DE102005017817A1

DE102005017817A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Untersuchung eines biologischen Gewebes

Info

Publication number: DE102005017817A1
Application number: DE102005017817A
Authority: DE
Inventors: Christoph Dr. Böhme; Martin Dr. Hoheisel; Klaus Dr. Lips; Marcus Dr. Pfister
Original assignee: Siemens AG; Hahn Meitner Institut Berlin GmbH
Current assignee: Siemens AG; Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Priority date: 2005-04-18
Filing date: 2005-04-18
Publication date: 2006-10-26
Also published as: WO2006111500A3; WO2006111500A2; US20090214440A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Untersuchung eines biologischen Gewebes (1, 6, 14), bei welchem ein Lumineszenzlicht (11) eines Lumineszenzstoffs (7) detektiert wird. Zur Steigerung der Genauigkeit und Zuverlässigkeit wird vorgeschlagen, im Gewebe (1, 6,1 4) mit einem Magnetfeld (3) ein Permutationssymmetrieungleichgewicht zu erzeugen, das Permutationssymmetrieungleichgewicht durch ein magnetisches Wechselfeld (5) an einem vorgegebenen Ort zu ändern und das Lumineszenzlicht (11) in Abhängigkeit vom vorgegebenen Ort zu detektieren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Untersuchung eines biologischen Gewebes.

Aus Umar Mahmood et. al., "Near Infrared Optical Imaging of Protease Activity for Tumor Detection", Radiology 1999, 213:866-870 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion von Tumoren in Mäusen bekannt. Zur Detektion des Tumors wird Licht eines durch Tumorproteine aktivierten Fluorogens detektiert. Ein Nachteil ist, dass auf Grund der durch eine Streuung des Lichts im Gewebe bedingten Unschärfe tief im Gewebe liegende Tumore oder Läsionen nicht sicher und zuverlässig festgestellt werden können.

Aus A. Wall et al., "Konzeption eines Mehrkanalgerätes zur optischen Fluoreszenzbildgebung", RöFo 2003, VO46.8, ist ein Mehrkanalgerät zur optischen Fluoreszenzbildgebung bekannt. Dabei werden Fluorochrome oder fluoreszierende Proteine in einem Gewebe mit Licht aus dem nahem Infrarotbereich (NIR), rotem, blauem und grünem Licht zur Fluoreszenz angeregt. Das Fluoreszenzlicht wird mit Emissionsfiltern gefiltert und mit einer CCD-Kamera detektiert. Infolge der Streuung des Fluoreszenzlichts im Gewebe kann Fluoreszenzlicht aus tief liegenden Gewebeschichten nicht ausreichend genau detektiert werden. Tief im Gewebe sitzende Tumore oder Läsionen können nicht sicher und zuverlässig festgestellt werden.

Aus Vasilis Ntziachristos et al., "Differential diffuse optical tomography" Optics Express 08.11.1999, Vol. 5, No. 10 Seiten 230 bis 242, ist ein tomographisches Verfahren bekannt, bei welchem anhand von durch ein Kontrastmittel verursachten Unterschieden in der Absorption von Licht im Gewebe Bilder des Gewebes erzeugt werden. Ein Nachteil des Verfahrens liegt in der begrenzten Ortsauflösung, bedingt durch die starke Streuung des Lichts im Gewebe. Infolgedessen ist die erreichbare Ortsauflösung der tomographischen Bilder beschränkt.

Ferner ist z. B. aus X. Wang et al., "Noninvasive laserinduced photoacoustic tomography for structural and functional in vivo imaging of the brain", Nature Biotechnology, Vol. 21, Number 7, July 2003, Seiten 803 bis 806 ein photo-akustisches Tomographieverfahren bekannt. Dabei wird ein Gewebe, z. B. ein Teil des Gehirns einer Ratte, optisch angeregt. Basierend auf dem photo-akustischen Effekt werden je nach Gewebebeschaffenheit unterschiedliche akustische Wellen erzeugt. Anhand der Wellen kann ein Bild des Gewebes rekonstruiert werden. Die zur Durchführung des photo-akustischen Tomographieverfahrens erforderliche akustische Kopplung zwischen einem Empfänger und dem Gewebe ist aufwändig.

