DE10157575A1

DE10157575A1 - System für die Fluoreszenzdiagnostik

Info

Publication number: DE10157575A1
Application number: DE10157575A
Authority: DE
Original assignee: BIOCAM GmbH
Current assignee: BIOCAM GmbH
Priority date: 2001-08-09
Filing date: 2001-11-23
Publication date: 2003-04-17
Also published as: DE50214454D1; AU2002320927A1; ATE468804T1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein neuartiges System für die Fluoreszenzdiagnostik von Organen oder Geweben, mit wenigstens einer Lichtquelle zur Beaufschlagung eines Beobachtungsareals mit einem Anregungslicht sowie mit einem optischen Detektor für eine Fluoreszenz, die aufgrund des Anregungslichtes durch einen im Gewebe vorhandenen Fluoreszenzfarbstoff erzeugt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein System für die Fluoreszenzdiagnostik gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1.
Die Fluoreszenzdiagnostik ist als ein noch experimentielles, klinisch nicht zugelassenes Verfahren grundsätzlich bekannt, welches u. a. auch für die quantitative Früherkennung einer Vielzahl von präkanzerosen/dysplastischen Veränderungen an Geweben sehr vielversprechend ist. Die Fluoreszenzdiagnostik macht sich die Stoffwechsel unterschiede beispielsweise im Porphyrinstoffwechsel zwischen Zellen in dysplastischem/tumorösem Gewebe und Zellen im normalen Gewebe zunutze.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein System aufzuzeigen, mit dem eine verbesserte und eindeutigere Fluoreszenzdiagnostik möglich ist. Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein System entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet.
Das erfindungsgemäße System dient zur Visualisierung von Fluoreszenzfarbstoffen zur Fluoreszenzdiagnostik u. a. von humanen Tumoren, ist speziell auch für eine hochsensitive, quantitative Früherkennung einer Vielzahl von präkanzerosen/dysplastischen Veränderungen geeignet und nutzt dabei beispielsweise den Unterschied im Porphyrinstoffwechsel bei Zellen in dysplastischem/tumorösem Gewebe im Vergleich zu Zellen im normalen Gewebe. Das erfindungsgemäße System gestattet weiterhin ein sehr vereinfachtes Arbeiten bei hoher Sensitivität und eindeutigen Ergebnissen.
Als Fluoreszenzfarbstoffe eignen sich u. a. Fluorophore, die Licht im sichtbaren Spektralbereich oder nahen Infrarotbereich absorbieren und Licht im nahen Infrarotbereich emittieren. Zu diesen Fluorophoren zählen insbesondere auch exogene Farbstoffe, d. h. von außen in das Gewebe eingebrachte Farbstoffe, wie z. B. Indocyaningrün und verschiedene Porphycene, aber auch endogene Farbstoffe, d. h. im Gewebe erzeugte Farbstoffe, wie z. B. 5-Aminolävulinsäure induzierte Porphyrine (insbesondere Protoporphyrin IX) usw.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Systems für die Fluoreszenzdiagnostik von humanen Tumoren gemäß der Erfindung;
Fig. 2 der spektrale Bereich der Absorption bzw. der Emission bei Verwendung von Protoporphyrin IX.
Das System 1 umfaßt u. a. ein digitales Kamerasystem 3 mit einem 3-CCD-Chip 4 (auch RGB-Chip) als optoelektrischen Bildwandler, eine erste Steuerelektronik 5 für das Kamerasystem 3 bzw. den 3-CCD-Chip 4, eine zweite Steuerelektronik 6 für eine gepulste Lichtquelle 7, die das Anregungslicht liefert und beispielsweise von wenigstens einer LED oder von einer Blitzlampe, z. B. Xenon-Hochdrucklampe, oder von einer Laserdiode oder Laserdiodenanordnung gebildet ist.
Wie die Fig. 2 zeigt, liegt bei Verwendung von Porphyrinen als Fluoreszenzfarbstoff die maximale Absorption für die Anregung im blauen Spektralbereich(ca. 400 nm- Bereich A) und die maximale Fluoreszenzemission im roten Spektralbereich (ca. 630 nm-Bereich B).
Im Strahlengang bzw. in der optischen Achse des Kamerasystems 3 befindet sich ein Strahlteiler, der bei der dargestellten Ausführungsform von einem Tellerspiegel 8 gebildet ist und über den das von der Lichtquelle 7 gelieferte gepulste Anregungslicht in der optischen Achse des Kamerasystems 3 und durch die von einer Linse dargestellte Optik 9 dieses Systems auf das zu untersuchende Objekt oder Gewebeareal 2 aufgebracht wird. Der Strahlteiler 8 ist so ausgebildet und angeordnet, daß das Fluoreszenzbild von zu untersuchendem Gewebeareal 2 durch die Optik 9 und den Strahlteiler 8 hindurch auf den CCD-Chip auftrifft bzw. in der dortigen Bildebene abgebildet wird. Durch den Strahlteiler 8 wird auf diese Weise das Anregungslicht und das Fluoreszenzlicht getrennt.
