DE4410888A1 - Apparatus for irradiating human tissue using multi-wavelength IR light - Google Patents
Apparatus for irradiating human tissue using multi-wavelength IR lightInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Durchstrahlung von menschlichem Gewebe, vorzugsweise mittels IR-Strahlung.The invention relates to an arrangement for irradiating human Tissue, preferably by means of IR radiation.
Es ist bereits bekannt, nach Einstrahlung infraroten Lichtes in einen darzustellenden Raum, der Bestandteil des menschlichen Körpers ist, ein nach der Durchstrahlung sichtbares Bild nach elektronisch-optischer Wandlung mittels fotografischer oder fernsehtechnischer Verfahren darzustellen. (DD 1 21 479)It is already known, after irradiation of infrared light in one space to be represented, which is part of the human body, one after the Radiation visible image after electronic-optical conversion by means of to represent photographic or television technology processes. (DD 1 21 479)
In DE-C2 30 37 983 wird die lichtinduzierte, rastermikroskopische Darstellung von Probenparametern in ihrer räumlichen Verteilung, unter anderem durch Beleuchtung mit IR-Strahlung beschrieben.DE-C2 30 37 983 describes the light-induced, scanning microscopic representation of Sample parameters in their spatial distribution, among others by Illumination with IR radiation described.
Die Probe wird beleuchtungsseitig durch einen Lichtstrahl rasterförmig abgetastet und die von der Probe ausgehende Strahlung im Takte des Rasters detektiert, wobei mindestens zwei unterschiedliche Strahlungskomponente detektiert werden, deren eine nicht im beleuchtungsseitig verwendeten Spektralbereich liegt.The sample is scanned in the form of a grid by a light beam on the illumination side and detects the radiation emanating from the sample in time with the raster, wherein at least two different radiation components are detected whose one is not in the spectral range used on the lighting side.
In DD 2 10 202 ist eine Vorrichtung zur Durchstrahlung und Grobstrukturuntersuchung, vorzugsweise an medizinischen Objekten, beschrieben, die infrarotes oder sichtbares zirkular polarisiertes Licht verwendet, das das zu untersuchende Objekt durchdringt und über einen Analysator auf einen lichtelektrischen Strahlungsempfänger fällt.In DD 2 10 202 is a device for radiography and Coarse structure examination, preferably described on medical objects, which uses infrared or visible circularly polarized light to do that examining object penetrates and on an analyzer on a photoelectric radiation receiver falls.
Es wird eine matrixförmige Abrasterung der Probe vorgenommen, wobei durch Drehen der Vorrichtung um beliebige Winkelwerte eine "tomografische" Erfassung aller Elementarzellen des dargestellten Körpers erzielt wird.A matrix-like scanning of the sample is carried out, with Rotating the device around any angle values a "tomographic" Acquisition of all unit cells of the body shown is achieved.
In DE-A 40 15 988 ist ein Infrarot-Tomograph beschrieben, der mit Infrarotstrahlung und dem Prinzip der konfokalen Abbildung arbeitet, wobei durch geeignete Mittel die Infraroteigenstrahlung von biologischem Gewebe sichtbar gemacht werden soll, und die Streustrahlung eliminiert wird.In DE-A 40 15 988 an infrared tomograph is described, which with Infrared radiation and the principle of confocal imaging works, whereby by suitable means the infrared inherent radiation of biological tissue should be made visible, and the scattered radiation is eliminated.
In DE-A 41 30 369 wird eine Beleuchtungseinrichtung für Licht im roten bis infraroten Licht beschrieben, wobei ein zweidimensionaler, ortsauflösender Bildsensor zur Erfassung der vom Objekt ausgehenden Strahlen vorgesehen ist. DE-A 41 30 369 describes a lighting device for light in the red to described infrared light, being a two-dimensional, spatially resolving Image sensor for detecting the rays emanating from the object is provided.
Es wird eine Streustrahlungskorrektur durchgeführt.Scattered radiation correction is carried out.
Es wurde weiterhin bereits vorgeschlagen (DE 4 24 416), das untersuchte Gewebe mit Licht zweier Wellenlängenbereiche zu bestrahlen und entweder in Transmission oder in Remission die Änderung der Streulichtverteilung zu detektieren.It has also been proposed (DE 4 24 416), the tissue examined to be irradiated with light of two wavelength ranges and either in Transmission or in remission to change the scattered light distribution detect.
