Physikalische Multiparameter-Analyse biologischer Strukturen zur Bewertung des Prostata-Karzinoms

Inhaltsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

1 Einleitung - Motivation
1.1 Prostata
1.1.1 Aufbau
1.1.2 Funktion
1.1.3 Krankheiten der Prostata

2 Stand der Wissenschaft
2.1 Untersuchungsmöglichkeiten der Prostata
2.2 Standard
2.2.1 PSA-Wert
2.2.2 UICC (5-stufig)
2.2.3 Grading der Arbeitsgruppe „Prostatakarzinom“ (3-stufig)
2.2.4 Gleason-Grading (doppel-5-stufig)
2.2.5 Klinisches Stadium
2.2.6 Nomogramm
2.2.7 Schnellschnitt-Untersuchungen
2.3 Neue Verfahren
2.3.1 Spektroskopie
2.3.2 Fluoreszenz
2.3.3 Remission und Weißlicht-Remission
2.3.4 Impedanz
2.3.5 Gewebediagnose in der Medizin
2.4 Arbeiten im Vorfeld
2.4.1 Messungen in Leipzig
2.4.2 Messungen in Chemnitz
2.4.3 Experimente in Minsk

3 Geräte, Methoden und verwendete Programme
3.1 CELIF - Geräteaufbau
3.2 Software Sophi 1.3
3.3 Software Bridge
3.4 Software Origin.Pro 7.5
3.5 Software SPSS
3.6 Software WEKA
3.7 Software MathCad

4 Experimente in Hamburg
4.1 Studiendesign und Zielsetzung
4.2 Praktische Umsetzung

5 Auswertung und Datenanalyse

5.1 Daten
5.2 Aufbereitung in Origin.Pro 7.5
5.3 CELIF-Verfahren mit 4 Parametern
5.4 Statistik-Auswertung mit SPSS .
5.5 Data Mining mit WEKA
5.5.1 Das WEKA-Tool
5.5.2 Interpretation der Ergebnisse

6 Schlussfolgerungen und Ausblick
6.1 Kritische Betrachtung vorliegender Ergebnisse
6.1.1 Datenaufnahme
6.1.2 Datenanalyse
6.2 Weitere Ansätze
6.3 Andere Projekte mit ähnlicher Zielstellung

7 Anhang

Index

Literaturverzeichnis

Tabellenverzeichnis

2.1 TNM

2.2 UICC-Klassifikation

2.3 3-stufiges Grading: 2 Kriterien

2.4 3-stufiges Grading: Einteilung

2.5 Klinisches Stadium

5.1 Mess-Ablauf

5.2 Normale Fluoreszenz

5.3 Zeitaufgelöste Fluoreszenz

5.4 Daten der Impedanz

5.5 Die besten Kombinationen

5.6 Attribut-Reduzierung

5.7 Wellenlängen und Frequenzen

7.1 Alle gefilterten Daten

7.2 Werte für das 3D-Modell

7.3 Ergebnisse aus Minsk

7.4 WEKA-Ergebnisse

Abbildungsverzeichnis

1.1 Prostatakarzinom

1.2 Lage der Prostata

1.3 Die gesunde Prostata

1.4 Die kranke Prostata

2.1 Gleason-Grade

2.2 Malignitätsgrad

2.3 Einfaches Nomogramm

2.4 Nomogramm in der Urologie

2.5 Fluoreszenz

2.6 Remission

2.7 Impedanz

2.8 Fluoreszenz - Gehirntumor

2.9 Impedanz - Gehirntumor .

2.10 Verteilung der Mittelwerte 1

2.11 Verteilung der Mittelwerte 2

2.12 2D-Modell

2.13 3D-Modell

3.1 Geräteaufbau

3.2 Software Sophi 1.3

3.3 Software Bridge

3.4 Software Mathcad

4.1 Aus der Praxis 1

4.2 Datenhaltung

4.3 Aus der Praxis 2

4.4 Sammelbogen

4.5 Datenblatt OP

4.6 Datenblatt NO-Probe

4.7 Datenblatt Pathoblock

5.1 Graphik der Fluoreszenz

5.2 2D-Darstellung

5.3 3D-Modell

5.4 Remission

5.5 Impedanz

5.6 Zoom - Impedanz

5.7 Fluoreszenz - Remission

5.8 Alle Proben - Impedanz

5.9 Zoom 1 aller Proben .

5.10 Zoom 2 aller Proben .

5.11 Alle Proben - Remission

5.12 Zoom 1 aller Proben .

5.13 Zoom 2 aller Proben .

5.14 Alle Proben - Fluoreszenz

5.15 Zoom aller Proben - Fluoreszenz

5.16 Modell aller Messungen

5.17 Ergebnis von Minsk

5.18 Attribute der Fluoreszenz

5.19 Attribute der Remission

5.20 Attribute der Impedanz

5.21 Attribute aller Messungen

5.22 Attribut-Selektion

5.23 Plot-Matrix

5.24 Neuronales Netz

5.25 Trees.J48

Vorwort

Diese Arbeit ist aus einem Auslandspraktikum im Rahmen meines Studiums an der UMIT^[1] bei einem der Fraunhofer-Institute (IZFP)^[2] in Dresden im Sommer 2005 entstanden. Bei diesem Praktikum wurde ich auf einen Prototypen eines Fluoreszenzspektroskops eingearbeitet, mit dem ich dann in Hamburg in der Universitätsklinik^[3] Messungen an frisch operiertem Gewebe von resektierten Prostaten vornahm; bei der Diagnose „Prostatakarzinom“ wird derzeit die Prostata möglichst nerverhaltend entfernt.

