Verfahren
zur Abbildung eines Gewebebereiches bzw. zur Detektion von Inhomogenitäten in einem
Gewebebereich mit Licht, insbesondere sichtbarem, NIR- oder IR-Licht.
Dabei liegt die Wellenlänge des
sichtbaren Lichtes zwischen 380 und 780 nm, die von NIR-Licht (nahinfrarotes
Licht) zwischen 780 nm und 1,5 μm
und die von IR-Licht (infrarotes Licht) zwischen 1,5 μm und einem
Millimeter, wobei im Falle von Verfahren der eingangs genannten
Art der Wellenbereich von 600 nm bis 1,2 μm besonders geeignet ist. Außerdem betrifft
die Erfindung eine Vorrichtung zur Untersuchung von Gewebe mit Licht.method
for imaging a tissue area or for detecting inhomogeneities in one
Tissue area with light, in particular visible, NIR or IR light.
The wavelength of the
of visible light between 380 and 780 nm, emitted by NIR light (nahinfrarotes
Light) between 780 nm and 1.5 μm
and that of IR light (infrared light) between 1.5 μm and one
Millimeters, wherein in the case of the method of the aforementioned
Type of wave range from 600 nm to 1.2 microns is particularly suitable. It also concerns
the invention provides a device for examining tissue with light.
Viele
optische Eigenschaften von Gewebe, wie z.B. die Absorption, die
Streuung und die spektralen Eigenschaften, lassen sich durch Einstrahlung von
Licht bestimmen. Es ist daher beispielsweise möglich, in der Mammadiagnostik
Gewebeveränderungen
festzustellen, die Inhomogenitäten
innerhalb der Mamma darstellen, indem Licht in die Mamma eingestrahlt
und das aus dieser austretende Licht detektiert wird und die so
gewonnenen Informationen in geeigneter Weise ausgewertet werden.Lots
optical properties of tissue, e.g. the absorption, the
Scattering and the spectral properties can be obtained by irradiation of
Determine the light. It is therefore possible, for example, in the Mammadiagnostik
tissue changes
determine the inhomogeneities
pose within the mom by injecting light into the mom
and the light emerging from this is detected and the like
obtained information can be evaluated in an appropriate manner.
Den
bekannten gewebeoptischen Untersuchungsverfahren, die in der Regel
vorteilhafterweise nichtinvasiv sind, ist gemeinsam, daß infolge
des Umstandes, daß Licht
in Gewebe stark gestreut wird, die erzielbare Ortsauflösung meist
unbefriedigend ist (vgl. US 51
22 974 ).The known tissue-optical examination methods, which are generally advantageously noninvasive, have in common that, as a result of the fact that light is strongly scattered in tissue, the achievable spatial resolution is usually unsatisfactory (cf. US 51 22 974 ).
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung
der eingangs genannten Art so aus zubilden, daß eine verbesserte Ortsauflösung erreicht
wird.Of the
Invention is based on the object, a method and a device
of the type mentioned above from zubilden that achieved an improved spatial resolution
becomes.
Gelöst wird
der die Verfahren betreffende Teil der Aufgabe nach der Erfindung
durch ein Verfahren zur Abbildung eines Gewebebereiches bzw. zur
Detektion von Inhomogenitäten
in einem Gewebebereich mit Licht, insbesondere sichtbarem bzw. infrarotem
Licht, bei dem ein Meß-Lichtsignal
in das Gewebe eingeleitet wird und aus dem Gewebe austretende Anteile
des Meß-Lichtsignales
detektiert werden und bei dem vor der Einleitung des Meß-Lichtsignales
zur Hervorhebung von Inhomogenitäten
und zur Steigerung der Ortsauflösung
ein Kontrastmittel in zumindest einem Teil des Gewebebereiches eingebracht wird.Is solved
the process part of the task according to the invention
by a method for imaging a tissue area or for
Detection of inhomogeneities
in a tissue region with light, in particular visible or infrared
Light in which a measuring light signal
is introduced into the tissue and emerging from the tissue portions
of the measuring light signal
be detected and in the prior to the initiation of the measuring light signal
to emphasize inhomogeneities
and to increase the spatial resolution
a contrast agent is introduced into at least a part of the tissue area.
Dabei
ist gemäß einer
besonders bevorzugten Variante der Erfindung vorgesehen, daß als Kontrastmittel
in das Gewebe ein Stoff eingebracht wird, der die Absorption des
Gewebes erhöht.
Dies hat zur Folge, daß das
detektierte aus dem Objekt austretende Licht einen geringeren Anteil
von Photonen enthält,
die über
lange Wege gestreut wurden, da solche Photonen infolge der durch
das Kontrastmittel erhöhten
Absorption des Gewebes absorbiert und somit nicht detektiert werden.
Es wird also deutlich, daß infolge
des Kontrastmittels der Anteil der nur wenig gestreuten Photonen
an dem detektierten Licht zunimmt, was sich unmittelbar in einer
Verbesserung der Ortsauflösung
niederschlägt.there
is according to one
particularly preferred variant of the invention provided that as a contrast agent
in the fabric a substance is introduced, which is the absorption of the
Tissue increased.
This has the consequence that the
Detected light emerging from the object a smaller proportion
contains photons,
the above
long paths were scattered because of such photons due to the
the contrast agent increased
Absorption of the tissue is absorbed and thus not detected.
It becomes clear that as a result
of the contrast agent, the proportion of only little scattered photons
increases at the detected light, which is immediately in one
Improvement of the spatial resolution
reflected.
