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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die optische Fluoreszenztomographie
mit einer Vielzahl von an einen Träger angebrachten optischen
Sensoren.
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Eine
derartige Vorrichtung ist aus der Veröffentlichung B. SCHOLZ und
M. PFISTER, "Three-dimensional
localization of fluorescence spots with adapted MUSIC algorithm", SPIE Proceedings
5138, München,
2003, Band 4 (27), Seiten 114 bis 124 bekannt. Im Rahmen der Fluoreszenztomographie
wird die bekannte Vorrichtung dazu verwendet, die räumliche
Lage einer Körperregion
eines Patienten zu erfassen, die mit Hilfe eines fluoreszierenden
metabolischen Markers markiert worden ist.
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Fluoreszierende
metabolische Marker sind ein aktueller Forschungsgegenstand der
Biotechnologie. Die fluoreszierenden metabolischen Marker haben
die Eigenschaft, dass sie sich nach einer Injektion in den Körper eines
Patienten entweder in bestimmten Körperregionen, zum Beispiel
Tumoren, Entzündungsherden
oder anderen Krankheitsherden, anreichern oder zwar überall im
Körper
verteilt sind, aber nur in bestimmten Körperregionen durch tumorspezifische
Enzymaktivitäten
aktiviert werden. Indem die mit dem fluoreszierenden metabolischen Marker
markierte Körperregion
mit Anregungslicht aus einer Lichtquelle bestrahlt wird und indem
das von der markierten Körperregion
emittierte Fluoreszenzlicht von verschiedenen optischen Sensoren
erfasst wird, können
Messdaten gewonnen werden, aus denen sich die räumliche Lage der markierten Körperregion
bestimmen lässt.
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Zur
Bestimmung der räumlichen
Lage der mit dem fluoreszierenden metabolischen Marker markierten
Körperregion,
wird diese in der Regel aus verschiedenen Lichtquellen, die sich
ebenfalls an unterschiedlichen Orten befinden, beleuchtet. Wäh rend jeder
dieser Anregungen nehmen die optischen Sensoren, die sich ebenfalls
an unterschiedlichen Orten befinden, das von der fluoreszierenden
Körperregion emittierte
Fluoreszenzlicht auf. Aus den mit Hilfe der optischen Sensoren gewonnenen
Messwerten kann dann die räumliche
Lage der fluoreszierenden Körperregion
bestimmt werden. Neuerdings werden auch fluoreszierenden Marker
für kardiovaskuläre Erkrankungen
oder Darmkarzinome entwickelt. Da solche Krankheitsherde auch in
einiger Entfernung hinter der Wand des jeweiligen Lumens liegen
können, reicht
eine optische Abbildung der Oberfläche nicht aus. Vielmehr ist
es von Vorteil, wenn auch Krankheitsherde hinter der Wand erfasst
werden können und
wenn die räumliche
Lage des jeweiligen Krankheitsherdes bekannt ist.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
eine Vorrichtung für
die optische Fluoreszenztomographie anzugeben, mit denen sich die
räumliche
Lage optisch von markierten Krankheitsherden bestimmen lässt, die
sich im Bereich von Lumen des menschlichen Körpers befinden.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung für die optische Tomographie
mit den Merkmalen des unabhängigen
Anspruchs gelöst.
In davon abhängigen
Ansprüchen
sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.
