DE10136192C1 - Vorrichtung zur bildgebenden und spektroskopischen Diagnose von Gewebe - Google Patents
Vorrichtung zur bildgebenden und spektroskopischen Diagnose von GewebeInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur bildgebenden und spektroskopischen Diagnose von Gewebe unter alternativer oder kombinierter Anwendung von drei Diagnosemethoden, nämlich einem Modus A zur bildgebenden Weißlichtdiagnose, einem Modus B zur bildgebenden Fluoreszenzdiagnose und einem Modus C zur fluoreszenzspektroskopischen Diagnose. Die Vorrichtung weist eine Lampe auf, deren Licht über einen ersten Strahlengang in einen zu einem Endoskop führenden Lichtleiter geleitet wird. Im Strahlengang sind Mittel angeordnet, mit denen das Lichtstrahlenbündel zeitweise freigegeben bzw. unterbrochen werden kann. Zur spezifischen Untersuchung eines ausgewählten kleinen Gewebebereiches im Modus C ist vorgesehen, dass diese Mittel in den Zeitintervallen, in denen das Lichtstrahlenbündel unterbrochen ist, dieses in einen zweiten Strahlengang leiten. Von dort wird das Lichtstrahlenbündel in den zum Endoskop führenden Lichtleiter eingekoppelt. Im zweiten Strahlengang ist ein die Bündelöffnung begrenzendes Element für das in den Lichtleiter eintretende Lichtstrahlenbündel angeordnet. Ein schnell alternierendes Freigeben und Unterbrechen des Lichtstrahlenbündels des ersten Strahlengangs erlaubt im Modus C die Untersuchung des ausgewählten kleinen Gewebebereichs bei pseudosimultaner, d. h. den Betrachter scheinbar gleichzeitiger, großflächiger Beleuchtung der Umgebung dieses Gewebebereichs mit Weißlicht.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur bildgebenden und
spektroskopischen Diagnose von Gewebe unter alternativer oder kombinierter
Anwendung von drei Diagnosemethoden, nämlich einem Modus A zur
bildgebenden Weißlichtdiagnose, einem Modus B zur bildgebenden
Fluoreszenzdiagnose und einem Modus C zur fluoreszenzspektroskopischen
Diagnose, wobei die Vorrichtung eine Lampe oder einen Array von kleinen
Leuchtmitteln aufweist, deren Licht als Lichtstrahlenbündel über einen
Strahlengang in einen zu einem Endoskop führenden Lichtleiter eingekoppelt
wird, und wobei im Strahlengang Mittel angeordnet sind, mit denen das
Lichtstrahlenbündel zeitweise freigegeben bzw. unterbrochen werden kann.
Diagnosevorrichtungen der gattungsgemäßen Art werden zur großflächigen
bildgebenden Weißlichtuntersuchung (Modus A), zur großflächigen
bildgebenden Fluoreszenzdiagnose (Modus B) und zur punktuellen
Fluoreszenzspektroskopie (Modus C), d. h. zur spektroskopischen
Untersuchung der Fluoreszenz von kleinsten Gewebebereichen (optische
Biopsie), benötigt. Die spektroskopische Untersuchung bezieht sich dabei auf
die Gewebebereiche, die vorab bei der bildgebenden Fluoreszenz- oder bei
der bildgebenden Weißlichtdiagnose auffällig geworden sind.
Für den untersuchenden Arzt ist es wünschenswert, zunächst eine
gewöhnliche großflächige Weißlichtdiagnose (erster Diagnosemodus A im
Sinne der vorliegenden Erfindung) durchzuführen, um sich zunächst unter
Weißlicht einen Überblick über das zu untersuchende Gewebe zu verschaffen
und eine Vorabdiagnose zu erstellen. Hierbei wird, soweit dieses unter
Weißlicht sichtbar ist, nach entzündetem, malignem und frühmalignem
Gewebe gesucht. Die Untersuchung erfolgt dabei durch großflächiges
Betrachten des Gewebes. Hierfür muss sichergestellt sein, dass der
Objektfeldwinkel und dementsprechend auch der Beleuchtungswinkel groß
genug sind.
Bei der konventionellen Weißlichtdiagnose ist jedoch häufig frühmalignes
Gewebe nicht von benignem Gewebe zu unterscheiden, weshalb es nicht
aufgefunden werden kann. Die Weißlichtdiagnose hat hierfür eine
unzureichende Sensitivität. Dementsprechend kann eine lebensrettende oder
zumindest deutlich lebensverlängernde Therapie nicht durchgeführt werden.
Hier stellt die bekannte bildgebende Fluoreszenzdiagnose (Modus B im Sinne
der vorliegenden Erfindung) einen entscheidenden Vorteil dar. Bei
entsprechendem Objektfeld- und Beleuchtungswinkel, die identisch mit denen
bei der Weißlichtdiagnose, also ausreichend groß, sein können, kann der Arzt
im Modus der bildgebenden Fluoreszenzdiagnose das Gewebe großflächig
einsehen, und er wird durch Intensitäts- und Farbunterschiede zwischen
benignem und (früh-)malignem Gewebe schnell auf verdächtige Stellen
aufmerksam.
In der Literatur ist nachgewiesen worden, dass die Sensitivität bei der
Krebsfrüherkennung durch die zusätzliche bildgebende Fluoreszenzdiagnose
gegenüber der alleinigen Weißlichtdiagnose erheblich gesteigert werden kann.
Allerdings sind bei der Spezifität noch Defizite zu beobachten. So zeichnen
sich beispielsweise bei der Autofluoreszenzdiagnose manche (früh-)maligne
Läsionen lediglich durch einen Rückgang der Fluoreszenzintensität aus, die
Farbverschiebung zum roten Spektralbereich hin kann aber aufgrund der unter
Umständen gegenüber dem gesunden Gewebe stark reduzierten Fluoreszenz
kaum noch oder gar nicht mehr wahrgenommen werden. Die verdächtige
Stelle scheint lediglich dunkel, und Farben sind dadurch kaum mehr zu
erkennen. Eine Helligkeitsanhebung führt lediglich dazu, dass das umgebende
gesunde Gewebe überstrahlt wirkt und deshalb die Farbveränderungen,
gerade bei kleinen verdächtigen Stellen, dann auch nicht wahrgenommen
werden können.
Diese Läsionen können dementsprechend kaum bzw. nicht von gesundem
Gewebe unterschieden werden, welches beispielsweise allein aufgrund einer
veränderten Oberflächenstruktur (z. B. morphologisch stark strukturiertes
Gewebe, welches als "Lichtfalle" wirkt und damit den gesunden
Gewebebereich gleichfalls dunkel wirken läßt) ebenfalls weniger
Fluoreszenzlicht als morphologisch normal strukturiertes gesundes Gewebe
dem Beobachter zuführt.
Unsicherheiten bei der Beurteilung solchen Gewebes machen in all solchen
Fällen eine Probeentnahme obligatorisch, um möglichst alle potentiellen
frühmalignen und malignen Herde zu erfassen. Dadurch steigt aber die Falsch-
Positiv-Rate, d. h. die Spezifität sinkt. In gleichem Maße steigen Zeitaufwand
und die Kosten der Untersuchung durch den höheren Zeitaufwand und
zusätzlich erforderliche Biopsien.
Eine Aufnahme und Darstellung des Fluoreszenzspektrums (Modus C im
Sinne der vorliegenden Erfindung) gibt hier detailliertere Auskunft über den
Zustand des betreffenden Gewebes durch Aufzeichnung und Aus- und
Bewertung der spektralen Zusammensetzung der Fluoreszenzemission des
zweifelhaften Gewebes, während die vorher durchgeführte bildgebende
Fluoreszenzdiagnose neben den Informationen zur wechselnden
Fluoreszenzintensität lediglich einen integralen Farbeindruck des betreffenden
Gewebes als Ergebnis einer vom Auge durchgeführten Summierung aller
Spektralanteile (unter Berücksichtigung der spektralen
Augenempfindlichkeitskurve) wiedergeben konnte. Einzelheiten hierzu sind in
der DE 196 12 536 A1 beschrieben.
