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HF-US (M. Vogt)
HF-US (M. Vogt) (english)

Implementierung und Evaluation von Hochfrequenz-Ultraschall, zum Teil in Kombination mit optischen Abbildungssystemen, für die Diagnostik von Hautkrebs und und von Erkrankungen der kleinen Gefäße

Motivation:

In den vergangenen Jahrzehnten ist weltweit eine steigende Häufung des Auftretens aller Arten von Hauttumoren beobachtet worden. Verglichen mit anderen Krebserkrankungen hat speziell das Auftreten maligner Hauttumore epidemische Verhältnisse angenommen. Trotz dieser Situation steht bisher keine Gerätetechnik zur Verfügung, die dem Dermatologen mit einem hinreichenden Grad von Zuverlässigkeit bei der Diagnostik von Tumoren zur Seite steht. Auf der anderen Seite stellen der hochfrequente Ultraschall, die Epilumineszenzmikroskopie und die optische Kohärenztomographie leistungsfähige Werkzeuge dar, die hinsichtlich der nicht invasiven Abbildung der Haut die Anforderungen an das räumliche Auflösungsvermögen erfüllen.







The Motivation:

The growing incidence of all kinds of skin cancers is a worldwide phenomenon observed in the last decades. Compared with other types of cancer especially the incidence of malignant skin tumors has reached epidemic proportions. In spite of this situation, no procedure has yet been developed which can assist the dermatologist in tumor diagnosis with a sufficient degree of reliability. On the other side high-frequency ultrasound, epiluminescence microscopy and optical coherence tomography are potential tools that fulfill the requirements for non invasive skin imaging concerning spatial resolution.

Methode:

In diesem Projekt werden nicht invasive Abbildungsverfahren für die hochaufgelöste Abbildung der Haut eingesetzt, um die Früherkennung von Hauttumoren und die Therapieplanung zu unterstützen.
Für die hochaufgelöste morphologische Abbildung wird dabei hochfrequenter Ultraschall (HFUS) im 100 MHz-Bereich eingesetzt, während für die Blutflußabbildung in kleinen Gefäßen, und somit für die funktionelle Bildgebung, Ultraschall im 50 MHz-Bereich zum Einsatz kommt. Hinsichtlich einer homogenen Bildgebung mit Einzelelementschallwandlern werden mechanische Scankonzepte adaptiert. Neue Abbildungskonzepte, insbesondere die Ultraschall-Elastographie, mit der die elastischen Eigenschaften von Geweben mit Hilfe von Ultraschall abgebildet werden, kommen hinzu, womit wertvolle Informationen hinsichtlich der Pathologie der Haut geliefert werden.
Die Klassifikation von Hautläsionen mit Hilfe der Epilumineszenzmikroskopie basiert bisher hauptsächlich auf der Erfahrung des Dermatologen. Fortschritte in der computergestützten Bildverarbeitung und der künstlichen Intelligenz bilden die technologische Grundlage für die Unterstützung des Mediziners bei der Klassifikation verdächtiger Hautläsionen. Im Rahmen des Projektes werden videodermatoskopische Systeme, d.h. epilumineszenzmikroskopische Systeme (ELM) auf der Basis von Videokamerasystemen, eingesetzt. Diese werden ferner mit hochfrequenten Ultraschallscannern kombiniert, um Informationen hinsichtlich der Ausdehnung und der Morphologie von Hautläsionen in der Tiefe einzubeziehen. Es wird ein Klassifikationssystem auf der Basis neuronaler Netzwerke entworfen, um unter Berücksichtigung epidemiologischer Daten zwischen benignen und malignen Hautläsionen zu unterscheiden.
Die optische Kohärenztomographie (OCT) ist ein Abbildungsverfahren, das der Ultraschalldiagnostik sehr ähnlich ist, und das als diagnostisches Werkzeug in der Dermatologie jedoch noch nicht etabliert ist. Unter Anwendung von OCT können Hautstrukturen in der Tiefe mit großem Auflösungsvermögen abgebildet werden, und es können molekulare Informationen wie der Wassergehalt abgeleitet werden. Während der klinischen Evaluierung werden diagnostisch relevante Informationen aus den Abbildungsverfahren HFUS und OCT abgeleitet.
Die Analyse von Histologien im Anschluß an die Entfernung von Hautläsionen ist der "Goldstandard" für die Klassifikation, die in der klinischen Evaluierung der oben beschriebenen Verfahren breit eingesetzt wird.
Die Kombination unterschiedlicher Abbildungskonzepte ("Image fusion") unter Einbeziehung eines computergestützten Klassifikationssystems verspricht eine Verbesserung der Möglichkeiten der Tumordiagnostik. In dem Projekt werden die technischen Entwicklungen, die für die Etablierung dieser Techniken in der klinischen Anwendung notwendig sind, durchgeführt.