Mit diesen Daten soll nun ein Modell trainiert werden, um in weiterer Folge benignes von malignem Gewebe unterscheiden zu können. Ein Ziel dieses Projektes soll die Implementierung eines Gerätes sein, das dem Arzt bei laufender Operation in Echtzeit Hinweise bzw. sogar Entscheidungen gibt, ob ein Gewebe gutartig oder bösartig ist und damit entfernt werden muss, um eine Heilung der Tumorerkrankung zu gewährleisten.

In vorliegender Arbeit sollen die durchgeführten Arbeiten, dabei aufgetretene Schwierig- keiten und mögliche Ansätze für das Datenmodell dargestellt werden. Der Weg zum ein- satzfähigen Gerät wird wahrscheinlich noch ein weiter sein und kann hier nur ansatzweise angedacht werden.

Das Team dieses Projektes bestand aus Physikern, Medizinern und Informatikern und in der laufenden Arbeit fielen mir sehr schnell die verschiedenen „Sprachen“ der einzelnen Berufsgruppen auf, und damit wurde mir klar, wie wichtig hier ein Verstehen untereinander ist, um nicht aneinander vorbei zu reden. Dieser Tatsache bewusst, habe ich in dieser Arbeit für Begriffe, die möglicherweise nicht allgemeinverständlich sind, eine Definition gegeben. Damit der Text aber nicht vor lauter Erklärungen mühsam zu lesen wird, da vermutlich einige Begriffe nicht für jede der drei Berufsgruppen erläutert werden müssen, habe ich die definierten Begriffe blau geschrieben, als Hinweis, dass dafür im Anhang in einem Glossar Näheres zu erfahren ist.

Diese Arbeit habe ich mit LATEX [KOP00] [MGB+05] geschrieben, wobei ich eine weitere Software JabRef [Man03] für die Literatur-Datenbank verwendete.

Kapitel 1

Einleitung - Motivation

Zur Therapie eines frühdiagnostizierten Prostatakarzinoms (PCA) gibt es verschiedene Möglichkeiten, wie die radikale Prostatektomie, die perkutane Strahlentherapie, die Bra- chytherapie und die Hormontherapie. Wenn die einzige Möglichkeit zur erhofften Heilung des Patienten in der radikalen Prostatektomie besteht, wirft diese Entscheidung einige Pro- bleme auf. Das oberste Ziel des Chirurgen ist die komplette Entfernung von Tumorgewebe aus Gesundem (RO-Resektion), aber der Tumor ist nicht sichtbar! Beim derzeitigen Stand der Chirurgie hängt es immer noch vom Können, Wissen und der Erfahrung des operie- renden Arztes ab, ob wirklich alle Tumorzellverbände entfernt werden können. Gelingt keine RO-Resektion, so gibt es möglicherweise keine Heilung von einer potentiell tödlichen Erkrankung!

Die naheliegende Überlegung, dass der Chirurg weit genug in das gesunde Gewebe schneidet, um sicher alle Tumorzellen zu entfernen - wie das z.B. bei einem Melanom gemacht wird (Exzision) -, kann sehr schnell widerlegt werden, wenn man weiß, dass Gefäß-Nerven- Bündel, die für die spontane Erektion beim Geschlechtsverkehr wichtig bzw. notwendig sind, sehr nahe an der Prostata-Kapsel vorbeiführen (Abb. 1.1).

Eine weitere Hilfe bei dieser Operation steht dem Arzt mit einer Schnellschnittuntersuchung zur Verfügung, die aber naturgemäß auch keine absolute Sicherheit gibt, bzw. einen Aufschub der fortlaufenden Operation verlangt, wie in Kapitel 2 ausgeführt wird.

So liegt der Wunsch nahe, dem Chirurgen eine Entscheidungshilfe sofort bei der Operation zu geben, um an Ort und Stelle malignes von benignem Gewebe sicher unterscheiden zu können.

In dieser Arbeit bzw. dem Forschungsprojekt des Fraunhofer-Instituts (IZFP) in Dresden in Zusammenarbeit mit der Universitätsklinik in Hamburg (UKE Eppendorf) soll der Ansatz verfolgt werden, dass bösartiges Gewebe möglicherweise in anderer Weise fluoresziert als gutartiges Gewebe. Es wird der derzeitige Stand der Wissenschaft (Kapitel 2), die verwen- deten Geräte (Kapitel 3), der Aufbau der Studie (Kapitel 4) und Ansätze zur Auswertung der Daten (Kapitel 5) beschrieben, um dann im Abschluss noch einen Ausblick auf zukünftige Methoden, mögliche Geräte und damit Verbesserungen in diesem Bereich der Medizin zu geben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.1: Prostatakarzinom - Problematik einer radikalen Prostatektomie: wenn der Tumor sehr nahe am Rand der Prostata liegt, besteht die Gefahr, dass die Kapsel durchbrochen wird und Tumorzellen in die Nervenbündel wachsen; Quelle: [net06m]

Im Folgenden wird grundlegendes medizinisches Wissen in diesem speziellen Gebiet der Urologie dargestellt, um die Problematik zu verdeutlichen.

