DE19523806C2 - Verfahren zur Erkennung und in situ-Darstellung von besondere Rückstreuvermögen und/oder Fluoreszenzeigenschaften aufweisenden Bereichen einer Oberfläche und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung und in situ-Darstellung von besondere Rückstreuvermögen und/oder Fluoreszenzeigenschaften aufweisenden Bereichen einer Oberfläche gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Verschiedenartige Verfahren zur Feststellung von Bereichen auf Oberflächen, die besondere Rückstreuvermögen und/oder fluores­ zierende Stoffe aufweisen, sind aus dem Stand der Technik be­ kannt. Dabei ist es bei der Darstellung von Fluoreszenzen oft notwendig, daß die Wellenlänge des die Fluoreszenz anregenden Anregungslichtes nur geringfügig von der Wellenlänge der emittierten Fluoreszenzstrahlung abweicht.

So beschreibt die US 5 381 224 ein gattungsgemäßes Verfahren, bei dem die zu untersuchende Oberfläche mittels eines Scan­ verfahrens mit mindestens einer Lichtstrahlung bestimmter Wel­ lenlänge bestrahlt wird. Anschließend erfolgt eine Messung der Intensitäten der von der Oberfläche rückgestreuten Lichtstrah­ lung und/oder der emittierten Fluoreszenzstrahlung mit Hilfe eines Detektorsystems. Schließlich werden die Intensitäten der von den verschiedenen Bereichen der Oberfläche rückgestreuten Lichtstrahlung und/oder emittierten Fluoreszenzstrahlung ver­ glichen.

Auch in der DE 30 37 983 C2 sowie der DE 37 18 202 C1 werden gattungsgemäße Bildgebungsverfahren beschrieben.

Aus den bekannten Verfahren ergeben sich jedoch verschiedenar­ tige Nachteile. So kann bei Anregung der Fluoreszenzstrahlung mit Anregungslicht vergleichbarer Wellenlänge die Fluoreszenz nicht mehr mit bloßem Auge von der Anregungsstrahlung unter­ schieden werden, zumal wenn die Intensität des Fluoreszenz­ lichtes sehr gering ist. Es sind z. B. selektive Anreicherungen fluoreszierender Stoffe in Hauttumoren bekannt, deren Fluores­ zenz im roten Wellenlängenbereich von 690-730 nm liegt. Wird hier zur Sichtbarmachung und Erkennung der Fluoreszenz und damit des Hauttumors eine Anregung mit rotem Licht, z. B. der Wellen­ länge 635 nm durchgeführt, ist die Erkennung der Fluoreszenz nur über weitere bildgebende Verfahren und über einen externen Moni­ tor möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Erkennung und in situ-Darstellung von besondere Rückstreuvermögen und/oder Fluoreszenzeigenschaften aufweisenden Bereichen von Oberflächen bereitzustellen, welches auf einfache und sichere Weise gewähr­ leistet, daß diese Oberflächenbereiche in situ erkannt und dar­ gestellt werden können. Ebenso soll eine entsprechende Vorrich­ tung bereitgestellt werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren entsteht vorteilhafterweise an denjenigen Abschnitten einer zu untersuchenden Oberfläche, die ein besonderes Rückstreuvermögen und/oder fluoreszierende Stoffe aufweisen, ein in situ-Bild, so daß auf sekundäre Bildverarbeitungsverfahren oder andere Darstellungsmöglichkeiten wie Monitore, verzichtet werden kann.

Die besondere Rückstreuvermögen aufweisenden Bereiche und/oder die fluoreszierenden Stoffe werden dabei erfindungsgemäß mittels eines Scanverfahrens mit einem Lichtstrahl bestimmter Wellenlänge bestrahlt. Die Intensitäten des rückgestreuten Lichtstrahls und/oder der emittierten Fluoreszenzstrahlung werden mit Hilfe eines Detektorsystems ermittelt. In einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahrensschritt werden dann die Intensitäten der rückgestreuten Lichtstrahlung und/oder der Fluoreszenzstrahlung verglichen. Vorteilhafterweise dient im Falle auftretender Fluoreszenzstrahlung u. a. der Quotient aus beiden Intensitäten als abstandsunabhängiger Maßstab für die Steuerung der Intensität der Projektion einer Markierungsbeleuchtung auf die fluoreszierende Stoffe aufweisenden Bereiche der Oberfläche. Vorteilhafterweise wird die Markierungsbeleuchtung dabei im Strahlengang des auf die Oberfläche projizierten Licht­ strahls geführt.

Der gemeinsame Detektionswinkel für das rückgestreute Licht und das Fluoreszenzlicht und damit die zugehörigen Signale können je nach Spiegelscannerposition variieren. Durch die erfindungs­ gemäße Normierung des Fluoreszenzlichtsignals auf das rück­ gestreute Licht wird sowohl ein abstands- wie auch raumwinkel­ unabhängiges Maß für die Fluoreszenzeigenschaften der Oberfläche gewonnen.

