Methoden zur biomechanischen Analyse weichen Gewebes im Kehlkopf

Die Stimme ist wahrscheinlich unser wichtigstes Kommunikationsmittel. Die medizinische Behandlung von Stimmstörungen ist daher von hohem sozialem und ökonomischem Interesse. Innovative medizinische Strategien sind notwendig um speziell bei Krebserkrankung eine Früherkennung zu ermöglichen und schließlich betroffene Patienten erfolgreich zu behandeln. Heute basiert die Diagnose oft auf Biopsien, wofür Gewebeproben aus dem Kehlkopf entnommen und im Labor untersucht werden. Wegen der geringen Größe der Stimmbänder, welche das Primärsignal der Stimme erzeugen, sind diese Biopsien riskant und werden nur bei hoher Dringlichkeit durchgeführt. Eine Früherkennung oder ein Screening, wie es z.B. zur Brustkrebsprävention durchgeführt werden kann, ist heute für den Kehlkopf noch nicht möglich. In unserer Studie schlagen wir neue Methoden zur Gewebeanalyse im Kehlkopf vor, welche eine quantitative Bestimmung der Gewebeeigenschaften ermöglichen, ohne das Gewebe dabei zu verletzen. Mit diesen Methoden wird eine Früherkennung von bösartigen (Krebs) oder gutartigen (Polypen, Zysten) Gewebeveränderungen möglich sein. Dem Projekt liegen drei Hypothesen zugrunde: 1. Verschiedene mechanischen Eigenschaften der Stimmbänder können mit hochfrequenten Ultraschallgeräten bestimmt werden. 2. Hochfrequenter Ultraschall und spezielle Lasermessmethoden können dazu verwendet werden, in klinischen Untersuchungen die Eigenschaften der Stimmbänder zu messen. Diese Messmethoden sind allerdings nur für narkotisierte Patienten vorgesehen. 3. Der gleichzeitige Einsatz zweier Hochfrequenz-Ultraschallköpfe kann dazu dienen, die Schwingungen der Stimmlippen zu visualisieren. In unserem Projekt geht es um den Entwurf, den Aufbau sowie die Bewertung von Labormesstechnik und klinischer Messtechnik zur Analyse der Eigenschaften von Stimmbandgewebe. Messaufbauten werden entworfen, die zunächst im Labor Experimente an Kadaverkehlköpfen erlauben, später sind Messungen am Patienten während der klinischen Untersuchung geplant. Dadurch wird die biopsiefreie Gewebsanalyse möglich werden. Der Fokus liegt auf innovativen optischen, Laser-basierten Methoden zur Analyse der biomechanischen Eigenschaften von weichem Gewebe. Das Ergebnis unserer Herangehensweise wird eine endoskopische Messmethode zur biomechanischen Analyse der Stimmbänder sein. Ergänzend zu den vorgesehenen Experimenten mit künstlichem (Silikon-) Material werden wir 50 Experimente mit Kadaverkehlköpfen durchführen und statistisch auswerten. Darüber hinaus werden wir das Gebiet der Kehlkopfdiagnose für den in vielen anderen Bereichen seit Langem etablierten medizinischen Ultraschall öffnen. Das Ergebnis wird eine nichtinvasive Ultraschallbildgebung der Stimmbänder sein. Ärzte werden uns darin unterstützen, die Tauglichkeit und Anwendbarkeit der neuen Technik für zukünftige klinische Messungen zu zeigen.

