DD297247A5 - IMPROVEMENT OF TISSUE DIAGNOSIS USING THE EMISSION OF FLUORESCENT LIGHT - Google Patents
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Abstract
Eine Probe (1) wird mit einem Impuls von einem Laser (2) bestrahlt, wodurch eine Fluoreszenzstrahlung entsteht, die in Bildform oder anderweitig zu einer Aufnahmevorrichtung (6) gebracht wird, die von derselben Probe (1) eine Vielzahl von Spektralintervallen (6 A bis 6 D) aufnimmt, um Intensitaetswerte zu erhalten. Die Strahlung kann in Bildform aufgenommen werden, wobei die Vielzahl noch vervielfacht wird. Die Spektralintervalle koennen Wellenlaengenintervalle (5 A bis 5 D), die durch spektrale Zeitintervalle festgelegt sind, die wiederum von einem Computer (7) gesteuert werden, der auch eine numerische Auswertung mit mindestens einer Division durchfuehrt. Die Gewebeeigenschaften koennen dann von der Auswertung abgeleitet werden. Fig. 12{Bestrahlung einer Probe mit einem Laserimpuls; Bringen entstehender Fluoreszenzstrahlung zu einer Aufnahmevorrichtung; Ermittlung der Gewebeeigenschaften}A sample (1) is irradiated with a pulse from a laser (2), whereby a fluorescence radiation is formed, which is brought in picture form or otherwise to a recording device (6) from the same sample (1) a plurality of spectral intervals (6 A to 6 D) to obtain intensity values. The radiation can be recorded in image form, with the multiplicity being multiplied. The spectral intervals can be wavelength intervals (5 A to 5 D), which are determined by spectral time intervals, which in turn are controlled by a computer (7), which also performs a numerical evaluation with at least one division. The tissue properties can then be derived from the evaluation. Fig. 12 {irradiation of a sample with a laser pulse; Bring resulting fluorescence radiation to a recording device; Determination of tissue properties}
Description
Hierzu 14 Seiten ZeichnungenFor this 14 pages drawings
Charakteristik doi bekannten Standes der TechnikCharacteristic doi known prior art
Aus US-A-4682 694 und US-A-4785806, die hier aus Bezugsgründen angegeben werden, Ist bekannt, daß man eine Lichtleitfaser In ein Blutgefäß, beispielsweise eine Arterie, mit Laserlicht bestrahlt und das induzierte fluoreszierende Licht aufnimmt. Hiermit ist es möglich, atherosklerotische Plaque festzustellen, die dann durch eine Bestrahlung mit Leistungslasern durch dioselbo Lichtleitfaser zerstört und beseitigt werden kann. Die erwähnten Patente beinhalten Mittel für die Erregung, Spektralanalyse und Leistungsbestrahlung, einschließlich Strahlenteilung, Koppelmittel und Lasergeräte.From US-A-4682 694 and US-A-4785806, which are hereby incorporated by reference, it is known to irradiate an optical fiber into a blood vessel, such as an artery, with laser light and to accept the induced fluorescent light. This makes it possible to detect atherosclerotic plaque, which can then be destroyed and eliminated by irradiation with power lasers by dioselbo optical fiber. The patents mentioned include means for excitation, spectral analysis and power irradiation, including beam splitting, couplers and laser devices.
In EP-A-85905342.3 Ist ein Fluoreszenzbild-Aufnahmegerät beschrieben, mit dem Bilder einer, mit einer Erregungswellenlänge bestrahlten Probe, die mittels eines Strahlenteilungsgeräts In eine Vielzahl von Bildern zerlegt worden Ist, aufgenommen wurde, wobei die Bilder vor dem Auftreffen auf einen Matrixdetektor (CCD-Detektor) gefiltert worden sind. Für jedes Bild erhielt man einen Satz der entsprechenden Pixelintensitätewerte, die arithmetisch bearbeitet werden können, um kombinierte Pixelwerte zu erhalten. Die kombinierten Pixelwerte werden zur Erstellung eines Bildes mit verbessertem Kontrast verwendet. Für eine Fluoreszenzuntersuchung des Gewebes wird das Fluoreszenzverhalten der verschiedenen Gewebearten ausgenutzt. In einigen Fällen kann der Kontrast durch Verabreichung von Substanzen, wie z. B. Hematoporphyrinderivate, verbessert werden. Ein Nachteil dabei Ist jedoch, daß der Patient dann für längore Zeiten überempfindlich gegenüber dem Sonnenlicht reagiert.EP-A-85905342.3 describes a fluorescence image recorder which records images of a sample irradiated with an excitation wavelength which has been decomposed into a plurality of images by means of a beam splitting device, the images being recorded before striking a matrix detector (US Pat. CCD detector) have been filtered. For each image, one obtained a set of the corresponding pixel intensity values that can be arithmetically manipulated to obtain combined pixel values. The combined pixel values are used to create an image with improved contrast. For a fluorescence examination of the tissue, the fluorescence behavior of the different types of tissue is exploited. In some cases, the contrast may be increased by administration of substances such. As hematoporphyrin derivatives are improved. A disadvantage, however, is that the patient is then hypersensitive to sunlight for long periods of time.