1.1 Prostata

Die Prostata (Vorsteherdrüse) [net05b] ist eine akzessorische Geschlechtsdrüse aller Säugetiere, einschließlich des Menschen. Sie liegt nahe der Harnblase und umgibt die Harnröhre. Sie gleicht beim Mann in Größe und Form einer Kastanie. An die Rückseite der Prostata grenzt der Mastdarm (Rektum). Deswegen kann sie vom Enddarm aus mit den Fingern ertastet und beurteilt werden (Abb. 1.2).

1.1.1 Aufbau

Die Prostata ist eine exokrine Drüse mit Ausführungsgängen in die Harnröhre. Neben dem Drüsengewebe findet sich mikroskopisch noch Muskelgewebe und Bindegewebe.

Die Prostata besteht aus etwa 40 einzelnen Drüsen. Diese Drüsen sind von einer Kapsel aus Bindegewebe umgeben und in einen Muskel eingebettet. Bei der Ejakulation presst die

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.2: Prostata:

Die Drüse im Zusammenhang mit den anderen Organen des Mannes; Quelle: [net05b]

Muskulatur das Sekret in die Ausführungsgänge. Diese verbinden sich mit dem Samenleiter zum Spritzkanal, der in die Harnröhre mündet.

Die Harnröhre verläuft durch die Mitte der Prostata (Abb. 1.3).

Abbildung 1.3: Die gesunde Prostata:

Mitten durch die Prostata verläuft die Harnsamenröhre; Quelle: [net06l]

1.1.2 Funktion

In der Prostata wird ein Teil der Samenflüssigkeit produziert, die bei der Ejakulation ausgestoßen wird. Dieses Sekret bildet zusammen mit den Samenzellen aus dem Hoden das Sperma. Die Funktion der Prostata wird über das Hormon Testosteron reguliert.

Das Sekret der Prostata hat einen leicht sauren pH-Wert, ist dünnflüssig, trübe und gibt dem Sperma den charakteristischen Geruch. Das Sekret enthält zahlreiche Enzyme, die die Gebärmutter anregen können.

Das Protein Spermin fördert die Beweglichkeit und die Befruchtungsfähigkeit der Samen- zellen. Weiters sind im Prostatasekret Phosphatase, Zitronensäure, Cholesterin und Zink enthalten.

1.1.3 Krankheiten der Prostata

So wie alle anderen Bereiche des menschlichen Körpers hat auch die Prostata ganz spezifische Krankheiten, die einer speziellen Untersuchung und Behandlung bedürfen:

- Prostatitis = Entzündung der Prostata
- Benigne Prostatahyperplasie (BPH) = gutartige Vergrößerung der Prostata mit Harnabfluss-Störung (Abb. 1.4)
- Prostatakarzinom (PCA) = Prostatakrebs (Abb. 1.1)

Diese Arbeit wird sich im Besonderen mit dieser schwerstwiegenden Krankheit bzw. bei deren Beseitigung beschäftigen: Das oberste Ziel dabei ist, ein neues Gerät zu implementieren, das dem Arzt beim Operieren unterstützende Hilfe geben soll, um wirklich alle Tumorzellen zu detektieren und damit entfernen zu können. In den folgenden Kapiteln werden Vorarbeiten zu diesem Vorhaben, die eigentliche Studie und die Datenaufnahme vorgestellt. Außerdem werden Ansätze zur Datenselektion und mögliche Datenanalysen gezeigt, die auf dem Weg zu einem messenden Gerät einen Schritt weiterführen sollen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.4: Die kranke Prostata (BPH):

Die vergrößerte Prostata engt die Harnröhre ein. Das Wasserlassen wird zum Kraftakt; in der Blase verbleibender Restharn erhöht das Infektionsrisiko; Quelle: [net06l]

Kapitel 2

Stand der Wissenschaft

Die Wissenschaft der Medizin und Medizinphysik ist einem ständigen Wandel und Fort- schritt unterzogen. In diesem Kapitel werden die derzeitigen relevanten Möglichkeiten der Untersuchungen aufgezeigt: physisch direkt am Patienten, Bewertungen von Gewebe und flüssigen Substanzen im Labor, Vorhersagen für die Wahrscheinlichkeit des Überlebens nach einer Operation, aber auch die technischen Voraussetzungen für zukünftige Geräte.

2.1 Untersuchungsmöglichkeiten der Prostata

Die Untersuchungsmöglichkeiten der Prostata sind zwar mittlerweile recht vielfältig geworden. Eine Hauptfragestellung, ob die Prostata durch einen bösartigen Tumor befallen ist oder nicht, ist aber nach wie vor zumindest mit den nichtinvasiven Methoden wie dem Ultraschall oder dem CT nur unsicher zu beantworten. Die Prostata des älteren Mannes neigt zur Knotenbildung und es fällt schwer mit nichtinvasiven Maßnahmen gutartige von bösartigen Knoten zu unterscheiden.

