Clinical optical diagnostics – Status and perspectives

Optical properties of tissue can reveal much more diagnostically relevant information than has as yet been capitalised on in patients’ health care. Only very few optical methods, such as pulse oximetry and ophthalmologic optical coherence tomography, have made it into everyday clinical use. However, a great deal of research has already been carried out at all stages, from bench to bedside. It can be concluded that practically all optical phenomena, such as light absorption and scattering, polarisation, luminescence, coherence and propagation, or non-linear interaction of ultra-short laser pulses, have been studied with respect to their interaction with tissue for diagnostic purposes. It appears that the advantages of optical technology, some of these being that it is truly minimally invasive, often more cost-effective, and endoscopically applicable, can contribute to major improvements in tissue diagnostics. Also technological progress makes it possible to combine multiple diagnostic techniques, thereby improving the diagnostic potential by investigating different aspects of the target tissue, such as macro- and micro-structural details or molecular composition.This review concerns the field of optical tissue diagnostics and describes the principles, early clinical applications and state-of-the-art laboratory devices of the following three different optical technologies: reflectance and fluorescence spectroscopy, confocal and multiphoton endoscopy and optical coherence tomography.

ZusammenfassungDie optischen Eigenschaften von Geweben können klinisch relevante Informationen enthalten, die derzeit im klinischen Alltag noch weitestgehend ungenutzt bleiben. Seitens der fortgeschrittenen optischen Technologien werden gegenwärtig u.a. die Pulsoximetrie und in der Augenheilkunde die optische Kohärenztomografie verbreitet eingesetzt. Intensive Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten dienen sowohl der Evaluierung neuer Technologien als auch der Erschließung weiterer Applikationsfelder. Experimentell wurden nahezu alle optischen Phänomene wie Absorption und Streuung, Polarisation, Lumineszenz, Kohärenz oder nicht-lineare Effekte hinsichtlich der Wechselwirkung mit Gewebe untersucht, um ihre Einsatzmöglichkeiten für die Gewebedifferenzierung zu prüfen. Die Vorteile optischer Diagnostikverfahren liegen in der Minimal-Invasivität der Technologie, einer häufig guten Kosteneffizienz sowie der Kompatibilität mit endoskopischen Verfahren, was insgesamt eine hohe Motivation für die Fortführung von Produktentwicklungen auf dem Gebiet der optischen Gewebediagnostik darstellt. Da die verschiedenen optischen Verfahren prinzipiell miteinander kombinierbar sind, kann perspektivisch die diagnostische Aussagekraft durch die simultane Analyse verschiedener Aspekte, wie beispielsweise der makro- und mikrostrukturellen Detailauflösung oder der molekularen Markerdarstellung, verbessert werden.Der vorliegende Übersichtsartikel befasst sich mit optischen Technologien für die Diagnostik, insbesondere mit den drei Verfahren: Remissions- und Fluoreszenzspektroskopie, konfokale und Mehrphotonen-Endoskopie und optische Kohärenztomografie. Es werden jeweils das Funktionsprinzip und erste klinische Anwendungen besprochen, sowie eine Übersicht über den Stand der Technik in den Forschungslaboren gegeben.