Vorrichtung und Verfahren zur optischen, ortsauflösenden Bestimmung von Dichteverteilungen in biologischem Gewebe

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur optischen, ortsauflösenden Bestimmung von Dichteverteilungen in biologischem Gewebe.

Zur bildgebenden Untersuchung menschlichen Gewebes sind seit längerem eine Reihe von Vorrichtungen bzw. Verfahren bekannt. So werden beispielsweise Röntgenstrahlen eingesetzt, um gut kontrastierte Bilder des menschlichen Skelettaufbaus zu gewinnen. Bei der Detektion von Tumoren, wo die zu detektierenden Dichtedifferenzen zwischen den verschiedenen Gewebe-Bestandteilen teilweise kleiner als 5% sind, ist die hiermit erreichbare Bildqualität jedoch für eine sichere Diagnose oft nicht ausreichend. Nachteilig bei der Verwendung von Röntgenstrahlen ist weiterhin, daß diese eine ionisierende Wirkung auf die durchstrahlten Körperteile besitzen.

Auch bekannte NMR-spektroskopische in-vivo-Untersuchungs- verfahren bieten bei derart geringen optischen Dichte- änderungen im Gewebe nur begrenzte Auswertemöglichkeiten. Zudem sind derartige Verfahren aufwendig und erfordern lange Meßzeiten.

Seit geraumer Zeit werden deshalb optische Verfahren zur bildgebenden Diagnose von biologischem Gewebe untersucht, die die bekannten Nachteile der Röntgenstrahlung bzw. NMR- spektroskopischen Untersuchungsverfahren vermeiden sollen. Derartige Vorrichtungen bzw. Verfahren auf optischer Basis werden beispielsweise im US-Patent 4,972,331 beschrieben. Aus der Veröffentlichung von J.M. Schmitt et al. : Use of polarized light to discriminate short-path photons in a

multiply scattering edium (Applied Optics, Vol. 31, No. 30, pp. 6353-6546) ist desweiteren bekannt, wie mit Hilfe infraroter Strahlung und insbesondere der Auswertung der Streustrahlungs-Anteile die Detektion von "Fremdkörpern" in stark streuenden Medien realisiert werden kann.

Den Vorrichtungen bzw. Verfahren auf optischer Basis aus den genannten Veröffentlichungen ist jedoch der Nachteil gemeinsam, daß lediglich qualitative Aussagen über das Vorhandensein bestimmter Gewebe-Anteile, z.B. Tumore, zu machen sind. Es ist damit jedoch nicht möglich, diese Gewebe-Anteile präzise im Gewebe zu lokalisieren oder aber deren Dimensionen exakt zu bestimmen.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur optischen, ortsauflösenden Bestimmung von Dichteverteilungen in biologischem Gewebe sowie ein Verfahren zu deren Betrieb zu schaffen, wobei die erwähnten Nachteile des Standes der Technik vermieden werden.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1.

Gegenstand des Anspruches 12 ist ein Verfahren zum Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Der erfindungsgemäße Einsatz einer Scan-Einheit, die sowohl das sendeseitige definierte Positionieren eines lokal- begrenzten Strahlenbündels einer Strahlungsquelle als auch die gleichzeitige ortsaufgelöste Registrierung der trans- mittierten Strahlungsanteile erlaubt, gestattet nunmehr die hochpräzise ortsauflösende Bestimmung von Dichtevertei¬ lungen bzw. Dichteänderungen in biologischem Gewebe. Es lassen sich somit beispielsweise präzise Aussagen über die Lokalisation von Tumoren im menschlichen Gewebe machen, die

unterschiedliche optische Dichten im Vergleich zum umliegenden, gesunden Gewebe aufweisen. Ebenso sind nunmehr exakte Informationen über die Dimensionen derartiger veränderter Dichteverteilungen zugänglich.

Neben der primär gewünschten, ortsauflösenden Detektion lokaler Dichteänderungen im Gewebe kann die erfindungs- gemäße Vorrichtung jedoch auch dazu eingesetzt werden, geringe Dichteänderungen im Gewebe über längere Zeiträume zu erfassen. Dies kann z.B. zur Überwachung von Gewebe- Veränderungen im Verlauf einer medikamentösen Behandlung erforderlich sein. Eine Auswertung der registrierten Signale kann dann z.B. dergestalt erfolgen, wie sie etwa in der bereits erwähnten Veröffentlichung von J.M. Schmitt et al . beschrieben wird.