Die sogenannte optische Biopsie in Form einer punktuellen
fluoreszenzspektroskopischen Untersuchung erlaubt damit ohne eine
Probeentnahme mit anschließender zytologischer Untersuchung eine
genauere und bessere Beurteilung und Vorselektion des Gewebes als dies
allein mit der großflächigen bildgebenden Fluoreszenzdiagnose möglich ist.
Durch diese Vorselektion müssen deshalb weniger Gewebestellen biopsiert
und dem Pathologen zugeführt werden. Die Auswertung des
Fluoreszenzspektrums und die Beurteilung des betrachteten punktuell kleinen
Gewebebereichs, d. h. die Auswertung und Beurteilung der Spektralkurve,
kann entweder durch den Arzt selbst oder durch einen an das Spektrometer
angeschlossenen Computer vorgenommen werden, der bestimmte Punkte des
emittierten Fluoreszenzspektrums mit den entsprechenden Punkten von zuvor
aufgenommenem und abgespeichertem gesunden Gewebe des untersuchten
Patienten vergleicht. Mit dieser optischen Biopsie können zum Teil auch
Randbereiche von frühmalignem bzw. malignem Gewebe besser bzw. mit
größerer Sicherheit vom umgebenden gesunden Gewebe abgegrenzt werden.
Bezüglich der Fluoreszenzspektroskopie ist aber Folgendes zu beachten. Das
für die Auswertung und Bewertung erzeugte und ggf. auf einem Monitor
dargestellte Spektrum ist das gemittelte Ergebnis des gesamten vom
Spektrometer detektierten (Flächen-)Bereichs. Die Größe des
Gewebebereichs, welcher dem Spektrometer Fluoreszenzsignale zuführt, wird
im Wesentlichen durch zwei Komponenten bestimmt. Zum einen durch den
Fluoreszenzanregungsstrahlenkegel, der wiederum nach oben durch die
numerische Apertur der Anregungsfaser (Faserbündel) begrenzt ist, sofern auf
zusätzliche optische Komponenten verzichtet wird, sowie auch durch die
Größe des Einkoppelstrahlungskegels der Lichtquelle in die Faser
(Faserbündel), zum anderen aber auch durch die numerische Apertur der
detektierenden Faser (Faserbündel) bzw. durch sich evt. daran anschließende
aperturbegrenzende Vorrichtungen.
Soll nun das örtliche Auflösungsvermögen bei der Suche nach
Frühkarzinomen möglichst groß sein, d. h. sollen also auch möglichst kleine
Läsionen erkannt werden und spektroskopisch nicht im umgebenden
gesunden Gewebe untergehen, muss auch der bei der
Fluoreszenzspektroskopie angeregte Bereich und/oder der detektierte Bereich
möglichst klein sein. Andernfalls, wenn der angeregte Gewebebereich und der
detektierte Gewebebereich wesentlich größer sind als die verdächtige Stelle,
kann es passieren, dass der Verlauf der auszuwertenden Spektralkurve im
Wesentlichen durch das das kranke Gewebe umgebende gesunde Gewebe
bestimmt wird, weil dies für die Erzeugung der Spektralkurve anteilsmäßig
einen entsprechenden größeren Gewebeflächen- und damit
Fluoreszenzbeitrag liefert. Die Fluoreszenzinformation der kranken
Gewebestelle geht dann in der Fluoreszenzinformation des benachbarten
gesunden Gewebes unter, und die kranke Stelle wird nicht als solche erkannt.
Diese Aspekte sind vor allen Dingen bei der spektroskopischen
Autofluoreszenzdiagnose (Modus C) zu berücksichtigen, bei der die
Fluoreszenz des gesunden Gewebes die Fluoreszenz des malignen Gewebes
hinsichtlich der Intensität deutlich dominiert. Nur bei der
medikamenteninduzierten Fluoreszenz spielen diese Überlegungen eine
geringere Rolle, da sich dort im Idealfall nur das frühmaligne bzw. maligne
Gewebe mit dem fluoreszierenden Medikament anreichert und so das das
kranke Gewebe umgebende gesunde Gewebe relativ schwach oder gar nicht
fluoresziert. Kritischer ist die Situation auch bei der medikamenteninduzierten
Fluoreszenz dann, wenn beispielsweise für eine Kontraststeigerung vom
Gewebe remittiertes Anregungslicht detektiert wird.
Insgesamt bedeutet dies, dass sowohl für die konventionelle
Weißlichtdiagnose als auch für die bildgebende Fluoreszenzdiagnose distal
große Beleuchtungs- bzw. Anregungsstrahlenkegel und gleichermaßen große
Objektfeldwinkel des Bildkanals erstrebenswert sind. Bei der punktuellen
Fluoreszenzspektroskopie hingegen (Modus C im Aufbau der nachfolgend
beschriebenen Erfindung) muss der Anregungslichtkegel am distalen Ende
des Endoskops oder die numerische Apertur der Detektionsfaser oder eine
eventuell zusätzlich vor dem Spektrometer eingebrachte aperturmanipulierbare
Vorrichtung entsprechend dem gewünschten Ortsauflösungsvermögen bei der
Krebsfrüherkennung ausreichend klein eingestellt werden können.
Soll aber dieser Gewebebereich, von welchem dem Spektrometer
Fluoreszenzsignale zugeführt werden, dem untersuchenden Arzt auch sichtbar
gemacht werden, was im Falle der Autofluoreszenz im Gegensatz zur
medikamenteninduzierten Fluoreszenz aus oben genannten Gründen von
eminenter Wichtigkeit ist, so kann dies nur durch einen diesem
Gewebebereich entsprechenden kleinen Anregungslichtfleck erfolgen, der sich
dann z. B. farblich vom umgebenden, konventionell weiß beleuchteten
Gewebe abhebt. Beispielsweise kann sich der Anregungslichtfleck als "blauer
Anregungspunkt" auf dem verdächtigen Gewebe vom umgebenden, weiß
beleuchteten Gewebe unterscheiden. Der Arzt kann also dadurch und nur so
feststellen, von welchem Bereich bzw. Bereichsanteil des großflächig
eingesehenen Gewebeareals, das weiß beleuchtet ist, die Spektrometerkurve
gebildet wird.
Ein System, das die Anwendung aller drei genannten Diagnosemethoden
ermöglicht, ist aus der DE 196 18 963 C2 bekannt. Die konventionelle
Weißlichtuntersuchung (Modus A) und die bildgebende Fluoreszenzdiagnose
(Modus B) erfolgen mit einem ersten apparativen Aufbau. Um noch zusätzlich
punktuelle Fluoreszenzspektroskopie (Modus C) betreiben zu können, wird in
der DE 196 18 963 C2 eine Zusatzvorrichtung vorgeschlagen, die als Aufsatz
für das Endoskop ausgebildet ist. Die Zusatzvorrichtung enthält einen
Strahlteiler, der dafür sorgt, dass nicht mehr das gesamte vom Bildleiter des
Endoskops zur Verfügung gestellte Licht dem beobachtenden Auge bzw. der
angeschlossenen Kamera zugeführt wird, sondern nun ein Teil dieses Lichts
ausgekoppelt wird, um einem Spektrometer zugeführt zu werden.
Dieses Vorgehen bringt folgende Nachteile mit sich. Die auf das Endoskop
aufgesteckte Zusatzvorrichtung erhöht sowohl das Gewicht als auch die
geometrischen Abmessungen des aufgerüsteten Diagnoseinstruments und
beeinträchtigt dadurch dessen Handhabbarkeit. Auf zusätzlich am Endoskop
fixierte Elemente muss daher zwecks bequemer Handhabung möglichst
verzichtet werden.