The Method:

In this project, noninvasive imaging techniques are applied for high resolution and non invasive skin imaging to assist in the early diagnostics of skin cancer and therapy planning.
High-frequency ultrasound (HFUS) in the 100 MHz range is utilized for high resolution morphological imaging, whereas ultrasound in the 50 MHz range is applied for blood flow imaging in small vessels and, therewith, for functional imaging. Mechanical scanning modes for single element transducers are adapted for homogeneous imaging. New imaging modalities, especially ultrasound elastography, which is designated for the imaging of elastic properties of tissue by ultrasound, will be added to deliver valuable information about skin pathology.
Until now, the classification of skin lesions by epiluminescence microscopy is mainly based on the experience of the dermatologists, but due to advances in computerized image analysis and artificial intelligence, technology for assisting the physicians in classifying suspect skin lesions has grown. Videodermatoscopic systems, i.e. video camera based epiluminescence microscopy (ELM) systems, are utilized and will be combined with high–frequency ultrasound scanners to include information about skin lesions extension and morphology in depth. A neural network classification system will be designed to distinguish between benign and malignant skin lesions taking epidemiological data into account.
Optical coherence tomography (OCT) is an imaging technique that is very similar to ultrasonic imaging, but not yet established as a diagnostic tool in dermatology. Applying OCT, skin structures can be resolved in depth with high resolution and, furthermore, molecular information like water abundance can be obtained. During clinical evaluation the signal information of diagnostic relevance from the imaging modalities HFUS and OCT will be extracted.
Analysis of histology after skin lesion excision is the gold standard method for classification and will be widely included in the clinical evaluation of the above described techniques.
Image fusion, i.e. the combination of the different imaging approaches, including a computer based classification system, promises to improve the capabilities of assisting in tumor diagnosis. The technical developments that are necessary to establish these techniques in clinical applications will be performed.

Ziel:

Das Hauptziel des Projektes besteht darin, den Frequenzbereich kommerziell verfügbarer Ultraschallscanner zu vergrößern, um den Frequenzbereich hinauf bis 150 MHz abzudecken und die örtliche Auflösung entsprechend zu verbessern.
Hochfrequenter Ultraschall im 100 MHz-Bereich sollte in der Lage sein, wertvolle Informationen hinsichtlich der präoperativen Gewebecharakterisierung zu liefern. Die Technologie wird in einem kommerziellen System umgesetzt, welches die Basis für eine breite klinische Erprobungen darstellt. Für die hochaufgelöste Blutflußabbildung in kleinen Gefäßen werden im Zusammenhang mit dem 50 MHz-Ultraschall Doppler-Techniken implementiert, mit denen Okklusionen der kleinen Gefäße in den Fingern und den Zehen abgebildet werden können, um die Therapie peripherer Gefäßverschlußerkrankungen zu optimieren.
Zur Früherkennung dünner Hautläsionen wird ein Klassifikationssystem auf der Basis neuronaler Netze implementiert, bei dem hochfrequente Ultraschallabbildungen und videodermatoskopische Abbildungen die Eingangsdaten liefern.
Die Zielsetzung weiterer Entwicklungen im Bereich OCT ist der Aufbau eines Systems zur Abbildung der Haut für den klinischen Einsatz. Während der klinischen Evaluierung wird dabei die Signalinformation mit der größten diagnostischen Relevanz abgeleitet.
Das ultimative Ziel des Projektes besteht darin, fortgeschrittene Methoden zur morphologischen und funktionellen Abbildung der Haut auf Basis des hochfrequenten Ultraschalls mit elastographischen Abbildungskonzepten und Klassifikationsverfahren auf Basis der Videodermatoskopie sowie neuronalen Netze miteinander zu kombinieren.
Dies wird den Medizinern die Möglichkeit geben, Informationen aus der Hautoberfläche einschließlich der obersten Zellschichten sowie der Epidermis zu erhalten. Das Projekt wird gleichzeitig die Validation der oben beschriebenen Abbildungsverfahren als Werkzeuge für die Erkennung von Hautkrebs ermöglichen.