Derzeit werden folgende Aktionen in ähnlicher wie der angeführten Reihenfolge gesetzt, wenn ein Patient mit entsprechenden Beschwerden zum Arzt kommt:

- Beschwerden erfragen
- Tasten (rektal)
- Ultraschall
- transabdominal
- transrektal (mit einer Ultraschallsonde im Enddarm - TRUS)
- Gezielte Biopsieentnahme = Prostatastanze
- Digitale rektale Untersuchung
- Bildgebende Verfahren: Computertomographie (CT), Kernmagnetische Resonanz oder Magnetresonanztomographie (MRI)
- Laborwerte
- PSA: ein erhöhter Wert bei Prostatakarzinom, benigner Prostatahyperplasie und Prostatitis [net06j]
- Saure Prostataphosphatase: erhöht bei Prostatakarzinom
- Kreatinin: erhöht bei Harnstauung
- Entzündungswerte wie CRP und Leukozyten

2.2 Standard

Die Möglichkeiten zur Aussage der Tumorausdehnung sind begrenzt, daher müssen alle zur Verfügung stehenden Größen (PSA-Wert, Klassifizierung der Tumorausdehnung, klinisches Stadium) in die Bewertung einbezogen werden, um dann an Hand eines Nomogramms eine möglichst genaue Wahrscheinlichkeit der rezidivfreien Überlebenszeit 5 Jahre nach der Prostatektomie zu ermitteln. Eine weitere Möglichkeit zur Feststellung der Ausdehnung des Tumors stellt die Schnellschnitt-Untersuchung dar.

Für die Beurteilung der Malignitätsgrade werden verschiedene Gradeinteilungen verwendet. Hier sollen die 3 üblichsten vorgestellt werden: Einteilung nach UICC, histologischzytologisches Grading des Prostatakarzinoms nach dem Vorschlag der Arbeitsgruppe „Prostatakarzinom“ und das Gleason-Grading.

2.2.1 PSA-Wert

Der PSA-Wert kann in einer einfachen Blutuntersuchung bestimmt werden. Bei Werten unter 1ng/ml kann dem Patienten das nächste PSA-Screening in 3 Jahren geraten werden. Wenn dieser Wert auf bis 3ng/ml ansteigt, wird zur Kontrolle eine Biopsie entnommen

- nach einer Studie bekam jeder 10. Mann mit Werten in diesem Bereich ein PCA - und bei Werten über 4ng/ml müssen genaue weiterführende Untersuchungen angestellt werden; 33% der Männer mit diesen Werten bekamen im Studienzeitraum ein PCA und bei Werten über 10ng/ml wurden 77% der Männer von dieser Tumorerkrankung befallen.PSA

2.2.2 UICC (5-stufig)

Grundlage für diese Einteilung ist die TNM-Klassifikation [net05d] (Tab. 2.1):

- T=Tumor,AusdehnungdesPrimärtumors
- N = Nodus (= Lymphknoten), Fehlen oder Vorhandensein von Metastasen in den
Lymphknoten
- M = Metastasen, Fehlen oder Vorhandensein von Fernmetastasen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2.1: Erklärungen für die Klassifikation der Tumorausdehnung: Tumore (T), Lymphknoten (N) und Metastasen (M); Quelle: [net05d]

Mit dieser TNM-Klassifikation wurde nun die UICC-Klassifikation erstellt (Tab. 2.2)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2.2: UICC-Klassifikation:

Stadiengruppierung mit Hilfe der TNM-Einteilung, siehe Tab. 2.1; Quelle: [net05d]

2.2.3 Grading der Arbeitsgruppe „Prostatakarzinom“ (3-stufig)

Bei dieser Einteilung [net06h] werden zwei Parameter berücksichtigt: das Wachstumsmuster des Tumorgewebes (histologischer Parameter) und der Grad der Anaplasie (zytologischer Parameter). Für diese beiden Kriterien werden Wertungen vergeben: von 0 bis 3 für das Wachstumsmuster und von 0 bis 2 für den Grad der Anaplasie (Tab. 2.3), die dann ad- diert die entsprechende Einteilung in der Bewertung der Tumorausdehnung ergibt (Tab. 2.4). Dieses Grading ist somit eine kombinierte histologisch-zytologische Einschätzung des Tumors. Eine prognostische Trennlinie findet sich in diesem Gradingsystem zwischen den Stu- fen G2a und G2b. Patienten mit einem G1b- oder G2a-Karzinom haben eine 5-Jahres- Überlebenswahrscheinlichkeit von 70%, während Patienten mit einem G2b-, G3a- oder G3b-CA lediglich eine 5-Jahres-Überlebenswahrscheinlichkeit von 20 - 30% aufweisen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2.3: Die Bewertung der beiden Parameter „Wachstumsmuster“ und „Anaplasie“; Quelle: [net06h]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2.4: Die Summe der beiden Paramater und ihre Entsprechung des Gradings

2.2.4 Gleason-Grading (doppel-5-stufig)

Das Gleason-System [net06h] betrachtet nur den Grad der glandulären Differenzierung und die Beziehung der Drüsen zum Stroma bei geringer Vergrößerung. Zytologische Eigenschaften, wie z.B. nukleäre Anaplasie spielen darin keine Rolle.