Je nach gewünschter Auswertung können verschieden auf¬ gebaute Scan-Einheiten in der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzt werden. Insgesamt ist somit ein modularer Aufbau der gesamten Vorrichtung möglich, bei dem einzelne Komponenten je nach Anwendung austauschbar sind.

Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung und eines Verfahrens zu deren Betrieb ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungs- beispielen anhand der beiliegenden Figuren.

Dabei zeigt

Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungs- gemäßen Vorrichtung in einer schematisierten Darstellung;

Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungs- gemäßen Vorrichtung in einer schematisierten Darstellung.

Anhand von Fig. 1 wird im folgenden ein erstes Ausführungs- beispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben. Das zu untersuchende biologische Gewebe (1), z.B. ein Teil der menschlichen Hand, ist hierbei zwischen den Backen (2a, 2b) einer U-förmigen Meßzange (2) angeordnet, in die die Scan- Einheit integriert ist. Der Abstand der beiden Backen (2a, 2b) der Meßzange (2) ist definiert einstellbar, was über den Pfeil mit dem Bezugszeichen (9) schematisiert ange¬ deutet werden soll. Dies kann über eine bekannte Verschiebemechanik oder dgl. realisiert werden. Die Verschiebemechanik umfaßt desweiteren eine - ebenfalls nicht dargestellte - Längenmeßeinrichtung in Form eines bekannten inkrementellen oder absoluten Wegme -Systemes, die ein laufendes Erfassen des aktuell eingestellten Abstandes der beiden Backen (2a, 2b) zu Auswertezwecken ermöglicht.

Die Meßzange ist desweiteren vorteilhafterweise durch geeignete Materialwahl desinfizierbar gestaltet. Als günstig erweist es sich hierbei, wenn die Meßzange inclusive Scan-Einheit konstruktiv so ausgeführt ist, daß sie leicht zerlegbar ist und die einzelnen Teile in einem Autoklaviator einfach desinfiziert werden können.

Zur eigentlichen Scan-Einheit gehört neben der Strahlungs- quelle (3) , der Detektoreinheit (4) und der jeweils zuge¬ hörigen Verschiebeeinrichtung von Strahlungsquelle (3) und Detektoreinheit (4) eine Dickenmeßeinrichtung (5, 6) , mit der die jeweils aktuelle Dicke des zu untersuchenden Gewebes (1) erfaßt wird.

An einem der beiden Backen (2a) der Meßzange (2) ist erfindungsgemäß die Strahlungsquelle (3) sowie am entgegen¬ gesetzten Backen (2b) die Detektoreinheit (4) angeordnet. Sowohl die Strahlungsquelle (3) als auch die

Detektoreinheit (4) können mit Hilfe der - nicht dargestellten - Verschiebe-Einrichtung in einer Ebene definiert positioniert werden, was mittels der beiden Pfeile (3') bzw. (4') angedeutet werden soll. Hierbei ist sowohl eine Verschiebemöglichkeit entlang einer Geraden wie auch eine flächige Verschiebung realisierbar. Eine Scan- Einheit-Steuerung (8) übernimmt das definierte Verschieben von Strahlungsquelle (3) und Detektoreinheit (4) , je nach gewünschtem Scan-Modus und erfaßt auch jeweils die aktuellen Positionen von Strahlungsquelle (3) und Detektoreinheit (4) .

Neben der dargestellten Möglichkeit, sowohl Strahlungs- quelle (3) als auch Detektoreinheit (4) definiert verschiebbar auszulegen, ist es alternativ ebenso möglich, entweder nur die Strahlungsquelle oder die Detektoreinheit zu verschieben. Ebenso kann eine Detektoreinheit eingesetzt werden, die z.B. während eines Scan-Vorganges in zeitlicher Abfolge lokal empfindlich geschaltet wird.

Wesentlich ist jeweils nur, daß bei bekannter Position des Einstrahlortes im Gewebe austrittsseitig eine ortsabhängige Registrierung der transmittierten bzw. gestreuten Strahlungsanteile erfolgt.