Ziel der ErfindungObject of the invention
Mit der Erfindung wird eine Methode zur Verbesserung der Gewebediagnose mit Hilfe der Emission von fluoreszierendem Licht, sowie ein Gerät zur Bestimmung der Gewebeeigenschaften mittels Fluoreszenz bereitgestellt.The invention provides a method for improving tissue diagnosis by means of the emission of fluorescent light, and a device for determining the tissue properties by means of fluorescence.
Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Methode zur Verbesserung der Gewebediagnose mit Hilfe der Emission von fluoreszierendem Licht, sowie ein Gerät zur Bestimmung der Gewebeeigenschaften mittels Fluoreszenz bereitzustellen, wobei der Aufnahmekonstrast erhöht wird und die Fluoreszenzaufnahme einen maximalem Kontrast ermöglicht.The invention has for its object to provide a method for improving tissue diagnosis by means of the emission of fluorescent light, as well as a device for determining the tissue properties by means of fluorescence, wherein the recording contrast is increased and the fluorescence recording allows maximum contrast.
Weiterhin ist es ein Gegenstand der Erfindung, in der In-vlvo-Diagnose verschiedener Gewebezustände und -Variationen, z. B. zur Feststellung atherosklerotischer Plaque und verschiedener bösartiger Tumore, die Erkennungsmöglichkeiten zu verbessern. Ein weiterer Gegenstand ist die Verbesserung der Behandlungsmöglichkeiten bei der Entfernung bzw. Zerstörung von Gewebe durch Bestrahlung mittels verbesserter Untersuchungsmöglichkeiten vor, während und nach der Behandlung.Furthermore, it is an object of the invention in the in vivo diagnosis of various tissue conditions and variations, e.g. As to determine atherosclerotic plaque and various malignant tumors to improve the detection possibilities. Another object is to improve the treatment options in the removal or destruction of tissue by irradiation by means of improved examination options before, during and after the treatment.
Die Vermeidung der Zerstörung von Gewebe, das unbeschädigt bleiben soll, zu ermöglichen, ist ein weiteres Ziel.Preventing the destruction of tissue that should remain undamaged is another goal.
Ein spezieller Gegenstand der Erfindung ist die Erkennung selbst beim Vorhandensein von Blut. Das als Absorptionsmittel vorhandene Blut wirkt als differentielles Absorptionsmittel fluoreszierender Strahlung, verringert den sonst erreichbaren Kontrast und zerstört die diagnostischen Informationen in starkem Maße. Durch die Erfindung ist es möglich, den Einfluß dieses Zerstörungsfaktors im wesentlichen zu eliminieren.A special object of the invention is the detection even in the presence of blood. The existing as an absorbent blood acts as a differential absorber of fluorescent radiation, reduces the otherwise achievable contrast and destroys the diagnostic information to a large extent. By the invention it is possible to substantially eliminate the influence of this destruction factor.
Gemäß eines wichtigen Aspekts der Erfindung werden die erfindungsgemäßen Zielstellungen erreicht durch eine Kombination von Laserlichtquellen für eine Fluoreszenzerregung, einem Lichtdetektor, einem Lichtleiter, wie beispielsweise Lichtleitfasern, Koppeleinrichtungen für das Eintreten des Laserlichts in ein Ende des Lichtleiters und für die Herausnahme des Lichts für den Detektor, mit dem Detektor gekoppelte diagnostische Einrichtungen für die Untersuchung des Fluoreszenzlichts In einer Vielzahl von Spektralbereichskanälen und durch den Vergleich dieser Kanäle. Diese Kombination kann geeigneterweise durch Einrichtungen für die Leistungsbestrahlung über dieselbe Lichtleitung komplettiert werden, so daß beispielsweise die Zerstörung und Beseitigung mit darauffolgenden Untersuchungsschritten unter Kontrolle durchgeführt worden kann. Derselbe Laser kann sowohl für die Diagnose als auch Bestrahlung mit hoher Leistung verwendet werden, wenn die Lasorenergie entsprechend einstellbar ist.According to an important aspect of the invention, the objectives of the invention are achieved by a combination of laser light sources for fluorescence excitation, a light detector, a light guide such as optical fibers, couplers for the entrance of the laser light into one end of the light guide and for the removal of the light for the detector , diagnostic devices coupled to the detector for the study of fluorescence light in a variety of spectral range channels and by comparing these channels. This combination can be suitably completed by means for the power irradiation over the same light pipe, so that, for example, the destruction and disposal can be carried out with subsequent investigation steps under control. The same laser can be used for both diagnosis and high power radiation when the laser energy is adjustable accordingly.