The Target:

The major aim of this project is to increase the frequency range of commercially available ultrasonic scanners for skin imaging to cover the frequency range up to 150 MHz in order to improve the spatial resolution.
High-frequency ultrasound in the 100 MHz range should be able to deliver valuable information concerning the preoperative tissue differentiation. This technology will be implemented in commercial systems as a basis for wide range clinical trials. Doppler techniques for high resolution blood flow imaging in small vessels will be implemented in the context of 50 MHz ultrasound to allow the visualization of occlusions of small vessels of the finger and the toe in order to optimize the therapy of peripheral occlusive diseases.
A neural network classification system with high-frequency ultrasound images and videodermatoscopic images as input will be implemented to assist in the early recognition of thin skin lesions.
The goal of further developments in OCT is to build a skin imaging system for clinical application. During the clinical evaluation, the signal information of most diagnostic relevance will be extracted.
The ultimately goal of the project is the combination of advanced high-frequency ultrasound based skin morphology, blood flow and elastographic imaging capabilities with videodermatoscopy and neural network based skin lesion classification. This will give the physicians the opportunity to get12 information from the skin surface including the first cell layers as well as the epidermis. The project will allow to validate the above described imaging techniques as tools for skin cancer detection at the same time.

Vision:

In den USA ist das Risiko, ein malignes Melanom zu entwickeln, in der Gesamtbevölkerung auf 1 von 87 Personen angestiegen, und in Deutschland wird 1 aus 200 Personen während seines Lebens Hautkrebs entwickeln. Die Früherkennung und die chirugische Entfernung ist dabei der effektivste Weg, Hautkrebs zu behandeln.
In der Zukunft könnten durch mit Hilfe der Computer Vision interpretierte hochfrequente Ultraschallabbildungen und OCT-Bilder eine nicht invasive Alternative zur Histologie darstellen. Die Kombination mit der computergestützten Epilumineszenzmikrospkopie verspricht gleichzeitig die Entwicklung einer nicht invasiven Methode, welche die Genauigkeit eines Pathologen erreicht. Mit der Kombination verschiedener nicht invasiver Abbildungsverfahren wird eine signifikante Verbesserung bei der Früherkennung von Hautkrebs erwartet.

The Vision:

In the USA the risk of developing malignant melanoma rose in the entire population to 1 out of 87 people, and in Germany 1 out of 200 people will develop skin cancer during their lifetime. However, the early recognition and surgical excision is the most effective way to cure skin cancer
In future, computer vision interpreted high-frequency ultrasound images and OCT images could be a noninvasive alternative to histology and the combination with computer based epiluminescence microscopy promises to build a noninvasive method that reaches the accuracy of a pathologist. With the combination of several non invasive imaging techniques a significant improvement in the early detection of skin cancer is expected.

100 MHz ultraound picutre of malignant melanoma

Bild 1:
100 MHz Ultraschall: Malignes Melanom, zugehörige Histologie

Fig. 1:
100 MHz ultrasound: Malignant melanoma, corresponding histology

Optical coherence tomograhpy  of sweat glands

Bild 2:
Optische Kohärenztomographie (OCT): Schweißdrüsen

Fig. 2:
Optical coherence tomography (OCT): Sweat glands

 
 
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Letzte Änderung: 16.02.2005 | Ansprechpartner: Webmaster