Problematisch ist beim bekannten Stand der Technik weiterhin folgender
Umstand. Generell gilt für die Autofluoreszenzdiagnose, dass die geringe
Intensität des Autofluoreszenzlichts fast immer ein Problem darstellt, was,
sofern auf unhandliche und insofern nachteilige Bildverstärker verzichtet wird,
meist in der Notwendigkeit der Integration mehrerer Videohalbbilder resultiert.
Das wiederum führt zu Qualitätseinbußen bei der Bildwiedergabe, die sich in
einer reduzierten Bildwiederholrate äußern. Wird schließlich, wie im Falle des
vorbekannten Geräts, auch noch Autofluoreszenzlicht abgekoppelt, um diesen
Anteil dem Spektrometer zuzuführen, wird die Problematik der geringen
Menge an Autofluoreszenzlicht im Direkteinblick bzw. Kamerakanal weiter
verschärft, d. h., die ohnehin schon beeinträchtigte Bildqualität beim
bildgebenden Fluoreszenzdiagnoseverfahren wird durch die in nun noch
stärkerem Umfang erforderliche Bildintegration weiter verschlechtert.
Bei der Zusatzvorrichtung gemäß der DE 196 18 963 C2 wird der
Durchmesser des sogenannten zentralen Spektraldetektionsfeldes, also der
Durchmesser jenes Gewebebereichs, dessen Fluoreszenz dem Spektrometer
zugeführt wird und welche damit die Basis für das erzeugte Spektrum bildet,
durch die Brennweite der Linse in der Zusatzvorrichtung einerseits und durch
den Durchmesser der angeschlossenen Faser bzw. des Faserbündels als
Verbindung zwischen dem Endoskop und dem Spektrometer andererseits
bestimmt. Dementsprechend ist eine Änderung dieses Durchmessers des
Spektraldetektionsfeldes nicht ohne Aufwand realisierbar und während einer
Untersuchung am Patienten praktisch nicht realisierbar, zumindest dann nicht,
wenn die Möglichkeit bestehen soll, häufige Verstellungen vornehmen zu
können.
Die Fluoreszenzspektroskopie erfolgt bei der Lösung gemäß der DE 196 18 963 C2
simultan zur bildgebenden Fluoreszenzdiagnose, da ja gerade
während des bildgebenden Fluoreszenzdiagnoseverfahrens ein Teil des
Fluoreszenzlichts abgekoppelt wird. Für die Lokalisierung bzw. Ortsauffindung
der Fluoreszenzspektroskopiestelle bzw. der Region, in der sich diese
Spektroskopiestelle befindet, dient das Bild, das durch die bildgebende
Fluoreszenzdiagnose geliefert wird. Das Spektraldetektionsfeld befindet sich
zentral, also in der Mitte des durch die bildgebende Fluoreszenzdiagnose
gelieferten Bildes. Bei der Autofluoreszenzdiagnose sind jedoch, wie bereits
dargestellt, die Fluoreszenzsignale relativ schwach, und aufgrund der daraus
resultierenden Notwendigkeit der Integration mehrerer Videohalbbilder beim
Kameraeinsatz ist die Bildqualität auf dem Monitor in keiner Weise
vergleichbar mit derjenigen bei der Weißlichtdiagnose. Aus diesem Grund ist
es vorteilhaft, sich bei der Durchführung der Fluoreszenzspektroskopie am
Weißlichtbild statt am Bild, das durch die bildgebende Fluoreszenzdiagnose
geliefert wird, zu orientieren. Der Gewebebereich, der die potentielle Läsion,
bei der die punktuelle Fluoreszenzspektroskopie durchgeführt wird, umgibt,
sollte für eine bestmögliche Orientierung des untersuchenden Arztes in
gewohnt guter Weißlichtbildqualität dargestellt werden. Dies ist bei der aus der
DE 196 18 963 C2 bekannten Vorrichtung nicht der Fall.
Nachteilig bei der vorbekannten Vorrichtung ist weiterhin die Tatsache, dass
der untersuchende Arzt tatsächlich nicht über den exakten Ort und vor allem
nicht über die exakte Größe der Gewebestelle (Durchmesser), die die
Information für die punktuelle Fluoreszenzspektroskopie liefert, informiert ist.
Der spektroskopisch untersuchte Ort liegt zwar aufgrund der Anordnung der
Optik im Zentrum des am Okulareinblick einzusehenden Bildes, was der Arzt
weiß, aber eben nicht explizit sieht. Dieses Zentrum ist jedoch aufgrund
optischer Täuschungen, die aus dem Bildinhalt resultieren können, nicht immer
leicht zu bestimmen. Ähnliches gilt für die Größe und den Durchmesser der
spektroskopisch ausgewerteten Gewebestelle. Konfus wird die Situation
diesbezüglich insbesondere dann, wenn noch oben beschriebene Maßnahmen
zur Durchmesserveränderung vorgenommen werden.
Ein anderes System ist aus dem Buch "Bronchoscopy", U. B. S. Prakash,
Mayo Foundation, Raven Press Ltd., New York, Chapter 15, bekannt. Auch
hier ist wie in der nachfolgend beschriebenen Erfindung die Idee der
Fluoreszenzdiagnose bei pseudosimultaner Weißlichtdiagnose verwirklicht.
Hierfür ist ein Chopperrad vorgesehen, bei dem ein Kreissegment ein
Fluoreszenzanregungsfilter enthält. Dieses sorgt dafür, dass für einen
Bruchteil der Umdrehungszeit des Chopperrades das Gewebe mit dem
entsprechend gefilterten Licht angeregt wird. Im gleichen Zeitabschnitt - und
nur in diesem - wird auch das vom Gewebe abgegebene Signal einem
Fluoreszenzdetektor zugeführt. Ein Bandpassfilter im Chopperrad sorgt dafür,
dass das vom Gewebe remittierte Anregungslicht herausgefiltert wird und nur
das Fluoreszenzlicht passieren kann. Während eines weiteren Bruchteils der
Umdrehungszeit des Chopperrades erfolgt die Beleuchtung und Beobachtung
des Gewebes unter ungefiltertem Beleuchtungslicht (Weißlicht), d. h., es
befindet sich kein Fluoreszenzanregungsfilter im Beleuchtungsstrahlengang.
Der Eingang des Fluoreszenzdetektors ist nun durch das Chopperrad blockiert
und erhält dementsprechend kein Licht. Dieses Vorgehen mit Chopperrad und
damit realisiertem "Time-Sharing-Verfahren" erlaubt eine Fluoreszenzdiagnose
bildgebender oder spektralanalytischer Art bei pseudosimultaner Beobachtung
des zu untersuchenden Gewebes unter ungefiltertem Beleuchtungslicht
(Weißlicht) als Orientierungshilfe bzw. für die Lokalisierung des mit dem
Fluoreszenzverfahren untersuchten Gewebebereichs.
Aber auch diese Vorrichtung ist für eine punktuelle Fluoreszenzspektroskopie
mit hoher Ortsauflösung und mit Sichtbarmachung, d. h. optischer Abhebung
desjenigen Gewebebereichs, der die Signale für das Spektrometer liefert, bei
pseudosimultaner, großflächiger Umgebungsbeleuchtung als
Orientierungshilfe und Lokalisierung des punktuell spektroskopisch
untersuchten Gewebebereichs ungeeignet. Wie in der DE 196 18 963 C2
besteht auch bei dieser Vorrichtung die Problematik darin, dass unter der
Voraussetzung, dass aus Gründen der Kompaktheit und der bequemen
Handhabbarkeit nur ein Lichtprojektor mit einem Lichtanschluß verwendet
werden soll, nur eine Faser/Faserbündel verwendet werden kann, welche 1
welches für die Beleuchtung und für die Fluoreszenzanregung dienen muss.