Entsprechend eines weiteren Aspekts der Erfindung kann das System zu einem Bildsystem erweitert werden, wobei ein Vielfachpixelsystem eine zweidimensional Bildaufnahme ermöglicht, in der man für jedes Pixel ein Signal für die Vielfalt der spektralen Fluoreszenzintervalle erhält.According to a further aspect of the invention, the system can be extended to an image system, wherein a multi-pixel system allows two-dimensional image acquisition, in which one receives a signal for the variety of spectral fluorescence intervals for each pixel.
In dieser Offenbarung beinhalten die spektralen Fluoreszenzintervalle sowohl die Wellenlängen- als auch Zeitintervalle. Im letzteren Fall hat die fluoreszenzinduzierende Strahlung die Form von kurzen Impulsen oder zumindest eine Ausstrahlung, die innerhalb eines sehr kurzen Zeitintervalls gestoppt werden kann. Dann kann die zeitliche Verteilung der abnehmenden Fluoreszenzstrahlung aufgenommen werden, deren Abnahme durch die verschiedenen Lebensdauerwerte der angeregten Zustände verursacht wird, die wiederum charakteristisch für die verschiedenen Substanzen sind, die den verschiedenartigen Geweben eigen sind.In this disclosure, the spectral fluorescence intervals include both the wavelength and time intervals. In the latter case, the fluorescence-inducing radiation has the form of short pulses or at least one emission which can be stopped within a very short time interval. Then the temporal distribution of the decreasing fluorescence radiation can be recorded, the decrease of which is caused by the different lifetime values of the excited states, which in turn are characteristic of the different substances peculiar to the different tissues.
Ein besonderes Merkmal der Erfindung beruht im Einsatz von die Division einschließenden arithmetischen Operationen bei den Intensitätswerten. Durch die Division zweier, die Dimension der Intensität aufweisender Werte ist es möglich, bezogene oder dimensionslose Werte zu erhalten, die die Schwankungen der Intensität, des Abstands, des Winkels oder anderer Variabler kompensieren, die andererseits wiederum die Ergebnisse verfälschen könnten.A particular feature of the invention is the use of division-involving arithmetic operations in the intensity values. By dividing two values of magnitude of intensity, it is possible to obtain related or dimensionless values which compensate for variations in intensity, pitch, angle, or other variables, which, on the other hand, could distort the results.
Bei der Verwendung von Zeitintervallen ist der Einsatz eines Impulslasers oder mindestens eines Lasers mit schnellem Abschaltvermögen zu bevorzugen. Obwohl bei der Ermittlung ohne Einsatz von Zeitintervallfenstern auch ein kontinuierlicher Laser verwendet werden kann, kann der Einsatz eines Impulslasers In diesem Fall auch Interessant sein, um dio Eliminierung falscher Strahlung zu vereinfachen, die auf Ungenauigkeiten in der spektralen Auflösung beruht.When using time intervals, the use of a pulse laser or at least one laser with fast turn-off capacity is to be preferred. Although a continuous laser can be used in the determination without the use of time interval windows, the use of a pulse laser in this case may also be of interest in simplifying the elimination of false radiation due to inaccuracies in the spectral resolution.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf In den Zeichnungen dargestellte Beispiele und Aueführungsbeiepielon beschrieben, die zur besseren Veranschaulichung und nicht zur Einschränkung der Erfindung dienen sollen.The invention will now be described with reference to examples and exemplary embodiments illustrated in the drawings, which are intended to illustrate and not to limit the invention.
einem gesunden Gewebea healthy tissue
Fig. 4: . zeigt den Unterschied in den Wellenlängen-Fluoreszenzspektren zwischen Blutgefäßen mit und ohne Fig. 4 :. shows the difference in the wavelength fluorescence spectra between blood vessels with and without
Plaqueplaque
Fig. 5: zeigt den Unterschied in den Zeitspektren für eine bestimmte Wellenlänge für ein normales Gefäß und Fig. 5: shows the difference in time spectra for a given wavelength for a normal vessel and
ein Gefäß mit Plaquea vessel with plaque
Fig. 6: stellt die Ergebnisse der Divisionen zwischen Zelt-Spektrum-Signalen und bei gleicher Wellenlänge für Fig. 6: shows the results of the divisions between tent spectrum signals and at the same wavelength for
gesunde und Plaque aufweisende Gefäße dar.healthy and plaque vessels.
normalem Gefäß (0) und vier steigend geschädigten, atherosklerotischen Klassen von Gefäßennormal vessel (0) and four ascending damaged, atherosclerotic classes of vessels
(IbIsIV).(IbIsIV).
zwischen spätor zu früher Fluoreszenz) bei einer bestimmten Wellenlänge.between late to early fluorescence) at a particular wavelength.
Tumorgewebetumor tissue
Fig. 1 a: zeigt das Prinzip des Fluoreszenzmechanismus in großen Molekülen. Eine bestrahlten Probe Fig. 1 a: shows the principle of the fluorescence mechanism in large molecules. An irradiated sample
absorbiert die Strahlung, und es werden verschiedene Ebenen erregt. Einige Zustände kehrenabsorbs the radiation and different levels are excited. Some states return
grundsätzlich in den alten Zustand (elastische Streuung) zurück, einige gehen bei der internenbasically go back to the old state (elastic scattering), some go to the internal one
ersehen kann.can see.