Vorteilhafterweise wird der Lichtstrahl mit Hilfe von Spiegel­ scannern gleichmäßig über die zu untersuchende Oberfläche bewegt. Durch die Lichtführung von Lichtstrahl und Markierungs­ beleuchtung über den gleichen Strahlengang ist gewährleistet, daß der Abtastvorgang nicht unterbrochen wird. Dadurch entsteht bei einer ausreichend schnellen Scanbewegung für den Betrachter ein stehendes Bild der Stellen der Oberfläche, die fluoreszie­ rende Stoffe aufweisen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Abtastweg beim Scannen etwa parallel zu den Bilddiagonalen der zu bestrahlenden Bereiche der Oberfläche. Dadurch ist gewährleistet, daß das erfindungsgemäße Verfahren bei visueller Betrachtung bei kritisch niedrigen Bildwiederholfrequenzen (< 20 Hz) den Eindruck größerer Flackerfreiheit wiedergibt.

Durch die erfindungsgemäße Strahlführung des auf die Oberfläche projizierten Lichtstrahles ist weiterhin gewährleistet, daß auch bei einander ähnlichen Wellenlängen des projizierten Licht­ strahles und des rückgestreuten Lichts bzw. Fluoreszenzlichts ein für den Betrachter sichtbares Bild der Bereiche mit besonderen Rückstreuvermögen und/oder fluoreszierenden Stellen der untersuchten Oberflächen entsteht.

In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Oberfläche des zu untersuchenden Objekts mit rotem Licht der Wellenlänge 635 nm, Infrarotstrahlung oder ultra­ violetter Strahlung bestrahlt.

Erfindungsgemäß wird auch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Bildgebungsverfahrens bereitgestellt, wobei die Vorrichtung mit mindestens einer ersten Lichtquelle zur Bestrahlung von Oberflächen und mindestens einer zweiten Lichtquelle für eine Markierungsbeleuchtung ausgebildet ist. Die erste Lichtquelle und die zweite Lichtquelle der Markierungs­ beleuchtung sind dabei erfindungsgemäß derart zueinander angeordnet, daß die von der ersten Lichtquelle ausgehende Lichtstrahlung und die von der zweiten Lichtquelle ausgehende Markierungsbeleuchtung im wesentlichen im gleichen Strahlengang verlaufen.

Erindungsgemäß ist die Vorrichtung zur in situ-Darstellung von Veränderungen der Hautoberfläche von Säugetieren oder der in situ-Darstellung von Eigenschaften und/oder der Beschaffenheit von anorganischen Materialoberflächen verwendbar.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines zeichnerisch dargestellten Ausfüh­ rungsbeispieles.

Die Figur zeigt eine schematisch dargestellte Vorrichtung 10 zur Durchführung des Verfahrens, wobei die Vorrichtung eine erste Lichtquelle 12, eine zweite Lichtquelle 30 für eine Markierungsbeleuchtung 28 sowie ein Detektorsystem 26 umfaßt.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Verfahren zur Erkennung und in situ-Darstellung von Fluoreszenzen auf Oberflächen verwendet.

Gemäß dem ersten Verfahrensschritt sendet die erste Lichtquelle 12 zur Anregung von fluoreszierenden Stoffen auf einer Oberfläche 14 einen Lichtstrahl einer Lichtstrahlung 16a bestimmter Wellenlänge aus. Die Anregung bzw. Bestrahlung kann dabei mittels einer roten, modulierbaren Laserdiode (nicht dar­ gestellt) erfolgen, wobei die Wellenlänge der Lichtstrahlung 16a ungefähr 635 nm beträgt. In anderen, nicht eigens beschriebenen Ausführungsbeispielen, wird die Oberfläche mit Infrarot- oder ultravioletter Strahlung bestrahlt bzw. gescannt. Die Licht­ strahlung 16a wird mit Hilfe von Spiegelscannern 20 gleichmäßig über die Oberfläche 14 bewegt. Der Abtastweg beim Scannen ist dabei etwa parallel zu den Bilddiagonalen der bestrahlten Bereiche der Oberfläche 14. Die Spiegelscanner 20 sind als Galvanometer- und/oder Spiegelprismenscanner ausgebildet.