Der Fluoreszenzanregungslichtkegel und der Beleuchtungslichtkegel sind
demnach gleich groß. Soll das Gewebe großflächig eingesehen werden
können und aber dennoch eine punktuelle Fluoreszenzspektroskopie
durchgeführt werden, muss die Einstellung der örtlichen Auflösung, d. h. die
Einstellung der Größe des detektierten Gewebebereichs, über die
Detektionsfaser/Detektionsfaserbündel vorgenommen werden, z. B. in der Art,
wie in DE 196 18 963 C2 beschrieben. Dementsprechend können aber Ort
und Durchmesser des angeregten und detektierten Gewebebereichs für den
untersuchenden Arzt vom größerflächigen, die suspekte Stelle umgebenden
und mit Beleuchtungslicht angestrahlten Gewebe optisch nicht abgehoben und
damit nicht sichtbar gemacht werden.
Das aus "Bronchoscopy" bekannte System wurde auch für die
medikamenteninduzierte Fluoreszenzdiagnose entwickelt, bei der - wie bereits
erwähnt - bei entsprechender Vorgehensweise auf die Sichtbarmachung des
detektierten Gewebebereichs verzichtet werden kann, da bei der
medikamenteninduzierten Fluoreszenz ohnehin nur krankes Gewebe
fluoresziert.
Demgemäß liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine
Diagnosevorrichtung zu schaffen, die die vorgenannten Nachteile überwindet.
Weiterhin soll eine schnelle und einfache Umschaltung zwischen den
einzelnen Modi möglich sein. Die Vorrichtung soll also kompakt ausgebildet
sein, und die drei Diagnosemethoden sollen mit nur einem Lichtprojektor,
welcher eine Lampe (oder alternativ ein Array von kleinen Leuchtmitteln)
enthält, mit einer Lichtbuchse, d. h. einem Lichtleiterabgang, durchgeführt
werden können. Dadurch soll die Vorrichtung auch preiswert hergestellt
werden können.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Vorrichtung gelöst.
Die das Lichtstrahlenbündel unterbrechenden Mittel leiten bei dieser
Vorrichtung in den Zeitintervallen, in denen das Lichtstrahlenbündel
unterbrochen ist, dieses in einen weiteren zweiten Strahlengang, und das Licht
gelangt von dort in den Lichtleiter, in welchen bereits das Licht des ersten
Strahlengangs eingekoppelt wurde. Im zweiten Strahlengang sind Mittel
angeordnet, welche bewirken, dass das Licht mit einer vergleichsweise kleinen
Bündelöffnung in den Lichtleiter eingekoppelt wird.
Die Einleitung des Lichts aus dem zweiten Strahlengang in den Lichtleiter
erfolgt mittels Spiegeln, von denen mindestens einer teildurchlässig sein muß.
Hinter dem teildurchlässigen Spiegel kann ein Spektrometer angeordnet sein.
Dabei ist mit Vorteil vorgesehen, dass zwischen dem Spiegel und dem
Spektrometer Mittel angeordnet sind, mit denen das Lichtstrahlenbündel,
welches vom untersuchten Gewebe zum Spektrometer geleitet wird, zwischen
Spiegel und Spektrometer zeitweise freigegeben bzw. unterbrochen werden
kann.
Als Mittel für die Bündelöffnungsbegrenzung am Ort der Einkopplung des
Lichts des zweiten Strahlengangs in den Lichtleiter kommen eine Linse, ein
Teleskop oder ein mehrere Blenden mit unterschiedlichen Durchmessern
aufweisendes Blendenrad in Frage. Die aperturbegrenzende Wirkung kann
aber auch durch die Größe bzw. Fassung eines oder mehrerer sich im
Strahlengang befindlicher Spiegel oder eines anderen sich im Strahlengang
befindlichen Elements erzielt werden.
Die Mittel zum zeitweisen Freigeben und Unterbrechen der
Lichtstrahlenbündel bestehen aus einem ersten und einem zweiten
Chopperrad. Das erste Chopperrad kann eine verspiegelte Scheibe aufweisen
und das zweite Chopperrad eine opake Scheibe, die über einen definierten
Winkelbereich jeweils eine Ausnehmung haben. Die Winkelbereiche der
Ausnehmungen der beiden synchron antreibbaren Chopperräder sind
zueinander komplementär so ausgebildet, dass dem ausgenommenen Bereich
des ersten Chopperrades ein abdeckender bzw. opaker Bereich des zweiten
Chopperrades entspricht und dass dem ausgenommenen Bereich des zweiten
Chopperrades ein reflektierender Bereich des ersten Chopperrades entspricht.
Als Lichtleiter kann ein Fluid-Lichtleiter oder ein bis zum distalen Ende des
Endoskops durchgehendes Faserbündel oder eine durchgehende Einzelfaser
vorgesehen werden, wobei idealerweise Lichtleiter mit einer hohen
Transmission im Fluoreszenzanregungsband zu verwenden sind.
Die Fluoreszenzanregung, die Fluoreszenzdetektion und die Beleuchtung des
die verdächtige Stelle umgebenden gesunden Gewebes mit Weißlicht erfolgen
im Arbeitsmodus C der punktuellen Fluoreszenzspektroskopie über denselben
Lichtleiter, nämlich jenen, der auch in den beiden anderen Arbeitsmodi A und
B für die Beleuchtung bzw. Anregung verwendet wird. Das bedeutet, dass
keine zusätzlichen Fasern bzw. Faserbündel für die punktuelle
Fluoreszenzspektroskopie erforderlich sind. Der Instrumentenkanal des
Endoskops bleibt beispielsweise für Probeentnahmen permanent frei, und die
Handhabung des Systems kann auf einfache Art und Weise erfolgen.
Für den Aufbau des Endoskops ergibt sich ein einfaches Konzept, da nur ein
Lichtleiter, nämlich der in den Arbeitsmodi A und B zur Beleuchtung und
Anregung verwendete, sowohl für die Beleuchtung bzw. Anregung als auch für
die Spektrometerdetektion erforderlich ist. Es reicht also die gewöhnliche Optik
eines Endoskops aus. Der apparative Aufbau ist also im Sinne der
Aufgabenstellung einfach gehalten.
Eine Änderung des Durchmessers des sogenannten zentralen
Spektraldetektionsfeldes, also des Durchmessers jenes Gewebebereichs,
dessen Fluoreszenz dem Spektrometer zugeführt wird, kann einfach durch
Verstellen eines Elements, wie beispielsweise einer Iris-Blende oder eines
mehrere Blenden mit unterschiedlichem Durchmesser aufweisendes
Blendenrades oder dergleichen, in der Lichtquelle im Anregungskanal für die
Fluoreszenzspektroskopie, d. h. im zweiten Strahlengang, bewerkstelligt
werden.
Weiterhin erlaubt ein schnelles und einfaches Hin- und Herschalten zwischen
den Diagnosemethoden der einzelnen Modi A, B und C das Auffinden der
verdächtigen Stellen im konventionellen Weißlichtmodus (Modus A) oder im
großflächigen bildgebenden Fluoreszenzdiagnosemodus (Modus B) und ein
anschließendes schnelles Umschalten in den Modus der punktuellen
Fluoreszenzspektroskopie (Modus C). Hierdurch wird mit der sogenannten
optischen Biopsie eine detaillierte Bewertung anhand des
Fluoreszenzspektrums möglich.
Es wird mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich, alle drei genannten
Diagnoseverfahren mit einem Lichtprojektor und mit einem Leuchtmittel,
welches außerdem ein inkohärentes Leuchtmittel und damit relativ preiswert
ist, und mit einer Lichtbuchse, d. h. einem Lichtleiterabgang, durchzuführen.