Dieses System beinhaltet 5 verschiedene histologische Muster (Abb. 2.1, 2.2):

- Gleason 1: Umschriebene Knoten von einheitlichen, einzelnen, enggepackten und glatt begrenzten Drüsen.
- Gleason 2: Drüsen eher locker angeordnet, aber immer noch umschrieben. Minimale Ausbreitung der neoplastischen Drüsen in das umgebende Stroma.
- Gleason 3: Tumor infiltriert das umgebende Prostatagewebe. Die Drüsen variieren erheblich in Größe und Gestalt, sind aber abgrenzbare Einheiten.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1: Die Gleason-Grade (Quelle: [net06n]):

Eine schematische Darstellung der Zellen in den verschiedenen Stadien, siehe Abb. 2.2

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.2: Malignitätsgrad:

Beschreibung der Drüsenform, Drüsengröße, des Drüsenabstandes, der Herdgrenze und der Stroma-Invasion; Quelle: [net06n]

- Gleason 4: Die Drüsen sind nicht länger einzeln und abgegrenzt, sondern scheinen verschmolzen mit unregelmäßigen Grenzen.

- Gleason 5: Aufhebung der glandulären Differenzierung. Die Tumore bestehen aus soliden Nestern, Strängen oder Einzelzellen.

Da viele Tumore multifokal wachsen und verschiedene Grade aufweisen, werden die Grade des größten und zweitgrößten Tumorareals addiert und als kombinierter Gleason Grad [?] angegeben. Der kombinierte Gleason Grad reicht von 2 (1 + 1) bis 10 (5 + 5).

Der Vorteil des Gleason Gradings gegenüber des dreistufigen Gradings der Arbeitsgemeinschaft besteht in der besseren prognostischen Aussagekraft bei mäßig differenzierten Tumoren (Gleason 5-7, bzw. Grad 2). Es zeigte sich nämlich, dass Tumore mit dem kombinierten Gleason Grad 7 eindeutig aggressiver sind als Grad 5- und 6-Tumore. Alle diese Tumore werden nach UICC unter Grad 2 zusammengefasst.

2.2.5 Klinisches Stadium

Auch in diesem Bereich gibt die TNM-Klassifizierung Anhaltspunkte bzw. eine genaue Einteilung, die aber immer noch die Erfahrung des Arztes voraussetzt [net05h] (Tab. 2.5)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2.5: Klinisches Stadium (Quelle [net05h]):

Die einzelnen Stadien werden nach der TNM-Klassifikation eingeteilt

2.2.6 Nomogramm

Ein Nomogramm ist im allgemeinen ein zweidimensionales Diagramm, an dem eine mathematische Funktion näherungsweise abgelesen werden kann. Ein Nomogramm enthält gewöhnlich Skalen, an denen bekannte Werte aufgetragen sind, sowie eine Skala, auf der das Ergebnis abgelesen werden kann.

Wenn das Nomogramm eine Funktion zweier Variablen darstellt, dann sind zwei Skalen gegeben, auf denen die Werte der Variablen zu finden sind und eine Skala, die die gesuchten Werte/Ergebnisse enthält. Verbindet man die beiden Punkte auf den Skalen, wo die Variablenwerte liegen, durch eine Gerade, schneidet diese die Ergebnisskala. Der Schnittpunkt mit der Ergebnisskala gibt den Funktionswert an (siehe Tab. 2.3).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.3: Einfaches Nomogramm (Quelle: [net06h]):

Für die Berechnung von elektrischem Widerstand bei Parallelschaltung (oder der Kapazität bei Reihenschaltung): 56 Ohm (vertikale Achse) parallel mit 33 Ohm (horizontale Achse) werden 21 Ohm (Diagonale)

Der Rechenschieber ist ein anderes einfaches Beispiel für ein Nomogramm.

Im medizinischen Bereich [net06g] unterstützt ein Nomogramm den Arzt in der Entscheidungsfindung über die Wahrscheinlichkeit der Therapieeffizienz. Dabei muss auch die zu erwartende Lebensqualität, das Alter und die Komorbidität des Patienten berücksichtigt werden. In der folgenden Abbildung 2.4 wird gezeigt, wie die verschiedenen Parameter in die Entscheidungsfindung einfließen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.4: Präoperatives Nomogramm (Quelle: [net06g]):

Zur Vorhersage des rezidivfreien 5-Jahres-Überlebens nach radikaler Prostatektomie - nach Michael W. Kattan und Peter T. Scardino [KSR01]

Erläuterungen für den Arzt: der PSA-Wert wird auf der PSA-Skala aufgesucht und mit einer senkrechten Linie auf der Skala „Punkte“ der entsprechende Wert bestimmt. Analog dazu werden für das klinische Stadium und den Gleason-Grad aus der Biopsie nochmals Punktewerte auf der Skala „Punkte“ ermittelt. Diese 3 Punktewerte werden ad- diert und in die Gesamt-Punktezahl übertragen und wiederum kann mit einer senkrechten Linie nun die Wahrscheinlichkeit eines rezidivfreien Überlebens für die nächsten 5 Jahre ermittelt werden.

Erläuterungen für den Patienten: Wenn 100 Patienten die gleichen Befunde haben, kann man von der vorhergesagten Wahrscheinlichkeit mit ± 10% für ein rezidivfreies Überleben in den nächsten 5 Jahren ausgehen.