Während bei
der zuvor beschriebenen Ausführungsform
infolge des Umstandes, daß unter
Umständen
auch Inhomogenitäten,
z.B. Tumore, von dem Kontrastmittel durchsetzt werden, eine Verbesserung
des Kontrastes nicht ohne weiteres möglich ist, sieht eine zweite
besonders bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung vor, daß ein
Kontrastmittel in das Objekt eingebracht wird, das sich in der Inhomogenität ansammelt
und deren Absorption im Vergleich zum umgebenden Gewebe erhöht, um auch den
erzielbaren Kontrast zu verbessern. Die Verbesserung der Ortsauflösung ergibt
sich aus dem Umstand, daß zum
einen weniger gestreutes Licht die Inhomogenität durchtritt und zum anderen
restliche Anfärbungen
des umgebenden Gewebes stark gestreutes Licht unterdrücken.While at
the embodiment described above
as a result of the fact that under
circumstances
also inhomogeneities,
e.g. Tumors interspersed with contrast, an improvement
the contrast is not readily possible, sees a second
particularly preferred embodiment
the invention that a
Contrast agent is introduced into the object, which accumulates in the inhomogeneity
and their absorption increased compared to the surrounding tissue, in order to increase the
improve the achievable contrast. The improvement of the spatial resolution results
from the fact that the
a less scattered light passes through the inhomogeneity and the other
remaining stains
suppress strongly scattered light from the surrounding tissue.
Gemäß Varianten
der Erfindung ist für
den Fall, daß die
Inhomogenität
ein Tumor ist, vorgesehen, daß als
Kontrastmittel ein Stoff, der zu einer erhöhten Durchblutung des Tumors
führt,
oder eine sich in dem Tumor anreichernde sauerstoffreiche Verbindung
verwendet wird. In beiden Fällen
wird eine gegenüber
dem umgebenden Gewebe erhöhte Konzentration
von oxidiertem Hämoglobin
in dem Tumor erreicht, mit der Folge, daß dieser bei Wellenlängen des
eingestrahlten Lichtes oberhalb von 800 nm eine gegenüber dem
umgebenden Gewebe erhöhte Absorption
aufweist.According to variants
the invention is for
the case that the
inhomogeneity
a tumor is provided that as
Contrast agent is a substance that causes increased blood flow to the tumor
leads,
or an oxygen-rich compound accumulating in the tumor
is used. In both cases
will be opposite
increased concentration of surrounding tissue
of oxidized hemoglobin
reached in the tumor, with the result that this at wavelengths of
irradiated light above 800 nm one compared to the
surrounding tissue increased absorption
having.
Der
die Vorrichtung betreffende Teil der Aufgabe wird nach der Erfindung
gelöst
durch eine Vorrichtung zur Untersuchung von Gewebe mit Licht, insbesondere
sichtbarem, NIR- oder IR-Licht, aufweisend eine Anordnung mit einer
Lichtquelle, die dazu vorgesehen ist, ein Meß-Lichtsignal in das Gewebe einzuleiten,
Mittel zum Detektieren, die dazu vorgesehen sind, aus dem Gewebe
austretende Anteile des Meß-Lichtsignales
zu detektieren, und Mittel zum Einbringen von Kontrastmittel, die
dazu vorgesehen sind, vor Einleitung des Meß-Lichtsignales ein Kontrastmittel
in zumindest einen Bereich des mit dem Meß-Lichtsignal zu beaufschlagenden
Gewebes einzubringen. Funktionsweise und Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
deren Verwendung zur Abbildung und Untersuchung eines Gewebebereiches
bzw. zur Detektion von Inhomogenitäten in Gewebe vorgesehen ist,
ergeben sich aus der vorstehenden Erläuterung der erfindungsgemäßen Verfahren.The part of the object relating to the device is achieved according to the invention by a device for examining tissue with light, in particular visible, NIR or IR light, comprising an arrangement with a light source which is intended to transmit a measuring light signal into the light source Tissue initiate means for detecting, which are intended to detect emerging from the tissue portions of the measuring light signal, and means for introducing contrast agents, which are provided before the introduction of the measuring light signal, a contrast agent in at least a portion of To introduce the measuring light signal to be applied tissue. The mode of operation and advantages of the device according to the invention, the use of which is intended for the imaging and examination of a tissue region or for the detection of inhomogeneities in tissue, are evident from the above explanation of the process according to the invention ren.
Die
Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen
erläutert.
Es zeigen:The
Invention will become apparent from the accompanying drawings
explained.
Show it:
1 in
grob schematischer Darstellung, teilweise in Form eines Blockschaltbildes,
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens, 1 in a roughly schematic representation, partly in the form of a block diagram, an apparatus according to the invention for carrying out the method according to the invention,
2 ein
Detail der Vorrichtung nach 1, 2 a detail of the device after 1 .
3 in
qualitativer Darstellung das Absorptionsspektrum von reduziertem
und oxidiertem Hämoglobin, 3 in qualitative terms, the absorption spectrum of reduced and oxidized hemoglobin,
4 ein
Schaubild bezüglich
der Häufigkeitsverteilung
der von Photonen im Gewebe zurückgelegten
Weglängen, 4 a diagram with regard to the frequency distribution of the path lengths covered by photons in the tissue,
5 in
grob schematischer Darstellung ein Testphantom zur Demonstration
der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens, 5 in a rough schematic representation of a test phantom for demonstrating the operation of the device according to the invention or the method according to the invention,
6 in
graphischer Darstellung die mit dem Testphantom ohne Kontrastmittel
erhaltenen Meßwerte,
und 6 in graphical representation, the measured values obtained with the test phantom without contrast agent, and
7 die
mit dem Testphantom mit Kontrastmittel erhaltenen Meßwerte. 7 the measured values obtained with the test phantom with contrast agent.