Dazu wird mit Bündelöffnungen unterschiedlicher Größe in den für alle
Diagnosemodi gleichen Lichtleiter eingekoppelt, und zwar das Weißlicht in den
Modi A und C und das Anregungslicht im Modus B aus dem ersten
Strahlengang mit einer großen Bündelöffnung und das Anregungslicht im
Modus C für die punktuelle Anregung aus dem zweiten Strahlengang mit einer
kleinen Bündelöffnung - die proximalseitige Einkopplung von Licht mit einer
großen Bündelöffnung bewirkt beim beschriebenen Aufbau distal eine
großflächige Ausleuchtung bzw. Fluoreszenzanregung; eine proximalseitige
Einkopplung von Licht mit einer kleinen Bündelöffnung hingegen bringt beim
erläuterten Aufbau distal eine kleinflächige oder punktuelle Ausleuchtung bzw.
Fluoreszenzanregung. Dadurch wird es im Modus C möglich, eine
großflächige weiße Hintergrundbeleuchtung zur Orientierung für den
untersuchenden Arzt zu erzeugen (großer Beleuchtungslichtkegel am distalen
Ende der Beleuchtungs- bzw. Anregungsfaser des Endoskops) und den
Gewebebereich, der das dem Spektrometer zugeführte Fluoreszenzlicht liefert,
als entsprechend kleinen und im Falle der Autofluoreszenzanregung blauen
Fleck dem Weißlicht zu überlagern (kleiner bzw. schlanker
Anregungslichtkegel am distalen Ende der Beleuchtungs- bzw.
Anregungsfaser des Endoskops) und damit Ort und Durchmesser des
spektrometrisch untersuchten Bereichs dem Anwender direkt sichtbar zu
machen.
Durch eine hohe Drehfrequenz der beiden Chopperräder (beispielsweise
Videofrequenz) gelingt es im Modus C die punktuelle Anregung und die
spektrometrische Detektion einerseits und die großflächige Ausleuchtung der
Umgebung des punktuell angeregten kleinen Gewebebereichs mit Weißlicht
pseudosimultan, d. h. für den Betrachter scheinbar gleichzeitig, zu erzeugen.
Die vorgeschlagene Vorrichtung zeichnet sich auch durch einen sehr
kompakten Aufbau aus. Alle drei Untersuchungsmodi können nämlich mit nur
einem Lichtprojektor mit einem Leuchtmittel durchgeführt werden. Weiterhin
ermöglicht die Vorrichtung, obwohl nur ein Leuchtmittel verwendet wird, im
Diagnosemodus der punktuellen Fluoreszenzspektroskopie die Untersuchung
an einem konventionellen großflächigen Weißlichtbild. Der Ort und der
Durchmesser bzw. die Abmessungen des punktuell spektroskopisch
untersuchten verdächtigen Gewebebereiches lassen sich dabei klar erkennen
und unterscheiden vom lediglich zur besseren Orientierung und Lokalisierung
weiß beleuchteten umgebenden Gewebe. Der punktuell spektroskopisch
untersuchte verdächtige Gewebebereich, also derjenige, dessen
Fluoreszenzlicht für die Erzeugung der Spektrometerkurve herangezogen wird,
hebt sich deutlich als blauer Fleck vom großflächig umgebenden, weißes
Beleuchtungslicht remittierenden und nicht verdächtigen Gewebe ab.
Es besteht vor allem die Möglichkeit einer einfachen Durchmesserveränderung
des punktuell spektroskopisch untersuchten Gewebebereichs und damit die
Möglichkeit der Größenanpassung der spektroskopisch detektierten Stelle an
die Größe der verdächtigen Stelle. Dabei ist dann die
Durchmesserveränderung, also die veränderte Größe des spektroskopisch
untersuchten Gewebebereichs, direkt sichtbar, nämlich als die
Größenänderung des "blauen Anregungslichtflecks" vor dem Hintergrund des
weiß beleuchteten Gewebes.
Schließlich ergibt sich eine einfache Handhabung der Vorrichtung beim
Wechsel zwischen den einzelnen Diagnosemodi. Der Wechsel zwischen den
unterschiedlichen Diagnosemethoden erfordert lediglich die Betätigung eines
Schalters, einer Taste oder dergleichen. Es ist nicht notwendig, Lichtleiter
umzustecken, eine Zusatzvorrichtung auf das Endoskop zu montieren oder gar
das Endoskop zu wechseln.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch
dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 den Aufbau einer Diagnosevorrichtung,
Fig. 2 die Draufsicht auf die Scheibe eines ersten Chopperrades,
Fig. 3 die Draufsicht auf die Scheibe eines zweiten Chopperrades
und
Fig. 4 die Draufsicht auf eine Scheibe mit unterschiedliche
Durchmesser aufweisenden Blenden.
Die Diagnosevorrichtung in Fig. 1 besteht aus einem Lichtprojektor 17, der
durch das eingezeichnete Rechteck umrandet ist. Der Lichtprojektor 17 hat
eine Lampe 2, welche das fokussierte Licht in einen ersten Strahlengang 3
abgibt. Über einen Lichtleiter 18 gelangt das Licht aus dem ersten
Strahlengang 3 in die Beleuchtungs- bzw. Anregungsfaser 4 eines
Endoskops 5.
Das distale Ende des Endoskops 5 ist auf das zu untersuchende Gewebe 1
gerichtet. Über das nicht näher dargestellte Okular 19 kann das Gewebe 1
betrachtet werden. Die Optik im ersten Strahlengang, beispielsweise die
vergleichsweise kurzbrennweitige Linse 27, sowie die weitere Lichtleitung über
den Lichtleiter 18 und die Beleuchtungs- bzw. Anregungsfaser 4 bewirken,
dass das von der Lampe 2 über den ersten Strahlengang 3 bis zum Gewebe 1
geleitete Licht dort einen relativ großen Bereich 20 ausleuchten. Der
untersuchende Arzt kann über das Okular 19 einen relativ großen
Gewebebereich 20 über das von der Lampe 2 stammende Weißlicht einsehen
und großflächig beurteilen.
In diesem Untersuchungsmodus A der bildgebenden Weißlichtdiagnose liefert
die Lampe 2 permanent und ununterbrochen Licht an das Gewebe 1. Ein sich
im ersten Strahlengang 3 befindliches erstes Chopperrad 6 ist so ausgebildet,
dass es steuerbar das Lichtstrahlenbündel von der Lampe 2 bis zum
Gewebe 1 entweder blockiert oder freigibt. Daher ist das Chopperrad im
Modus A stillstehend so gedreht bzw. positioniert, dass eine Ausnehmung 15
in der Chopperrad-Scheibe 14 (Fig. 2) permanenten Lichtdurchgang
sicherstellt.
Die Chopperrad-Scheibe 14 ist verspiegelt, so dass das von der Lampe 2
kommende Licht dann, wenn die Scheibe so gedreht ist, dass sich die
Ausnehmung 15 nicht im Strahlengang befindet, in einen zweiten
Strahlengang 7 reflektiert wird. Über einen Spiegel 21 wird das zunächst
senkrecht zum ersten Strahlengang 3 reflektierte Licht im weiteren Verlauf des
zweiten Strahlengangs 7 parallel zum ersten Strahlengang 3 geführt. Hier kann
ein aus zwei Elementen bestehendes Linsensystem 8 (Teleskop) angeordnet
sein, wobei anstelle des Teleskops 8 ein beliebiges anderes den
Strahldurchmesser reduzierendes Element, beispielsweise eine
aperturbegrenzende Blende oder eine kurzbrennweitige Linse 29, vorgesehen
werden kann. Die aperturbegrenzende Wirkung kann auch durch eine
entsprechend begrenzte Ausdehnung von wenigstens einem der Spiegel oder
eines anderen sich im Strahlengang befindlichen Element erzielt werden.