2.2.7 Schnellschnitt-Untersuchungen

Die Schnellschnitt-Untersuchung [WHM+99] ist eine diagnostische Methode, um relativ schnell über folgende Möglichkeiten Gewissheit zu erhalten:

- eine Sicherung einer Verdachtsdiagnose
- eine Diagnose über die Tumorausbreitung (Staging)
- eine Untersuchung der Resektionsflächen auf Tumorfreiheit
- eine Sicherstellung, dass bei offener Biopsie repräsentatives Tumorgewebe entnommen wurde

Vom Befund dieser Untersuchung hängt sehr oft das weitere Vorgehen in der Behandlung ab, d.h. der Arzt muss während der Operation auf das Ergebnis warten; daher ist eine sehr rasche Abwicklung dieses Verfahrens unbedingt notwendig, wobei einige organisatorische Schritte unumgänglich sind:

- Das Gefäß, in dem das Präparat befördert wird, muss beschriftet werden.
- Die Zuordnung zum Patienten muss durch den Namen, das Alter und das Geschlecht sichergestellt werden.
- Die Lokalisation der Entnahme muss beschrieben werden.
- Wichtige Anamnesedaten müssen beigefügt werden.
- Eventuelle histopathologische Vorbefunde, Labor- und Röntgenbefunde dürfen nicht fehlen.
- Der Transport muss gekühlt, aber nicht tiefgefroren erfolgen.

Wenn das Präparat beim Pathologen eingetroffen ist, wird die Gewebeprobe tiefgefroren, um mikroskopisch auswertbare Schnitte anzufertigen (Kryostat-Verfahren) und diese dann zu beurteilen. Dieser Vorgang dauert im einfachen Fall bis zur Befundübermittlung ca. 10 min. Diese Zeit verlängert sich sehr schnell, wenn

- von einem Patienten mehrere Proben zur Befundung kommen,
- aus einem OP-Präparat mehrere Proben genommen werden müssen oder
- aus verschiedenen Abteilungen eines Krankenhauses gleichzeitig Präparate zur Untersuchung eintreffen.

Daher ist für eine schnelle Abwicklung eine Information des operierenden Arztes an den Pathologen vor einer Schnellschnitt-Untersuchung durchaus von Vorteil. Außerdem muss bei der Organisation auch noch berücksichtigt werden, dass der Pathologe seine Unter- suchungsräume sehr selten in unmittelbarer Nähe eines Operationssaals hat, da jede Ab- teilung über eigene Operationsräume verfügt. Bei einem kleineren Krankenhaus kann es sogar vorkommen, dass der Pathologe auch außerhalb des Hauses in einem eigenen Institut mehrere Krankenhäuser betreut.

Die Befundübermittlung erfolgt über Telefon, Fax oder andere elektronische Kommunika- tionsmedien, sofern im Haus bzw. vom Institut zum einzelnen Krankenhaus die Vernetzung vollzogen ist.

2.3 Neue Verfahren

2.3.1 Spektroskopie

Spektroskopie [net05c] ist ein Sammelbegriff für eine Klasse experimenteller Verfahren, die untersuchen, wie eine Probe Energie aufnehmen oder abgeben kann.

Historisch bezeichnet der Begriff in erster Linie solche Verfahren, die die Absorption oder Emission von Licht untersuchen. Mit Hilfe eines Spektrometers wird dabei ein Lichtspektrum, das ist die Intensität des absorbierten oder ausgestrahlten Lichts in Abhängigkeit von der Wellenlänge, gemessen.

Neben dem Bereich des sichtbaren Lichts deckt die Spektroskopie heute einen großen Teil des elektromagnetischen Spektrums ab, von den Radiowellen bis zur Gammastrahlung. Teilweise werden zur Spektroskopie auch solche Verfahren gezählt, bei denen die Wechsel- wirkung der Probe mit Teilchen, zum Beispiel Elektronen, abhängig von deren Energie, untersucht wird.

Ziel der Spektroskopie ist es, aus dem erzielten Spektrum Rückschlüsse auf die Probe zu ziehen, zum Beispiel auf deren innere Struktur, stoffliche Zusammensetzung oder Dynamik.

2.3.2 Fluoreszenz

Als Fluoreszenz [net05f] bezeichnet man allgemein die Fähigkeit mancher Stoffe, bei Lichteinfall farbig zu leuchten. Es handelt sich um einen lichtemittierenden Prozess, der durch eine Bestrahlung mit Licht geeigneter Wellenlänge ausgelöst wird. Man beobachtet bei Beendigung der Bestrahlung ein sofortiges Ende der Fluoreszenz. Die Deaktivierung aus dem angeregten Zustand kann aber auf unterschiedlichen Wegen (auch ohne Fluoreszenz) erfolgen, wie das Jablonski-Diagramm (Abb. 2.5) zeigt.

Durch eine Bestrahlung mit Licht erfolgt unter Einhaltung des Frank-Condon-Prinzips ein Übergang zu einem höheren Energieniveau des ersten angeregten Zustandes (S1). Zunächst

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.5: Fluoreszenz (Quelle: [net05f]):

Dieses Diagramm zeigt die verschiedenen Zustände S0, S1, Übergänge SR, IC und deren Zusammmenhang

findet eine sogenannte Schwingungsrelaxation (SR-Übergang) statt, bei der der Übergang zum niedrigsten S1-Niveau strahlungslos, d. h. unter Wärmeabgabe, erfolgt.

