Entwicklung eines optoakustischen Verfahrens zur Bestimmung der optischen Eigenschaften von menschlicher Haut in vivo mittels eines probabilistischen Ansatzes nach Bayes

Die Entwicklung einer zuverlässigen Methode zur Bestimmung der optischen Eigenschaften von menschlicher Haut in vivo im ultravioletten Wellenlängenbereich ist Thema dieser Arbeit. Diese neue Methode ermöglicht es, die Lichtverteilung von UV-Strahlung in menschlicher Haut genauer zu charakterisieren und damit einen besseren Zugang zu den in ihr stattfindenden UV-Reaktionsmechanismen zu erlangen. Mit der Optoakustik ist es möglich, mit sehr geringen Anregungsenergien wellenlängen- und tiefenaufgelöste optische Eigenschaften in vivo zu bestimmen. Dafür wird ein kurzer Laserpuls auf die Haut appliziert, der dort ein Druckprofil induziert, das die Lichtverteilung im bestrahlten Volumen widerspiegelt und als Ultraschalltransiente an der Hautoberfläche detektiert werden kann. Die Optoakustik ermöglicht somit nicht-invasive Messungen mit einer deutlich reduzierter UV-Belastung für die Probanden im Vergleich zu konventionellen, rein optischen Methoden. Es wird ein Messsystem präsentiert, das den experimentellen Anforderungen für wellenlängenaufgelöste Studien in vivo gerecht wird. Es erlaubt dabei die Induzierung und Detektion von optoakustischen Transienten mit minimalen UV-Dosen. Die mit dem entwickelten System aufgenommenen, hochdynamischen Messsignale haben aufgrund der geringen Anregungsenergie ein sehr kleines Signal-zu-Rausch-Verhältnis und sind zudem mit Störungen überlagert, sodass deren Auswertung mit großen Unsicherheiten behaftet ist. Aus diesem Grund wird die Bestimmung der Absorptionskoeffizienten durch einen neuen Ansatz über einen Vergleich von simulierten Transienten mit Messungen durchgeführt. Zudem ist es für die zuverlässige Bestimmung der Absorptionskoeffizienten notwendig, die gerade genannten Unsicherheiten explizit zu modellieren. Im neuen Analyseverfahren ist dies erstmalig durch einen probabilistischen Ansatz realisiert. Für die Auswertung der Messsignale wird eine Simulation optoakustischer Transienten aufgestellt, die deren Induzierung, Ausbreitung und Umwandlung am Detektor in einem realitätsnahen experimentellen Umfeld berechnet. Die Umwandlung der Druckwelle am Detektor wird daher analog zur Leitungstheorie mit einer Übertragungsfunktion modelliert, welche die simulierte Druckwelle auf die tatsächlich gemessene elektrische Spannung am Ultraschallwandler abbildet und den hier gewählten neuen Ansatz erst ermöglicht. Die robuste Arbeitsweise der entwickelten Methode bestätigt sich in der Analyse von 5200 Messungen an Gewebephantomen mit bekannten Absorptionskoeffizienten. Darüber hinaus zeigen exemplarische Messungen in vivo bei verschiedenen Hautarealen der Probanden signifikante, wellenlängenabhängige Absorptionskoeffizientenunterschiede und individuelle Unterschiede der Probanden untereinander auf. Auch andere biologische Gewebe sind erfolgreich untersucht worden und bestätigen die Flexibilität dieser neuen Methode. Zum ersten Mal können bei der Bestimmung der Absorptionseigenschaften der Haut mit dem probabilistischen Ansatz Unsicherheiten, wie sie bei Studien in vivo vorliegen, aus dem Messsystem explizit modelliert und aufgefangen werden. Dies ermöglicht erstmals die direkte Bestimmung von wellenlängenabhängigen Absorptionseigenschaften der Haut in vivo mit hinreichender Genauigkeit. Es eröffnet damit die Möglichkeit, weitere Untersuchungen an menschlicher Haut durchzuführen, um deren Reaktionen auf UV-Licht besser zu verstehen.