In 1 ist
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
dargestellt, die beispielsweise in der Mamma-Diagnostik zur Detektion
von Inhomogenitäten, z.B.
Tumoren, und/oder zur Abbildung eines Gewebebereiches der Mamma
oder der gesamten Mamma verwendet werden kann. Die Vorrichtung weist
eine Anzahl von Lichtquellen 11 bis 1n auf, von denen jede kohärentes Licht
einer anderen Wellenlänge λ1 bis λn abgibt.
Jede der Lichtquellen 11 bis 1n enthält eine Halbleiter-Laserdiode
und die jeweils zugehörige Stromversorgung,
so wie dies in 2 dargestellt ist, die die Lichtquelle 1n mit der Halbleiter-Laserdiode 34n und der Stromversorgung 35n zeigt. Jeder Lichtquelle 11 bis 1n ist
ein elektrischer Signalgenerator 21 bis 2n zugeordnet, der der in der jeweiligen
Lichtquelle 11 bis 1n enthaltenen Stromversorgung
ein Wechselstromsignal fester Frequenz zuführt, mittels dessen der Versorgungsstrom
der in der jeweiligen Lichtquelle 11 bis 1n enthaltenen jeweiligen Halbleiter-Laserdiode
moduliert wird. Jeder der Signalgeneratoren 21 bis 2n erzeugt ein Wechselstromsignal einer
anderen Frequenz f1 bis fn.
Da die Amplitude bzw. die Intensität des von den Laserdioden abgegebenen
Lichtes der Stromstärke
ihres Versorgungsstromes im wesentlichen proportional ist, geben
die Lichtquellen 11 bis 1n also Licht jeweils unterschiedlicher
Wellenlänge λ1 bis λn ab,
das mit einer jeweils anderen Modulationsfrequenz f1 bis
fn moduliert ist.In 1 a device according to the invention for carrying out the method according to the invention is shown, which can be used, for example, in mamma diagnostics for the detection of inhomogeneities, for example tumors, and / or for imaging a tissue region of the breast or the entire breast. The device has a number of light sources 1 1 to 1 n each of which emits coherent light of a different wavelength λ 1 to λ n . Each of the light sources 1 1 to 1 n includes a semiconductor laser diode and its associated power supply, as shown in FIG 2 is shown, which is the light source 1 n with the semiconductor laser diode 34 n and the power supply 35 n shows. Every light source 1 1 to 1 n is an electrical signal generator 2 1 to 2 n assigned to that in the respective light source 1 1 to 1 n supplied power supply an AC signal of fixed frequency, by means of which the supply current of the respective light source 1 1 to 1 n contained respective semiconductor laser diode is modulated. Each of the signal generators 2 1 to 2 n generates an AC signal of another frequency f 1 to f n . Since the amplitude or intensity of the light emitted by the laser diodes of the current intensity of their supply current is substantially proportional, the light sources give 1 1 to 1 n So light in each case of different wavelength λ 1 to λ n , which is modulated with a respective different modulation frequency f 1 to f n .
Das
von den Lichtquellen 11 bis 1n abgegebene Licht wird über Lichtwellenleiter 31 bis 3n einem Lichtwellenleiter-Fan In- Koppler 4 zugeführt, der
n Eingänge,
mit denen jeweils einer der Lichtwellenleiter 31 bis 3n verbunden ist, und einen Ausgang aufweist,
mit dem ein Lichtwellenleiter 5 verbunden ist. Über den
Lichtwellenleiter 5, dessen freies Ende die Lichtaustrittszone
der Vorrichtung darstellt, wird einem lebenden zu untersuchenden
Objekt 6, nämlich einem
Gewebebereich eines menschlichen Patienten, und zwar einer Mamma,
ein Meß-Lichtsignal
zugeführt.That from the light sources 1 1 to 1 n emitted light is transmitted via optical fibers 3 1 to 3 n an optical waveguide fan In coupler 4 fed, the n inputs, each with one of the optical fibers 3 1 to 3 n is connected, and has an output, with which an optical waveguide 5 connected is. Over the optical fiber 5 whose free end constitutes the light exit zone of the device becomes a living object to be examined 6 , namely a tissue area of a human patient, namely a mamma, supplied with a measuring light signal.
Dieses
ergibt sich durch die Überlagerung des
von den Lichtquellen 11 bis jeweils
abgegebenen Lichtes mittels des Lichtwellenleiter-Fan In-Kopplers 4.