Nun kann (was der häufigere Fall ist) ein sog. „Internal Conversion“ oder IC-Übergang stattfinden. Damit wird ein sehr hohes Niveau des Grundzustandes erreicht; von dort kann über Wärmeabgabe deaktiviert werden. Bei geeigneten Substanzen kann aber die Energie auch in Form von Licht abgegeben werden. Diesen Vorgang bezeichnet man als Fluoreszenz. Die Lebensdauer eines Elektrons im S1-Zustand beträgt nur 10−^[9] sec, so dass beim Abschalten des Anregungslichtes die Fluoreszenz endet.

Bestimmte Biomoleküle im Gewebe, sogenannte Fluorophore, sind nach Anregung mit Licht einer bestimmten Wellenlänge in der Lage, die aufgenommene Energie wieder als Licht abzustrahlen (Autofluoreszenz). Die Wellenlänge dieses Fluoreszenzlichtes ist charak- teristisch für das angeregte Molekül. Die Intensität der abgestrahlten Gewebefluoreszenz ist von der Konzentration der Fluorophore sowie von der Blutabsorption abhängig. Bekannte Fluorophore des menschlichen Organismus sind z.B. Kollagen, NADH (reduzierte Form des Nicotinsäureamid-Adenin-Dinucleotid, NAD), Flavine, Porphyrine oder Tryptophan. Im Übergang von gesundem zu malignem Gewebe wird eine erhöhte Konzentration von NADH angenommen. Licht im Wellenlängenbereich von 300-365 nm (ultraviolettes Licht) entspricht dem Absorptionsverhalten dieser Biomoleküle und ist daher zur Anregung der Autofluoreszenz geeignet. Es stellt sich die Frage, ob die im Rahmen der Tumorentwicklung möglicherweise auftretende Konzentrationsänderungen von Fluorophoren durch Messung der Autofluoreszenz nachweisbar sind [KÖN01].

In biologischen Geweben muss bei der Bewertung der gemessenen Fluoreszenzintensität das Absorptionsspektrum und die Streu-Charakteristik des Mediums in Bezug auf die lokale Position der Fluorophore zur detektierenden Sonde berücksichtigt werden. Dies erfolgt durch die Einführung einer sogenannten Lichttransport-Funktion. Hierbei handelt es sich um eine dimensionslose Matrix von Funktionen in Abhängigkeit von Streukoeffizient µS , Absorptionskoeffizient µa, Anregungs- und Emissionswellenlänge, sowie der Geometrie der Sonde. Für die Ermittlung von Streu- und Absorptionskoeffizient des Gewebes, spektral aufgelöst über den Bereich der interessierenden Gewebefluoreszenz, bedarf es einer gesonderten Messung, z.B. der Bestimmung der Weißlichtremission.

2.3.3 Remission und Weißlicht-Remission

In der Physik bezeichnet man als Remission [net06d] das Wiederaussenden von einfallendem Licht, das sich als Leuchten zeigt (passive Lichtquellen).

In der Optik ist die Remission (Abb. 2.6) eine Addition aus absorbiertem (bei opaken Körpern) bzw. transmittiertem (bei transparenten Körpern) und reflektiertem Licht. So erscheint ein gelber Körper, der mit Tageslicht (ganzes Spektrum des Lichtes) bestrahlt wird, deshalb gelb, weil aus dem RGB-Spektrum der blaue Lichtanteil absorbiert und nur mehr das rote und grüne Licht reflektiert wird. Sehr ähnlich ist es bei Filtern: ein CyanFilter transmittiert den roten Lichtanteil des Farbspektrums und lässt nur die blauen und grünen Farbanteile durch den Filter hindurch.

(a) Absorption des blauen Lichtanteils durch (b) Transmission des roten Lichtanteils durch einen gelben Körper einen Blau-Filter

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.6: Remission - Quelle: [net06b]

Im Zusammenhang dieses Projektes [HER04] soll unter der Remission die diffuse Reflekti- on von Licht aus einem stark streuenden und absorbierenden, im Allgemeinen strukturell und chemisch heterogenen Medium verstanden werden; Streuung und Absorption sind wellenlängenabhängig. Die Streu-Charakteristik erlaubt Rückschlüsse über die Struktur des Gewebes, das Absorptions-Spektrum spiegelt seine chemische Zusammensetzung wider. Damit eignet sich die Weißlicht-Remissions-Spektroskopie prinzipiell als eigenständige optische Methode zur Gewebe-Charakteristik [RHS03].

Im Rahmen von CELIF (siehe Kapitel 3) wurde die Weißlicht-Remission jedoch dazu genutzt, streuungs- und absorptionsbedingte Intensitätsverfälschungen des monochromatisch angeregten Fluoreszenz-Spektrums zu korrigieren.

Hierzu wurde folgender Algorithmus entwickelt:

- Das Remissionsspektrum, gemessen am Gewebe, muss um die Apparatefunktion korrigiert werden.
- Die Apparatefunktion beinhaltet die Emissions-Charakteristik der Anregungsquelle, hier der Xenonlampe, sowie die Übertragungs-Charakteristik und Apertur der Sonde für eine konkrete Messgeometrie.

