1 Allgemeine Grundlagen
Julia Welzel, Elke Sattler
1.1 Diagnostische Methoden in der Dermatologie
1.1.1 Inspektion
Die klinische Diagnostik in der Dermatologie beruht in der Regel zunächst auf der Inspektion des gesamten Hautorgans inklusive der einsehbaren Schleimhäute. Sie ist limitiert durch die Auflösung des menschlichen Auges, die im optimalen Fall 0,5–1,0′ (Bogenminuten) entspricht. Schätzungsweise kann bei naher Betrachtung der Haut und gutem Visus eine Struktur von 0,1–0,2 mm Größe gerade noch erkannt werden. In erster Linie wird die Hautoberfläche betrachtet, da an der Hornschicht das Licht teilweise reflektiert wird. Oberflächliche Blutgefäße können ebenso durchscheinen wie Pigmentierungen in der Epidermis und der Dermis. Flächige Entzündungen tief gelegener Strukturen wie des subkutanen Fettgewebes oder der Faszien können sogar an der Oberfläche als Erythem sichtbar sein. Je tiefer eine farbige Struktur liegt, desto unschärfer erscheint sie aufgrund der multiplen Brechungen des Lichtes in den darüber liegenden Strukturen.
1.1.2 Röntgen und Magnetresonanztomografie
Eine bildgebende Diagnostik kann mittels Röntgenstrahlen und MRT (Magnetresonanztomografie) erfolgen. Jedoch haben sich beide Methoden aufgrund der zu geringen Auflösung kleiner Hautstrukturen in der Dermatologie nicht durchgesetzt. Sie werden allenfalls eingesetzt, um große Hauttumoren hinsichtlich ihrer Infiltration von Nachbarstrukturen zu beurteilen oder zum Staging bei malignen Hauttumoren. Eine Diagnostik der Haut ist mit diesen Methoden nur sehr eingeschränkt möglich.
Geeigneter als Röntgen und MRT sind für die dermatologische Diagnostik akustische und optische Methoden.
1.1.3 Sonografie
Die Sonografie erfordert für die Darstellung der Dermis und insbesondere der Epidermis höhere Frequenzen als bei der Organdiagnostik. Dafür waren Weiterentwicklungen der Transducer-Technologien erforderlich. Die Haut muss zur Verminderung des Impedanzsprungs von Luft zu Haut mit Gel oder einer Wasservorlaufstrecke an den Transducer angekoppelt werden. Die Bildgebung gelingt auf folgende Weise: Nach dem Impuls-Echo-Prinzip kann aus der Zeit, die das Echo des Signals braucht, um wieder am Transducer anzukommen, darauf zurückgeschlossen werden, aus welcher Tiefe im Gewebe das Signal reflektiert wurde.
1.1.4 Lupenbetrachtung und Mikroskopie
Zur optischen Diagnostik ist sogar bereits eine einfache Lupenbetrachtung der Hautoberfläche hilfreich, um sehr kleine Strukturen zu erkennen. Die Reflexion des Stratum corneum kann mittels Aufsetzen der Lupe, einer sog. Auflichtmikroskopie, vermindert werden, insbesondere bei gleichzeitiger Nutzung einer Immersionsflüssigkeit. Diese passt die Brechungsindizes zur Verminderung einer Signalreflexion an der Oberfläche an. Auch bei den weiteren optischen Verfahren lässt die Lichtgeschwindigkeit eine einfache Impuls-Echo-Detektion nicht zu. Eine Lösungsmöglichkeit dieses Problems besteht darin, durch den Vergleich eines Referenz- mit einem Probenstrahl und Interferometrie auf die Tiefe der Struktur rückzuschließen, die das Signal reflektiert hat. Dies wird bei der OCT (optische Kohärenztomografie) genutzt. Alternativ fokussiert man den Lichtstrahl sehr stark und kann durch eine zwischengeschaltete Lochblende selektiv nur diejenigen Lichtstrahlen detektieren, die aus einer definierten Ebene reflektiert wurden („konfokal“). Dies ist das Wirkprinzip der konfokalen Lasermikroskopie.
1.1.5 Optoakustische Bildgebung
Zuletzt können optische und akustische Methoden miteinander kombiniert werden: Es wird ein optisches Signal dazu genutzt, eine Schallwelle im Gewebe auszulösen. Dies ist die sog. optoakustische Bildgebung.
1.2 Parameter der bildgebenden Diagnostik
Folgende Parameter beeinflussen die diagnostische Aussagekraft, die Einsatzmöglichkeiten und die Limitationen der bildgebenden Diagnostik in der Dermatologie und müssen bei der Wahl einer geeigneten Methode berücksichtigt werden.
1.2.1 Auflösung
Bei Ultraschall erhöht sich die axiale Auflösung mit höherer Frequenz. Die laterale Auflösung hängt von der Transducer-Fokussierung ab. Bei starker Fokussierung ist zwar die Auflösung in der Fokusebene optimal, aber darüber und darunter gleich deutlich schlechter. So wird meistens ein Kompromiss mit einer längeren Fokusebene eingegangen, um beispielsweise die gesamte Dermis gut abzubilden.
