

Die Probanden dieser Studie werden aus der Klinik und Poliklinik für Unfallchirurgie, Orthopädie und Plastische Chirurgie rekrutiert. Insbesondere werden Patienten aus der Spezialsprechstunde für Plastische Chirurgie rekrutiert.

Alle Anwesenden tragen eine Laserschutzbrille. An ausgewählten Extremitäten des Patienten wird an mehreren Stellen ein Ultraschall-Gelfilm auf ca. 1 cm² Haut aufgetragen und der Detektor auf dem Gelfilm platziert. Anschließend werden diese Hautbereiche gescannt, wobei die zu untersuchenden Bereiche mit ultrakurzen Lichtimpulsen wählbarer Wellenlänge beleuchtet werden. Die entstehenden Schallwellen werden mit Ultraschallsensoren erfasst und am Computer rekonstruiert und spektral getrennt. Eine einzelne Messung dauert ca. 5 Minuten. Die Messung der drei Hautareale dauert inklusive Vorbereitung ca. 20 Minuten. In diesem Projekt sind keine invasiven Eingriffe vorgesehen.

Die gescannten Bereiche werden aus der Software als Bildmaterial exportiert und pseudonym gespeichert. Außerdem gibt es eine Fotodokumentation des gescannten Weichteilgewebes. Diese Fotos werden ebenfalls gespeichert. Zur Dokumentation der Gesundheitsdaten wird ein Lipödem-Dokumentationsbogen ausgefüllt.

Die optoakustische Modalität erfordert keine ionisierende Strahlung und basiert ausschließlich auf der Erkennung von durch Laserlicht induzierten akustischen Wellen. Sowohl die Technologie der Bestrahlung mit verschiedenen Lasern als auch die Sonographie werden bereits häufig in der Diagnose und Behandlung von Hauterkrankungen eingesetzt. Daher sind ihre Nebenwirkungen sehr vorhersehbar und bei entsprechend gewählten Energien minimal bis nicht vorhanden. Zur Anregung optoakustischer Signale werden gepulste Laser der Klasse 4 im sichtbaren und nahen Infrarotbereich (660 – 1300 nm) mit einer sehr kurzen Pulsdauer (9 ns) eingesetzt. Das American National Standards Institute (ANSI) hat Grenzwerte für den Einsatz derartiger Laser festgelegt, die in den Experimenten nicht überschritten werden. Theoretisch können Behandlungsfehler, wie beispielsweise die Wahl eines zu hohen Energieniveaus, je nach verwendetem Laser zu Gewebeschäden führen. Laser im Bereich des Chromophors Hämoglobin können zu thermischen Gefäßschäden an kleinsten und kleinsten Gefäßen führen. Werden die Energien sehr hoch gewählt, kann es maximal zu einer lokalen Schädigung der Epidermis mit nachfolgender lokaler Narbenbildung, ähnlich einer Verbrennung, kommen.

Da diese Wirkungen durch jahrelange Erfahrung in der breiten Anwendung bekannt sind, sind in dieser Studie keine dieser Nebenwirkungen zu erwarten.

Die Auswertung der mittels Sonographie erzeugten Schallwellen gilt als sicher und es sind keine Nebenwirkungen zu erwarten.

Über den Detektor wird das Laserlicht auf die Haut gerichtet. Laserlicht kann daher nur indirekt durch Streuung nach außen dringen und theoretisch die Augen umliegender Menschen erreichen. Da Laserlicht mit der oben genannten Spezifikation schädlich für die Augen sein kann, wird darauf geachtet, dass alle Anwesenden während der Messung eine Laserschutzbrille tragen. Beim Tragen einer Laserschutzbrille besteht praktisch keine Gefahr einer Augenverletzung.

Zu den individuellen Abbruchkriterien zählen Unverträglichkeiten und Reaktionen wie Rötungen. Zu den zuvor beschriebenen unerwünschten Wirkungen während der Behandlung zählen Rötungen und thermische Gefäßschädigungen des Weichgewebes oder subjektiv empfundene Nebenwirkungen. Ein weiteres individuelles Abbruchkriterium ist der Widerruf der Einwilligung der Probanden zur Teilnahme an der Studie bzw. die Verweigerung des Tragens einer Laserschutzbrille.

Zu den Abbruchkriterien für die Gesamtstudie gehören: nicht behebbarer Defekt im Überwachungssystem (MSOT), Verlust aller Daten. Rötung mit Blasenbildung im Sinne von Hautverbrennungen Grad IIa (noch nicht beschrieben).

Ziel dieses Pilotprojekts ist die Beschreibung der Mikroarchitektur des Unterhautfettgewebes bei Patienten mit und ohne Hautveränderungen (z. B. Lipödem) mittels MSOT. Die Möglichkeit, diese Veränderungen sichtbar zu machen, könnte zu einem besseren Verständnis der Physiologie und Pathophysiologie der Haut führen.

Bei der Durchführung der Untersuchung werden folgende Richtlinien und Gesetze beachtet:

• Erklärung von Helsinki (2013), ergänzt durch Venedig 1983 und Hongkong 1989
• Das Votum der örtlichen Ethikkommission wird vom Leiter der wissenschaftlichen Untersuchung eingeholt
• Der Beginn und die Durchführung der Untersuchung sind an ein Votum der Ethikkommission gebunden. Nach Abschluss der Untersuchung wird der Ethikkommission ein Bericht oder eine Veröffentlichung vorgelegt
• Die Einwilligung der Probanden erfolgt nach Aufklärung der Risiken freiwillig. Die Probanden erhalten keine Vergütung
• Die Einwilligung kann jederzeit ohne Angabe von Gründen widerrufen werden
• Tritt der Teilnehmer aus der Studie aus, wird bereits erhobenes Datenmaterial vernichtet bzw. der Proband wird gefragt, ob er mit der Auswertung des Materials einverstanden ist
• Die Namen der Probanden sowie alle weiteren vertraulichen Informationen unterliegen der ärztlichen Schweigepflicht und den Bestimmungen des Bundesdatenschutzgesetzes (BDSG). - Die Weitergabe von Probandendaten darf nur in pseudonymisierter Form erfolgen. Dritte haben keinen Zugriff auf die Originaldokumente
• Vor Beginn der Studie werden die Probanden schriftlich und mündlich über Art und Umfang der geplanten Untersuchungen, insbesondere über den möglichen Nutzen für ihre Gesundheit und etwaige Risiken, informiert. Die Einwilligung des Teilnehmers wird durch die Unterzeichnung der Einwilligungserklärung dokumentiert