Praxisnahe wurde für die Apparatefunktion eine Referenzmessung an einem geeigneten Standard (z.B. eine Metalloberfläche) genutzt, um dann als Differenzspektrum die wahre Remission des Gewebes zu erhalten, die als Kombination aus Streu- und Absorptionsspektrum gesehen werden kann. Ein Modell für die Berechnung dieser wahren Remission ist in weiterführender Literatur, z.B. [ZPB+99] nachzulesen.

2.3.4 Impedanz

Die Impedanz Z [net05a] ist der komplexe Quotient aus der Wechselspannung U und der Wechselstromstärke I.

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Er setzt sich zusammen aus einem Realteil, dem Wirkwiderstand R und einem Imaginärteil, dem Blindwiderstand X. In Polarkoordinaten braucht man Betrag und Phase. Der Betrag der Impedanz wird als Scheinwiderstand Z und die Phase mit ϕ bezeichnet (Abb. 2.7).

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Der Scheinwiderstand ist daher

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Abbildung 2.7: Impedanz (Quelle: [net05a]):

Grafische Darstellung der Zusammenhänge zwischen Wirkwiderstand und Blindwiderstand im komplexen Zahlenbereich

Die (elektrochemische) Impedanzspektroskopie ist eine Erweiterung der Impedanz-Analyse. Hierbei wird die Impedanz bei mehreren Frequenzen über einen Frequenzbereich (Spek- trum) bestimmt. Mit ihrer Hilfe lassen sich frequenzabhängige Phänomene von elektri- schen (elektrochemischen) Komponenten analysieren, so z.B. biologische und biomedizini- sche Systeme. Das Impedanzspektrum beschreibt die Übertragungsfunktion des Systems und kann als Bode-Diagramm oder üblicherweise als Nyquist-Diagramm dargestellt werden (siehe Kapitel 5).

Mit der Hochfrequenz-Impedanz-Messung [HER04] werden Veränderungen vor allem in der Membran- und Zellstruktur einer Gewebeart erfasst.

Der Wechselstrom-Widerstand des biologischen Gewebes setzt sich aus dem Ohm’schen (elektrischer Widerstand der Flüssigkeit im Gewebe) und dem kapazitiven (elektrische Kapazität der Zellmembran) Widerstand in einer Parallelschaltung zusammen. Bei nied- rigen Frequenzen dominiert der kapazitive Widerstand; folglich fließt der Strom über den Ohm’schen Widerstand des Gewebes. Bei hohen Frequenzen ist der kapazitive Widerstand gering und der Strom fließt hauptsächlich über den kapazitiven Widerstand.

Die auf die Oberfläche eines Gewebes auftreffende Wechselstromenergie wird zum Teil reflektiert, zum Teil dringt sie in das Gewebe ein und wird dort absorbiert. Die Reflektion hängt von den dielektrischen Eigenschaften des betroffenen Gewebes und der Frequenz des Wechselstroms ab. Der interessante Frequenzbereich liegt zwischen 10 MHz und 20 GHz. Dort werden Effekte beobachtet, die im Zusammenhang mit chemischen und strukturellen Gewebemerkmalen stehen und deswegen für diagnostische Zwecke relevant sein sollten.

Die Erregung einer zellulären Antwort auf ein elektrisches Feld verläuft nach einem kas- kadenartigen Muster über die Zellmembran. Über elektrochemische Ereignisse an der Zell- oberfläche werden Transmembran-Wechselwirkungen ausgelöst, die zu einer Signalverstär- kung im Inneren der Zelle führen. Bei der Wechselwirkung von elektromagnetischen Feldern hoher Frequenzen mit biologischem Gewebe kann es auf molekularer Ebene zu verschiedenen Prozessen kommen: Wärmewirkung, Erzeugung von Potentialdifferenzen durch Ladungsverschiebungen, sowie felderzeugte Kraftwirkungen durch die Wirkung eines induzierten Dipols auf andere Dipole in seiner Umgebung.

Die vom Gewebe reflektierte Welle wird in Amplitude und Phase gegenüber der einge- strahlten Welle verschoben. Mittels Fouriertransformation erhält man aus dem Zeitsignal die komplexe Impedanz als Funktion der Frequenz, hier im Bereich von 10 bis 80 MHz. Auf Grund einer nicht idealen Sondengeometrie zeigt das Spektrum Singularitäten in Form von Peaks bei ca. 20 und 45 MHz. Somit wurde die Auswertung vorerst auf den Bereich zwischen 25 und 75 MHz beschränkt. Die Beurteilung des Gewebes erfolgt anhand eines Mittelwertes [MAR02].

2.3.5 Gewebediagnose in der Medizin

Im Fraunhofer-Institut wurde ein Gerätesystem [net05g] aufgebaut, mit dem Gewebeproben quasi simultan mit drei unabhängigen Methoden (laserinduzierte FluoreszenzSpektroskopie LIF, Weißlicht-Remissions-Spektroskopie und elektrische HochfrequenzImpedanz-Spektroskopie) über eine gemeinsame endoskopietaugliche Sonde analysiert werden können. Anhand von Ergebnissen zu Präparaten der hepatobiliären und endokrinen Chirurgie sowie der Bronchoskopie konnte gezeigt werden, dass die multimodale Analyse einen deutlichen Gewinn an Zuverlässigkeit hinsichtlich der Differenzierung von pathologisch verändertem und normalem Gewebe ermöglicht.

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