Das Licht der Lichtquellen 11 bis 1n wird dem Objekt 6 also gleichzeitig
und am gleichen Ort zugeführt. Die
Lichtaustrittszone sollte sich möglichst
dicht bei der Oberfläche
des Objektes 6 befinden. Dem Lichtaustrittsende diametral
gegenüberliegend
ist auf der diesem abgewandten Seite des Objektes 6 ein Photomultiplier 7 angeordnet,
der die Lichteintrittszone der Vorrichtung bildet, den im Bereich
des Photomultipliers 7 aus dem Objekt 6 austretenden
Anteil des Licht-Meßsignales
aufnimmt und in ein elektrisches Signal wandelt. Dessen zeitlicher
Verlauf repräsentiert
den zeitlichen Verlauf der Intensität des empfangenen Lichtes insoweit,
als er der Amplituden-Hüllkurve
des empfangenen Lichtes entspricht. Die Lichtaustritts- und die
Lichteintrittszone sind relativ zueinander derart angeordnet, daß bei Abwesenheit
eines Objektes das von der Lichtaustrittszone ausgehende Licht mittig
in die Lichteintrittszone fällt. Das
elektrische Signal des Photomultipliers 7 ist einer der
Anzahl der Lichtquellen 11 bis 1n entsprechenden Anzahl von Bandpaßfiltern 81 bis 8n zugeführt, deren
Mittelfrequenzen f1 bis fn exakt
den Modulationsfrequenzen f1 bis fn entsprechen, mit denen das von den Lichtquellen 11 bis 1n abgegebene
Licht amplitudenmoduliert ist. An den Ausgängen der Bandpaßfilter 81 bis 8n stehen
also elektrische Signale zur Verfügung, die die Intensität der von
den Lichtquellen 11 bis 1n stammenden Lichtanteile an dem empfangenen,
aus dem Objekt 6 austretenden Anteil des Licht-Meßsignales
repräsentieren.
Diese elektrischen Signale gelangen jeweils zu einer Signalaufbereitungsschaltung 91 bis 9n ,
wo eine dem jeweiligen Untersuchungsfall angepaßte Signalaufbereitung, beispielsweise
durch Gleichrichtung, Glättung oder
Integration, erfolgt. Die Ausgangssignale der Signalaufbe reitungsschaltungen 91 bis 9n sind
einem n zu 1-Analog-Multiplexer 10 zugeführt, dessen
Ausgang mit dem Eingang eines Analog/Digital-Wandlers 11 verbunden
ist. Die digitalen Ausgangsdaten des Analog/Digital-Wandlers 11 gelangen
zu einer elektronischen Recheneinrichtung 12, an die eine Tastatur 13 und
ein Monitor 14 angeschlossen sind.This results from the superposition of the light sources 1 1 to each emitted light by means of the optical waveguide fan In coupler 4 , The light of the light sources 1 1 to 1 n becomes the object 6 So fed simultaneously and in the same place. The light exit zone should be as close as possible to the surface of the object 6 are located. The light exit end diametrically opposite is on the side facing away from the object 6 a photomultiplier 7 arranged, which forms the light entry zone of the device that in the region of the photomultiplier 7 from the object 6 emerges portion of the light measuring signal and converts into an electrical signal. Its time course represents the time course of the intensity of the received light insofar as it corresponds to the amplitude envelope of the received light. The light exit and the light entry zones are arranged relative to one another such that in the absence of an object, the light emanating from the light exit zone falls centrally into the light entry zone. The electrical signal of the photomultiplier 7 is one of the number of light sources 1 1 to 1 n corresponding number of bandpass filters 8 1 to 8 n whose center frequencies f 1 to f n correspond exactly to the modulation frequencies f 1 to f n , with which the light sources 1 1 to 1 n emitted light is amplitude modulated. At the outputs of the bandpass filter 8 1 to 8 n So electrical signals are available that the intensity of the light sources 1 1 to 1 n originating light components on the received, from the object 6 Represent the leaking portion of the light measuring signal. These electrical signals each arrive at a signal conditioning circuit 9 1 to 9 n where a signal processing adapted to the respective case of investigation, for example by rectification, smoothing or integration, takes place. The output signals of the signal processing circuits 9 1 to 9 n are an n to 1 analog multiplexer 10 whose output is connected to the input of an analogue / digital converter 11 connected is. The digital output data of the analog / digital converter 11 arrive at a electronic computing device 12 to which a keyboard 13 and a monitor 14 are connected.
Es
wird also deutlich, daß die
Lichtquellen 11 bis 1n mit den Lichtwellenleitern 31 bis 3n dem
Lichtleiter-Fan In-Koppler 4 und dem Lichtwellenleiter 5 eine
Anordnung bilden, die dazu vorgesehen ist, das Meß-Lichtsignal
in das Objekt 6, d.h. das Gewebe, einzuleiten. Weiter wird
deutlich, daß der
Photomultiplier 7 mit den Bandpaßfiltern 81 bis 8n Mittel zum Detektieren bildet, die
dazu vorgesehen sind, aus dem Gewebe austretende Anteile des Meß-Lichtsignals zu detektieren.It becomes clear that the light sources 1 1 to 1 n with the optical fibers 3 1 to 3 n the fiber optic fan in-coupler 4 and the optical fiber 5 form an arrangement which is provided to the measurement light signal in the object 6 , ie the tissue, to initiate. It also becomes clear that the photomultiplier 7 with the bandpass filters 8 1 to 8 n Means for detecting forms, which are intended to detect emerging from the tissue portions of the measuring light signal.
Die
ihr zugeführten
digitalen Daten, die den Intensitäten der in dem aus dem Objekt 6 austretenden
Anteil des Meß-Lichtsignales enthaltenen
Lichtes der einzelnen Lichtquellen 11 bis 1n entsprechen, wertet die elektronische
Recheneinrichtung 12 dem jeweiligen Untersuchungsfall entsprechend
aus. Die Ergebnisse werden auf dem Monitor 14 numerisch und/oder
graphisch dargestellt.The digital data supplied to it, the intensities of which in the object 6 emerging proportion of the measured light signal contained light of the individual light sources 1 1 to 1 n correspond, evaluates the electronic computing device 12 corresponding to the respective case. The results will be on the monitor 14 represented numerically and / or graphically.