Weiterhin wurde vorgeschlagen (DE 42 41 772), Änderungen der optischen Dichteverteilung mittels eines optisch-synthetischen Aperturverfahrens durch zeitlich räumlich segmentielle Punktbeleuchtung bei gleichzeitiger Orts- und korrelierter Detektion des Streulichtes zu erfassen, wobei das zu untersuchende Gewebe in einen Doppellinien-Scanner positioniert werden kann, dessen erster Scanvorgang den streuwinkelverteilungsabhängigen Intensitätsverlauf bei diaphanoskopischer Gewebedurchstrahlung mittels Punktlichtquelle detektiert.Furthermore, it was proposed (DE 42 41 772), changes in the optical Density distribution using an optical-synthetic aperture method temporally spatially segmental point lighting with simultaneous location and to detect correlated detection of the scattered light, the one to be examined Tissue can be positioned in a double line scanner, the first of which Scan process the distribution of intensity distribution dependent on the distribution angle diaphanoscopic tissue radiation detected using a point light source.
Aufgabe der Erfindung ist es nunmehr, unter Auswertung bei der Durchstrahlung mit infraroten Licht entstehender Streulichtverteilungen an Körperteilen Bilder zu erzeugen, die eine Stoffwechsel- und Strukturbewertung ermöglichen und bildgebend detektiert werden können.The object of the invention is now, while evaluating the radiation with infrared light scattering light distributions on parts of the body generate that allow a metabolic and structural assessment and imaging can be detected.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten und zweiten Hauptanspruches gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.The object of the invention is achieved by the characterizing features of the first and second main claim solved. Preferred further developments are in the Subclaims described.
Ausgehend vom bekannten Stand der Technik hat sich überraschenderweise gezeigt, daß im Spektralbereich zwischen 600 und 1100 nm, insbesondere bei etwa 800 nm, eine wesentlichere effektivere Durchdringung biologischen Gewebes möglich ist, wobei die bessere Transmission allerdings zu Lasten einer deutlich höheren Streuung aufgrund der kürzeren Wellenlänge geht. Entgegen aller Erwartung hat sich jedoch völlig überraschend herausgestellt, daß die Lichtstreuung im biologischen Gewebe eine hohe Vorwärtsanisotropie in diesem Spektralbereich aufweist, so daß bei Beleuchtung dicker Gewebestrukturen von ca. 5 cm und mehr mit einem kollimierten Lichtbündel das Zentrum des transmittierten Streuhofes noch ein hohes Richtungsgedächtnis der Einstrahlcharakteristik aufweist. Erfindungsgemäß wird daher eine Beleuchtungseinheit entwickelt, die bei möglichst kleiner Austrittsöffnung einen hohen Kollimationsgrad aufweist und mittels derer diagnostisch relevante Körperpartien bei geeigneter Formgebung derart beleuchtet werden können, daß die diametral gegenüberliegenden Oberflächen mit einer ebenfalls erfindungsgemäßen orts- bzw. raumgefilterten Abbildungsoptik auf einen hochempfindlichen Infrarotdetektor, typischerweise ein CCD-Bauelement, abgebildet werden können.Starting from the known state of the art, surprisingly shown that in the spectral range between 600 and 1100 nm, especially at about 800 nm, a much more effective penetration of biological tissue is possible, but the better transmission at the expense of one higher scatter due to the shorter wavelength. Contrary to everything Expectation, however, turned out to be completely surprising that the Light scattering in biological tissue has a high forward anisotropy in it Spectral range, so that when illuminating thick tissue structures of approx. 5 cm and more with a collimated light beam the center of the Streuhof still transmitted a high directional memory of the Has radiation pattern. According to the invention, therefore Lighting unit developed, the one with the smallest possible outlet opening has a high degree of collimation and by means of which diagnostically relevant Body parts can be illuminated with a suitable shape such that the diametrically opposite surfaces with a likewise location or space-filtered imaging optics according to the invention on a highly sensitive infrared detector, typically a CCD component, can be mapped.
Im einzelnen sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vereinbarung wie folgt aufgebaut.In particular, preferred embodiments of the invention Agreement structured as follows.