Einige nützliche, tumormarkierende Reagenzien, wie beispielsweise Hematoporphyrinderivate, führen zu breiter strukturierten Fluoreszenzspektren, wie in Fig. 1 b, und zwar besonders dann, wenn sie im Scretband um 405nm erregt werden. Das Fluoreszenzspektrum zeigt typische Spitzenwerte bei 630nm und 690nm, die in der Praxis einer unstrukturierteren Eigenfluoreszenz des Gewebes überlagert sind. Es gibt noch mehr bekannte Beispiele solcher Reagenzien. Fig. 2 zeigt Fluoreszenzspektrogramme von Substanzen, die bei 337 nm (N2-Laser) bestrahlt wurden, und zwar für OHE (Dihematoporphyrinether/Ester), HP (Hematoporphyrin) PHE (Polyhematoporphyrinester) und TSPC (tetrasulfatiertes Phthalozyanin).Some useful tumor-labeling reagents, such as hematoporphyrin derivatives, result in broader structured fluorescence spectra, as in Fig. 1b, especially when excited in secretory band by 405nm. The fluorescence spectrum shows typical peaks at 630nm and 690nm, which in practice are superimposed on a more unstructured intrinsic fluorescence of the tissue. There are still more known examples of such reagents. Fig. 2 shows fluorescence spectrograms of substances irradiated at 337 nm (N 2 laser) for OHE (dihematoporphyrin ether / ester), HP (hematoporphyrin) PHE (polyhematoporphyrin ester) and TSPC (tetrasulfated phthalocyanine).
Ein weiteres Beispiel für den Unterschied der Wellenlängenspektren verschiedener Gewebearten ist in Fig. 3 dargestellt, in dem sich das Spektrum für Tonsillenkrebs infolge des endogenen Porphyrins eindeutig von dem der normalen Schleimhaut unterscheidet.Another example of the difference in wavelength spectra of different tissue types is shown in Fig. 3, in which the spectrum for tonsil cancer due to the endogenous porphyrin clearly differs from that of the normal mucosa.
Für das synchrone Pumpen eines Farblasers mit kohärenter Strahlung und Kavitätszwischenspeicherung wurde eir. modusverriegelter Argon-Ionen-Laser (kohärente Strahlung CK-12) verwendet. Der Farblaser lieferte 6pa lange Impulse bei 640nm mit einer Folgefrequenz von 3MHz. Die Durchschnittsleistung lag bei 10mW. Die roten Impulse wurden in einem KD'P-Kristall auf 320nm frequenzverdoppelt, wobei der Wirkungsgrad der Frequenzverdopplung bei ungefähr 0,5% lag. Gemeinsam mit Interferenzfiltern wurde in einem 0,5-m-Spektrometer das Fluoreszenzlicht nach der Wellenlänge selektiert und In einem Fotovervielfacher mit Mikrokanalplatte (Hamamatsu 1564 U) bestimmt. Die Elektronik enthielt einen Startimpulskanal, und es wurden geeignete Signalverstärker, Diskriminatoren konstanter Teilung und auch ein Zeit-Amplituden-Konverter angewendet. In einem Multikanalanalysator wurden die zeitlichen Histogramme erstellt, und die Datenanalyse wurde mittels eines Programmpakets auf einem IBM-kompatiblen Personalcomputer ausgeführt. Die zeitliche Reaktionsfunktion der Apparatur wurde mit Streulicht gemessen und ergab sich zu FWHM = 250 ps. Dieser Wert wurde in der Computer-Dekonvolutionsprozedur des Fluoreszenzsignals verwendet.For the synchronous pumping of a color laser with coherent radiation and cavity caching was eir. mode-locked argon ion laser (CK-12 coherent radiation). The color laser delivered 6-second pulses at 640nm with a repetition rate of 3MHz. The average power was 10mW. The red pulses were frequency doubled in a KD'P crystal to 320nm, with the efficiency of frequency doubling being about 0.5%. Together with interference filters, the fluorescence light was selected by wavelength in a 0.5 m spectrometer and determined in a photomultiplier with microchannel plate (Hamamatsu 1564 U). The electronics contained a start pulse channel, and appropriate signal amplifiers, constant pitch discriminators and also a time-amplitude converter were used. In a multi-channel analyzer, the temporal histograms were created and the data analysis was performed by means of a program package on an IBM-compatible personal computer. The temporal reaction function of the apparatus was measured with scattered light and resulted in FWHM = 250 ps. This value was used in the computer deconvolution procedure of the fluorescence signal.