Erfindungsgemäß erfolgt in einem ersten Scan-Vorgang bei festgehaltener Einstrahlposition der Strahlungsquelle (3) ein ortsaufgelöstes Erfassen der transmittierten und gestreuten Strahlungsanteile mit Hilfe der Detektoreinheit (4) über einen bestimmten Raumwinkel. In den anschließenden Scan-Vorgängen wird die Einstrahl-Position der Strahlungs¬ quelle (3) mit Hilfe der Scan-Einheit relativ zum zu durch¬ strahlenden Gewebe (1) verändert und jeweils erneut die zu dieser Einstrahlposition gehörenden Streulichtverteilungen über die Detektoreinheit (4) erfaßt. Es werden dabei so viele einzelne Scan-Vorgänge durchgeführt, bis anhand der

registrierten Signale eine rechnerische Rekonstruktion des durchstrahlten Gewebes möglich ist.

In den auf den ersten Scan-Vorgang folgenden Scan-Vorgängen kann neben der örtlichen Variation des Einstrahlortes der Strahlungsquelle auch die jeweilige Detektoreinheit nachgeführt werden. Eine derartige Nachführung kann z.B. so aussehen, daß die optischen Achsen von Strahlungsquelle und Detektoreinheit immer synchron zueinander bewegt werden. Es erfolgt demnach ein punktweises Durchstrahlen des zu untersuchenden Gewebes bei gleichzeitiger Erfassung der transmittierten Streulichtverteilung über einen definierten Raumwinkel. Bei jedem aufeinanderfolgenden Scan-Vorgang wird die Punktlichtquellen-Position relativ zum Gewebe inkremental verändert.

Eine mögliche Signalgewinnung kann neben einer einfachen Messung der transmittierten Intensitäten auch auf Grundlage der Phasenmodulations-Spektroskopie erfolgen, wie sie etwa im US-Patent US 4,972,331 beschrieben ist. Hierbei wird sendeseitig die Strahlungs-Amplitude hoch¬ frequent im Bereich 100 MHz - 500 MHz intensitätsmoduliert und die Streustrahlung detektorseitig nach dem Passieren des Gewebes ortsaufgelöst registriert. Ausgewertet werden detektorseitig dabei die resultierenden Phasenänderungen des hochfrequent modulierten Lichtes als auch die Amplitudenänderungen des Hochfrequenzanteiles der Streustrahlung relativ zur ursprünglichen Strahlung.

Die weitere Verwertung der gewonnenen Informationen in einem geeigneten Rekonstruktionsverfahren ist etwa aus der Veröffentlichung "M.Schweiger, S.R.Arridge, D.T.Delpy: Application of the Finite-Element Method for the Forward and Inverse Models in Optical Tomography, Journal of Mathematical Imaging and Vision 3 (1993), S. 263" bekannt.

Als Strahlungsquelle (3) dienen im dargestellten Ausführungsbeispiel ein oder mehrere Laserdioden, die im infraroten Spektralbereich arbeiten und gemäß dem Signalverarbeitungsverfahren hochfrequent moduliert werden können. Die Laserdiode mit einer entsprechenden vorgeord¬ neten Optik liefert ein lokal eng begrenztes Strahlen¬ bündel, welches definiert über das zu untersuchende Gewebe (1) gerastert werden kann, d.h. die Strahlungsquelle kann als punktähnliche Lichtquelle mit definierter Apertur und definiertem Öffnungswinkel betrachtet werden.

Alternativ ist es möglich, die gewünschte Lichtquelle mit dem eng begrenzten Strahlenbündel beispielsweise auch mit Hilfe eines sendeseitig vorgesehenen faseroptischen Licht¬ leiters zu realisieren, der vor einer geeigneten Strahlungsquelle angeordnet ist und dessen Strahlaus¬ trittsfläche mit einer speziellen Kollimationsoptik versehen ist und über das Gewebe bewegt bzw. gerastert wird.

Entscheidend bei der Wahl der Strahlungsquelle ist jeweils lediglich, daß eine möglichst eng begrenzte Apertur mit einem kleinen Öffnungswinkel vorliegt, deren Einstrahl¬ position definiert relativ zum zu durchstrahlenden Gewebe positioniert werden kann.

Geeignete Strahlungsquellen-Wellenlängen liegen vorteil¬ hafterweise im infraroten Spektralbereich zwischen 600 nm und 1300 nm, wo biologisches Gewebe eine relativ hohe Transmission aufweist. Neben der Verwendung einer einzelnen Wellenlänge können parallel auch zwei oder mehr Wellen¬ längen gleichzeitig eingesetzt werden. Hierzu sind dann z.B. entsprechend zwei oder mehr Strahlungsquellen verschiedener Wellenlänge einzusetzen.