Wesentlich ist lediglich, dass die Größe des Durchmessers des kollimierten
Lichtstrahlenbündels im zweiten Strahlengang 7 an der Stelle, wo es die Linse
27 transmittiert, relativ gering ist. Dadurch wird gewährleistet, dass das das
Endoskop 5 verlassende Lichtstrahlenbündel, welches aus dem zweiten
Strahlengang 7 stammt, am Gewebe mit einem vergleichsweise geringen
Durchmesser 22 auftrifft. Will man die Größe des Durchmessers des
kollimierten Lichtstrahlenbündels im zweiten Strahlengang 7 und damit die
Größe des das Endoskop 5 verlassenden Anregungslichtkegels verstellbar
gestalten, so kann dies beispielsweise über eine Iris-Blende oder über ein
verstellbares mehrere Blenden mit unterschiedlichen Durchmessern
aufweisendes Blendenrad 13 erfolgen.
Das im Durchmesser verringerte Lichtstrahlenbündel des zweiten
Strahlengangs 7 wird über einen teildurchlässigen Spiegel 9 und einen Spiegel
10 dem ersten Strahlengang 3 überlagert und durch den Lichtleiter 18 dem
Endoskop 5 zugeleitet. Über die Beleuchtungs- und Anregungsfaser 4 gelangt
das Licht auf das Gewebe 1, jedoch aufgrund des reduzierten Durchmessers
des kollimierten Lichtstrahlenbündels am Ort der Transmission von Linse 27
und damit aufgrund der verringerten Bündelöffnung des Lichtstrahlenbündels
aus dem zweiten Strahlengang 7 am Ort der Einkopplung in den Lichtleiter 18
nur auf einen wesentlich kleineren Bereich 22 als das Licht aus dem ersten
Strahlengang, welches den größeren Gewebebereich 20 ausleuchtet. Der
teildurchlässige Spiegel 9 ist so ausgeführt, dass er Anregungslicht reflektiert
und Fluoreszenzlicht transmittiert.
Hinter dem teildurchlässigen Spiegel 9 befindet sich in zumindest zeitweise
freigebender optischer Verbindung ein Spektrometer 11, in das vom
Gewebebereich 22 abgegebenes Fluoreszenzlicht zwecks Spektralanalyse
gelangen kann. Auf einem Monitor 31 kann das Ergebnis der Spektralanalyse
als Spektrometerkurve dargestellt werden.
Zur punktuellen Fluoreszenzspektroskopie (Modus C) muß sichergestellt sein,
dass zum Spektrometer 11 nur und ausschließlich vom Gewebe 1 aus dem
kleinen angeregten Bereich 22 stammendes Fluoreszenzlicht gelangt, nicht
dagegen Weißlicht der Lampe 2, welches vom Gewebe remittiert wird. Hierzu
ist ein zweites Chopperrad 12 zwischen dem Spiegel 9 und dem Spektrometer
11 angeordnet, das analog dem Chopperrad 6 aufgebaut ist. Die Scheibe
dieses Chopperrades 12 (Fig. 3) weist eine über einen definierten
Umfangsbereich reichende Ausnehmung 16 auf, die insofern komplementär zu
der Ausnehmung 15 der Scheibe des ersten Chopperrades 6 ist, als dass bei
simultaner Drehung beider Chopperräder 6 und 12 niemals Licht von der
Lampe 2, welches über den ersten Strahlengang 3 an das zu untersuchende
Gewebe gelangt und von dort remittiert wird und über die Faser 4, den
Lichtleiter 18 sowie den Spiegel 10, der nicht teildurchlässig ist, an den Ort des
Chopperrads 12 gelangt, in das Spektrometer 11 gelangen kann.
In Fig. 1 sind neben den Chopperrädern 6 und 12 schematisch deren
Scheiben in Draufsichten dargestellt, aus denen sich das stellungsmäßige
Zusammenwirken der Ausnehmungen 15 und 16 entnehmen läßt.
Entsprechend ist auch die Draufsicht auf ein mehrere Blenden mit
unterschiedlichen Durchmessern aufweisendes Blendenrad 13 skizziert (s.
auch Fig. 4)
In Fig. 1 sind noch verschiedene Details eingezeichnet, die die Lichtquelle 17
aufweist. Das Lampe 2 ist eine Weißlichtquelle, wobei bevorzugt eine
Bogenlampe mit Spiegelreflektor (Paraboloid oder Ellipsoid) eingesetzt wird.
Denkbar ist jedoch auch ein Kondensorsystem. Als Alternative kommt auch
eine Glühwendellampe (z. B. eine Halogenlampe) in Frage. Ein Filter 23 wirkt
als Bandpaß, der IR- und UV-Strahlung herausfiltert. Zum Teil erfolgt dies aber
auch schon durch die Reflektorbeschichtung der Lampe 2. Die Linse 24
erzeugt einen ersten Fokus, in welchem sich idealerweise aber nicht
notwendigerweise das in einem Winkel von 45 Grad zur von der Lampe 2
vorgegebenen optischen Achse angeordnete Chopperrad 6 mit seiner
verspiegelten Scheibe 14 (Fig. 2) befindet. Wird ein elliptischer Reflektor
verwendet, kann auf die Linse 24 verzichtet werden, und das Chopperrad 6
wird idealerweise im zweiten Brennpunkt des Ellipsoids positioniert.
Das Chopperrad 6 befindet sich bei der konventionellen Weißlichtdiagnose
(Modus A) und bei der bildgebenden Fluoreszenzdiagnose (Modus B) in
Ruhestellung und auf Durchlaß (Ausnehmung 15 im Strahlengang). Die Linse
25 erzeugt ein kollimiertes Strahlenbündel, in dessen Verlauf bei der
bildgebenden Fluoreszenzdiagnose ein Filter 26 eingeschwenkt wird, dessen
Transmissionseigenschaften auf eine optimale Fluoreszenzanregung des zu
untersuchenden biologischen Gewebes 1 abgestimmt sind, wie etwa ein
Blaufilter bei der Autofluoreszenzanregung menschlichen Gewebes
beispielsweise im Bronchialtrakt oder im Ösophagus.
Das Filter 26 selektiert also aus dem breitbandigen Weißlicht der Lampe 2 den
erforderlichen optimalen Spektralbereich für die Fluoreszenzanregung. Bei der
konventionellen Weißlichtdiagnose ist dieses Filter aus dem kollimierten
Strahlengang herausgeschwenkt. Die Linse 27 fokussiert das blaue
Anregungslicht im Modus B der Fluoreszenzdiagnose bzw. das weiße
Beleuchtungslicht im Modus A der konventionellen Weißlichtdiagnose und im
Modus C der punktuellen Fluoreszenzspektroskopie so stark, dass am distalen
Ende des an die Lichtquelle 17 über den Lichtleiter 18 angeschlossenen
Endoskops 5 der Anregungs- bzw. Beleuchtungsstrahlenkegel ausreichend
groß ist, ausreichend groß in dem Sinne, dass bei entsprechendem Abstand
zwischen Endoskopspitze und Gewebe ein genügend großer Gewebebereich
20 ausgeleuchtet wird und überblickend eingesehen werden kann.
Das Fluoreszenzanregungslicht bei der bildgebenden Fluoreszenzdiagnose
(Modus B) bzw. das weiße Beleuchtungslicht bei der konventionellen
Weißlichtdiagnose (Modus A) und die weiße Umgebungsbeleuchtung bei der
punktuellen Fluoreszenzspektroskopie (Modus C) werden in den Lichtleiter 18
eingekoppelt. Eine nicht aperturbegrenzende Blende 28 erlaubt eine
Steuerung der an das Gewebe herangeführten Lichtstrommenge.
Im Arbeitsmodus C der punktuellen Fluoreszenzspektroskopie beginnt sich
das Chopperrad 6 mit hoher Frequenz, wie beispielsweise mit der
Videofrequenz, zu drehen. Das Filter 26 für die Fluoreszenzanregung im
Modus B ist in diesem Betriebsmodus aus dem Strahlengang ausgeschwenkt.