Für die Einbringung der Strahlung in den Rachenraum wird zur symmetrischen Durchstrahlung beider Kieferhöhlen vorteilhafterweise ein Applikator verwendet, der mit Faseroptik ausgestattet ist, die an den distalen Enden Kollimationstapler besitzt. Zur näheren Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles der Erfindung sind die wichtigsten Details in Fig. 1 näher dargestellt.For the introduction of the radiation into the pharynx, an applicator is advantageously used for the symmetrical irradiation of both maxillary sinuses, which is equipped with fiber optics, which has collimation stacker at the distal ends. For a more detailed description of a preferred exemplary embodiment of the invention, the most important details are shown in more detail in FIG. 1.
Fig. 1 Prinzipdarstellung des an die Objektsymmetrie angepaßten Strahlungsapplikators für die diaphanoskopische Durchleuchtung der Kieferhöhlen. Fig. 1 Schematic representation of the radiation applicator adapted to the object symmetry for the diaphanoscopic fluoroscopy of the maxillary sinuses.
Die mit dem Kollimationstaper zur punktweisen Einstrahlung in das Gewebe versehenen faseroptischen Schenkelelemente (1) sind in einer Klemm-Zangen- Anordnung (2) gefaßt, die eine der aktuellen anatomischen Geometrie angepaßte Einstellung des seitlichen Einstrahlungswinkels zulassen. Prinzipiell können dafür auch motorisch steuerbare Winkeldrehvorrichtungen zur Verbesserung der Ergonomie der Vorrichtung eingesetzt werden. Die faseroptischen Elemente werden durch Frontkopplung an einen flexiblen Y-Lichtleiter (3) aus der Klemmzange an ein optisches Bandfilter (600 nm-1300 nm) (4) der Lichtquelle (5) geführt. Die Lichtquelle kann prinzipiell auch moduliert betrieben werden, um in Weiterführung des Erfindungsgedankens unterschiedliche Detektions- und Auswerteverfahren auf der Empfängerseite zu ermöglichen (Zeit- und Frequenzbereich) als auch eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses auf bekannte Art und Weise zu realisieren. Weiterhin könnten auch am Applikator direkt eine oder über Strahlenteiler (7) zwei Laserdioden (6) als Strahlungsquelle gekoppelt werden. Vorteilhafterweise sind dann Strahlungen auf zwei Wellenlängen (im optischen Fenster des Gewebes) einstrahlbar. Um optimal krankheitsbedingte Streu- und Absorptionsänderungen festzustellen, muß die eine Strahlungswellenlänge zwischen 600 nm und 700 nm liegen und die andere einen minimalen Wellenlängenabstand von + 150 nm aufweisen. Auch beim Einsatz von Laserdioden ist die Erweiterung zum vorgestellten Modulationsprinzip sinnvoll. Die zweite Gruppe wesentlicher Teilelemente der Vorrichtung ist in der Empfangs- und Auswerteeinrichtung angeordnet. Die bei der Durchstrahlung entstehende krankheitsspezifische Streustrahlung wird mit einer hochempfindlichen Kamera (vorteilhafterweise CCD-Kamera) mit einer Grenzempfindlichkeit besser 0,1 Lux an der Frontseite des Kopfes aufgenommen.The fiber-optic leg elements ( 1 ) provided with the collimation taper for point-by-point irradiation into the tissue are contained in a clamp-pliers arrangement ( 2 ), which allow the lateral irradiation angle to be adjusted to match the current anatomical geometry. In principle, motor-controlled angle rotary devices can also be used to improve the ergonomics of the device. The fiber-optic elements are guided by front coupling to a flexible Y light guide ( 3 ) from the clamp pliers to an optical band filter (600 nm-1300 nm) ( 4 ) of the light source ( 5 ). In principle, the light source can also be operated in a modulated manner in order to enable different detection and evaluation methods on the receiver side (time and frequency range) and to improve the signal-to-noise ratio in a known manner. Furthermore, one or two laser diodes ( 6 ) as a radiation source could be coupled directly to the applicator or via beam splitters ( 7 ). Radiations at two wavelengths (in the optical window of the tissue) can then advantageously be irradiated. In order to determine optimally disease-related changes in scatter and absorption, one radiation wavelength must be between 600 nm and 700 nm and the other must have a minimum wavelength distance of + 150 nm. When using laser diodes, the extension to the presented modulation principle also makes sense. The second group of essential sub-elements of the device is arranged in the receiving and evaluating device. The disease-specific scattered radiation that arises during the irradiation is recorded on the front of the head with a highly sensitive camera (advantageously CCD camera) with a limit sensitivity better than 0.1 lux.