Der Videoausgang der Steuerelektronik ist mit einem Rechner 10 verbunden, dem ein Monitor 11 zur Visualisierung der vom Kamerasystem 3 gelieferten Bilder, nämlich des normalen Farbbildes (auch RGB-Bild) sowie des Fluoreszenzbildes des zu untersuchenden Objektes 2 zugeordnet ist und der u. a. auch die für die Bilddarstellung auf den Monitor 11 notwendigen Komponenten, insbesondere auch Bildspeicher enthält. Dem Rechner 10, der beispielsweise von einem PC gebildet ist, sind noch weitere, nicht dargestellte Komponenten zugeordnet, nämlich die übliche Tastatur sowie Laufwerke für Speichermedien, wie Disketten, Bänder, Daten-CDs usw. Weiterhin sind dem Rechner 10 beispielsweise auch Mittel zugeordnet, über die eine Verbindung zu Datennetzwerken bzw. ein Datenaustausch über solche Netzwerke möglich ist.
Die Steuerelektronik 5 weist u. a. auch einen Trigger-Ausgang auf, mit dem die Steuerelektronik 6 zur synchronen Ansteuerung der Lichtquelle 7 getriggert wird. Mit dem beschriebenen System 1 ist es somit möglich, über das Kamerasystem 3 bei Umgebungsbeleuchtung, beispielsweise durch Tageslicht oder nicht dargestellte Lampen ein Normalbild von dem zu untersuchenden Gewebeareal 2 zu erhalten sowie durch von der Steuerelektronik 5 gesteuerte Triggerung der Steuerelektronik 6 und damit der Lichtquelle 7 für das Anregungslicht auch ein kurzzeitiges Fluoreszenzlichtbild. Zur Erzeugung des Fluoreszenzlichtbildes werden von der Steuerelektronik 5 zum Zeitpunkt der Aktivierung der Lichtquelle 7 und damit der Fluoreszenz (Aktivierungs- und Fluoreszenz-Phase) nur diejenigen Bildsignale des Kamerasystems 3 ausgewertet, die in dem dem Spektralbereich der Fluoreszenz entsprechenden Kanal des CCD-Chip anstehen, d. h. beispielsweise bei Verwendung von Protoporphyrin als Fluoreszenzfarbstoff das Signal des R-Kanals (Kanal für das rote Farbsignal).
Durch eine entsprechend kurze Aufnahmezeit für die Fluoreszenzbilder kann das Umgebungslicht aus diesen Bildern soweit diskriminiert werden, daß das System bei ständigem Umgebungslicht, d. h. auch bei während der Anregungs- und Fluoreszenzphase vorhandenem Umgebungslicht eindeutig arbeitet.
Weitere entscheidende Vorteile des Systems bestehen darin, daß das Fluoreszenzbild und das normale RGB-Bild des gesamten Beobachtungsareals 2 unmittelbar nacheinander detektiert, digitalisiert und in dem Rechner 10 verarbeitet werden, so daß die Möglichkeit besteht, beide Bilder unmittelbar nebeneinander oder aber auch übereinander am Monitor 11 darzustellen, so daß erkrankte Gewebeareale sich ohne Verlust an Information und Orientierung im RGB-Bild darstellen lassen.
Mittels einer im Rechner 10 durchgeführten Schwellwertberechnung fassen sich zusätzlich auch Grenzen zwischen gesundem und erkranktem Gewebe deutlich hervorheben. Wichtige Bilder können im Rechner 10 oder in Speichermedien abgespeichert und mit Daten des jeweiligen Patienten aktiviert werden, beispielsweise für eine Kontrolle therapeutischer Maßnahmen und/oder des Krankheitsverlaufs.
Die Erfindung wurde voranstehend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Es versteht sich, daß zahlreiche Änderungen möglich sind, ohne daß dadurch der der Erfindung zugrundeliegende Erfindungsgedanke verlassen wird. So ist es beispielsweise auch möglich, die Lichtquelle 7 für das Anregungslicht so anzuordnen, daß dieses Licht nicht in den Strahlengang des Kamerasystems 3 eingeblendet wird, sondern außerhalb dieses Strahlungsganges auf das zu untersuchende Objekt 2 auftrifft. In diesem Fall ist dann im Strahlengang des Kamerasystems 3 anstelle des Strahlteilers 8 vorzugsweise ein Langpaßfilter (λ > 460 nm) vorgesehen, um das Fluoreszenzlicht vom Anregungslicht der Lichtquelle 7 zu trennen.
Vorstehend wurde weiterhin davon ausgegangen, daß mit einem einzigen Kamerasystem 3 bzw. mit einem einzigen CCD-Chip (RGB-Chip) sowohl das normale RGB-Bild, als auch das Fluoreszenzbild generiert werden. Selbstverständlich besteht die Möglichkeit, zwei Kamerasysteme oder aber ein Kamerasystem mit zwei CCD- Chips vorzusehen, von denen der eine Chip dann als 3-CCD-Chip für die Generierung des normalen RGB-Bildes bzw. der entsprechenden Bildsignale und der andere Chip als s/w-CCD-Chip zur Generierung des Fluoreszenz-Bildes bzw. des entsprechenden Signals ausgebildet sind. Die Steuerelektronik 5 weist in diesem Fall zwei Eingänge auf. Die Signale der beiden CCD-Chips werden dann jeweils nacheinander von der Steuerelektronik 5 erfaßt und hieraus die an den Rechner 10 weitergeleiteten Videobilder generiert. Bezugszeichenliste 1 System für die Fluoreszenzdiagnostik
2 Objekt bzw. Gewebe
3 Kamerasystem
4 3-CCD-Chip
5, 6 Steuerelektronik
7 Lichtquelle für Anregungslicht
8 Strahlteiler
9 Kameraoptik
10 Rechner
11 Monitor