Empfangsseitig ist als Detektoreinheit (4) im dargestellten Ausführungsbeispiel ein flächiges CCD-Array vorgesehen, mit dem eine ortsaufgelöste Registrierung der transmittierten bzw. gestreuten Strahlungsanteile möglich ist.

Für den Betrieb mit hochfrequent moduliertem Laserlicht kann das CCD-Array wahlweise ebenfalls direkt hochfrequent moduliert werden oder aber zusammen mit einen vorgeschal¬ teten Bildverstärker mit hochfrequent modulierter Verstär¬ kung betrieben werden. Die detektorseitige Modulations- frequenz ist dabei um einen Frequenz-Offsee δf im kHz- Bereich gegen die Modulationsfrequenz der Laserdiode verstimmt, so daß das CCD-Array ein Signal der Frequenz δf registriert, das sämtliche relevanten Informationen wie Amplitude und Phase des hochfrequent modulierten Lichtes enthält .

Das CCD-Array kann dabei über die erwähnte, nicht dargestellte, Verschiebeeinrichtung ebenso wie die Strahlungsquelle (3) definiert relativ zum Gewebe (1) positioniert werden, so daß hiermit auch größere Gewebe¬ teile untersucht werden können.

Alternativ ist als Detektoreinheit (4) auch eine CCD-Zeile einsetzbar, die entsprechend verschoben werden kann. Daneben ist detektorseitig auch der Einsatz eines faser¬ optischen Lichtleiters mit nachgeordneter wellenlängen¬ selektiver Detektoreinheit möglich, der die zu registrierende transmittierte bzw. im Gewebe gestreute Strahlung ortsabhängig registriert. Zur ortsabhängigen Registrierung der Streustrahlungsanteile über einen definierten Raumwinkel wird in einem Scan-Vorgang bei festgehaltener Einstrahlposition die Eintrittsfläche des faseroptischen Lichtleiters austrittsseitig über das Gewebe gerastert, was ebenfalls mit Hilfe einer bekannten Verschiebemechanik erfolgen kann.

Auch bei der Verwendung eines faseroptischen Sensors können selbstverständlich die oben beschriebenen Methoden der Signalgewinnung mit hochfrequent moduliertem Licht verwendet werden.

Neben der Möglichkeit, wie im dargestellten Auεführungs- beispiel, sowohl Strahlungsquelle (3) als auch Detektoreinheit (4) definiert ortsvariabel auszugestalten, kann alternativ auch nur die Strahlungsquelle (3) oder die Detektoreinheit (4) entsprechend verschiebbar ausgelegt werden.

Neben der reinen Verschiebung sind jedoch auch andere Scan¬ bzw. Raster-Verfahren erfindungsgemäß einsetzbar, wie z.B. die Rotation um ein zylinderförmiges Gewebeteil oder dgl. .

Die Scan-Einheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfaßt desweiteren eine Dickenmeßeinrichtung (5, 6) , mit deren Hilfe die jeweilige Dicke des aktuell durchstrahlten Gewebes (1) bestimmt werden kann. Diese Information ist zur - anschließend skizzierten - Auswertung der registrierten Strahlungs-Signale und der rechnerischen Rekonstruktion des durchstrahlten Gewebes erforderlich. Im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 sind zur Dickenmessung neben der Strahlungs¬ quelle (3) und der Detektoreinheit (4) jeweils Tastspitzen angeordnet, die mit einer definierten Federkraft gegen das zu durchstrahlende Gewebe (1) drücken und derart unmittel¬ bar im Kontakt mit den Gewebe-Grenzflächen sind. Die Ausgangssignale der Dickenmeßeinrichtung (5, 6) werden zusammen mit den Informationen über den eingestellten Abstand der beiden Backen (2a, 2b) der Meßzange (2) in einer zugehörigen Auswertestufe (12) der Dickenme߬ einrichtung (5, 6) verarbeitet, die die bestimmten Dicken- Meßwerte anschließend an die zentrale Auswerteinheit (10) der erfindungsgemäßen Vorrichtung übergibt.

