Download PDF
Aktuelle Dermatologie 2020; 46(04): 171-178
DOI: 10.1055/a-1072-7195
Übersicht

Optoakustische Bildgebung – Licht rein, Schall raus?

Optoacustic Imaging – from Light to Sound?
B. Hindelang‡   *
1   Klinik und Poliklinik für Dermatologie und Allergologie am Biederstein, Technische Universität München
,
C. Schönmann‡   *
1   Klinik und Poliklinik für Dermatologie und Allergologie am Biederstein, Technische Universität München
2   Lehrstuhl für biologische Bildgebung, Technische Universität München
3   Institute of Biological and Medical Imaging, Helmholtz Zentrum München, Neuherberg
,
J. Aguirre
2   Lehrstuhl für biologische Bildgebung, Technische Universität München
3   Institute of Biological and Medical Imaging, Helmholtz Zentrum München, Neuherberg
,
V. Ntziachristos
2   Lehrstuhl für biologische Bildgebung, Technische Universität München
3   Institute of Biological and Medical Imaging, Helmholtz Zentrum München, Neuherberg
,
T. Biedermann
1   Klinik und Poliklinik für Dermatologie und Allergologie am Biederstein, Technische Universität München
,
U. Darsow
1   Klinik und Poliklinik für Dermatologie und Allergologie am Biederstein, Technische Universität München
› Author AffiliationsDie Autoren wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Gottfried Wilhelm Leibniz Preises (NT3/10-1) und des Sonderforschungsbereichs SFB824, Teilprojekt B10, gefördert.
› Further Information
Also available at
   Permissions and Reprints

Zusammenfassung

Die optoakustische Bildgebung ist eine neuartige Bildgebungsmodalität, welche auf der Aufzeichnung und Verarbeitung von Ultraschallsignalen basiert, die im Gewebe durch Absorption von Laserlicht entstehen. Die Methode vereint guten, auf Lichtabsorption beruhenden Kontrast mit hoher Eindringtiefe und ermöglicht sowohl morphologische als auch molekulare und funktionelle Bildgebung. Sie kann mit oder ohne Kontrastmittel eingesetzt werden und ist frei von ionisierender Strahlung. Darüber hinaus ist die Technik skalierbar und kann somit zur makroskopischen, mesoskopischen und mikroskopischen Bildgebung verwendet werden.

In den letzten Jahren wurden eine Reihe verschiedener Systeme zur optoakustischen Bildgebung entwickelt und in vielfältigen Bereichen der präklinischen und klinischen Forschung eingesetzt. In der Dermatologie zeigten sich vielversprechende Anwendungsgebiete der Optoakustik insbesondere in der Untersuchung von Melanomen, Wächterlymphknoten und nicht-melanozytärem Hautkrebs sowie in der Charakterisierung von entzündlichen Hauterkrankungen.

In diesem Review sollen die technischen Grundlagen der optoakustischen Bildgebung erläutert sowie der derzeitige Stand der Forschung hinsichtlich Anwendungsbereiche makroskopischer, mesoskopischer und mikroskopischer optoakustischer Systeme beschrieben und diskutiert werden.

Abstract

Optoacoustic imaging is a novel imaging modality based on the acquisition and processing of ultrasound signals generated by absorption of laser light within tissue. This method combines optical absorption contrast with high contrast deep in tissue and allows for morphological as well as molecular and functional imaging. Optoacoustic imaging can be performed label free or with contrast dyes and is non-ionizing. The technique is furthermore scalable which means that it can be used for macroscopic, mesoscopic, and microscopic imaging.

In recent years several optoacoustic systems have been developed and used in a variety of fields in both preclinical and clinical research. Promising fields of application in dermatology include the examination of melanomas, sentinel lymph nodes and non-melanoma skin cancer as well as the characterization of inflammatory skin diseases.

In this review we explain the technical basics of optoacoustic imaging and describe and discuss the current state of research in macroscopic, mesoscopic, and microscopic optoacoustic systems.