Die Daten wurden in den Abtastreihen aufgezeichnet, die r ι it einem normalen Blutgefäß begannen und zu einem atherosklerotischen Plaquebereich übergingen. Die Probet 'urde auf einem mikrometergesteuerten Schlitten bewegt, um eine reproduzierbare Positionierung der Probe in einer zeitauflösenden Abtastaufzeichnung bei verschiedenen Fluoreszenzwellenlängen zu ermöglichen. Bei einer Zählfrequenz von ungefähr 1000Hz wurde im Normalfall 2 min lang die Verfallskurven aufgezeichnet. Die charakteristischen, zeitintegrierten Fluoreszenzstrukturen von einer normalen Gefäßwand und von Plaque sind in Fig.4 dargestellt.The data were recorded in the scan series, which began with a normal blood vessel and proceeded to an atherosclerotic plaque area. The sample is moved on a micrometer-controlled slide to allow reproducible positioning of the sample in a time-resolved scan at different fluorescence wavelengths. At a count frequency of approximately 1000Hz, the decay curves were normally recorded for 2 minutes. The characteristic, time-integrated fluorescence structures of a normal vessel wall and of plaque are shown in FIG.
Für Plaque und eine normale Gewebewand sind die Aufzeichnungen der Probenfluoreszenz bei 400nm über der Zeit in Fig. 5 dargestellt. Es sind eindeutige Unterschiede im zeitlichen Verhalten feststellbar. Sowohl Plaque als auch normale Gefäße wurden drei verschiedene Lebensdauern von ungefähr 8ns, 2ns und eine kürzer als 200ps festgestellt.For plaque and a normal tissue wall, the plots of sample fluorescence at 400nm versus time are shown in FIG. There are clear differences in temporal behavior. Both plaque and normal vessels were found to have three different lifetimes of approximately 8ns, 2ns and less than 200ps.
In Flg. 6 sind die Daten von Plaque, verkalkter Plaque und einer normalen Gefäßwand dargestellt. Entsprechend der r elden charakteristischen Wellenlängen wurde der Monochromator f>uf 400nm und 480nm eingestellt. Die Fluoreszenzintensitäten bei 400nm und 480nm wurden mit a bzw. c bezeichnet. Hler wuro.. je von 5ns bis 15ns integrierte Signal durch das In den ersten 5 ns des Verfalls erhaltene dividiert. Bei einem schnellen Verfall hat dieses Verhältnis offensichtlich einen niedrigen Wen, dagegen weisen höhere Werte auf einen langsameren Verfall hin. Bei der Messung des a-Slgnals erhält man ein Plaque-Grenzverhältnis von 1,6:1, wogegen beim c-Slgnal das Grenzverhältnis niedriger ist. Diese Eigenschaft kann in ein geeignetes Grenzkriterium eingebunden werden. Wenn dieses zeitliche Verhalten zur Bildung der dimensionslosen Grenzfunktion a(5 bis 15ns)/c(0 bis 5ns) anstelle derzeitintegrierten Größen verwendet wird, erhält man eine Grenzwertverbesserung von 1,6. Eine Abtastung durch einen Plaquebereich ist in Flg.7 sowohl für das zeltintegrierte als auch zeltauflösende Grenzkriterium dargestellt und zeigt eine Grenzwertverbesserung von 2,8 bis 4,5.In Flg. Figure 6 shows plaque, calcified plaque and normal vessel wall data. The monochromator was tuned to 400nm and 480nm according to the characteristic wavelengths. The fluorescence intensities at 400 nm and 480 nm were designated a and c, respectively. Hler wuro .. each from 5ns to 15ns integrated signal divided by that obtained in the first 5 ns of decay. At a fast decay this ratio obviously has a low Wen, whereas higher values indicate a slower decay. In the measurement of the a-signal, a plaque limit ratio of 1.6: 1 is obtained, whereas in the c-signal the limit ratio is lower. This property can be integrated into a suitable limit criterion. Using this time response to form the dimensionless limit function a (5 to 15 ns) / c (0 to 5 ns) instead of currently integrated variables gives a threshold improvement of 1.6. Scanning through a plaque area is shown in Figure 7 for both the in-tent and tent-resolution boundary criteria and shows a threshold improvement of 2.8 to 4.5.
Dieses Beispiel zeigt den Wert einer Auflösung in zwei Dimensionen (Wellenlänge und Zeit) der Fluoreszenzermittlung, um die Auflösung der Gewebeunterschiede zu verbessern.This example shows the value of resolution in two dimensions (wavelength and time) of fluorescence detection to improve resolution of tissue differences.
Fig. 8 zeigt das Übertragungsspektrum durch eine 0,2 mm dicke Schicht von arteriellem (oben) und venösem (unten) Blut, boide wurden mit einer Salzlösung auf eine Konzentration von 20% verdünnt. Die Ausführung der Fluoreszenzspektroskopie über einen derartigen Absorber, der bei In-vlvo-Untersuchungen immer vorhanden ist (ausgenommen bei einem zeitweiligen Ersatz durch andere Flüssigkeiten), bringt große Schwierigkeiten mit sich. Deshalb wird gemäß eines Aspekts der Erfindung mindestens ein Paar verschiedener Wellenlängen ausgewählt, die denselben Absorptionsfaktor besitzen, der für dio Ermittlung der Probe verwendet worden ist. In den Zeichnungen sind zwei solcher Paare dargestellt.Figure 8 shows the transmission spectrum through a 0.2 mm thick layer of arterial (top) and venous (bottom) blood boids were diluted with saline to a concentration of 20%. Performing fluorescence spectroscopy over such an absorber, which is always present in in vivo studies (except for temporary replacement with other fluids), presents great difficulties. Therefore, according to one aspect of the invention, at least one pair of different wavelengths having the same absorption factor used to detect the sample is selected. In the drawings, two such pairs are shown.