Mit herkömmlichen Spinresonanzgeräten ist es möglich, die innere Struktur eines Gewebes zu untersuchen und Bilder des Gewebes zu rekonstruieren. Allerdings ist es möglich, dass bei einem schlechten Kontrast kleine Läsionen, Tumore oder dgl. nicht sicher und zuverlässig festgestellt werden können.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es sollen insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung angegeben werden, mit denen die innere Struktur eines biologischen Gewebes genau und zuverlässig untersucht werden kann. Ferner sollen ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Untersuchung eines biologischen Gewebes angegeben werden, mit welchen besonders sichere Diagnosen erstellt werden können.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 15 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 14 und 16 bis 29.

Nach Maßgabe der Erfindung ist ein Verfahren mit folgenden Schritten vorgesehen:

a) Erzeugen eines Magnetfelds im Gewebe, so dass ein Permutationssymmetrieungleichgewicht bei einem im Gewebe befindlichen Lumineszenzstoff hervorgerufen wird,
b) Bestrahlen des Gewebes mit einer zum Anregen einer Lumineszenz des Lumineszenzstoffs geeigneten kontinuierlichen oder gepulsten elektromagnetischen Strahlung,
c) Erzeugen eines zum Ändern des Permutationssymmetrieungleichgewichts des Lumineszenzstoffs geeigneten kontinuierlichen oder gepulsten magnetischen Wechselfelds in einem vorgegebenen Ort im Gewebe und
d) Detektieren eines durch die Lumineszenz erzeugten Lumineszenzlichts in Abhängigkeit vom Ort der Änderung des Permutationssymmetrieungleichgewichts.

Wie von Böhme und Lips in "Theory of the time-domain measurement of spin-dependent recombination with pulsed electrically detected magnetic resonance" in Physical Review B 68, 245105, 2003, Seiten 1 bis 19, beschrieben ist, herrscht bei Vorliegen einer Besetzungsasymmetrie von gekoppelten Spinpaaren, wie z. B. Kernspin/Elektronenspin- oder Elektronenspin/Elektronenspinpaaren, ein Ungleichgewicht zwischen Gruppen von Spinpaaren mit unterschiedlichen Permutationssymmetrien. Dieses Ungleichgewicht ist hierin mit dem Begriff "Permutationssymmetrieungleichgewicht" bezeichnet.

Durch eine Änderung des Permutationssymmetrieungleichgewichts an einem vorgegebenen Ort ist es möglich, die Lumineszenz des Lumineszenzstoffs lokal zu beeinflussen. Die Beeinflussung der Lumineszenz bewirkt eine Änderung der Intensität des detektierten Lumineszenzlichts. Die Beeinflussung der Lumineszenz kann mit hoher Genauigkeit festgestellt werden. Das detektierte Lumineszenzlicht kann als Maß für die Beeinflussung der Lumineszenz verwendet werden. Anhand des Lumineszenzlichts können Aussagen über und/oder Rückschlüsse auf die in nere Struktur des Gewebes getroffen werden. Die innere Struktur des Gewebes kann genau und zuverlässig untersucht werden. Beispielsweise können Läsionen und Defekte im Gewebe besonders genau lokalisiert werden. Anhand der mit dem Verfahren ermittelten Untersuchungsergebnisse können sichere Diagnosen erstellt werden.

Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird unter dem Begriff "Gewebe" auch ein Teil oder Organ eines Organismus, insbesondere eines Säugetiers, insbesondere des Menschen verstanden. Bei der Untersuchung kann ein Abschnitt oder das ganze Gewebe, insbesondere eine Oberflächenschicht oder das Innere des Gewebes untersucht werden.

Unter dem Begriff "Lumineszenz" werden insbesondere Phosphoreszenz, Fluoreszenz und sämtliche durch elektronische Übergänge hervorgerufenen atomaren oder molekularen Strahlungsprozesse verstanden.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung wird nach dem Schritt lit. b) und vor Schritt lit. c) das Lumineszenzlicht detektiert und im Schritt lit. d) eine durch das magnetische Wechselfeld verursachte Änderung des Lumineszenzlichts in Abhängigkeit vom Ort der Änderung des Permutationssymmetrieungleichgewichts erfasst. Indem das Lumineszenzlicht vor und nach der Änderung des Permutationssymmetrieungleichgewichts detektiert wird können Messfehler vermieden oder korrigiert werden. Beispielsweise können durch eine Abnahme der Gesamtintensität des Lumineszenzlichts verursachte Fehler vermieden oder korrigiert werden. Derartige Fehler können z. B. durch eine Konzentrations- oder Mengenabnahme oder Zersetzung des Lumineszenzstoffs verursacht werden. Die jeweils vor der Änderung des Permutationssymmetrieungleichgewichts detektierte Intensität des Lumineszenzlichts kann als Bezugsgröße für eine Normierung der Intensitäten verwendet werden. Die Genauigkeit der Untersuchung kann damit gesteigert werden.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird zum Erzeugen der elektromagnetischen Strahlung zumindest eine monochromatische Strahlungsquelle verwendet. Mit einer monochromatischen Strahlung mit einer vorgegebenen Energie kann gezielt eine durch diese Energie anregbare Lumineszenz angeregt werden. Es können auch mehrere monochromatische Strahlungsquellen verwendet werden. Beispielsweise kann der Lumineszenzstoff mehrere Anregungsenergien aufweisen oder es können zwei oder mehrere Lumineszenzstoffe mit unterschiedlichen Anregungsenergien verwendet werden. Mit unterschiedlichen Anregungsenergien können energieabhängige Unterschiede in der Beeinflussung der Lumineszenzen durch das Wechselfeld oder der Streuungseigenschaften des Gewebes festgestellt werden. Aus den Unterschieden können zusätzliche Informationen über das Gewebe und dessen innere Struktur gewonnen werden.