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Die
Vorrichtung für
die optische Tomographie ist so ausgestaltet, dass der Träger, an
dem die optischen Sensoren angebracht sind, in ein Lumen eines zu
untersuchenden Patienten einbringbar ist. Darüber hinaus ist der Träger mit
wenigstens einem Positionselement versehen, mit dessen Hilfe sich
die genaue räumliche
Lage des Trägers
bestimmen lässt. Der
Träger
kann dann innerhalb des Lumens verfahren werden, so dass die zu
untersuchende optisch markierte Körperregion aus unterschiedlichen
Richtungen erfasst werden kann und die zugehörigen Messwerte mit Hilfe der
optischen Sensoren aufgenommen werden können. Die notgedrungen kleinräumige Ausdehnung
des von den optischen Sensoren gebildeten Messfelds wird somit durch
eine Bewegung des Trägers
kompensiert. Dadurch ist es möglich,
trotz räumlich
beengter Verhältnisse
die räumliche
Lage des zu untersuchenden Gebiets mit großer Genauigkeit zu bestimmen.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Träger
an eine Datenverarbeitungseinheit angeschlossen, die während einer
Bewegung des Trägers die
von den optischen Sensoren gelieferten Messwerte auf lokale Maxima überwacht.
Auf diese Weise ist es möglich,
unerkannte Krankheitsherde zu lokalisieren und die Messsensoren
des Trägers
auf den jeweils zu untersuchenden Krankheitsherd zu zentrieren.
Eine derartige Zentrallage eignet sich insbesondere als Ausgangspunkt
für die
weitere Akquisition von Messdaten.
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Dementsprechend
ist bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform die Datenverarbeitungseinheit
dazu in der Lage, bei einer bezüglich
der Zentrallage ausgeführten
Variation der Lage des Trägers die
Position des Trägers
mit Hilfe des Positionssensors zu erfassen und die bestimmte Position
zusammen mit den aufgenommenen Messwerten abzuspeichern.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden
Beschreibung hervor, in der Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der beigefügten
Zeichnung im Einzelnen erläutert
werden. Es zeigen:
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1 eine
Vorrichtung für
die optische Fluoreszenztomographie zur Untersuchung von Körperhohlräumen;
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2 einen
Querschnitt durch ein Gefäß mit eingebrachtem
Messkopf;
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3A bis 3C Diagramme,
die die Veränderung
der Lichtverteilung bei einer Bewegung des Messkopfs in der Nähe einer
fluoreszierenden Körperregion
zeigen;
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4 einen
Querschnitt durch ein Gefäß, in dem
verschiedene mögliche
Stellungen des Messkopfs angedeutet sind;
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5 einen
Längsschnitt
durch ein Gefäß mit verschiedenen
möglichen
Stellungen eines Messkopfs; und
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6 einen
Querschnitt durch zwei Gefäße mit möglichen
Stellungen des Messkopfs.
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1 zeigt
eine Messvorrichtung 1 mit einem Messkopf 2, der
neben einem Positionssensor 3 auf einer Oberfläche 4 eine
Vielzahl von optischen Sensoren 5 sowie eine Reihe von
Lichtquellen 6 umfasst. Der Messkopf 2 kann Teil
eines Katheters, eines Endoskops, eines Bronchioskops oder eines weiteren
Geräts
sein, das sich zur Untersuchung von Hohlräumen eines Körpers eignet.
Die Lichtquellen 6 können
mit Hilfe von Lichtleitfasern bewerkstelligt werden, die das am
Ort der Lichtquellen 6 zu emittierende Licht dem Messkopf 2 zuführen.
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Der
Messkopf 2 ist an eine Datenverarbeitungseinheit 7 angeschlossen,
die unter anderem an eine Anzeigeeinheit 8 und ein Referenzgerät 9 angeschlossen
ist. Das Referenzgerät 9 erzeugt
ein Ortsreferenzsignal, aus dem der Positionssensor 3 die Lage
des Messkopfs 2 bestimmen kann. Sowohl vom Referenzgerät 9 als
auch vom Positionssensor 3 können mehrere Exemplare vorhanden
sein. Die Ortsbestimmung des Messkopfs 2 kann auf der Grundlage von
magnetischen Feldern, Ultraschall, Mikrowellen oder infrarotem Licht
erfolgen. Mit Hilfe des Positionssensors 3 und des Referenzgeräts 9 können die Ortskoordinaten
des Messkopfs 2 bezüglich
eines Ortskoordinatensystems 10 bestimmt werden. Die Ortskoordinaten
umfassen dabei nicht nur den jeweiligen Ort des Messkopfs 2,
sondern auch dessen Ausrichtung im Raum. Anstelle der Positionssensoren 3 können auch
Positionsmarker vorgesehen sein, deren Position sich mit Hilfe fester
Positionsdetektoren bestimmen lässt.