* Gleichwertiger Beitrag




Publication History

Article published online:
05 March 2020

© Georg Thieme Verlag KG
Stuttgart · New York

 

  • Literatur

  • 1 Ntziachristos V. Going deeper than microscopy: the optical imaging frontier in biology. Nature Methods 2010; 7: 603-614
    CrossrefPubMedSearch in Google Scholar
  • 2 Ntziachristos V, Razansky D. Molecular imaging by means of multispectral optoacoustic tomography (MSOT). Chem Rev 2010; 110: 2783-2794
    CrossrefPubMedSearch in Google Scholar
  • 3 Steinberg I, Huland DM, Vermesh O. et al. Photoacoustic clinical imaging. Photoacoustics 2019; 14: 77-98
    CrossrefPubMedSearch in Google Scholar
  • 4 Weber J, Beard PC, Bohndiek SE. Contrast agents for molecular photoacoustic imaging. Nature Methods 2016; 13: 639-650
    CrossrefPubMedSearch in Google Scholar
  • 5 Schellenberg MW, Hunt HK. Hand-held optoacoustic imaging: A review. Photoacoustics 2018; 11: 14-27
    CrossrefPubMedSearch in Google Scholar
  • 6 Masthoff M, Helfen A, Claussen J. et al. Multispectral optoacoustic tomography of systemic sclerosis. J Biophotonics 2018; 11: e201800155
    CrossrefPubMedSearch in Google Scholar
  • 7 Diot G, Metz S, Noske A. et al. Multispectral Optoacoustic Tomography (MSOT) of Human Breast Cancer. Clin Cancer Res 2017; 23: 6912-6922
    CrossrefPubMedSearch in Google Scholar
  • 8 Chuah SY, Attia ABE, Ho CJH. et al. Volumetric Multispectral Optoacoustic Tomography for 3-Dimensional Reconstruction of Skin Tumors: A Further Evaluation with Histopathologic Correlation. J Invest Dermatol 2019; 139: 481-485
    CrossrefPubMedSearch in Google Scholar
  • 9 Stoffels I, Jansen P, Petri M. et al. Assessment of Nonradioactive Multispectral Optoacoustic Tomographic Imaging With Conventional Lymphoscintigraphic Imaging for Sentinel Lymph Node Biopsy in Melanoma. JAMA network open 2019; 2: e199020
    CrossrefPubMedSearch in Google Scholar
  • 10 Stoffels I, Morscher S, Helfrich I. et al. Metastatic status of sentinel lymph nodes in melanoma determined noninvasively with multispectral optoacoustic imaging. Sci Transl Med 2015; 7: 317ra199
    CrossrefPubMedSearch in Google Scholar
  • 11 Aguirre J, Schwarz M, Garzorz N. et al. Precision assessment of label-free psoriasis biomarkers with ultra-broadband optoacoustic mesoscopy. Nat Biomed Eng 2017; 1: 496
    PubMedSearch in Google Scholar
  • 12 Hindelang B, Aguirre J, Schwarz M. et al. Non-invasive imaging in dermatology and the unique potential of raster-scan optoacoustic mesoscopy. J Eur Acad Dermatol Venereol 2019; 33: 1051-1061
    CrossrefPubMedSearch in Google Scholar
  • 13 Berezhnoi A, Aguirre J, Hindelang B. et al. Optical features of human skin revealed by optoacoustic mesoscopy in the visible and short-wave infrared regions. Opt Lett 2019; 44: 4119-4122
    CrossrefPubMedSearch in Google Scholar
  • 14 Schwarz M, Buehler A, Aguirre J. et al. Three-dimensional multispectral optoacoustic mesoscopy reveals melanin and blood oxygenation in human skin in vivo. J Biophotonics 2016; 9: 55-60
    CrossrefPubMedSearch in Google Scholar
  • 15 Li X, Dinish US, Aguirre J. et al. Optoacoustic mesoscopy analysis and quantitative estimation of specific imaging metrics in Fitzpatrick skin phototypes II to V. J Biophotonics 2019; 12: e201800442