Fig. 2 Prinzipdarstellung der Kameras mit ihren elektrisch gekoppelten Auswerteelementen. Fig. 2 schematic representation of the cameras with their electrically coupled evaluation elements.
Wie in Fig. 2 gezeigt, besitzt die Aufnahmekamera (3) ein an die obengenannten Strahlungswellenlängen angepaßtes optisches Paß-Filter, das vorteilhaft als dielektrisches Filter (1) gleichzeitig die Spiegelung der Aufnahmesituation sichtbar für den Patienten realisiert. Das bietet den Vorteil, die an einem Wandarm oder beweglichen Stativ montierte Kamera nur grob zu positionieren. Wie beschrieben, ist das lichtstreuende Gewebe durch eine hohe Vorwärtsanisotropie gekennzeichnet. Wird die Kamera (3) durch ein optisches Raumfilter (2) auf bekannte Art und Weise optional ergänzt, so stellt sich in Weiterführung des erfindungsgemäßen Gedankens durch die Verkettung dieser beiden Bedingungen eine optimale Richtungsauswertung der Streustrahlung und damit eine höhere Selektivität für den Informationsparameter des Signales ein. Zur Sichtbarmachung der Streulichtverteilung ist sowohl ein Monitor (4) als auch ein Videoprinter (5), der sinnvollerweise mit einem Fußschalter bedient wird, an die Kamera anzuschließen. As shown in FIG. 2, the recording camera ( 3 ) has an optical pass filter which is adapted to the radiation wavelengths mentioned above and which, as a dielectric filter ( 1 ), advantageously also mirrors the recording situation so that it is visible to the patient. This offers the advantage of only roughly positioning the camera mounted on a wall arm or movable tripod. As described, the light-scattering fabric is characterized by a high forward anisotropy. If the camera ( 3 ) is optionally supplemented by an optical spatial filter ( 2 ) in a known manner, then, in continuation of the idea according to the invention, the chaining of these two conditions results in an optimal directional evaluation of the scattered radiation and thus a higher selectivity for the information parameter of the signal a. To make the scattered light distribution visible, both a monitor ( 4 ) and a video printer ( 5 ), which is usefully operated with a foot switch, must be connected to the camera.
Da auch liegende Patienten untersucht werden müssen, ist Anordnung sinnvoll durch eine Videobrille (7) zu ergänzen. Da an dieser Brille nur für ein Auge über Miniaturmonitor und Optik das Durchleuchtungsergebnis sichtbar wird, bleibt trotzdem die Patientenkontrolle in der horizontalen Aufnahmesituation mit dem liegenden Patienten möglich. Als weitere Option ist nach bekannter Art und Weise der Computeranschluß (8) mit dem Ziel der Bildspeicherung und Auswertung realisierbar. Da die Streulichtverteilung gewebeart- und gewebezustandsabhängig reagiert, führen bekannte Verfahren der Bildauswertung, wie densitometrische Auswertung alphanumerischer abgespeicherter Signalwerte, Falschfarbdarstellung, Remissionsanalyse und gewichtete Bildsubtraktion von 2-Wellenlängen-Bildern zu neuen Effekten. In allen algorithmischen Realisierungen korrelieren Signal- und/oder Muster mit den Stoffwechsel- und/oder Strukturänderungen in durchleuchteten Gewebevolumen. Da die Vorrichtung den ergonomischen Bedingungen der in vivo-Untersuchungen folgt, ist die räumliche Anordnung des Detektors von großer Bedeutung.Since lying patients also have to be examined, it is advisable to supplement the arrangement with video glasses ( 7 ). Since the result of the fluoroscopy can only be seen by one miniature monitor and optics on these glasses, the patient can still be checked in the horizontal exposure situation with the patient lying down. As a further option, the computer connection ( 8 ) can be implemented in a known manner with the aim of image storage and evaluation. Since the scattered light distribution reacts depending on the type of tissue and the state of the tissue, known methods of image evaluation, such as densitometric evaluation of alphanumeric stored signal values, false color representation, reflectance analysis and weighted image subtraction of 2-wavelength images lead to new effects. In all algorithmic implementations, signal and / or patterns correlate with the metabolic and / or structural changes in illuminated tissue volumes. Since the device follows the ergonomic conditions of the in vivo investigations, the spatial arrangement of the detector is of great importance.