Um
Daten bezüglich
größerer Bereiche
des Objektes 6 sammeln zu können, sind der Lichtwellenleiter 5 und
der Photomultipier 7 an einem Träger 15 angebracht,
der mittels einer Verstelleinheit 16, die von der elektronischen
Recheneinrichtung 12 gesteuert wird, derart verstellt werden
kann, daß die Lichtaustritts-
und die Lichteintrittszone der Vorrichtung nach Art einer Abtastbewegung
relativ zu dem Objekt 6 verstellt werden können. Beispielsweise kann
vorgesehen sein, daß im
Zuge der Abtastbewegung Daten für
100 Stellungen des Trägers 15 gesammelt
werden, welche Stellungen matrixartig in jeweils zehn Zeilen und
Spalten angeordnet sind und sowohl in Zeilen als auch in Spaltenrichtung
jeweils den gleichen Abstand voneinander aufweisen. Die bei der
Abtastbewegung erhaltenen Daten stellt die elektronische Recheneinrichtung 12 auf
dem Monitor 14 vorzugsweise graphisch dar, wobei die Darstellung
für die
einzelnen Wellenlängen λ1 bis λn vorzugsweise
graphisch in der Weise erfolgt, daß unterschiedlichen Intenstitäten unterschiedliche
Grau- oder Farbwerte zugeordnet sind. Grundsätzlich besteht anders als im
Falle der 1 auch die Möglichkeit, die Lichtaustritts-
und Lichteintrittszone ortsfest zu lassen und statt dessen das Objekt 6 zur
Erzielung der Abtastbewegung zu bewegen. Außerdem besteht die Möglichkeit,
sowohl Lichtaustritts- und Lichteintrittszone als auch das Objekt 6 zu
bewegen.To data regarding larger areas of the object 6 to be able to collect are the optical fibers 5 and the photomultipier 7 on a carrier 15 attached, by means of an adjustment 16 that from the electronic computing device 12 is controlled, can be adjusted so that the light exit and the light entry zone of the device in the manner of a scanning movement relative to the object 6 can be adjusted. For example, it may be provided that in the course of the scanning movement data for 100 positions of the carrier 15 are collected, which positions are arranged in the form of a matrix in each case ten rows and columns and each have the same distance from each other both in rows and in the column direction. The data obtained during the scanning movement represents the electronic computing device 12 on the monitor 14 Preferably, graphically, wherein the representation for the individual wavelengths λ 1 to λ n is preferably carried out graphically in such a way that different gray levels or color values are assigned to different intensities. Basically it is different than in the case of 1 also the possibility to leave the light exit and light entry zone stationary and instead the object 6 to move to achieve the scanning movement. In addition, there is the possibility of both light exit and light entry zone as well as the object 6 to move.
Die
bei der Abtastbewegung erhaltenen Daten stellt die Recheneinrichtung
auf dem Monitor 14 vorzugsweise graphisch dar, wobei unterschiedliche Intensitäten des
detektierten Lichtes durch unterschiedliche Grau- oder Farbwerte
veranschaulicht werden. Es stehen demnach nach Abschluß der Abtastbewegung
eine der Anzahl der Lichtquellen 11 bis 1n entstehende Anzahl von Bildern zur
Verfügung,
die auf dem Monitor 14 wahlweise gleichzeitig oder einzeln
angezeigt werden können.The data obtained during the scanning movement is the computing device on the monitor 14 Preferably, graphically, wherein different intensities of the detected light are illustrated by different gray or color values. Accordingly, after completion of the scanning movement, one of the number of light sources is available 1 1 to 1 n resulting number of images available on the monitor 14 can be displayed either simultaneously or individually.
Ist
in dem ansonsten wenigstens im wesentlichen homogenen Objekt 6 eine
Inhomogenität,
z.B. in Form eines Tumors T, enthalten, so ist diese aufgrund ihres
im Vergleich zu dem übrigen
Gewebe unterschiedlichen Absorptionsverhaltens detektierbar, d.h.
sie kann erkannt und lokalisiert werden.Is in the otherwise at least substantially homogeneous object 6 contain an inhomogeneity, eg in the form of a tumor T, this is detectable due to its different absorption behavior compared to the other tissue, ie it can be recognized and localized.
Um
die Ortsauflösung
bei der Abbildung bzw. der Detektion einer Inhomogenität zu verbessern, sieht
die Erfindung vor, daß ein
Kontrastmittel K1 in das Objekt eingebracht wird. Hierzu weist die
erfindungsgemäße Vorrichtung
Mittel zum Einbringen von Kontrastmittel auf, die in 1 durch
eine Injektionsspritze 17 schematisch veranschaulicht sind.
Bei dem Kontrastmittel K1 handelt es sich beispielsweise um Indocyanine
Green (Becton Dickson Co., Baltimore MD). Außerdem kommen andere bereits
aus Phantommessungen bekannte Farbstoffe wie z.B. Trypan Blue (Fa.
Sigma) und Evans Blue in Frage. Das Kontrastmittel K1 dient zur "Einfärbung" des Gewebes des
Objektes 6 und des Tumors T im Sinne einer globalen Erhöhung der
Absorption des Gewebes für
Licht zumindest einer der eingestrahlten Wellenlängen λ1 bis λn.
Die Gründe
für die
daraus resultierende Erhöhung
der Ortsauflösung
sind weiter unten erläutert.