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Gemäß 2 kann
der Messkopf 2 in ein Gefäß 11 eines Körpers eingebracht
werden. In 2 ist der Messkopf 2 durch
eine Messfläche 12 angedeutet,
in der sich die optischen Sensoren 5 und die Lichtquellen 6 näherungsweise
befinden. Eine zu untersuchende fluoreszierende Körperregion 13,
bei der es sich beispielsweise um ein Karzinom, eine Entzündung oder
einen weiteren Krankheitsherd handeln kann, wird mit Hilfe von Anregungslicht 14 beleuchtet.
Dadurch beginnt die fluoreszierende Körperregion 13 zu fluoreszieren.
Die Intensität
des von der fluoreszierenden Körperregion 13 emittierten
Fluoreszenzlichts 15 wird von den optischen Sensoren 5 erfasst.
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Im
Folgenden seien am Messkopf 2 eine Anzahl A räumlich verschiedener
Lichtquellen 6 vorhanden. Daneben sei eine Anzahl K räumlich verschiedener
optischer Sensoren 5 am Messkopf 2 ausgebildet.
Bei jeder Anregung durch Anregungslicht 14 aus einem der
Lichtquellen 6 werden K verschiedene Messwerte an räumlich unterschiedlichen
Messorten gewonnen. Daraus ergibt sich ein Vektor B von M = K·A Messwerten.
Die zu untersuchende fluoreszierende Körperregion 13 wird
dann in N diskrete Volumenelemente, so genannte Voxel, unterteilt.
Für den Vektor
B der Messwerte gilt dann die Beziehung B = LV, wobei V = (v1, ..., vN)T die unbekannte Fluoreszenzverteilung, also
der Vektor der Fluoreszenzeigenschaften der einzelnen Voxeln vn, B = (b1, ...,
bM)T der Vektor
der M = K·A
Messwerte des Photonenflusses an den K Messorten zu den A Anregungen
und lij das Element der Modellmatrix L ist,
das den Beitrag der Fluoreszenzeigenschaft von Voxel vj zur
Mess- und Anregungsortskombination i beschreibt.
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Dem
Fachmann sind verschiedene Verfahren zur Bestimmung von V bekannt.
Die einfachsten dieser Verfahren lösen die Gleichung B = LV direkt nach
V = BL+ auf, wobei L+ die
Moore-Penrose-Inverse
von L ist.
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Voraussetzung
für ein
sinnvolles Ergebnis bei der Berechnung von V ist, dass die Eigenschaften der
N Voxel durch genügend
viele linear unabhängige
Gleichungen beschrieben werden. Anderenfalls ist das lineare Gleichungssystem
stark unterbestimmt. Je größer die
Varianz der räumlichen
Lage der einzelnen optischen Sensoren 5 und der Lichtquellen 6 ist,
desto größer ist
der bei einem Messvorgang gewonnene Informationsgehalt und umso
besser ist das Ergebnis bei der Berechnung von V.
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Außerdem müssen die
Ortskoordinaten der optischen Sensoren 5, der Lichtquellen 6 sowie
der Voxel im Verhältnis
zueinander genau bekannt sein, da der Abstand der optischen Sensoren 5,
der Lichtquellen 6 und der Voxel im Verhältnis zueinander
in die Bildung der Modellmatrix L einfließt.
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Um
nun die fluoreszierende Körperregion 13 aus
möglichst
unterschiedlichen Richtungen zu beleuchten und um gleichzeitig die
Ortskoordinaten der Messfläche 12 genau
zu bestimmen, wird vorzugsweise wie folgt vorgegangen:
Zunächst wird
die Messfläche 12 auf
die fluoreszierende Körperregion 13 zentriert.