Fünf Klassen von als pathologisch bewertete Proben von Plaque, bei denen 0 eine normale Arterienwar.d und I bis IV in steigendem Maße fortgeschrittene Erkrankungen kennzeichnen, wurden hinsichtlich der Fluoreszenz auf verschiedenen Wellenlängen gemessen. Wie in Fig. 9 dargestellt, wurden die Intensitäten paarweise unterteilt. Wie aus dieser Figur hervorgeht, schwankte der Korrelationsgrad in Abhängigkeit von der gewählten Wellenlänge sehr stark. F1 bis F4 werden durch die Blutreabsorption beeinflußt, F5 und F6 werden dies nicht. F5 und Fß belegen, daß es zwischen diesen Gewebearten echte Spektraldifferenzen und nicht nur Schwankungen in der Blutmenge gibt. Weiterhin sind auch die relativen Unsicherheiten (bezeichnet an der Standardabweichung) für die blutkompensierten Paare F5 und F6 kleiner.Five classes of plaque-identified pathological specimens in which 0 was normal arteries and I to IV were increasingly advanced disease were measured for fluorescence at various wavelengths. As shown in Fig. 9, the intensities were divided in pairs. As can be seen from this figure, the degree of correlation varied greatly depending on the wavelength selected. F1 to F4 are affected by blood reabsorption, F5 and F6 will not. F5 and Fβ show that there are real spectral differences between these types of tissue, not just variations in the amount of blood. Furthermore, the relative uncertainties (referred to the standard deviation) are smaller for the blood-compensated pairs F5 and F6.
Es konnte gezeigt werden, daß die Fluoreszenz langlebig genaug ist, um einen Stickstoff-Laser mit kurzem Impuls (PRA Modell LN 250, tp = 3 ns) in Verbindung mit einem zweikanaligen Boxcar-Integrator (Stanford Instruments, Modell SK 250) zur Unterscheidung zwischen „früher" und „später" Fluoreszenz bei 400nm einsetzen zu können. Die Erregung wurde bei 337 nm vorgenommen. Es wurde ein Fotovervielfacher von Hamamats·..·, Modell R105, verwendet. Der eine Ermittlungskanal wurde auf 0 bis 5ns abgeglichen und der zweite Überstrich 5ns bis 15ns, was in Fig. 10 wiedergegeben ist, wo auch eine mit dem Pikoeekundensystem erhaltene Verfallskurve eingefügt ist. In dem Boxcar-System wird das Verhältnis von „später" zu „früher" Fluoreszenz gebildet (das alle Eigenschaften einer dimensionslosen Größe besitzt) und auf einem Streifendiagrammschreiber angezeigt. In Fig. 10 wird das Signal dargestellt, wenn die schematisch wiedergegebene Glasfasorsonde punktweise über eine Arterienprobe geführt wird und die Plnquebereiche bestimmt. Wie man sehen kann, läßt sich ein Schwellenwert festlegen, oberhalb dessen das Plaquekriterium erfüllt ist und Steuersignale für einen Plaqueablationslaser bereitgestellt werden können. Die Daten von Fig. 10 ergab ein Prüfling, der vom Blut freigespült wurde, um eine eindeutige Sichtkontrolle der atherosklerotischen und normalen Wandbereiche zu ermöglichen. Eine zweite Untersuchung wurde an zwei ausgesuchten, typischen Stellen durchgeführt, an denen die Aufzeichnungen durch ein Blutfeld vorgenommen worden sind. Die Ergebnisse sind in Fig. 11 dargestellt. Wiederum wurde das Spät-Früh-Fluoreszenzverhältnis aufgenommen. Wie man ersieht, bleiben die Verhältnisse konstant und bis zu einer Blutschichtdicke von 0,3mm voneinander getrennt (60Mm von unverdünntem Blut). Bei dickeren Schichten werden die einzelnen Signale so klein, daß man kein brauchbares Signal-Rausch-Verhältnis mehr erhalten kann. Im rechten Teil des Bildes sind auch noch die einzelnen Signale des Boxcar-Kanals für eine blutfreie normale Gefäßwand dargestellt. Aus Fig. 8 ergibt sich eindeutig, daß diese Signale bei 400 nm sehr schwach werden, wenn die Schicht dos unverdünnten Blutes dicker ist als einige Zehntel eines Mikrometers. Somit muß sich die optische Diagnose auf die Faser verlassen, die dicht an die Probe gehalten wird, oder das Beobachtungsfeld muß in einer geschlossenen perlpheren Arterie mit Salz überzogen werden. In beiden Fällen muß das diagnostische System eindeutig anzeigen, wenn das Signal zu gering ist. Andererseits bietet ein auf dem oben gegebenen Prinzip aufgebautes System unabhängig vom Blut eine zuverlässige Richtlinie, wenn die Faserspitze erst in eine ausreichende Nähe der Arterienwand gebracht worden ist, und das System schaltet sich selbst in den Datenaufzeichnungsmodus.It has been demonstrated that the fluorescence is long lived to provide