    PubMedSearch in Google Scholar
  • 16 Yew YW, Dinish US, Choi ECE. et al. Investigation of Morphological, Vascular and Biochemical Changes in the Skin of an Atopic Dermatitis (AD) Patient in Response to Dupilumab Using Raster Scanning Optoacoustic Mesoscopy (RSOM) and Handheld Confocal Raman Spectroscopy (CRS). J Dermatol Sci 2019; 95: 123-125
    CrossrefPubMedSearch in Google Scholar
  • 17 Aguirre J, Hindelang B, Berezhnoi A. et al. Assessing nailfold microvascular structure with ultra-wideband raster-scan optoacoustic mesoscopy. Photoacoustics 2018; 10: 31-37
    CrossrefPubMedSearch in Google Scholar
  • 18 Omar M, Schwarz M, Soliman D. et al. Pushing the optical imaging limits of cancer with multi-frequency-band raster-scan optoacoustic mesoscopy (RSOM). Neoplasia 2015; 17: 208-214
    CrossrefPubMedSearch in Google Scholar
  • 19 Berezhnoi A, Schwarz M, Buehler A. et al. Assessing hyperthermia-induced vasodilation in human skin in vivo using optoacoustic mesoscopy. J Biophotonics 2018; 11: e201700359
    CrossrefPubMedSearch in Google Scholar
  • 20 Aguirre J, Berezhnoi A, He H. et al. Motion Quantification and Automated Correction in Clinical RSOM. IEEE T Med Imaging 2019; 38: 1340-1346
    CrossrefPubMedSearch in Google Scholar
  • 21 van Nguyen P, Li Y, Aaberg M. et al. In Vivo 3D Imaging of Retinal Neovascularization Using Multimodal Photoacoustic Microscopy and Optical Coherence Tomography Imaging. J Imaging 2018; 4
    CrossrefPubMedSearch in Google Scholar
  • 22 Xiao M, Dai C, Li L. et al. Evaluation of Retinal Pigment Epithelium and Choroidal Neovascularization in Rats Using Laser-Scanning Optical-Resolution Photoacoustic Microscopy. Ophthalmic Res 2019; 1-13
    CrossrefPubMedSearch in Google Scholar
  • 23 Xu Z, Sun N, Cao R. et al. Cortex-wide multiparametric photoacoustic microscopy based on real-time contour scanning. Neurophotonics 2019; 6: 35012
    PubMedSearch in Google Scholar
  • 24 Seeger M, Westmeyer G, Ntziachristos V. In-vivo hybrid microscopy of small model organisms. In: Ntziachristos V, Zemp R. Hrsg. Opto-Acoustic Methods and Applications in Biophotonics IV. 24 – 25 June 2019, Munich, Germany. Bellingham, Washington: SPIE; 2019: 21
    Search in Google Scholar
  • 25 Rao B, Leng X, Zeng Y. et al. Optical Resolution Photoacoustic Microscopy of Ovary and Fallopian Tube. Sci Rep 2019; 9: 14306
    CrossrefPubMedSearch in Google Scholar
  • 26 Zhou H-C, Chen N, Zhao H. et al. Optical-resolution photoacoustic microscopy for monitoring vascular normalization during anti-angiogenic therapy. Photoacoustics 2019; 15: 100143
    CrossrefPubMedSearch in Google Scholar
  • 27 Jin T, Guo H, Jiang H. et al. Portable optical resolution photoacoustic microscopy (pORPAM) for human oral imaging. Opt Lett 2017; 42: 4434-4437
    CrossrefPubMedSearch in Google Scholar
  • 28 Moothanchery M, Seeni RZ, Xu C. et al. In vivo studies of transdermal nanoparticle delivery with microneedles using photoacoustic microscopy. Biomed Opt Express 2017; 8: 5483-5492
    CrossrefPubMedSearch in Google Scholar
  • 29 Park K, Kim JY, Lee C. et al. Handheld Photoacoustic Microscopy Probe. Sci Rep 2017; 7: 13359
    CrossrefPubMedSearch in Google Scholar