Alternativ oder zusätzlich
wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
mit Hilfe der Mittel zum Einbringen von Kontrastmittel, angedeutet
durch eine zweite Injektionsspritze 18, ein zweites Kontrastmittel K2
eingebracht, das dazu dient, den Kontrast der Inhomogenität, also
des Tumors T, gegenüber
dem umgebenden Gewebe des Objektes 6 zu erhöhen. Als
Kontrastmittel K2 eignet sich entweder ein Stoff, der zu einer erhöhten Durchblutung
des Tumors T führt,
oder eine sich in dem Tumor T anreichernde sauerstoffreiche Verbindung
oder eine Mischung aus beiden. Zum Beispiel kann die in vielen Fällen vorhandene
erhöhte
Durchblutung eines Tumors genutzt werden, indem man den Patienten
eine mit Sauerstoff angereicherte Atmosphäre einatmen läßt, um in
dem Tumor eine gegenüber
normalem Gewebe erhöhte
Konzentration von oxidiertem Hämoglobin
zu erreichen. In beiden Fällen
wird erreicht, daß in
dem Tumor T eine gegenüber
dem umgebenden Gewebe erhöhte
Konzentration von oxidiertem Hämoglobin
vorliegt, das für
Wellenlängen
des eingestrahlten Lichtes jenseits von 800 nm eine gegenüber reduziertem
Hämoglobin
erhöhte
Absorption aufweist. Dies ist in 3 qualitativ
veranschaulicht, in der die Absorption von reduziertem Hämoglobin
(Hb) ausgezogen und die von reduziertem Hämoglobin (HbO2)
strichliert dargestellt ist. Es ergibt sich so neben einer verbesserten
Ortsauflösung
ein verbesserter Kontrast. Falls das Kontrastmittel K2 durch Einatmen
eingebracht wird, weisen die Mittel zum Einbringen von Kontrastmittel
in nicht dargestellter Weise eine Atemmaske oder dergleichen auf
Es versteht sich, daß die
Kontrastmittel K1 und K2 nur in Ausnahmefällen in der in 1 angedeuteten
Weise direkt in den zu untersuchenden Körperbereich injiziert werden.
Vielmehr wird in der Regel so vorgegangen, daß die Kontrastmittel K1 und/oder
K2 in eine an der Blutversorgung des zu untersuchenden Körperbereiches maßgeblich
beteiligte Arterie injiziert werden. Dazu können die Mittel zum Einbringen
von Kontrastmittel aus der Röntgendiagnostik
an sich bekannte Kontrastmittelinjektoren aufweisen, deren Steuerung
z.B. von der Recheneinrichtung 12 übernommen werden kann, was
in 1 dadurch schematisch angedeutet ist, daß die Injektionsspritzen 17 und 18 über strichliert
angedeutete Steuerleitungen mit der Recheneinrichtung 12 verbunden
sind. Während
es in der Regel genügen
wird, das Kontrastmittel K1 relativ kurzzeitig vor der Untersuchung
zu verabreichen, kann es bezüglich
des Kontrastmittels K2 zweckmäßig sein,
dieses einen längeren
Zeitraum vor der Untersuchung zu verabreichen, um zu gewährleisten,
daß es
sich in einem in dem zu untersuchenden Körperbereich etwa vorhandenen
Tumor T in ausreichendem Maße anreichern
kann.In order to improve the spatial resolution in the image or the detection of an inhomogeneity, the invention provides that a contrast agent K1 is introduced into the object. For this purpose, the device according to the invention comprises means for introducing contrast agent, which in 1 through a hypodermic syringe 17 are illustrated schematically. The contrast agent K1 is, for example, indocyanine green (Becton Dickson Co., Baltimore MD). In addition, other already known from phantom measurements dyes such as Trypan Blue (Sigma) and Evans Blue come into question. The contrast agent K1 is used to "colorize" the tissue of the object 6 and the tumor T in the sense of a global increase in the absorption of the tissue for light at least one of the irradiated wavelengths λ 1 to λ n . The reasons for the resulting increase in the spatial resolution are explained below. Alternatively or additionally, by the method according to the invention with the aid of the means for introducing contrast agent, indicated by a second injection syringe 18 , introduced a second contrast agent K2, which serves the contrast of the inhomogeneity, ie the tumor T, relative to the surrounding tissue of the object 6 to increase. As a contrast agent K2 is either a substance that leads to increased blood flow of the tumor T, or an accumulating in the tumor T oxygen-rich compound or a mixture of the two. For example, the increased circulation of a tumor that is present in many cases can be exploited by allowing the patient to inhale an oxygen-enriched atmosphere in order to achieve an increased concentration of oxidized hemoglobin in the tumor relative to normal tissue. In both cases it is achieved that in the tumor T there is an increased concentration of oxidized hemoglobin in relation to the surrounding tissue, which has an increased absorption for wavelengths of the incident light beyond 800 nm compared to reduced hemoglobin. This is in 3 in which the absorption of reduced hemoglobin (Hb) is shown and that of reduced hemoglobin (HbO 2 ) is shown in dashed lines. It results in addition to an improved spatial resolution improved contrast. If the contrast agent K2 is introduced by inhalation, the means for introducing contrast agent in a manner not shown on a breathing mask or the like on It understands itself that the contrast agents K1 and K2 only in exceptional cases in the in 1 be implied manner directly injected into the body region to be examined. Rather, as a rule, the procedure is such that the contrast agents K1 and / or K2 are injected into an artery substantially involved in the blood supply of the body region to be examined. For this purpose, the means for introducing contrast agents from X-ray diagnostics may comprise per se known contrast agent injectors, their control, for example, by the computing device 12 can be taken in what 1 characterized schematically is that the injection syringes 17 and 18 via dashed lines indicated control lines with the computing device 12 are connected. While it will generally suffice to administer the contrast agent K1 relatively shortly before the examination, with regard to the contrast agent K2, it may be expedient to administer it for a longer period of time before the examination in order to ensure that it is in a state in which examining body area can accumulate T existing tumor sufficient to a sufficient extent.
