Nichtinvasive Untersuchung von biologischem Gewebe mit Dielektrischer Hochfrequenz-Spektroskopie

Staatsexamensarbeit von Marius Kaffanke

Zusammenfassung:

In der hier vorliegenden Arbeit wird das dielektrische Verhalten von biologischem Gewebe im elektrischen Feld im Frequenzbereich zwischen 1 MHz und 1 GHz untersucht. Die Modellvorstellung von biologischem Gewebe basiert dabei auf dem Suspensionsmodell, d.h. auf der Annahme, daß sich die Zellen als ellipsoide Kapseln in einer Suspension aus Wasser und biologischen Makromolekülen befinden. Bei Anlegen eines elektrischen Feldes können sich dipolare Moleküle im Feld ausrichten; handelt es sich dabei um ein Wechselfeld, so kann Polarisation an Zellmembranen oder anderen Grenzflächen zwischen Medien verschiedener Leitfähigkeiten auftreten.

Die Messung dielektrischer Eigenschaften gestattet es, bestimmte Aspekte der Gewebestruktur zu untersuchen, so z.B. den Wassergehalt der Cornea oder die Veränderung der Gewebestruktur eines Tumors unter dem Einfluß der Hyperthermietherapie. Der entscheidende Vorteil der Methode liegt darin, daß die Messungen nichtinvasiv über die Messung des Reflexionsfaktors mit einer Koaxialsonde durchgeführt werden können. Die dabei vom Körper aufgenommene Energie liegt um Größenordnungen unter denen vom Bundesamt für Strahlenschutz vorgeschlagenen Höchstwerten. Messungen dieser Art werden seit den fünfziger Jahren durchgeführt, doch ist man erst jetzt in der Lage, über einen weiten Frequenzbereich genügend schnell und genau zu messen, was die Voraussetzung für einen Einsatz dieser Meßmethode in der medizinischen Diagnostik ist.

In dieser Arbeit werden in vitro Messungen an der Cornea von enuklierten Rinderaugen und in vivo Messungen an menschlicher Haut durchgeführt. Dabei sollen drei Themen bearbeitet werden:

Es müssen die Parameter ermittelt werden, welche Einfluß auf die Reproduzierbarkeit der Messungen an biologischen Oberflächen haben und Methoden zur Verbesserung der Reproduzierbarkeit erarbeitet werden.

Es wird überprüft werden, welchen Einfluß die Wahl der Sondengeometrie bei Messungen an Organen auf das Meßergebnis hat.

Es sollen an verschiedenen Probanden Messungen unterschiedlicher Hautpartien von gesunder und krankhaft veränderter Haut durchgeführt werden. Damit soll die Tauglichkeit des Meßverfahren zur Differenzierung verschiedener Gewebetypen im Hinblick auf eine später mögliche Anwendung zur Diagnose maligner Tumore überprüft werden.

Vor dem Hintergrund, daß sich alle 10-15 Jahre die Zahl der auftretenden malignen Melanome verdoppelt und daß es bisher keine sichere nichtinvasive Diagnosemöglichkeit gibt, könnte der Einsatz dieses Meßverfahrens zu diagnostischen Zwecken interessant werden. Bisher liegt bei Ausnutzung aller Diagnosemittel, wie eine Studie der Universität Erlangen zeigt, die diagnostische Genauigkeit der Melanomdiagnose bei 91,9%. Die Schwierigkeit besteht darin, nicht eindeutig zuordenbare Erkrankungen der Haut vom malignen Melanom abzugrenzen, weil es nicht möglich ist, alle nicht eindeutig zu klassifizierenden Hautveränderungen operativ zu entfernen.

Leider ist es bis jetzt nicht gelungen, Mediziner für eine dauerhafte Zusammenarbeit zu gewinnen. Dies aber ist die unabdingbare Voraussetzung dafür, systematisch Ergebnisse der Dielektrischen Spektroskopie mit histologischen Befunden zu vergleichen und die Ergebnisse gemeinsam im Sinne einer interdisziplinären Zusammenarbeit zu diskutieren und weiterzuverwerten.

Inhaltsverzeichnis:

1.	Einleitung	1
2.	Theoretische Grundlagen
2.1.	Das elektrische Feld in Materie	2
2.2.	Die Polarisationsmechanismen	3
2.3.	Verteilung der Relaxationszeiten.	9
2.4.	Die Dielektrizitätskonstante von biologischem Gewebe	13
3.	Messverfahren
3.1.	Beschreibung der Meßsonden	15
3.2.	Beschreibung der Meßapparatur	16
3.3.	Erläuterung des Meßprinzips	17
4.	Auswertung
	Teil A: Messungen an Rinderaugen
4.1.	Problemstellung	22
4.1.1.	Ergebnisse	23
4.1.2	Analyse und Diskussion	24
	Teil B: Messungen an menschlicher Haut
4.2.	Erfassung der für die Reproduzierbarkeit wichtigen Parameter	27
4.2.1.	Ergebnisse	27
4.2.2.	Analyse und Diskussion	29
4.3.	Messungen an gesunder menschlicher Haut	30
4.3.1	Ergebnisse	30
4.3.2.	Analyse und Diskussion	34
4.4.	Messungen an Hautveränderungen	35
4.4.1	Ergebnisse	36
4.4.2	Analyse und Diskussion	40
5.	Zusammenfassung und Ausblick	41
6.	Fehlerbetrachtung	42
7.	Literaturverzeichnis	43