Die durch die Lichtstrahlung 16a angeregten fluoreszierenden Stoffe emittieren eine Fluoreszenzstrahlung 18, deren Intensität mit Hilfe des Detektorsystems 26 gemäß dem zweiten Verfahrensschritt gemessen wird. Gleichzeitig erfolgt eine Messung der Intensität der rückgestreuten Lichtstrahlung 16b. Die rückgestreute Lichtstrahlung 16b und die Fluoreszenzstrahlung 18 wird dabei über den Strahlengang der Lichtstrahlung 16a zu dem Detektor­ system 26 geleitet. Dies erfolgt unter Verwendung eines ersten Strahlteilers 22. Es ist aber auch möglich, daß das Detektor­ system 26 nicht im Strahlengang der Lichtstrahlung 16a angeordnet ist. Eine solche Anordnung stellt geringere Anforderungen an die Optik. Jedoch wird dabei das Verhältnis von Signal zu Untergrund schlechter, da Störlicht von der gesamten Bildfläche registriert wird.

In einem dritten Verfahrensschritt werden die Intensitäten der rückgestreuten Lichtstrahlung 16b und der emittierten Fluoreszenzstrahlung 18 verglichen. Dies geschieht mit Hilfe eines Dividierbausteines (nicht dargestellt) im Detek­ torsystem 26, wobei ein Quotient aus den beiden Intensitäten ge­ bildet wird. Durch dieses Meßverfahren wird ein abstands- und raumwinkelunabhängiges Signal zur Steuerung der Markierungs­ beleuchtung 28 gemäß dem vierten Verfahrensschritt bereitgestellt.

In dem vierten Verfahrensschritt erfolgt entsprechend dem Ergebnis des Vergleichs der Intensitäten der rückgestreuten Licht- bzw. Fluoreszenzstrahlung 16b, 18 bzw. dem daraus ermittelten Quotienten die Projektion einer Markierungs­ beleuchtung 28, die teilweise im Strahlengang der Lichtstrahlung 16a auf die fluoreszierende Stoffe aufweisende Oberfläche 14 verläuft. Die Markierungsbeleuchtung 28 besteht dabei aus grünem Licht, welches mit Hilfe eines frequenzverdoppelten Nd-YAG- Lasers erzeugt und mit Hilfe einer Pockelszelle oder eines akusto-optischen Modulators (nicht dargestellt) moduliert wird. Bei ausreichend schneller Scanbewegung entsteht somit für den Betrachter ein stehendes Bild der Verteilung fluoreszierender Stoffe auf der Oberfläche 14. Die Markierungsbeleuchtung 28 wird mittels eines zweiten Strahlenteilers 24 zu der Oberfläche 14 geleitet.

Als Strahlteiler können Spiegel mit einer kleinen zentralen Öffnung verwendet werden. Die Lichtstrahlung 16a und die Markierungs­ beleuchtung 28 passieren die Öffnung, während die rückgestreute Lichtstrahlung 16b und die Fluoreszenzstrahlung 18 aufgrund ihrer großen Strahldurchmesser zum größten Teil um 90° abgelenkt werden.

Gemäß dem vorliegenden Verfahren ist es jedoch auch möglich, die Intensität der Markierungsbeleuchtung 28 direkt, entsprechend den im zweiten Verfahrensschritt gemessenen Intensitäten der von den bestrahlten Bereichen der Oberfläche 14 ausgehenden rückgestreuten Lichtstrahlung 16b und/oder emittierten Fluoreszenzstrahlung 18, steuern zu lassen.

Die Intensität der Markierungsbeleuchtung 28 muß nicht unbedingt proportional zur Fluoreszenzintensität sein. Auch andere funktionale Zusammenhänge können bestehen. So kann ein exponentieller Zusammenhang dem Helligkeitsempfinden des Auges des Betrachters besser Rechnung tragen. Auch Stufenfunktionen oder die Darstellung der Intensitätsverteilung durch Höhenlinien sind möglich.

Um die Intensität der entstehenden Fluoreszenzstrahlung 18 trotz störendem Umgebungslicht messen zu können, wird das Lock-In- Verfahren angewendet.

Das durch das Ausführungsbeispiel näher be­ schriebene Verfahren kann beispielhafterweise zur Erkennung von Hauttumoren verwendet werden. Grundlage ist dabei die selektive Anreicherung fluoreszierender Stoffe, wie Porphyrinderiveraten in den Tumoren. Die Fluoreszenzstrahlung derartiger Stoffe weist einen Wellenlängenbereich von 690-730 nm auf und konnte bei normalen Bildgebungsverfahren bei Anregung mit rotem Licht der Wellenlänge 635 nm nicht mit dem bloßem Auge erkannt werden. Durch das beschriebene Verfahren sowie der vorgestellten Vorrichtung zur Durchführung des Verfah­ rens ist es jedoch möglich, derartige fluoreszierende Stoffe aufweisende Hauttumoren direkt auf der Haut des Patienten zu er­ kennen und sichtbar zu machen.