Vorzugsweise ist die Lumineszenz eine Fluoreszenz und der im Gewebe befindliche Fluoreszenzstoff ist aus folgender Gruppe ausgewählt: Fluorophore, Fluorochrome, Fluorogene, fluoreszierende Moleküle, fluoreszierende Proteine, wie z. B. die bekannten grün fluoreszierenden Proteine, welche auch mit GFP bezeichnet werden. Bei Lumineszenzstoffen ist es bekannt, dass sich diese in Abhängigkeit von der inneren Struktur des Gewebes lokal unterschiedlich anreichern und/oder an spezifische Stellen im Gewebe binden und/oder nur in bestimmten Bereichen des Gewebes aktiviert werden können. Durch die Auswahl eines geeigneten Lumineszenzstoffs kann die Genauigkeit und die Ortsauflösung des Verfahrens verbessert werden.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird als elektromagnetische Strahlung Licht mit einer Wellenlänge zwischen 200 nm und 2000 nm, vorzugsweise zwischen 650 nm und 800 nm, verwendet. Mit Licht in diesen Wellenlängenbereichen kann vermieden werden, dass das biologische Gewebe durch das Bestrahlen geschädigt wird. Ferner weist derartiges Licht eine besonders große Eindringtiefe für biologisches Gewebe auf. Eine große Eindringtiefe ermöglicht es, die innere Struktur des Gewebes, insbesondere tief liegende Gewebeschichten, besonders genau zu untersuchen.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung wird dem Detektieren im Schritt lit. d) eine Filterung des Lumineszenzlichts vorgeschaltet. Es können Filter verwendet werden, welche im Wesentlichen nur vom Lumineszenzlicht durchdrungen werden können. Rückgestreutes oder nicht durch Lumineszenz hervorgerufenes Licht kann unterdrückt werden. Durch die Unterdrückung kann das Lumineszenzlicht mit höherer Genauigkeit detektiert werden.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird eine CCD-Kamera, ein optischer Sensor zum integralen Detektieren des Lumineszenzlichts, eine Photodiode, ein Photowiderstand, ein Phototransistor, ein Photomultiplier, ein pyroelektrischer Detektor verwendet wird. Es kann auch eine andere technische Vorrichtung zur Detektion des Lumineszenzlichts verwendet werden. Aus einer mit der CCD-Kamera erzeugten Intensitätsverteilung des Lumineszenzlichts können zusätzlich Ortsinformationen gewonnen werden. Mit den Ortsinformationen kann die Ortsauflösung des Verfahrens verbessert werden. Das Lumineszenzlicht kann aber auch integral detektiert werden. Es steht eine höhere Intensität zur Verfügung. Ein integrales Detektieren ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das Lumineszenzlicht eine geringe Intensität aufweist und eine Intensitätsverteilung nicht ausreichend genau bestimmt werden kann.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung wird als Magnetfeld ein Gradientenfeld verwendet. Eine Änderung des Permutationssymmetrieungleichgewichts tritt auf, wenn ein der Resonanzbedingung genügendes Wechselfeld eingestrahlt wird. Die Resonanzbedingung ist beispielsweise erfüllt, wenn die Frequenz des Wechselfelds der Larmorfrequenz von Spins im Magnetfeld entspricht. Bei einem Gradientenfeld ist die Resonanzbedingung eine Funktion des Orts im Gewebe. Durch Kenntnis der Stärke des Gradientenfelds und der Gradientenstärke kann ein die bekannte Resonanzbedingung an einem vorgegebenen Ort erfüllendes Wechselfeld eingestrahlt werden. Die Detektion des Lumineszenzlichts oder dessen Änderung in Abhängigkeit vom Ort kann vereinfacht werden.

