Modellbasierte Simulation und Kalibrierung eines multimodalen Systems aus OCT und Optoakustik zur nichtinvasiven, präoperativen Dickenbestimmung von melanomverdächtigen Hautläsionen

Abstract

In this dissertation, methods for the calibration of optical coherence tomography (OCT) systems and for the simulation of optoacoustic signals are presented. The key question here is whether a multimodal system consisting of OCT and optoacoustics is suitable for noninvasive, preoperative thickness determination of skin lesions suspected of melanoma and what conditions, if any, must be met for this purpose. Given the current state of the art, such a modality for melanoma diagnosis would be very enriching for dermatology. In addition to the definition of malignant melanoma, the most common diagnostic procedures in dermatology will be explained. The current approach to melanoma diagnostics shows that there is a lot of potential for improvement in order to be able to make diagnoses preoperatively in the future and to prevent unnecessary surgical interventions. The project in which this work was developed is briefly presented. It also discusses the physical principles needed to simulate and calibrate the multimodal system. The methods presented in chapters 6 and 7 for calibrating the OCT and for simulating the optoacoustic signals then build on these fundamentals. The general setup of OCT systems as well as of two specific OCT devices is explained. The methods then presented for geometric calibration and refractive index correction are essential for the thickness determination of structures in OCT images. In chapter 7 different methods are presented which are suitable for the simulation of optoacoustic signals. On the one hand, the solution of the direct problem, i.e. the creation of optoacoustic signals, is shown as well as the solution of the indirect problem, in which conclusions can be drawn about the initial pressure profile if optoacoustic signals are available. Furthermore, optoacoustic signals of simulated melanomas are generated and evaluated, which is also important for answering the key question. The results of this dissertation are discussed in detail at the end and an outlook is given on how the work on the multimodal system will continue.

In der vorliegenden Dissertation werden Methoden zur Kalibrierung von Optischen Kohärenztomographie (OCT)-Systemen und zur Simulation von Optoakustiksignalen präsentiert. Die Kernfrage hierbei ist, ob ein multimodales System aus OCT und Optoakustik für eine nichtinvasive, präoperative Dickenbestimmung von melanomverdächtigen Hautläsionen geeignet ist und welche Bedingungen hierfür gegebenenfalls erfüllt werden müssen. Beim derzeitigen Stand der Technik wäre solch eine Modalität für die Melanomdiagnostik sehr bereichernd f ¨ ur die Dermatologie. Neben der Definition eines malignen Melanoms werden die geläufigsten diagnostischen Verfahren in der Dermatologie erläutert. Das momentane Vorgehen bei der Melanomdiagnostik zeigt, dass hier sehr viel Potenzial für Verbesserungen ist, um zukünftig Diagnosen präoperativ vornehmen und unnötige operative Eingriffe verhindern zu können. Es wird kurz das Projekt vorgestellt, in dem diese Arbeit entstanden ist. Außerdem werden die physikalischen Grundlagen erörtert, die für die Simulation und Kalibrierung des multimodalen Systems benötigt werden. Auf diesen Grundlagen bauen dann die in Kapitel 6 und 7 vorgestellten Methoden zur Kalibrierung des OCT sowie zur Simulation der optoakustischen Signale auf. Es wird der allgemeine Aufbau von OCT-Systemen sowie von zwei speziellen OCT-Geräten erklärt. Die dann vorgestellten Methoden zur geometrischen Kalibrierung und zur Brechungsindexkorrektur sind unerlässlich für eine Dickenbestimmung von Strukturen in OCT-Bildern. In Kapitel 7 werden verschiedene Verfahren vorgestellt, die sich zur Simulation von optoakustischen Signalen eignen. Hier wird zum einen die Lösung des direkten Problems, also das Erzeugen von Optoakustiksignalen gezeigt sowie die Lösung des indirekten Problems, bei der Rückschluss auf das initiale Druckprofil geschlossen werden kann, wenn Optoakustiksignale vorliegen. Weiterhin werden Optoakustiksignale von simulierten Melanomen erzeugt und ausgewertet, was ebenfalls wichtig für die Beantwortung der Kernfrage ist. Die Ergebnisse dieser Dissertation werden zum Schluss ausführlich erörtert und es wird ein Ausblick darauf gegeben, wie die Arbeit am multimodalen System weitergeht.