Bezüglich der
Wirkung des Kontrastmittels K1 wird auf die 4 verwiesen.
Diese veranschaulicht die Wechselwirkung von Licht im sichtbaren
bzw. infraroten Spektralbereich (Wellenlängen zwischen 600 nm bis 1.000
nm mit biologischem Gewebe, die durch eine extrem starke Streuung
dominiert ist. Typische Werte für
Streukoeffizienten liegen im Bereich von einigen 100 cm–1.
Die mittlere freie Weglänge
für Streuung
beträgt
daher nur einige 10 μm.
Dies bedeutet, daß Photonen
in Gewebeschichten von wenigen Zentimetern Dicke im Mittel bereits
mehr als 1.000 Mal gestreut werden. Diese Vielzahl von Streuungen
führt dazu,
daß die
mittlere Weglänge
der Photonen ein Vielfaches der direkten optischen Weglänge beträgt. Die 4 zeigt
eine entsprechende Weglängenverteilung,
die mit Hilfe eine Monte-Carlo-Simulation
für eine
40 mm dicke Gewebeschicht und eine Meßanordnung gemäß 1 erstellt
wurde. Dabei ist die relative Anzahl N der Photonen über der
zurückgelegten
Weglänge
s in Millimetern aufgetragen. Die ausgezogene Darstellung gibt die
Situation ohne Kontrastmittel, die strichlierte die mit Kontrastmittel
wieder.Regarding the effect of the contrast agent K1 is on the 4 directed. This illustrates the interaction of light in the visible or infrared spectral range (wavelengths between 600 nm and 1,000 nm with biological tissue dominated by extremely strong scattering.) Typical values for scattering coefficients are in the range of a few 100 cm -1 Path length for scattering is therefore only a few 10 μm, which means that photons are scattered more than 1,000 times in tissue layers of a few centimeters in thickness on average.This multiplicity of scattering causes the mean path length of the photons to be many times the direct optical path length amounts to 4 shows a corresponding path length distribution using a Monte Carlo simulation for a 40 mm thick layer of tissue and a measuring arrangement according to 1 was created. The relative number N of photons is plotted over the distance traveled s in millimeters. The solid representation gives the situation without contrast agent, the dotted with the contrast medium again.
Während die
Streuung in biologischem Gewebe also sehr hoch ist, ist dagegen
die Absorption des Lichtes in biologischem Gewebe mit Absorptionskoeffizienten
von wenigen cm–1 eher gering. Die mittlere
freie Weglänge
für Absorption
beträgt
einige Millimeter. Dennoch führt
die Absorption, wie 4 zeigt, dazu, daß die im
Zusammenhang mit vielen Streuungen auftretenden langen Photonenwege
in stark abnehmendem Umfang vertreten sind.Whereas the scattering in biological tissue is very high, on the other hand, the absorption of light in biological tissue with absorption coefficients of a few cm -1 is rather low. The mean free path for absorption is a few millimeters. Nevertheless, the absorption leads, as 4 shows that the long photon paths occurring in connection with many scatters are represented to a strongly decreasing extent.
Erhöht man nun
im Falle der Erfindung durch die Gabe des Kontrastmittels K1 zumindest
die Absorption des den Tumor T umgebenden Gewebes, so führt dies
zu einer Verbesserung der Ortsauflösung, da der Anteil an stark
gestreuten Photonen, die mittels des Photomultipliers 7 detektiert
werden, gegenüber
der Anzahl derjenigen Photonen, die weniger gestreut sind, und damit
mit hoher Wahrscheinlichkeit einen direkteren Weg durch das Objekt 6 genommen
haben, abnimmt. Anders ausgedrückt
wird durch die erhöhte
Absorption ein großer
Teil des stark gestreuten, die Ortsauflösung verschlechternden Lichtes
eliminiert und gelangt nicht mehr zu dem Photomultiplier 7.
Durch die Erhöhung
der Absorption in dem von dem Tumor T abgesehen im wesentlichen
homogenen Objekt 6 wird also die Darstellung einer Inhomogenität, nämlich des
Tumors T, verbessert.Increasing now in the case of the invention by the administration of the contrast agent K1 at least the absorption of the tissue surrounding the tumor T, so this leads to an improvement of the spatial resolution, since the proportion of highly scattered photons, by means of the photomultiplier 7 are detected, compared to the number of those photons that are less scattered, and thus with high probability a more direct path through the object 6 have decreased. In other words, due to the increased absorption, a large part of the strongly scattered light, which degrades the spatial resolution, is eliminated and no longer reaches the photomultiplier 7 , By increasing the absorption in the substantially homogeneous from the tumor T object 6 Thus, the presentation of an inhomogeneity, namely the tumor T, is improved.
Dieser
Effekt läßt sich
experimentell leicht an dem in 5 dargestellten
Testphantom nachweisen. Dieses weist eine in 5 im Schnitt
dargestellte Glasküvette 19 auf,
die eine konstante Dicke aufweist, und eine eine trübe Flüssigkeit 20,
beispielsweise Milch, enthält.