Zur Erzeugung des Magnetfelds bzw. des Gradientenfelds und des Wechselfelds können Magnetspulen und/oder Permanentmagnete verwendet werden. Das Wechselfeld wird vorzugsweise mittels Magnetspulen erzeugt. Das Wechselfeld kann derart eingestrahlt werden, dass dieses auf das ganze Gewebe einwirkt. Es ist aber auch möglich, das Wechselfeld lediglich auf ein vorgegebenes, im Gewebe gelegenes, beschränktes Gebiet einzustrahlen. Die Lage des Gebiets kann als zusätzliche Ortsinformation zur Verbesserung der Ortsauflösung des Verfahrens verwendet werden.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zum Erzeugen und/oder Ändern des Permutationssymmetrieungleichgewichts und/oder zum Bestrahlen des Gewebes und/oder Detektieren der Lumineszenz in eine im Gewebe befindliche oder zum Gewebe führende Aushöhlung eingebrachte Erzeugungs-, Änderungs-, Bestrahlungs- und/oder Detektionsmittel verwendet werden. Das ermöglicht eine Untersuchung des Gewebes mit einem minimalinvasiven Verfahren, z. B. über eine Vene, über die Luftröhre oder den Darm. Die Erzeugungs-, Änderungs-, Bestrahlungs- und/oder Detektionsmittel können z. B. unter Verwenden eines Katheters, einer Sonde oder dgl. in die Aushöhlung eingeführt werden. Anhand von Zu-, Ab-, Steuerleitungen und dgl. zu den Erzeugungs-, Änderungs-, Bestrahlungs- und/oder Detektionsmittel kann deren Funktion und/oder Bewegung in der Aushöhlung manuell oder auch automatisch gesteuert werden. Die Erzeugungs-, Änderungs-, Bestrahlungs- und/oder Detektionsmittel können als voneinander getrennte Einheiten vorliegen oder in beliebigen Kombinationen zusammengefasst sein. Die Erzeugungs-, Änderungs-, Bestrahlungs- und Detektionsmittel können insbesondere zu einer einzigen, nach Art einer in das Gewebe einführbaren Sonde ausgebildeten Einheit zusammengefasst sein. Derart ausgebildete Erzeu gungs-, Änderungs-, Bestrahlungs- und/oder Detektionsmittel können über die Aushöhlung im Wesentlichen direkt an den Ort des zu untersuchenden Gewebes gebracht werden. Die Ortsauflösung kann weiter verbessert werden. Das Gewebe kann noch genauer untersucht werden.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung wird zur Leitung der elektromagnetischen Strahlung und/oder des Lumineszenzlichts ein Lichtleiter verwendet. Ein Lichtleiter kann, z. B. über einen Katheter oder eine Sonde, in die Aushöhlung eingeführt werden. Die elektromagnetische Strahlung kann damit direkt zum Gewebe geleitet werden. Analog kann das im Gewebe erzeugte Lumineszenzlicht mittels eines Lichtleiters zum Detektionsmittel geleitet werden. Absorptions- und Streuverluste im oder außerhalb des Gewebes können verringert werden. Es können noch genauere Untersuchungsergebnisse erzielt werden.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird automatisch ein Bild des Gewebes mit einer ortsaufgelösten Darstellung der Intensität des detektierten Lumineszenzlichts oder eines daraus abgeleiteten Werts erzeugt. Die ortsaufgelöste Darstellung kann eine ein- zwei- oder dreidimensionale Darstellung sein. Bei der Darstellung kann es sich um eine Graustufen- oder Falschfarbendarstellung handeln. Die zweidimensionale Darstellung kann ein oder mehrere Schnitt- oder Projektionsbilder enthalten. Die ortsaufgelöste Darstellung kann zum Erstellen einer Diagnose verwendet werden. Der abgeleitete Wert kann ein aus der folgenden Gruppe ausgewählter diagnostischer Parameter sein: Dichte, Elektrolytgehalt, Homogenität, Konzentration und Zusammensetzung der Elektrolyte und des Gewebes.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird zur Ausführung von zumindest einem der Schritte lit. a) bis d) und/oder zum Erfassen der Änderungen und/oder zum Erzeugen der Darstellung ein Computer verwendet. Durch Verwenden eines Computers kann die Durchführung des Verfahrens automatisiert und für den Anwender vereinfacht werden. Ferner kann die Zu verlässigkeit und die Genauigkeit des Verfahrens, z. B. durch Vermeiden von Anwenderfehlern, erhöht werden.