Dies sei im Folgenden anhand der 3A und 3C im
Einzelnen erläutert:
In den 3A bis 3C ist
eine Verteilung 16 des Photonenflusses F über der
Messfläche 12 aufgetragen.
Die Messfläche 12 des
Messkopfs 2 wird nun so lange bewegt, bis ein lokales Maximum 17 in
etwa im Zentrum der Messfläche 12 liegt.
Eventuell kann auch versucht werden, das lokale Maximum 17 zu
maximieren. Wenn das lokale Maximum 17 sowohl auf die Messfläche 12 zentriert
ist als auch einen maximalen Wert angenommen hat, kann der Benutzer
davon ausgehen, dass sich der Messkopf 2 in einer Lage
mit minimal möglichem
Abstand zur fluoreszierenden Körperregion 13 befindet.
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Um
nun die Zahl der Orte zu vergrößern, von denen
Anregungslicht 14 ausgeht und um die Zahl der Messorte
zu erhöhen,
an denen die optischen Sensoren 5 Fluoreszenzlicht 15 aufnehmen,
kann die Lage des Messkopfs 2 variiert werden, wenn die
lichte Weite des Gefäßes 11 dieses
zulässt.
In 4 ist beispielsweise der Fall dargestellt, dass
die Messfläche 12 ausgehend
von einer Zentrallage 18 in Seitenlagen 19 verschwenkt
wird.
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Daneben
ist es möglich,
wie in 5 dargestellt, die Messfläche 12 ausgehend von
der Zentrallage 18 in eine Längsrichtung 20 in
Nebenlagen 21 zu verschieben.
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Falls
sich in der Nähe
des Gefäßes 11 ein weiteres
Gefäß 22 befindet,
kann die Messfläche 12 auch
in dem Gefäß 22 in
eine Zentrallage 23 gebracht werden, so dass von beiden
Zentrallagen 18 und 23 aus Messwerte aufgenommen
werden können.
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Die
in den verschiedenen Zentrallagen 18 und 23 sowie
Seitenlagen 19 und Nebenlagen 21 aufgenommenen
Messwerte werden in der Datenverarbeitungseinheit 7 zusammen
mit den jeweiligen Positionsdaten gespeichert. Nach Abschluss eines Messdurchlaufs,
währenddessen
die Messfläche 12 in
die verschiedenen Zentrallagen 18 und 23 sowie Seitenlagen 19 und
Nebenlagen 21 gebracht worden ist, wird das oben beschriebene
Gleichungssystem zur Bestimmung der Fluoreszenzverteilung in den einzelnen
Voxeln der fluoreszierenden Körperregionen 13 gelöst.
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Die
hier beschriebene Vorrichtung gestattet es somit, die Messfläche 12 durch
eine Bewegung des Messkopfs 2 virtuell zu vergrößern. Dadurch kann
die Zahl der Messorte und Anregungsorte wesentlich gesteigert werden.
Dementsprechend groß ist
auch die Auflösung,
der mit der Messvorrichtung 1 gewonnenen Ortsinformationen über die
räumliche Verteilung
der fluoreszierenden Körperregion 13.
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Die
Anwendung der Messvorrichtung 1 ist nicht auf Gefäßuntersuchungen
beschränkt.
Ferner lassen sich mit einer Messvorrichtung von der Art der Messvorrichtung 1 auch
Darmuntersuchungen, Bronchioskopien oder Untersuchungen weiterer
Lumen eines Körpers
durchführen.
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Es
sei angemerkt, dass das hier beschriebene Verfahren und die hier
beschriebene Messvorrichtung 1 grundsätzlich auch zur Bestimmung
der Verteilung einer lumineszierenden Körperregion verwendet werden
können.
In diesem Fall kann auf die Lichtquellen 6 am Messkopf 2 verzichtet
werden.