Nicht nur die Sichtbarmachung, sondern auch die Behandlung derartiger krankhafter Hautveränderungen ist mit dem Verfahren möglich. So kann anstelle der Projektion der Markierbeleuchtung 28 gemäß dem vierten Verfahrensschritt ein Laser aktiviert werden, der zur Behandlung von derartigen Veränderungen geeignet ist.

Neben diesen medizinischen Anwendungen des beschriebenen Verfahrens sind jedoch auch weitere Anwendungsbereiche wie z. B. in der Metallbearbeitung oder der Qualitätssicherung denkbar.

Claims (17)

1. Verfahren zur Erkennung und in situ-Darstellung von be­ sondere Rückstreuvermögen und/oder Fluoreszenzeigenschaf­ ten aufweisenden Bereichen einer Oberfläche mit den Schritten:
Bestrahlen der Oberfläche mit mindestens einer Licht­ strahlung einer bestimmten Wellenlänge durch Scannen,
Messen der Intensitäten der rückgestreuten Lichtstrahlung und/oder der emittierten Fluoreszenzstrahlung mit Hilfe eines Detektorsystems,
Vergleichen der Intensitäten der von verschiedenen Berei­ chen der Oberfläche rückgestreuten Lichtstrahlung und/oder emittierten Fluoreszenzstrahlung,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Markierungsbeleuchtung (28) über den Strahlen­ gang der Lichtstrahlung (16a) auf die Bereiche der Ober­ fläche (14) projiziert wird, bei denen der Vergleich der genannten Intensitäten besondere Rückstreuvermögen und/oder Fluoreszenzeigenschaften ergeben hat.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bestrahlen der Oberfläche (14) durch rotes Licht der Wellenlänge 635 nm erfolgt, wobei die Lichtstrahlung (16a) mittels einer roten, modulierbaren Laserdiode er­ zeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bestrahlen der Oberfläche (14) durch Infrarot­ strahlung erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bestrahlen der Oberfläche (14) durch ultravio­ lette Strahlung erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lichtstrahl der Lichtstrahlung (16a) mit Hilfe von Spiegelscannern (20) gleichmäßig über die Oberfläche (14) bewegt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtastweg beim Scannen etwa parallel zu den Bild­ diagonalen der zu bestrahlenden Bereiche der Oberfläche (14) erfolgt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Vergleichen der Intensitäten der rückgestreuten Lichtstrahlung (16b) und der Fluoreszenzstrahlung (18) über einen Dividierbaustein im Detektorsystem (26) unter Bildung eines Quotienten aus den beiden Intensitäten er­ folgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität der Markierungsbeleuchtung (28) ent­ sprechend den gemessenen Intensitäten der von den be­ strahlten Bereichen der Oberfläche (14) ausgehenden rück­ gestreuten Lichtstrahlung (16b) und/oder emittierten Fluoreszenzstrahlung (18), gesteuert wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die rückgestreute Lichtstrahlung (16b) und/oder die Fluoreszenzstrahlung (18) über den Strahlengang der Lichtstrahlung (16a) zu dem Detektorsystem (26) geleitet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die rückgestreute Lichtstrahlung (16b) und/oder die Fluoreszenzstrahlung (18) mit Hilfe eines ersten Strahl­ teilers (22) zu dem Detektorsystem (26) geleitet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die rückgestreute Lichtstrahlung (16b) und/oder die Fluoreszenzstrahlung (18) nicht über den Strahlengang der Lichtstrahlung (16a) gemessen wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Markierungsbeleuchtung (28) grünes Licht ver­ wendet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Markierungsbeleuchtung (28) mit Hilfe eines fre­ quenzverdoppelten Nd-YAG-Lasers erzeugt und mittels einer Pockelszelle oder eines akusto-optischen Modulators modu­ liert wird.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß, anstatt die Markierungsbeleuchtung (28) auf die Bereiche besonderer Rückstreuvermögen und/oder Fluores­ zenzeigenschaften zu projizieren, ein Laser aktiviert wird.

15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit mindestens einer ersten Lichtquelle zum Bestrahlen der Oberfläche (14), mindestens einer zweiten Lichtquelle für die Markierungsbeleuchtung (28), wobei die erste Lichtquelle (12) und die zweite Lichtquelle (30) derart zueinander angeordnet sind, daß die von der ersten Licht­ quelle (12) ausgehende Lichtstrahlung (16a) und die von der zweiten Lichtquelle (30) ausgehende Markierungsbe­ leuchtung (28) im gleichen Strahlengang parallel verlau­ fen, einem Detektorsystem und mit einer Vergleichsein­ richtung.

16. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 15 zur in situ- Darstellung von Veränderungen der Hautoberfläche von Säugetieren.

17. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 15 zur in situ- Darstellung von Eigenschaften und/oder der Beschaffenheit von anorganischen Materialoberflächen.