Weiterer Gesichtspunkt der Erfindung sieht ein diagnostisches Verfahren mit den Schritten a) bis c) und einem weiteren Schritt des Einführens zumindest eines der Erzeugungs-, Bestrahlungs-, Änderungs- und Detektionsmittel in eine im Gewebe befindliche oder zum Gewebe führende Aushöhlung. Der Schritt des Einführens kann vor der Durchführung der Verfahrensschritte a) bis d) ausgeführt werden. Es ist auch möglich, dass das Erzeugungs-, Bestrahlungs-, Änderungs- und/oder Detektionsmittel vor oder während der Durchführung der jeweiligen Schritte a) bis d) eingeführt werden/wird. Zum Einführen können nach dem Stand der Technik bekannte Hilfsmittel, wie z. B. Katheter, Sonden usw. verwendet werden.

Nach weiterer Maßgabe der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Untersuchung eines biologischen Gewebes vorgesehen mit

a) einem Erzeugungsmittel zum Erzeugen eines Magnetfelds im Gewebe, so dass ein Permutationssymmetrieungleichgewicht bei einem im Gewebe befindlichen Lumineszenzstoff hervorgerufen wird,
b) einem Änderungsmittel zum Erzeugen eines geeigneten kontinuierlichen oder gepulsten magnetischen Wechselfelds im Gewebe, so dass sich das Permutationssymmetrieungleichgewicht in einem vorgegebenen Ort ändert,
c) einem Bestrahlungsmittel zum Bestrahlen des Gewebes mit einer zum Anregen einer Lumineszenz des Lumineszenzstoffs geeigneten kontinuierlichen oder gepulsten elektromagnetischen Strahlung und
d) einem Detektionsmittel zum Detektieren eines durch die Lumineszenz erzeugten Lumineszenzlichts in Abhängigkeit vom Ort der Änderung des Permutationssymmetrieungleichgewichts.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Ausgestaltungen des Verfahrens gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung und die Ausgestaltungen der Vorrichtung.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens bei einer Maus,
2 schematisch eine Darstellung von mit der Anordnung nach 1 erhaltenen Messergebnissen und
3 schematisch eine weitere Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
In 1 bis 3 sind Elemente mit gleichen oder ähnlichen Eigenschaften mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
In einem Gewebe 1 einer Maus wird z. B. mit zwei ersten Magnetspulen 2 ein Magnetfeld 3 erzeugt. Mit einer zweiten Magnetspule 4 wird im Gewebe 1 ein im Wesentlichen zum Magnetfeld 3 senkrechtes magnetisches Wechselfeld 5 erzeugt. In einem im Gewebe 1 liegenden Tumor 6 ist ein Lumineszenzstoff 7 angereichert. Ein von einer Lichtquelle 8 ausgehendes Anregungslicht zum Anregen des Lumineszenzstoffs 7 ist mit dem Bezugszeichen 9 bezeichnet. Das Bezugszeichen 10 bezeichnet eine CCD-Kamera zum Detektieren eines vom Lumineszenzstoff 7 ausgehenden Lumineszenzlichts 11. Der CCD-Kamera 10 ist ein Filter 12 vorgeschaltet. Mit X, Y und Z sind eine X-, Y- und eine Z-Richtung bezeichnet. X1 und X2 bzw. Y1 und Y2 bezeichnen erste und zweite X- bzw. Y-Koordinaten.
Das Verfahren wird wie folgt durchgeführt:
In einem ersten Schritt wird mit dem von den ersten Magnetspulen 2 erzeugten Magnetfeld 3 im Gewebe 1 der Maus ein Permutationssymmetrieungleichgewicht erzeugt. Das Permutati onssymmetrieungleichgewicht entsteht beispielsweise, indem sich Spins im Magnetfeld 3 ausrichten. Bei dem Permutationssymmetrieungleichgewicht kann es sich z. B. um ein Permutationssymmetrieungleichgewicht von Kern- oder Elektronenspins handeln. Das Permutationssymmetrieungleichgewicht kann direkt erzeugt oder indirekt durch Kopplungen, Polarisationseffekte oder Transfermechanismen hervorgerufen werden.