a short pulse nitrogen laser (PRA model LN 250, tp = 3 ns) in conjunction with a dual channel boxcar integrator (Stanford Instruments, Model SK 250) to distinguish between To use "early" and "later" fluorescence at 400nm. The excitement was made at 337 nm. A photomultiplier of Hamamats ···, Model R105, was used. The one detection channel was adjusted to 0 to 5ns and the second overline 5ns to 15ns, which is shown in Fig. 10, where a decay curve obtained with the pico-secondary system is also inserted. In the boxcar system, the ratio of "later" to "early" fluorescence is formed (having all the properties of a dimensionless size) and displayed on a strip chart recorder. In Fig. 10, the signal is displayed when the schematically represented glass fiber probe is guided pointwise over an arterial sample and determines the Plnquebereiche. As can be seen, a threshold above which the plaque criterion is met and control signals for a plaque ablation laser can be provided. The data of Figure 10 yielded a specimen that was rinsed free of blood to allow clear visual inspection of the atherosclerotic and normal wall areas. A second study was performed on two selected typical sites where the recordings were made through a blood field. The results are shown in FIG. 11. Again, the late-early fluorescence ratio was recorded. As can be seen, the ratios remain constant and separated up to a blood layer thickness of 0.3 mm (60 mm of undiluted blood). For thicker layers, the individual signals are so small that you can no longer obtain a useful signal-to-noise ratio. In the right part of the picture are also the individual signals of the Boxcar channel for a blood-free normal vessel wall shown. From Fig. 8, it is clear that these signals become very weak at 400 nm when the layer of undiluted blood is thicker than a few tenths of a micrometer. Thus, the optical diagnosis must rely on the fiber held close to the sample, or the observation field must be salted in a closed perlpheric artery. In both cases, the diagnostic system must clearly indicate if the signal is too low. On the other hand, a system based on the above given principle provides a reliable guideline regardless of the blood when the fiber tip has first been brought into a sufficient proximity of the arterial wall, and the system switches itself to the data recording mode.
Die obigen Beispiele belegen, daß eine zuverlässige Arterlendiagnostik auch beim Vorhandensein von Blut möglich Ist, wenn man eine Vielzahl von spektralen Fluoreszenzintervallen, (1) ein Wellenlängenpaar mit Nulldifferenz-Absorption und/oder (2) zwei seitliche Spektrenintervalle verwendet.The above examples demonstrate that reliable artery diagnostics are also possible in the presence of blood, using a variety of spectral fluorescence intervals, (1) a zero-differential absorption wavelength pair, and / or (2) two lateral spectral intervals.
Die Lehren der Erfindung sind bis jetzt in einkanaligen Anwendungsformen, wie dem Abstand - man kann sagen in Ein-Pixel-Anwendungsformen, dargestellt worden. Die gleichen Prinzipien können jedoch auch in Mehrfach-Pixel-Anwendungsformen, d. h. bei räumlicher Auflösung, angewendet werden.The teachings of the invention have heretofore been presented in single-channel applications such as spacing - one can say in one-pixel applications. However, the same principles can also be applied in multiple pixel application forms, i. H. at spatial resolution, to be applied.
einer Objektebene 1 wird mittels einer UV-Impulsquelle 2 bestrahlt. Die Probe wird durch einen Spiegel 3 abgebildet, derunterteilt und verschieden angewinkelt ist, um nach der Reflexion an einem Cassegrain-Spiegel 4 vier separate Bilder, 6A bis 6D,auf einer mit dem Computer 7 gekoppelten CCD-Bildverstärker-Kamera 6 zu erzeugen. Die Strahlung zu jedem deran object plane 1 is irradiated by means of a UV pulse source 2. The sample is imaged by a mirror 3 which is subdivided and angled differently to produce four separate images, 6A to 6D, on a CCD image intensifier camera 6 coupled to the computer 7 after reflection on a Cassegrain mirror 4. The radiation to each of the
- Der Detektor ist ein moderner Mikrokanal-Plattenbildverstärker. Der Verstärker kann bis auf 5ns hinunter getriggert werden.- The detector is a modern microchannel plate image amplifier. The amp can be triggered down to 5ns.