Mittig zwischen den Seitenwänden
der Glasküvette 19 ist
eine Kugel 21 aus einem für Licht der bei dem Test verwendeten
Wellenlängen undurchlässigen Material
angeordnet. Wird das Testphantom mittels einer Vorrichtung gemäß den 1 und 2 abgetastet
und die erzielte Ortsauflösung mit
derjenigen Ortsauflösung
verglichen, die sich ergibt, wenn das Phantom erneut abgetastet
wird, nachdem durch Einbringen von Tinte in die Milch deren Absorption
um den Faktor 2 erhöht
wurde, so stellt man für
Wellenlängen
von 780, 800 und 850 nm fest, daß sich eine Steigerung der
Ortsauflösung
um ca. 14 % ergibt. Die entsprechenden Ergebnisse sind in den 6 und 7 dargestellt,
die den Verlauf des Ausgangssignals V des Photomultipliers 7 bei Abtastung
des Testphantoms im Bereich der Kugel 21 für Milch
(6) und für
eingeschwärzte
Milch (7) zeigen über
dem Abtastweg W. Die jeweils erzielbare Ortsauflösung erhält man durch Bestimmung der
Halbwertsbreite des Amplitudeneinbruches. Für eine Schichtdicke der Milch
von 40 mm und einen Durchmesser der Kugel 21 von 5 mm wurde
für Milch 20 eine
räumliche
Auflösung
von H1 = 20,7 mm und für eingeschwärzte Milch eine solche von
H2 = 17,8 mm ermittelt.This effect can be experimentally easily on the in 5 demonstrated test phantom demonstrated. This one has an in 5 sectioned glass cuvette 19 on, which has a constant thickness, and a cloudy liquid 20 , for example milk. Midway between the side walls of the glass cuvette 19 is a ball 21 of a material impermeable to light of the wavelengths used in the test. If the test phantom by means of a device according to 1 and 2 and the obtained spatial resolution is compared with the spatial resolution which results when the phantom is scanned again after increasing its absorption by a factor of 2 by introducing ink into the milk, it is set for wavelengths of 780, 800 and 850 nm determined that an increase in the spatial resolution results in about 14%. The corresponding results are in the 6 and 7 shown, the course of the output signal V of the photomultiplier 7 when scanning the test phantom in the sphere 21 for milk ( 6 ) and for blackened milk ( 7 ) show over the Abtastweg W. The achievable spatial resolution is obtained by determining the half-width of the amplitude collapse. For a layer thickness of milk of 40 mm and a diameter of the ball 21 of 5 mm was for milk 20 a spatial resolution of H 1 = 20.7 mm and for blackened milk one of H 2 = 17.8 mm determined.
Es
versteht sich, daß sich
sowohl durch die alleinige Gabe es Kontrastmittels K1 als auch durch die
alleinige Gabe es Kontrastmittels K2 eine Verbesserung der Ortsauflösung er zielen
läßt. Eine
optimale Verbesserung der Ortsauflösung ergibt sich jedoch durch
die gemeinsame Gabe beider Kontrastmittel. Die Kontrastmittel K1
und K2, insbesondere letzteres, müssen dem Objekt 6 nicht
notwendigerweise injiziert werden, sondern können auch auf anderem Wege
z.B. durch Inhalation oder oral zugeführt werden.It is understood that an improvement of the spatial resolution he can aim both by the sole administration of contrast agent K1 and by the sole gift of contrast agent K2. An optimal improvement of the spatial resolution, however, results from the joint administration of both contrast agents. The contrast agents K1 and K2, in particular the latter, must be the object 6 not necessarily be injected, but can also be supplied by other means, for example by inhalation or orally.
Im
Falle des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispieles wird transmissiv
gearbeitet, d.h., das durch das Objekt 6 transmittierte
Licht wird detektiert und ausgewertet. Es kann jedoch auch reflektiv
gearbeitet werden. Dazu ist es erforderlich, das aus dem Objekt 6 zurückgestreute
Licht zu detektieren, und zwar an einer Stelle, die möglichst
dicht bei derjenigen Stelle liegt, an der dem Objekt 6 das Meß-Lichtsignal
zugeführt
wird.In the case of the embodiment described above is worked transmissively, that is, by the object 6 transmitted light is detected and evaluated. However, it can also be reflective work. For this it is necessary that from the object 6 To detect backscattered light, and at a location that is as close as possible to the point at which the object 6 the measuring light signal is supplied.
Bei
dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird
spektroskopisch gearbeitet, d.h., das Licht-Meßsignal enthält Licht
unterschiedlicher Wellenlängen. Dies
muß nicht
notwendigerweise der Fall sein. Vielmehr kann auch mit einem Meß-Lichtsignal
gearbeitet werden, das nur Licht einer einzigen Wellenlänge enthält.at
the described embodiment is
worked spectroscopically, that is, the light measuring signal contains light
different wavelengths. This
does not have to
necessarily be the case. Rather, even with a measuring light signal
be worked, which contains only light of a single wavelength.
Im
Falle des beschriebenen Ausführungsbeispieles
ist der Photomultiplier 7 so angeordnet, daß er das
aus dem Objekt 6 austretende Licht direkt aufnimmt. Es
besteht aber auch die Möglichkeit,
in nicht dargestellter Weise das aus dem Objekt 6 austretende
Licht mittels eines insbesondere faseroptischen Lichtwellenleiters
oder Lichtwellenleiterbündels
aufzunehmen und dem Photomultiplier 7 zuzuführen.In the case of the described embodiment, the photomultiplier 7 arranged so that it is out of the object 6 exiting light directly. But it is also possible, in a manner not shown that from the object 6 light emerging by means of a particular fiber optic optical waveguide or fiber optic bundle and the photomultiplier 7 supply.
