Thickness determination of melanocytic nevi by means of optical coherence tomography

Abstract

This thesis presents a fast, reliable, and non-invasive method for in vivo thickness determination of melanocytic nevi, and melanomas in particular. Such a tool is highly desirable for clinical dermatology as it may facilitate the identification of surgical melanoma margins, determine if a sentinel node biopsy should be performed or not, and, thus, reduce the number of surgical interventions for patients. In this work, optical coherence tomography (OCT) is evaluated for quantitative in vivo preoperative assessment of the melanocytic skin infiltration depth. Comparison with the Breslow tumor thickness obtained from subsequent histopathology as the gold standard reveals that non-invasive OCT can determine the infiltration depth of melanocytic lesions preoperatively and in vivo with an accuracy comparable to invasive histopathology measurements on skin biopsies. Moreover, OCT can produce volumetric images of the lesion giving access to lateral and axial dimensions after applying an image segmentation algorithm. Successive OCT measurements allow for growth tracking of the invisible parts below the skin surface and the evolution of the lesion infiltration depth. In addition, a multimodal measuring device for rapid, noninvasive in vivo skin cancer screening is presented, combining three optical modalities: OCT and optoacoustics (OA) to provide precise tumor depth determination with a Raman spectroscopic modality capable of detecting the lesion type and, thus, providing diagnostic capability. Both setups, OA and Raman, use wide field skin illumination to ensure compliance with Maximum Permissible Exposure (MPE) requirements for clinical use. The Raman signal is collected via the OCT scanning lens to maximize the signal-to-noise ratio (SNR) of the measured signal. OCT is used to optically determine the tumor thickness and for volumetric imaging whereas optoacoustics utilizes acoustic signals generated by optical absorption contrast for thickness determination at potentially higher penetration depths compared to OCT. Results of first clinical trials using the described setup are also presented in this work. The measured lesion depth is in good agreement with histology results, while Raman measurements show distinctive differences between normal skin and melanocytic lesions, and, moreover, between different skin areas. For future work, approaches are discussed to validate the setup for reliable detection of pathophysiological parameters, morphology and thickness of suspicious skin lesions.

Die vorliegende Dissertation präsentiert eine Methode zur schnellen, zuverlässigen in vivo Dickenbestimmung von melanozytären Nevi. Ein derartiges Instrument ist für die klinische Dermatologie höchst wünschenswert, da es die Identifizierung von chirurgisch relevanten Melanom-Rändern erleichtert und der Dermatologe schneller bestimmen kann, ob eine Lymphknoten-Biopsie durchgeführt werden sollte oder nicht. Dies würde die Anzahl der chirurgischen Eingriffe für die Patienten signifikant verringern. In dieser Arbeit wird die optische Kohärenztomographie (OCT) zur präoperativen in vivo Messung der melanozytären Hautinfiltrationstiefe evaluiert. Ein Vergleich mit der Breslow-Tumordicke, die aus der nachfolgenden histopathologischen Analyse, dem Goldstandard, erhalten wurde, zeigt, dass die nicht-invasive OCT-Messung die Infiltrationstiefe von melanozytären Läsionen präoperativ mit einer Genauigkeit messen kann, die mit einer invasiven histopathologischen Messung vergleichbar ist. Darüber hinaus kann das OCT volumetrische Bilder der Läsion erzeugen, die nach Anwendung eines Bildsegmentierungsalgorithmus Zugang zur lateralen und axialen Ausdehnung gewähren. Wiederholte OCT-Messungen ermöglicht so eine Verfolgung des Läsionswachstums unterhalb der Hautoberfläche und insbesondere des Dickenwachstums. Darüber hinaus wird ein multimodales Messsystem zur schnellen, nicht invasiven in vivo Hautkrebs-Früherkennung vorgestellt. Es kombiniert drei optische Modalitäten: OCT und Optoakustik (OA) zur präzisen Bestimmung der Tumortiefe und Raman-Spektroskopie, die den Läsionstyp erfassen kann und Diagnosefähigkeiten bereitstellt. Beide Geräte, OA und Raman, verwenden eineWeitfeld-Hautbeleuchtung, um die Einhaltung der maximalen zulässigen Expositionsanforderungen (MPE) für die klinische Verwendung sicherzustellen. OCT wird zur optischen Bestimmung der Tumordicke und zur volumetrischen Bildgebung verwendet, während die OA akustische Signale einsetzt, die durch optischen Absorptionskontrast für die Dickenbestimmung mit höheren möglichen Eindringtiefen im Vergleich zu OCT erzeugt werden. Ergebnisse einer präklinischen Studie sind ebenfalls Teil dieser Arbeit. Die gemessenen Läsionstiefen stimmen gut mit den histologischen Ergebnissen überein, während die Raman-Messungen deutliche Unterschiede zwischen normaler Haut und melanozytären Läsionen und zwischen verschiedenen Hautbereichen zeigen. Für zukünftige Anwendungen werden konkrete Ansätze diskutiert, um den Aufbau für den zuverlässigen Nachweis pathophysiologischer Parameter, Morphologie und Dicke verdächtiger Hautläsionen zu validieren.