In einem zweiten Schritt wird das Gewebe 1 mit dem Anregungslicht 9 bestrahlt. Durch das Anregungslicht 9 wird eine Lumineszenz des Lumineszenzstoffs 7 angeregt. Bei dem Lumineszenzstoff 7 kann es sich z. B. um ein Fluorophor handeln, welches sich im Tumor 6 anreichert. Es kann sich aber auch um ein Fluorogen handeln, welches im Tumor 6 durch tumorspezifische Enzyme, z. B. Proteasen, aktiviert wird. Ferner kann es sich um ein Fluorochrom oder um fluoreszierende Moleküle handeln, die im Tumor 6 spezifisch gebunden werden. Es können Lumineszenzstoffe 7 verwendet werden, die mit Anregungslicht 9 im Wellenlängenbereich zwischen 200 nm und 2000 nm, vorzugsweise zwischen 650 nm und 800 nm angeregt werden können. Ein derartiges Anregungslicht 9 ist im Wesentlichen unschädlich für das Gewebe 1. Durch die Untersuchung verursachte Schädigungen oder Folgeschäden können vermieden werden.
In einem dritten Schritt wird ein zum Ändern des Permutationssymmetrieungleichgewichts des Lumineszenzstoffs 7 geeignetes magnetisches Wechselfeld 5 in einem vorgegebenen Ort im Gewebe 1 erzeugt. Durch das Permutationssymmetrieungleichgewicht wird die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von strahlenden und nichtstrahlenden Übergängen im Lumineszenzstoff 7 verändert. Das Wechselfeld 5 wird so im Gewebe 1 erzeugt, dass das Wechselfeld 5 oder zumindest eine Komponente davon senkrecht zum Magnetfeld 3 ist. Ferner erfüllt die Frequenz des Wechselfelds 5 die Resonanzbedingung an einem vorgegebenen Ort.
In einem vierten Schritt wird die Intensität des Lumineszenzlichts 11 in Abhängigkeit vom Ort der Änderung des Permutati onssymmetrieungleichgewichts mit der CCD-Kamera 10 detektiert. Die detektierten Intensitäten werden von einem nicht gezeigten Auswertemittel, z. B. einem Computer, erfasst und verarbeitet. Als Ortsinformation wird der vorgegebene Ort verwendet, an dem die Resonanzbedingung erfüllt ist. Ortsinformationen können ferner aus einer von der CCD-Kamera 10 erzeugten Intensitätsverteilung des Lumineszenzlichts 11 gewonnen werden. Um die Genauigkeit der Untersuchung weiter zu verbessern, können Untersuchungsergebnisse für unterschiedliche Anordnungen der ersten 2 und der zweiten Magnetspulen 4, der Lichtquelle 8 und der CCD-Kamera 10 durchgeführt werden. Aus den detektierten Intensitäten kann schließlich ein Bild des Gewebes 1 mit einer ortsaufgelösten Darstellung der Intensität des detektierten Lumineszenzlichts 11 oder eines daraus abgeleiteten Werts erzeugt werden. Der abgeleitete Wert kann beispielsweise die Dichte, der Elektrolytgehalt, die Homogenität des Gewebes 1 oder dgl. sein.
An Stelle der Intensität des Lumineszenzlichts 11 kann auch die durch das Wechselfeld 5 verursachte Änderung der Intensität des Lumineszenzlichts 11 erfasst werden. Dabei wird die Intensität vor und nach dem Erzeugen des Wechselfelds 5 detektiert. Die Änderung wird mit dem Auswertemittel erfasst. Indem die Änderungen der Intensität erfasst werden, können beispielsweise durch eine Abnahme der Gesamtintensität des Lumineszenzlichts 11 verursachte Fehler vermieden und/oder korrigiert werden.
Es ist möglich, die Position der zweiten Magnetspule 4 als zusätzliche Ortsinformation zu verwenden. Ortsinformation kann auch gewonnen werden, indem als Magnetfeld 3 ein Gradientenfeld verwendet wird. Bei Verwenden eines Gradientenfelds ist die Resonanzbedingung abhängig vom Ort im Gewebe 1 und ändert sich in Richtung des Gradienten. Durch Erzeugen eines Wechselfelds 5 mit einer der Resonanzbedingung am vorgegebenen Ort entsprechenden Frequenz kann das Permutationssymmetrieungleichgewicht lokal am vorgegebenen Ort verändert werden. Das Gradientenfeld selbst enthält indirekt also Orts informationen, welche für eine ortsaufgelöste Detektion des Lumineszenzlichts 11 oder für die ortsaufgelöste Ermittlung der Änderungen der Lumineszenz verwendet werden können.
