Erstellung und Evaluation eines Raman-spektroskopischen Messkopfs zur Analyse von Hauttumoren und Auswertung von klinischen Studiendaten

Abstract

Die Eignung der Raman-Spektroskopie zur Unterscheidung von Hautkrebs und normaler Haut wurde bereits in einigen Studien gezeigt. In den meisten Studien wurden dazu Raman-Mikroskope verwendet, die für den klinischen In-vivo-Einsatz nur bedingt geeignet sind. In dieser Studie wurden zwei fasergekoppelte Raman- Messköpfe entwickelt, die Anregungs- und Detektionsspotgrößen von ≈200 µm und damit eine hohe Sensitivität bis zur Tiefe der Basalmembran haben, wo Tumoren der Haut bevorzugt entstehen. Im Vergleich zur Raman-Mikrospektroskopie wird dadurch gleichzeitig über ein größeres Volumen gemittelt, wodurch der Einfluss einzelner Zellen reduziert wird. Die Messköpfe setzen den Schwerpunkt auf einfache klinische Anwendbarkeit und Erreichbarkeit einer Vielzahl an Körperstellen oder auf einen sichtbaren Messspot im Video-Übersichtsbild zur genauen Zuordnung der Messposition mit den histopathologischen Befunden. Beide Messköpfe wurden bezüglich Spotgrößen, Lichtdurchsatz, Untergrundsignal, Tiefensensitivität, klinischer Handhabung und Umgebungslichtunterdrückung evaluiert und bewertet, woraufhin einer der Messköpfe zur Verwendung in einer klinischen Erprobung ausgewählt wurde. Da die Verwendung optischer Fasern und die In-vivo-Anwendung die Empfindlichkeit für Störfaktoren gegenüber der Ex- vivo-Anwendung stationärer Raman-Mikroskope erhöht, wurden diese vor Beginn der klinischen Erprobung an dem ausgewählten Messkopf untersucht. Die Auswertung erfolgte mittels Prinzipalkomponentenanalyse (PCA). Zu den deutlichsten, aber prinzipiell kontrollierbaren Störfaktoren gehörten der Einfluss des Umgebungslichts, sowie die Vorbehandlung der Hautläsionen. Geringeren Einfluss zeigte die Immersion mit H2O sowie variierender Anpressdruck und Faserbiegeradius. In der klinischen Erprobung wurden Messungen an 111 Probanden an Läsionen mit Verdacht auf malignes Melanom (MM), Basalzellkarzinom (BCC) und Plattenepithelkarzinom (SCC) jeweils vor der geplanten Exzision durchgeführt. Die Klassifizierung der angewendeten Partial- least-squares-Diskriminanzanalyse (PLS-DA) im 300‑1730 cm-1 Fingerprint- Bereich basierte auf den post-operativen histopathologischen Befunden als Goldstandard. Die Diskriminierung von MM zu normalen pigmentierten Naevi (PN) erzielte eine Balanced Accuracy (Mittelwert von Sensitivität und Spezifität) von 91%. Die Diskriminierung von BCC bzw. SCC zu normaler unpigmentierter Haut (nor) ergab eine Balanced Accuracy von 73% bzw. 85%. Diese Ergebnisse liegen in der Größenordnung des derzeitigen klinischen Standards, der Dermatoskopie, wurden jedoch objektiv ermittelt und sind daher unabhängig von der Erfahrung des untersuchenden Dermatologen.

The potential of Raman-Spectroscopy for the discrimination of skin cancer and normal skin has been shown in various studies. In most cases Raman-microscopes with restricted use in clinical in vivo applications were used. Two fiber- coupled Raman probes with high sensitivity up until the basal membrane, where early stages of skin cancer originate, were developed. This was achieved with spot sizes of ≈200 µm for excitation and detection. Compared to Raman-micro- spectroscopy, this also averages over a larger volume, reducing the influence of individual cells. The probes have an emphasis on either easy clinical application and access to difficult to access body sites or a video-visible excitation spot for assigning the measurement positions to the histopathological findings. Spot sizes, light throughput, background signal, depth sensitivity, clinical applicability and ambient light suppression of both probes were evaluated, which lead to selecting one probe for a clinical evaluation. Compared to the ex vivo application of stationary Raman- microscopes, in vivo use of fiber-probes increase the sensibility to perturbation factors. Therefore, the influence of these factors was examined previous to the clinical evaluation on the selected probe. The evaluations were achieved using principal component analysis (PCA). The most severe but in principle controllable perturbation factors were ambient light influence and the pre-treatment of measured lesions. Minor influences were the H2O- immersion, as well as varying contact pressure and fiber bending. In the clinical evaluation, measurements of 111 subjects with lesions suspected to be malignant melanoma (MM), basal cell carcinoma (BCC) or squamous cell carcinoma (SCC) were made prior to the scheduled excision. The classification of the applied partial least squares discriminant analysis (PLS-DA) in the 300‑1730 cm-1 fingerprint region was based on the post-excisional histopathologic findings as a gold standard. A 91% balanced accuracy (mean of sensitivity and specificity) was achieved in discriminating MM from normal pigmented nevi (PN). For the discrimination of BCC and SCC from normal unpigmented skin (nor), a balanced accuracy of 73% and 85% was achieved. This is in the range of results achieved by dermoscopy, the current clinical standard, but, the results are objective and independent on the level of training of the examining dermatologist.