Bei optischen Methoden kann die Auflösung aus physikalischen Gründen nicht besser sein als die Wellenlänge des Lichtes. Lichtquellen mit kurzen Wellenlängen erreichen grundsätzlich eine höhere Auflösung als langwelligere Lichtquellen. Bei Belichtung der Haut muss man allerdings zusätzlich beachten, dass die Eindringtiefe des Lichtes ebenfalls von der Wellenlänge abhängig ist: Sie ist im infraroten Bereich höher als im sichtbaren. Das „optische Fenster“ in die Haut liegt zwischen 800 und 1300 nm.
Bei der OCT wird die axiale Auflösung durch die Breitbandigkeit der Lichtquelle definiert. Diese ist umgekehrt proportional zur Kohärenzlänge, die die axiale Auflösung definiert. Somit sind entweder sehr breitbandige, kurzkohärente Lichtquellen wie Superlumineszenzdioden oder aber durchstimmbare ultrakurzgepulste Laser oder Swept-Source-Laser geeignet. Die laterale Auflösung hängt wie bei der Sonografie von der Fokussierung der Linsensysteme ab. Auch bei diesen Geräten führt eine starke Fokussierung zu einer sehr guten lateralen Auflösung in einer schmalen Fokusebene. Um dieses Problem zu umgehen, gibt es OCT-Geräte mit einer gleichzeitigen Fokussierung mehrerer Lichtstrahlen in unterschiedliche Tiefen.
Bei der konfokalen Lasermikroskopie stehen die laterale Auflösung mit der Fokussierung und die axiale Auflösung nicht nur mit der eingesetzten Wellenlänge, sondern auch mit mechanischen Parametern des Schrittmotors in Zusammenhang.
1.2.2 Eindringtiefe
Bei der klassischen Mikroskopie spielt die Eindringtiefe des Signals praktisch keine Rolle, weil es sich um eine Durchlichttechnik handelt, bei der das Gewebe in dünne Schichten geschnitten und von unten beleuchtet wird. Bei der nicht invasiven Bildgebung hingegen wird die Hautoberfläche von oben bestrahlt und man nutzt zur Bildgebung das aus dem Gewebe aus einer bestimmten Tiefe reflektierte Signal.
Grundsätzlich beeinflussen sich die Auflösung und die Eindringtiefe bei allen bildgebenden Methoden in der Art, dass bei höherer Auflösung die Eindringtiefe geringer wird.
Die Eindringtiefe eines Signals wird vom Gewebe beeinflusst, das durchdrungen wird. Dabei kommt es an Oberflächen zu Reflexionen, zu Beugung, Brechung, Streuung und Absorption. In welchem Ausmaß diese Phänomene zu beobachten sind, hängt von der biochemischen und physikalischen Beschaffenheit des Gewebes ab:
Reflexion, Beugung und Brechung: Reflexion findet bei Impedanzsprüngen (akustische Methode) bzw. bei Änderungen des Brechungsindex statt, wenn das Signal von einem Medium (z.B. Luft) in ein anderes (z.B. Gewebe) eintritt. Reflexion, Beugung und Brechung lassen sich vermindern, indem man die Medien einander anpasst. Beispielsweise bringt man Wasser oder Öl auf die Hautoberfläche auf und nähert damit den Brechungsindex der Medien einander so weit wie möglich an ▶ [4].
Streuung: Diese hängt von der Form und Partikelgröße von Strukturen im Gewebe ab. Dabei muss man beachten, dass es fast immer zu einer Mehrfachstreuung kommt und dass das Signal beim Eintritt in das Gewebe ebenso gestreut wird wie beim Austritt.
Absorption: Diese wird von der biochemischen Zusammensetzung des Gewebes beeinflusst. So absorbiert Wasser Schall nur sehr wenig, wohingegen Melanin Licht deutlich absorbiert.
All diese Phänomene führen zu einer Verringerung der Detektionstiefe im Gewebe und zu einer massiven Abschwächung des Signals, das den Detektor wieder erreicht. Mehrfach gestreute Signale verursachen ein Rauschen, das die Bildgebung stört. Das in das Gewebe eingebrachte Signal muss also stark genug sein, um wenigstes schwache Rücksignale empfangen und vom Rauschen unterscheiden zu können (Signal-to-Noise-Ratio). Auf der anderen Seite darf es zu keinen schädigenden Wirkungen (z.B. Gewebeerwärmung) aufgrund zu starker Signale kommen.
1.2.3 Gerätekonfiguration
Bei bildgebender Diagnostik der Haut müssen ein paar Besonderheiten beachtet werden: Auf der einen Seite ist das Hautorgan einer Diagnostik sehr leicht zugänglich, weil man ohne Hilfsmittel die Oberfläche erreichen kann. Auf der anderen Seite spielen Bewegungsartefakte insbesondere bei hochauflösenden Methoden eine...