Die Stärke des Magnetfelds 3 kann konstant sein. Zum Erfüllen der Resonanzbedingung wird die Frequenz des Wechselfelds 5 verändert. Es ist aber auch möglich, dass die Frequenz des Wechselfelds 5 konstant und die Stärke des Magnetfelds 3 verändert werden.
2 zeigt schematisch eine Darstellung von mit der Anordnung nach 1 erhaltenen Messergebnissen. Ein parallel zur X- X und Y-Richtung Y verlaufender Schnitt durch die Maus ist mit dem Bezugszeichen S bezeichnet. In einem ersten Graph G1 ist die Intensität des detektierten Lumineszenzlichts 11 in Abhängigkeit vom Ort in X-Richtung X dargestellt. In einem zweiten Graph G2 ist die Intensität des detektierten Lumineszenzlichts 11 in Abhängigkeit vom Ort in Y-Richtung Y dargestellt. Eine detektierte maximale Intensität ist mit I_max bezeichnet. Der Tumor 6 und ein durch Tumorproteine aktivierbares Fluorogen sind von einem im Schnitt S liegenden Bereich B eingegrenzt. Erste und zweite X- bzw. Y- Koordinaten sind mit den Bezugszeichen X1 und X2 bzw. Y1 und Y2 bezeichnet.
Die Messergebnisse des ersten G1 und zweiten Graphs G2 werden wie folgt erhalten:
Abhängig vom Ort in X-Richtung X wird ein über eine gesamte Ausdehnung des Gewebes 1 in Y-Richtung Y die Resonanzbedingung erfüllendes Wechselfeld 5 erzeugt und die Intensität des Lumineszenzlichts 11 detektiert. Wird das Wechselfeld 5 außerhalb des Bereichs B erzeugt, so wird die Fluoreszenz nicht gestört. Es wird die maximale Intensität I_max des Fluoreszenzlichts detektiert. Wird das Wechselfeld 5 hingegen auch im Bereich B erzeugt, so wird die Fluoreszenz durch eine durch das Wechselfeld 5 verursachte Änderung des Permutationssymmetrieungleichgewichts gestört. Infolgedessen werden zwischen der ersten X-Koordinate X1 und der zweiten X-Koordinate X2 veränderte Intensitäten detektiert. Die Position des Fluorogens und folglich des Tumors 6 kann in X-Richtung X auf das Intervall zwischen der ersten X-Koordinate X1 und der zweiten X-Koordinate X2 eingegrenzt werden. Analog kann die Position des Fluorogens und folglich des Tumors 6 in Y-Richtung Y auf das Intervall zwischen der ersten Y-Koordinate Y1 und der zweiten Y-Koordinate Y2 eingegrenzt werden. Eine noch genauere Eingrenzung der Position des Tumors 6 ist mit weiteren Messwerten möglich. Eine genauere Position des Tumors 6 kann beispielsweise durch zusätzliche Messwerte für die Z-Richtung Z, für unterschiedliche Schnitte S und unterschiedliche Anordnungen der ersten 2 und zweiten Magnetspulen 4 und der Maus bestimmt werden. Es ist auch möglich die Anordnung der Lichtquelle 8 und der CCD-Kamera 10 zu verändern. Beispielsweise kann die Lage Lichtquelle 8 und/oder der CCD-Kamera 10 durch eine Rotation um die Maus verändert werden. Schließlich können auch unterschiedliche Detektoren, Lichtquellen 8 unterschiedlicher Wellenlängen oder mehrere Lumineszenzstoffe 11 verwendet werden.
Messergebnisse für Lumineszenzstoffe 7, welche durch tumorspezifische Enzyme aktiviert oder spezifisch im Tumor 6 gebunden werden können analog erhalten werden. Bei Lumineszenzstoffen 7, welche sich im Tumor 6 anreichern, kann durch das Wechselfeld 5 auch außerhalb des Bereichs B eine Änderung der Lumineszenz verursacht werden. Diese unterscheidet sich jedoch z. B. auf Grund von Konzentrationsunterschieden des Lumineszenzstoffs 7 von der Änderung der Lumineszenz im Tumor 6. Anhand der Unterschiede kann der Tumor 6 sicher und zuverlässig lokalisiert werden. Anstelle der Intensität des Lumineszenzlichts 11 können auch die Änderungen der Intensität erfasst werden. Ferner ist es auch möglich, automatisch ein Bild des Gewebes 1 mit einer ortsaufgelösten Darstellung der Messwerte, d. h. die Intensitäten oder ein daraus abgeleiteter Wert, die Änderung der Intensität oder ein diagnostischer Parameter, zu erzeugen.