Die Stimme ist wahrscheinlich das wichtigste Mittel der Kommunikation für uns Menschen. Daher beeinflusst eine Schädigung oder gar der Verlust der Stimme unser Leben und insbesondere unser Zusammenleben dramatisch. Die Phoniatrie beschäftigt sich mit der menschlichen Stimmgebung, u.a. um die physiologischen Prozesse zu verstehen und Methoden zu entwickeln, den Stimmgebungsapparat im Falle von Krankheiten oder Verletzungen bestmöglich zu versorgen. Das primäre akustische Signal der menschlichen Stimme wird im Kehlkopf erzeugt, genauer gesagt von den Stimmbändern oder Stimmlippen, die durch einen Luftstrom zu Schwingungen angeregt werden. Die genaue Kenntnis der Eigenschaften und Veränderungen ebendieser Stimmlippen ist daher wichtig, um den Stimmgebungsprozess zu verstehen und zu beeinflussen. Das Projekt beschäftigte sich daher mit dem Entwurf, der Umsetzung und der Evaluierung von Laborexperimenten und klinischer Messtechnik für die Analyse der mechanischen Eigenschaften von Stimmlippengewebe. Messmethoden wurden entwickelt, die es zunächst erlauben in vitro Kadaverkehlköpfe zu untersuchen, und es in Zukunft erlauben werden, in vivo menschliche Kehlköpfe während der medizinischen Behandlung zu charakterisieren. Unsere langfristig zentrale Fragestellung war es, inwieweit optische Messtechnik und Ultraschallmesstechnik eine Verbesserung der laryngealen Früherkennung ermöglicht und ob wir neue Unterklassifizierungen von Stimmerkrankungen, basierend auf neuer Information über die Gewebecharakteristik, definieren können. Daher haben wir im Rahmen des Antragszeitraums die folgenden vier zentralen Fragen beantworten: 1. Auf welche Weise können optische Messmethoden zur Gewinnung mechanische Materialdaten der Stimmlippen beitragen? 2. Wie kann die Ultraschall-Messtechnik die Stimmdiagnose- und Therapie ergänzen? 3. Kann die Stimmlippenbewegung mittels stereoskopischem Ultraschall dargestellt werden? 4. Welches ist die vielversprechendste Methode zur endoskopischen Diagnose von Stimmlippengewebe für zukünftige klinische Anwendungen? Während Phase I definierten wir die folgenden drei Hauptziele: 1. Die Entwicklung Laser-gestützter Messtechnik zur mechanischen Charakterisierung der Stimmlippen und das Aufzeigen von Miniaturisierungsmöglichkeiten. 2. Entwicklung von Ultraschall-basierter Elastographie zur Analyse von Stimmlippen und das Aufzeigen von Miniaturisierungsmöglichkeiten. 3. Aufzeigen des Potenzials hinsichtlich klinischer Anwendung der neuen Messmethoden. Das Projekt basierte auf drei Hypothesen: 1. Mechanische Materialdaten von Stimmlippen können mittels Elastographie basierend auf Hochfrequenz-Ultraschall bestimmt werden. 2. Hochfrequenz-Ultraschall und Laservibrometer-basierte Elastizitätsmessung, wie die Pipetten-Aspiration, sind anwendbar für klinische in vivo-Messungen an Stimmlippen. 3. Stereoskopischer Ultraschall ist anwendbar für die nichtinvasive Darstellung von Stimmlippenbewegungen. Ihm Rahmen dieses Projekts ist es uns gelungen, Biopsie-freie Methoden zur Charakterisierung von Stimmlippen zu entwickeln. Die Forschung an und Anwendung von Laser-basierten und Ultraschall-basierten Methoden zur Analyse von Stimmlippen hat dabei die vielversprechendsten Ergebnisse geliefert. Die nichtinvasive Darstellung der Stimmlippenschwingungen durch extrakorporalen Ultraschall hat sich hingegen als nicht zielführend erwiesen. Es hat sich gezeigt, dass die endoskopisch anwendbaren Methoden überlegen sind. Weiters wurden Voruntersuchungen zur Anwendung der optischen Kohärenztomographie durchgeführt, eine vielversprechende laserbasierte Methode, welche die klassische Pipetten-Aspiration ersetzen könnte. Die Prinzipien der hier entwickelten Gewebsanalyse sind nicht auf den Kehlkopf limitiert, sondern können auf weitere schwer zugängliche Organe angewendet werden.