Wie bereits angedeutet verarbeitet die zentrale Auswerteinheit (10) desweiteren auch die Informationen, die von der Scan-Einheit-Steuerung (8) über die aktuellen Positionen von Strahlungsquelle (3) und Detektoreinheit (4) erfaßt werden. Zur Auswertung benötigt die zentrale Auswerteeinheit (10) schließlich noch die registrierten Signale der Amplitude und Phase des hochfrequent- modulierten Lichtes sowie den Gleichlichtanteil auf der Detektoreinheit (4) , die von einer geeigneten Auswertestufe (11) der Detektoreinheit (4) an die zentrale Auswerte- einheit (10) übergeben werden.

Die erfindungsgemäß, numehr ortsaufgelöst bei bekannter Einstrahlposition registrierten Streulichtanteile können bei bekanntem Abstand zwischen Strahlungsquelle (3) und Detektoreinheit (4) sowie den bekannten optischen Gewebe- Pararmetern dazu verwendet werden, örtliche "Störungen" im untersuchten Gewebe zu lokalisieren. Derartige "Störungen", wie z.B. Tumore, besitzen eine unterschiedliche optische Dichte im Vergleich zum umliegenden gesunden Gewebe und können ortsaufgelöst lokalisiert werden.

Die rekonstruktive Berechnung der optischen Dichte¬ verteilung anhand der in mehreren Scans gewonnen Informationen erfolgt durch Entfaltungsalgorithmen unter Verwendung von berechneten Vorwärts-Kernels. Details zu einem derartigen Auswerteverfahren finden sich etwa in der bereits oben zitierten Veröffentlichung von M. Schweiger et al. .

Hierbei wird davon ausgegangen, daß die erfolgenden Streuprozesse im Gewebe mit den jeweils vorliegenden, optischen Dichtverteilungen korreliert sind und somit aus der Detektion der Streulichtanteile eine rekonstruktive Berechnung der vorliegenden, örtlichen Gewebedichte-

Verteilungen möglich ist. Die Entfaltung der registrierten Signale erfolgt mit sogenannten adaptiven Vorwärtskerneln, die aus Modellberechnungen auf Grundlage der bekannten Streueigenschaften des zu untersuchenden Gewebs resultieren.

Zur Auswertung können ferner die objektabhängigen Beugungs- erscheinungen der Photonen-Dichtewellen herangezogen werden.

Aus der erfolgten rekonstruktiven Berechnung der optischen Dichtverteilung im untersuchten Gewebe über die Auswerte- einheit ist schließlich über eine nachgeordnete Bild¬ verarbeitungseinheit und ein entsprechendes Display (13) eine zwei- oder dreidimensionale Darstellung der unter¬ suchten Gewebe-Teile möglich.

Eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in Fig. 2 dargestellt.

Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 ist anstelle der Meßzange mit integrierter Scan-Einheit nunmehr eine tomographische Gantry vorgesehen, in die die Scan- Einheit integriert ist. Die Strahlungsquelle (23) und die Detektoreinheit (24) der Scan-Einheit rotieren nach Art eines tomographischen Scanners um das zu untersuchende Gewebe (21) . Die Strahlungsquelle (23) ist auch hierbei wieder als Punktlichtquelle mit definierter, eng begrenzter Apertur ausgeführt. Desweiteren gestattet die Detektoreinheit (24) analog zum ersten Ausführungsbeispiel die ortsaufgelöste Registrierung der transmittierten Strahlungsanteile.

Desweiteren umfaßt auch die erfindungsgemäße Vorrichtung dieses Ausführungsbeispieles eine Dickenmeßeinrichtung (25, 26) in Form zweier, am Gewebe (21) anliegender Tastspitzen.

Die Signalverarbeitung erfolgt prinzipiell identisch zum vorab beschriebenen Ausführungsbeispiel, d.h. es ist ebenfalls eine zentrale Auswerteeinheit (100) vorgesehen, die die Informationen der Scan-Einheit und der Dicken¬ meßeinrichtung entsprechend verarbeitet und ggf. über eine Bildverarbeitungseinheit auf einem Display darstellt.

Mit Hilfe dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung können insbesondere Schnittbilder des zu unter¬ suchenden Gewebes unterschiedlichster Perspektive realisiert werden, wie sie etwa auch in gleicher Art und Weise bei der NMR-Tomographie gewonnen werden.