Claims

1. System für die Fluoreszenzdiagnostik von Organen oder Geweben, mit wenigstens einer Lichtquelle (7) zur Beaufschlagung eines Beobachtungsareals (2) mit einem Anregungslicht sowie mit einem optischen Detektor für eine Fluoreszenz, die aufgrund des Anregungslichtes durch einen im Gewebe vorhandenen Fluoreszenzfarbstoff erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Detektor von wenigstens einem Kamerasystem (3) zur Generierung eines Normalbildes sowie eines Fluoreszenzbildes des Beobachtungsareals (2) gebildet ist, und daß die wenigstens eine Lichtquelle (7) eine gepulste Lichtquelle ist.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem wenigstens einen Kamerasystem (3) oder mit wenigstens einem optoelektrischen Bildwandler (4) des Kamerasystems (3) das Normalbild sowie das Fluoreszenzbild des Beobachtungsareals (2) zeitlich nacheinander generiert werden, und zwar während einer Anregungs- und Fluoreszenzphase, in der die wenigstens eine Lichtquelle (7) zur Aussendung des Anregungslichtes aktiviert ist, das Fluoreszenzbild und außerhalb der Anregungs- und Fluoreszenzphase das Normalbild.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Kamerasysteme und/oder wenigstens zwei optoelektrische Bildwandler (4) vorgesehen sind, und zwar ein Kamerasystem oder ein optoelektrischer Bildwandler (4) für das Generieren des Normalbildes des Gewebeareals und ein Kamerasystem bzw. ein optoelektrischer Bildwandler (4) für das Fluoreszenzbild.

4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine erste Steuerelektronik (5) für das wenigstens eine Kamerasystem (3) oder den wenigstens einen optoelektrischen Bildwandler (4).

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektronik die von dem wenigstens einen Kamerasystem (3) oder dem wenigstens einen optoelektrischen Bildwandler (4) gelieferten Bildsignale als Bildsignale des Normalbildes bzw. als Bildsignale des Fluoreszenzbildes synchron mit dem Aktivieren der wenigstens einen Lichtquelle (7) aufnimmt und hieraus Bilder für eine weitere Bildbe- und/oder Verarbeitung generiert.

6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Kamerasystem (3) einen optoelektrischen Bildwandler (4) mit einem RGB-Ausgang aufweist, und daß die erste Steuerelektronik (5) zur Generierung des Fluoreszenzbildes nur Bildsignale auswertet, die an dem dem Spektralbereich des Fluoreszenzbildes entsprechenden Ausgang des optoelektrischen Bildwandlers (4) anliegen.

7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine zweite Steuerelektronik (6) für die wenigstens eine Lichtquelle (7).

8. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Lichtquelle (7) für das Anregungslicht und/oder die zweite Steuerelektronik (6) von der ersten Steuerelektronik (5) getriggert sind.

9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel (8) zum Einkoppeln des Anregungslichtes der wenigstens einen gepulsten Lichtquelle (7) in den Strahlengang oder in die optische Achse des wenigstens einen Kamerasystems (3).

10. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel von wenigstens einem Teilerspiegel (8) gebildet sind.

11. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens einen Filter im Strahlengang des wenigstens einen Kamerasystems zur Ausfilterung des Anregungslichtes.

12. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine optoelektrische Bildwandler (4) ein CCD-Chip ist.

13. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Generierung des Fluoreszenzbildes die Steuerelektronik das Signal des R- Kanales des optoelektrischen Bildwandlers auswertet.

14. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Spektrum des Lichtes der gepulsten Lichtquelle im sichtbaren Spektralbereich und/oder im Infrarotbereich und/oder im UV-Bereich liegt.