Diffuse optical tomography on finger joints for the diagnosis of rheumatoid arthritis

Bei der rheumatoiden Arthritis (RA) kommt es in kleinen Gelenken durch Entzündungsreaktionen zu physiologischen Veränderungen, die mit Änderungen im Transport optischer Strahlung einhergehen. Mit einer einfachen, diaphanoskopischen Durchleuchtung mit rotem bis nahinfrarotem Licht lassen sich solche Veränderungen darstellen, diagnostisch verwertbar allerdings nur in Referenz zu einer früher erstellten Aufnahme. Die Bildgebung mittels optischer Tomographie soll diese Änderungen anhand von zweidimensionalen Schnittbildern in der räumlichen Verteilung deutlicher darstellen. Das Ziel dieser Arbeit bestand in der Realisierung und experimentellen Erprobung von optisch-tomographischen Systemen für die Diagnose der RA. Zwei tomographische Systeme der optischen Durchleuchtung wurden experimentell realisiert und erprobt, um proximale Interphalangeal- (PIP-) Gelenke zur diagnostischen Bewertung in sagittaler Ebene darzustellen. Mit einem ersten Demonstrator wurde die sagittale laser-optische Tomographie (SLOT) unter Verwendung einer kontinuierlichen Durchleuchtungsmethode an gesunden Probanden und an ersten RA-Patienten erprobt. Um Verbesserungen hinsichtlich der räumlichen Auflösung und der Eindeutigkeit der Rekonstruktionsbilder zu erzielen, erfolgte anschließend die Voruntersuchung einer weiteren Durchleuchtungsmethode mit hochfrequent moduliertem Laserlicht. Das modulierte Licht durchläuft das Gewebe als so genannte Photonen-Dichte-Welle (PDW) und erfährt dabei eine messbare Dämpfung der Amplitude sowie eine zeitliche Verzögerung. An einem Labormessplatz wurden an speziellen optischen Gewebephantomen die Abhängigkeit der Signalqualität von der Modulationsfrequenz und die Empfindlichkeit der PDW-Durchleuchtung auf Änderungen im Gewebe untersucht. Anschließend erfolgte der Aufbau eines zweiten tomographischen Demonstrators mit zweidimensionaler Multipixeldetektion der PDW (PDW-SLOT). Mittels Phantommessungen wurden die Systemeigenschaften des Demonstrators charakterisiert und dessen Möglichkeiten zur verbesserten Darstellung von PIP-Gelenken untersucht. Im Ergebnis ist in SLOT-Schnittbildern die charakteristische räumliche Verteilung der Gewebeabsorption bzw. -streuung optischer Strahlung im Fingergelenk dargestellt, die sich bei entzündlich veränderten PIP-Gelenken deutlich von denen nicht entzündeter Gelenke unterscheiden. Typisch für kontinuierliche Durchleuchtungsmethoden ist dabei, dass die Darstellung von Absorption und Streuung nicht eindeutig ist, da sich beide bei der Bildrekonstruktion gegenseitig beeinflussen. Die Untersuchungen mit der PDW-Durchleuchtung haben gezeigt, dass mit einer Modulation des Lichts im Bereich um 600 MHz die beste Signalqualität und der höchste Kontrast erzielt werden. In einem Gelenkphantom ließen sich simulierte entzündliche Veränderungen sowohl in den Messsignalen als auch in den rekonstruierten Schnittbildern gut von einem nicht entzündeten Zustand unterscheiden. Besonders die separate Darstellung von Absorptions- und Streukontrast gestattet im Prozess der Diagnostik eine differentielle Zuordnung zur Pathophysiologie. Durch die bei der PDW-SLOT eingesetzte schnelle, zweidimensionale Detektionstechnik konnte im Vergleich zu den einfachen SLOT-Messungen eine deutliche Reduktion der Untersuchungszeit erzielt und dadurch der Patientenkomfort erhöht werden.Rheumatoid arthritis (RA) is characterized by physiological changes, which are caused by inflammatory reactions in the small joints and accompanies changes in the transport of optical radiation. Although such changes can be documented using red to near infrared light in optical diaphanoscopy, their diagnostic evaluation is only of value when compared to an earlier image. The images obtained with optical tomography, using two-dimensional tomograms, should show changes in their spatial distribution more clearly. The aim of this work was to first realize and, by means of experimental trials, test the suitability of optical tomographical systems for the diagnosis of RA. Two optical tomographical systems were set up and tested in order to image and diagnostically evaluate proximal interphalangeal (PIP-) joints in the sagittal plane. Using a first system, sagittal laser-optical tomography (SLOT) was tested both on healthy volunteers and on RA patients using a continuous transillumination method. In order to improve the spatial resolution and the clearness of the reconstructed images, the initial investigation was subjected to a further transillumination method using HF-modulated laser light. The modulated light passes through the tissue as a so-called ‘photon density wave’ (PDW), and is subjected to measurable attenuation of the amplitude, and a time delay. In a laboratory test set-up purpose-built optical tissue phantoms were used to investigate the dependence of the signal quality on the modulation frequency and sensitivity of the PDW transillumination to changes in the tissue. A second tomographical system was constructed which was capable of two-dimensional multipixel detection of the PDW (PDW-SLOT). Using tissue phantoms, measurements were carried out to characterize the system properties and to investigate its potential for improved imaging of PIP joints. SLOT tomograms show the characteristic spatial distribution of tissue absorption and the scattering of optical radiation in the finger joint, the inflammation- affected PIP joints differing distinctly from those of non-inflamed joints. A typical feature of continuous transillumination methods is that neither absorption nor scattering are distinct entities because they mutually interfere with each other during image reconstruction. The PDW transillumination investigations have shown that the best signal quality and the highest contrast can be achieved with a modulation of light in the 600 MHz range. Using the joint phantom, simulated inflammatory changes could be easily differentiated from the healthy state, both in the measured signals and the reconstructed tomograms. In particular the separate representation of the absorption and the scattering contrast allow a differential correlation to pathophysiology to be made during the diagnostic process. Due to the fast two- dimensional detection technique used with PDW-SLOT, the time required for examination is markedly reduced compared to simple SLOT measurements thereby raising the patient comfort factor