Fig. 3 Prinzipdarstellung von Elementen der Vorrichtung zur Detektion und Darstellung von Streulichtverteilungen in der speziellen Anordnung am Stirnreif. Fig. 3 schematic representation of elements of the device for the detection and display of scattered light distributions in the special arrangement on the browband.
Vorteilhaft ist die Anordnung einer Miniatur-Aufnahme-Kamera (1) an einen Stirnreif (2). Das detektierte Signal ist direkt auf einem Miniaturmonitor (3) (verbunden mit einer optischen Anpassung) am frontalen Abschnitt des Stirnreifes darstellbar. Es besteht auch die Möglichkeit, das Ergebnis einer Bildbearbeitung nach Hin- und Rückführung der Signale zu einem Bildbearbeitungsmodul (6) auf dem Monitorschirm quasi realtime zu präsentieren. Gleichzeitig kann das aktuelle Bild der Streulichtverteilung über ein Modul (4) mit Filterkollimation, Optik und elektronisch-optischen Bildwandler erhalten werden, das seine Hochspannung aus dem Versorgungsmodul (5) erhält. In Weiterführung des Erfindungsgedankens sind so parallel fluoreszenzangiographische Bilder optisch ableitbar, wobei eine Aufnahme die NIR-gefilterte Streulichtverteilung detektiert, während der Aufnahmekanal filtertechnisch auf das Fluoreszenzband des Fluoreszenzmarkers abgestimmt ist. Verfahren und Vorrichtung können so vorteilhafterweise zum Screening von entzündlichen, ödematösen und tumorösen Prozessen vorrangig im Hals-Nasen-Ohrenbereich eingesetzt werden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit des intraoperativen Einsatzes zur Feststellung akuter Hirnblutungen und bei Operationen am offenen Herzen. Neben HNO-Verlaufskontrollen sind Verfahren und Vorrichtung zur Untersuchung von Streulichtveränderungen bei Krankheiten des rheumatischen Formenkreises einsetzbar.The arrangement of a miniature recording camera ( 1 ) on a browband ( 2 ) is advantageous. The detected signal can be displayed directly on a miniature monitor ( 3 ) (combined with an optical adjustment) on the front section of the headband. There is also the possibility of presenting the result of an image processing after the signals have been sent back and forth to an image processing module ( 6 ) on the monitor screen in real time. At the same time, the current image of the scattered light distribution can be obtained via a module ( 4 ) with filter collimation, optics and electronic-optical image converter, which receives its high voltage from the supply module ( 5 ). In continuation of the inventive concept, fluorescence angiographic images can be optically derived in parallel, with a recording detecting the NIR-filtered scattered light distribution, while the recording channel is matched to the fluorescence band of the fluorescence marker in terms of filter technology. The method and device can thus advantageously be used for the screening of inflammatory, edematous and tumorous processes, primarily in the ear, nose and throat area. In addition, there is the possibility of intraoperative use to determine acute cerebral hemorrhage and in open heart surgery. In addition to ENT follow-up checks, methods and devices for examining stray light changes in rheumatic diseases can be used.
Fig. 4 Prinzipdarstellung einer Raumfilterung und Querschnittsanpassung. Fig. 4 schematic representation of a spatial filtering and cross-sectional adjustment.
In Fortsetzung des erfindungsgemäßen Gedankens ist es dazu vorteilhaft, für die Diagnostik an kleinen Gelenken einen querschnittserweiternden geordneten faseroptischen Taper (1) mit dem CCD-Chip der Kamera (2) auf bekannte Art und Weise optisch zu koppeln. Dieses faseroptische Element kann zusätzlich mit einer raumfilternden Schacht-Matrix (3) an der Frontseite versehen werden. Bei kollimierter Einstrahlung (4) werden dadurch gleichzeitig die Streu- und Absorptionscharakteristika des durchstrahlten Gewebes als auch im ausreichenden Maße die Richtungsinformation der Photonen dekodiert.In continuation of the idea according to the invention, it is advantageous to optically couple a cross-sectional, ordered fiber-optic taper ( 1 ) to the CCD chip of the camera ( 2 ) in a known manner for the diagnosis of small joints. This fiber-optic element can also be provided with a space-filtering shaft matrix ( 3 ) on the front. In the case of collimated irradiation ( 4 ), the scattering and absorption characteristics of the irradiated tissue as well as the directional information of the photons are decoded at the same time.
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