Steht das Chopperrad 6 in der Stellung "Durchlass", erreicht den Lichtleiter 18
für den der Größe des offenen Kreissegments 15 entsprechenden Bruchteil
der Umdrehungsdauer Weißlicht, für den verbleibenden Bruchteil der
Umdrehungsdauer, also während das Chopperrad 6 reflektierend im
Strahlengang steht, erreicht kein Weißlicht den Lichtleiter 18 und damit das zu
untersuchende Gewebe 1. Statt dessen wird das von der Lampe 2 emittierte
Licht am Chopperrad 6 in den zweiten Strahlengang 7 reflektiert, durch eine
Linse 29 kollimiert und am Spiegel 21 reflektiert.
Ein Filter 30, das sich permanent im Strahlengang 7 befindet, selektiert aus
dem Weißlicht der Lampe 2 das für die Fluoreszenzspektroskopie ideale
Anregungslicht.
Die Fluoreszenzspektroskopie soll, wie oben eingehend erläutert, mit Vorteil
punktuell erfolgen, d. h. ein möglichst schlanker Anregungslichtkegel 22 am
distalen Ende der Beleuchtungs- bzw. Anregungsfaser 4 soll eine bezüglich
des Ortes entsprechend hochaufgelöste Fluoreszenzspektroskopie und damit
die Aufnahme und Beurteilung von entsprechend kleinen Läsionen erlauben.
Dementsprechend gering muß der Durchmesser des kollimierten
Strahlenbündels aus dem Strahlengang 7 am Ort der Linse 27 sein, d. h.
dementsprechend hoch muß die Reduktion des Durchmessers des
kollimierten Strahlenbündels im Strahlengang 7 sein. Dies erfolgt über die
Wahl des Brennweitenverhältnisses der Linsen des Teleskops 8: Je größer der
Quotient aus der Brennweite der der Linse 27 zugewandten Teleskoplinse
durch die Brennweite der der Linse 27 abgewandten Teleskoplinse, um so
stärker ist die Reduktion des Durchmessers des kollimierten Strahlenbündels
des Strahlengangs 7. Gleichermaßen den Strahldurchmesser reduzierend
wirkt beispielsweise der begrenzte Durchmesser des Spiegels 10. Eine
weitere, nicht dargestellte und optisch dämpfend wirkende Einrichtung, wie
beispielsweise ein Neutralfilter, kann eine Regulierung der Intensität des die
Fluoreszenz erzeugenden Anregungslichts ermöglichen.
In einer weiteren Ausführungsform ist ein verstellbares, mehrere Blenden mit
unterschiedlichen Durchmessern aufweisendes Blendenrad 13 (Fig. 4) in den
Strahlengang 7 eingebracht, wobei auch andere aperturverstellbare
Einrichtungen, wie z. B. eine Irisblende, denkbar sind. In dieser
Ausführungsform kann das Brennweitenverhältnis der Linsen des Teleskops 8
nahe bei Eins liegen oder es kann auf das Teleskop 8 ganz verzichtet werden.
Durch Verdrehen des Blendenrades 13 sind der Anregungslichtkegel und
damit das (örtliche) Auflösungsvermögen bei der Fluoreszenzspektroskopie
nahezu beliebig verstellbar. Ist die suspekte Stelle großflächig, kann eine
große Blende im Blendenrad 13 gewählt werden, um nahezu die gesamte
verdächtige Gewebefläche anzuregen. Falls ein höheres Auflösungsvermögen
gefordert ist, weil der suspekte Gewebebereich nur einen relativ kleinen
Durchmesser hat, kann eine kleine Blende im Blendenrad 13 gewählt werden.
Damit ist gewährleistet, dass der Verlauf der ermittelten Spektralkurven im
Falle einer Autofluoreszenzdiagnose nicht durch die Fluoreszenz von dem der
verdächtigen Stelle benachbarten Gewebe bestimmt bzw. mitbestimmt wird.
Synchron, d. h. mit der gleichen (vergleichsweisen hohen) Drehfrequenz und in
einer festgelegten Phase zur Bewegung des Chopperrades 6 dreht sich im
Diagnosemodus C der punktuellen Fluoreszenzspektroskopie vor dem
Spektrometer 11 das zweite Chopperrad 12. Die Größe der Ausnehmungen 15
und 16 (Fig. 2 und 3) ist nur ein Beispiel für deren Ausgestaltung. ist jedoch
bei einem Chopperrad 6 die Ausnehmung 15 festgelegt, ergibt sich die andere
Ausnehmung 16 am anderen Chopperrad 12 automatisch. Während der
Beleuchtung des Gewebes mit Weißlicht, das erste Chopperrad 6 befindet sich
also gerade für diesen Augenblick auf Durchlass, ist der Eingang zum
Spektrometer 11 verdeckt, während in der Anregungsphase des Gewebes,
das Chopperrad 6 sperrt und reflektiert das Licht in den zweiten Strahlengang
7, der Eingang des Spektrometers 11 unverdeckt ist. Durch die vorzugsweise
hohe Drehfrequenz der beiden Chopperräder, beispielsweise Videofrequenz,
ist die punktuelle Fluoreszenzanregung und die Beleuchtung des die
verdächtige Stelle umgebenden Gewebes mit Weißlicht pseudosimultan, d. h.
sie erscheint dem Betrachter gleichzeitig. Desweiteren kann vor dem
Spektrometer 11 ein Filter angeordnet sein (in Fig. 1 nicht eingezeichnet),
welches nur das Fluoreszenzlicht transmittiert, das Licht jenseits dieses
Spektralbereichs jedoch blockt. Diese Aufgabe kann aber auch bereits von
Spiegel 9 übernommen werden, wenn dieser als entsprechender
Interferenzfilter mit entsprechend strengen Spezifikationen ausgeführt ist. Das
Spektrometer 11 kann also nur Fluoreszenzlicht empfangen, niemals aber vom
Gewebe remittiertes weißes Beleuchtungs- oder Anregungslicht.
Das System enthält eine zentrale Steuereinheit, die bei Umschaltvorgängen
zwischen den einzelnen Untersuchungsmodi folgende Abläufe in der
Lichtquelle 17 und am Spektrometer 11 koordiniert. Wenn die Vorrichtung in
den Modus A der konventionellen und daher großflächigen Weißlichtdiagnose
geschaltet wird, wird das Chopperrad 6 abgebremst (sofern es vorher in
Drehbewegung war, d. h. sofern die Vorrichtung vorher im Modus C arbeitete)
und bleibt während dieses Arbeitsmodus' in Ruhestellung, und zwar in
Durchlaßstellung bezüglich des von der Lampe 2 kommenden Lichtes.
Gleichzeitig wird dafür gesorgt, dass das Filter 26 ausgeschwenkt ist. Das
gesamte Weißlicht wird in den Lichtleiter 18 eingekoppelt. Das zweite
Chopperrad 12, das vor dem Eingang des Spektrometers 11 positioniert ist,
wird, sofern es vorher in Drehbewegung war, ebenfalls abgebremst und bleibt
während der gesamten Zeit in diesem Arbeitsmodus sperrend in Ruhestellung.
Dadurch wird verhindert, dass vom Gewebe remittiertes Beleuchtungslicht in
das Spektrometer gelangt.
Beim Umschalten in den Modus B der bildgebenden Fluoreszenzdiagnose
bleiben die Stellungen der Chopperräder unverändert, d. h., das Chopperrad 6
bleibt in Ruhe und auf Durchlass, und das Chopperrad 12 bleibt ebenfalls in
Ruhe und sperrend. Gleichzeitig wird das Filter 26 in den Strahlengang 3
eingeschwenkt.