In Fig. 13 bis Fig. 15 wird ein exemplarisches Ergebnis für einen bösartigen Rattentumor gezeigt. Fig. 13 zeigt vier „Schwarz/ weiß '-Bilder der Wellenlänge 470nm, 600nm, 630nm und 890nm. Die Bedeutung dieser Wellenlängen hinsichtlich der Fluoreszenz dieser Art von Tumor Ist aus dem Spektrum vor) Flg. 15 ersichtlich. Die vier Farben wurden auf einem Monitor (nicht dargestellt) zu einem Falschfarbbild zusammengestellt. In Fig. 14 ist eine Skizze des Bildes, wie man ee sieht, dargestellt. Die wirkliche Größe des aufgenommenen Bereichs war ungefähr 10mm.An exemplary result for a malignant rat tumor is shown in FIGS. 13-15. Fig. 13 shows four "black and white" images of 470nm, 600nm, 630nm and 890nm wavelengths. The significance of these wavelengths with respect to the fluorescence of this type of tumor is from the spectrum before) Flg. 15 can be seen. The four colors were assembled on a monitor (not shown) to a false color image. In Fig. 14 is a sketch of the image, as one sees ee represented. The real size of the recorded area was about 10mm.
In diesem Beispiel wurden ein CCD-Kameresystem mit Delll-Delti-Bildveretärkung und ein iSM-kompatibler Computer mit einem Vektorprozessor, Modell DT 7020, für die Datenübertragung verwendet.In this example, Delll Delti image intensification CCD camera system and iSM compatible computer with a DT 7020 vector processor were used for data transmission.
Es konnte experimentell beobachtet werden, daß das 630-nm-Fluoreszenzband in Tumorgewebe (infolge der Porphyrine) viel langlebiger als die Hintergrundfluoreszenz bei derselben Wellenlänge ist, was in Fig. 16 dargestellt ist. Die zeitlichen Unterschiede bei Plaque und normalen Gefäßen wurden bereits im Zusammenhang mit Fig. B und Fig. 10 diskutiert. Es ist eindeutig möglich, den Aufnahmewirkungsgrad auch bei der Bildaufnahmeeinrichtung noch weiter zu verbessern, indem man eine getriggerte Aufnahmebildröhre, wie bereits bemerkt, verwendet und die „späten" Fluoreszenzbilder durch die „frühen" teilt.It was experimentally observed that the 630 nm fluorescent band in tumor tissue (due to the porphyrins) is much more durable than the background fluorescence at the same wavelength, as shown in FIG. The temporal differences in plaque and normal vessels have already been discussed in connection with FIG. B and FIG. It is clearly possible to further improve the recording efficiency even in the image pickup device by using a triggered pickup tube, as already noted, and dividing the "late" fluorescence images by the "early" ones.
Fig. 1: Energy = Energie; Intensity = Intensität; Wavelength = Wellenlänge; Absorption = Absorption; Elastic scattering = Elastische Streuung; Internal conversion = Innere Umwandlung; and colllslans = und Kollisionen; Vibrational relaxation = Schwingungsrelaxation; Fluorescence radiation = Fluoreszenzstrahlung; HPD -Hemathoporphyrinderivat.Fig. 1: Energy = energy; Intensity = intensity; Wavelength = wavelength; Absorption = absorption; Elastic scattering = elastic scattering; Internal conversion = Inner transformation; and colllslans = and collisions; Vibrational relaxation = vibration relaxation; Fluorescence radiation = fluorescence radiation; HPD hemathoporphyrin derivative.
Fig.3: Fluorescence Intensity (rol. units) = Fluoreszenzintensität (rel.); Wavelength (nm) = Wellenlänge (nm); Tonsil cancer = Tonsillenkrebs; Normal Mucosa = Normale Schleimhaut.3: fluorescence intensity (rol.units) = fluorescence intensity (rel.); Wavelength (nm) = wavelength (nm); Tonsil cancer = tonsil cancer; Normal mucosa = normal mucosa.
Flg. 4: Intensity (rel. units)" Intensität (rel.); Wavelength (nm) = Wellenlänge (nm); Plaque = Plaque; Normal vessel = Normales Gefäß.Flg. 4: Intensity (rel. Units) "Intensity (rel.); Wavelength (nm) = Wavelength (nm); Plaque = Plaque; Normal vessel = Normal vessel.
Plotter; Split mirror Cassegrainian arrangement = Cassegrain-Anordnung mit geteiltem Spiegel; Individually adjustable mirror Segments = Einzeln einstellbare Spiegelsegmente; Pulsed UV source = UV-Strahlen-lmpulsquelle; Quartz lenses = Quirzglasoptik; Dichroic beam splitter = Dichromatischer Strahlenteiler; Fibre bundle or microscope adaptor = Glasfaserbündel oder Mirkoskopadapter; Object plane = Objektebene; Passband filters = Bandpässe.Plotter; Split mirror Cassegrainian arrangement = Cassegrain arrangement with split mirror; Individually adjustable mirror Segments = Individually adjustable mirror segments; Pulsed UV source = source of UV radiation; Quartz lenses = Quirzglasoptik; Dichroic beam splitter = dichroic beam splitter; Fiber bundle or microscope adapter = fiber optic bundle or microcircuit adapter; Object plane = object plane; Passband filters = bandpasses.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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1990
- 1990-08-21 DD DD34353990A patent/DD297247A5/en not_active IP Right Cessation
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