Wird in den Arbeitsmodus C der punktuellen Fluoreszenzspektroskopie
geschaltet, sorgt die zentrale Steuereinheit dafür, dass das Filter 26 aus dem
Strahlengang 3 ausgeschwenkt wird, wodurch Weißlicht in den Lichtleiter 18
eingekoppelt werden kann. Beide Chopperräder 6 und 12 fangen an, sich mit
hoher Frequenz, wie beispielsweise mit der Videofrequenz, zu drehen, und
zwar in der Art, dass in der Durchlaßstellung des Chopperrades 6 das
Chopperrad 12 vor dem Spektrometer 11 sperrt. In der Phase der
Weißlichtbeleuchtung des Gewebes 1 empfängt also das Spektrometer 11
kein Licht und das Gewebe 1 wird auch nicht punktuell angeregt mit Licht aus
dem Strahlengang 7. In der Sperrstellung des Chopperrades 6, bei der es Licht
in den zweiten Strahlengang reflektiert, ist das Chopperrad 12 vor dem
Spektrometer 11 transmittierend, d. h., in der Phase der punktuellen
Gewebeanregung über den Spiegel 21, den teildurchlässigen Spiegel 9 und
den Spiegel 10 mit entsprechend über das Filter 30 gefiltertem Licht - und nur
in dieser Phase - kann das Spektrometer 11 Fluoreszenzlicht, welches über
das Endoskop 5, den Lichtleiter 18 und den Spiegel 10 geleitet wird und den
halbdurchlässigen Spiegel 9 transmittiert, empfangen.
Durch die Verspiegelung der Scheibe 14 des Chopperrades 6 erhält dieses
neben der konventionellen Aufgabe des Durch- und Sperrschaltens
(Blockierens) des Lichtstrahls die weitere Aufgabe, das auftreffende Licht in
der Sperrschaltung in den zweiten Strahlengang 7 zu reflektieren.
Während in Fig. 1 dargestellt ist, wie der Durchmesser des
Lichtstrahlenbündels im zweiten Strahlengang 7 mittels eines Teleskops 8 auf
den gewünschten kleineren Wert reduziert wird, kann diese
Durchmesserreduktion auch in beliebiger anderer Weise mittels eines
geeigneten Bündelungs- oder Begrenzungselements erfolgen.
Eine diesbezüglich besonders einfache Ausbildung ergibt sich, wenn
vorgesehen wird, dass unter Verzicht auf das Teleskop 8 ein im Durchmesser
entsprechend klein gehaltener Spiegel 10 zum Einsatz kommt. Wegen der
Schrägstellung von 45 Grad gegenüber dem eintreffenden Lichtstrahlenbündel
wird dann ein elliptischer Spiegel 10 eingesetzt, so dass seine
Projektionsfläche in Richtung der optischen Achse des ersten Strahlengangs 3
kreisrund wird. Dabei ergibt sich auch der Vorteil, dass im Modus A bzw. im
Modus B nur ein geringer Teil des Lichts von der Lampe 2 an der Rückseite
des bevorzugt fest im Strahlengang 3 montierten Spiegels 10 blockiert wird.
Eine Lichteinbuße in den Modi A und B wird damit nahezu vollständig
verhindert. Es kann sonst auch vorgesehen werden, dass der Spiegel 10 aus
dem Strahlengang 3 herausklappbar ausgeführt ist, um in den Diagnosemodi
A und B keine Lichteinbuße zu haben.
Der Spiegel 9 ist so konzipiert, dass er nur für das die Fluoreszenz anregende
Licht, z. B. Blaulicht bei der Autofluoreszenzdiagnose, hochreflektierend ist. Er
ist jedoch andererseits so ausgeführt, dass er für das Fluoreszenzlicht selbst
hochtransmittierend wirkt. Das Fluoreszenzlicht wird hinter dem Spiegel 9
entweder direkt oder über eine weitere sich im Lichtprojektor befindliche und
damit das Handling des Systems nicht störende Faser/Faserbündel in das
Spektrometer 11 eingekoppelt.
Das Spektrometer kann, wie in Fig. 1 abgebildet, außerhalb des
Lichtprojektors positioniert sein oder - dadurch wird das Gesamtsystem noch
kompakter - im Lichtprojektorgehäuse untergebracht sein.
Claims (9)
1. Vorrichtung zur bildgebenden und spektroskopischen Diagnose von Gewebe
(1) unter alternativer oder kombinierter Anwendung von drei
Diagnosemethoden, nämlich einem Modus A zur bildgebenden
Weißlichtdiagnose, einem Modus B zur bildgebenden Fluoreszenzdiagnose
und einem Modus C zur fluoreszenzspektroskopischen Diagnose, wobei die
Vorrichtung eine Lampe (2) oder einen Array von kleinen Leuchtmitteln
aufweist deren Licht als Strahlenbündel über einen Strahlengang (3) in einen
zu einem Endoskop (5) führenden Lichtleiter (18) eingekoppelt wird, und wobei
im Strahlengang (3) Mittel (6) angeordnet sind, mit denen das
Lichtstrahlenbündel zeitweise freigegeben bzw. unterbrochen werden kann,
dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (6) in den Zeitintervallen, in denen
das Lichtstrahlenbündel unterbrochen ist, dieses in einen weiteren
Strahlengang (7) leiten, dass das Lichtstrahlenbündel von dort in den
Lichtleiter (18) eingekoppelt wird und dass im zweiten Strahlengang (7) ein die
Bündelöffnung begrenzendes Element für das in den Lichtleiter (18)
eintretende Lichtstrahlenbündel angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Führung des
Lichts des zweiten Strahlengangs (7) zum Lichtleiter (18) mittels eines
teildurchlässigen Spiegels (9) erfolgt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass hinter dem
Spiegel (9) ein Spektrometer (11) angeordnet ist und dass zwischen dem
Spiegel (9) und dem Spektrometer (11) Mittel (12) angeordnet sind, mit denen
das Lichtstrahlenbündel zwischen Spiegel (9) und Spektrometer (11) zeitweise
freigegeben bzw. unterbrochen werden kann.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
das die Bündelöffnung begrenzende Element für das Lichtstrahlenbündel
wahlweise eine Linse (29), ein Teleskop (8) oder ein mehrere Blenden mit
unterschiedlichen Durchmessern aufweisendes Blendenrad (13) ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass
die Mittel (6, 12) zum zeitweisen Freigeben und Unterbrechen der
Lichtstrahlenbündel aus einem ersten (6) und einem zweiten Chopperrad (12)
bestehen, die synchron antreibbar sind, und dass das erste Chopperrad (6)
eine verspiegelte Fläche (14) aufweist, die über einen definierten
Winkelbereich eine Ausnehmung (15) hat, und dass das zweite Chopperrad
(12) eine opake Fläche aufweist, die über einen definierten Bereich eine
Ausnehmung (16) aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die
Ausnehmungen (15, 16) der beiden Chopperräder (6, 12) zueinander
komplementär so ausgebildet sind, dass dem ausgenommenen Bereich (15)
des ersten Chopperrades (6) ein abdeckender bzw. opaker Bereich des
zweiten Chopperrades (12) entspricht und dass dem verspiegelten Bereich
des ersten Chopperrades (6) ein ausgenommener Bereich (16) des zweiten
Chopperrades (12) entspricht.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass
der dem Endoskop (5) das Licht zuführender Lichtleiter (18) aus einem Fluid-
Lichtleiter mit hoher Transmission im Anregungsband besteht.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass
der Lichtleiter (18) aus einer Faser oder einem Faserbündel mit hoher
Transmission im Fluoreszenzanregungsband besteht.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet,
dass der Lichtleiter (18) bis zum distalen Ende des Endoskops (5) verläuft.
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DE2001136192 DE10136192C1 (de) | 2001-07-25 | 2001-07-25 | Vorrichtung zur bildgebenden und spektroskopischen Diagnose von Gewebe |
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Family Applications (1)
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DE2001136192 Expired - Fee Related DE10136192C1 (de) | 2001-07-25 | 2001-07-25 | Vorrichtung zur bildgebenden und spektroskopischen Diagnose von Gewebe |
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DE (1) | DE10136192C1 (de) |
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- 2001-07-25 DE DE2001136192 patent/DE10136192C1/de not_active Expired - Fee Related
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