Bei der Durchführung des in 1 du 2 beschriebenen Verfahrens werden die Schritte lit. a) bis c) nacheinander ausgeführt. Es ist möglich, die Reihenfolge zu verändern. Beispielsweise können die Schritte lit. a) und b) vertauscht werden. Zur Durchführung des Verfahrens kann, vorzugsweise bei allen Schritten, ein Computer verwendet werden. Der Computer kann verwendet werden, um die Bestrahlung des Gewebes 1 mit dem Anregungslicht 9, die Einstellung der Feldstärke des Magnetfelds 3, der Gradientenstärke des Gradientenfelds und/oder der Frequenz des Wechselfeldes 5, die Detektion des Lumineszenzlichts 11, die Ermittlung der Änderungen der Intensität und/oder dgl. zu automatisieren. Ferner kann mit dem Computer die ortsaufgelöste Darstellung erstellt werden. Mit einem Computer kann eine besonders schelle und effiziente Durchführung des Verfahrens erreicht werden. Insbesondere kann die Durchführung des Verfahrens für einen Anwender erleichtert und es können durch den Anwender verursachte Fehler weitgehend vermieden werden.
3 zeigt schematisch eine weitere Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. Ein in einem Patientenkörper 13 befindliches Organ 14 weist einen in eine Aushöhlung 15 des Organs 14 ragenden Tumor 6 auf. Eine Messeinheit 16 ist mittels einer Sonde 17 in die Aushöhlung 15 eingeführt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind das Magnetfeld 3, das Wechselfeld 5, der Lumineszenzstoff 7, das Anregungslicht 9 und das Lumineszenzlicht 11 nicht dargestellt.
Die Durchführung der Untersuchung bei der weiteren Anordnung erfolgt folgendermaßen:
Die Messeinheit 16 weist Erzeugungs- und Änderungsmittel zum Erzeugen bzw. Ändern eines Permutationssymmetrieungleichgewichts im Organ- und/oder Tumorgewebe auf. Die Messeinheit 16 weist ferner ein Bestrahlungsmittel zum Bestrahlen des mit einem Lumineszensstoff 7 versetzten Organ- und/oder Tumorgewebes mit einer zur Anregung einer Lumineszenz des Lumineszensstoffs 7 geeigneten elektromagnetischen Strahlung auf.
Des Weiteren weist die Messeinheit 16 ein Detektionsmittel zum Detektieren eines vom Lumineszenzstoff 7 ausgehenden Lumineszenzlichts 11 auf. Zum Erzeugen des Permutationssymmetrieungleichgewichts kann das Erzeugungsmittel eine Spule oder einen Permanentmagneten aufweisen. Die Änderung des Permutationssymmetrieungleichgewichts durch das Änderungsmittel kann mittels Spulen oder elektrostatisch erfolgen. Die elektromagnetische Strahlung kann vom Bestrahlungsmittel am Ort der Messeinheit 16, z. B. mit einer Diode, erzeugt werden. Es ist auch möglich, dass das Bestrahlungsmittel einen über die Sonde 17 zur Messeinheit 16 verlaufenden Lichtleiter aufweist. Über den Lichtleiter kann eine außerhalb des Patientenkörpers 13 erzeugte elektromagnetische Strahlung zur Messeinheit 16 geleitet werden. Das Detektionsmittel kann einen in der Messeinheit 16 aufgenommenen Photodetektor oder dgl. umfassen. Es ist auch möglich, dass das Detektionsmittel einen Lichtleiter umfasst, über welchen das vom Lumineszenzstoff 7 ausgehende Lumineszenzlicht 11 von der Messeinheit 16 zu einem außerhalb des Körpers 13 befindlichen Photodetektor oder dgl. geleitet wird. Eine Führung oder Bewegung der Messeinheit 16 in der Aushöhlung 15 kann entweder manuell oder automatisch mittels Zu-, Ab- oder Steuerleitungen erfolgen, welche von außerhalb des Patientenkörpers 13 über die Sonde 17 zur Messeinheit 16 verlaufen. Zur Untersuchung des Organs 14 wird die Messeinheit 16 in die Aushöhlung 15 eingeführt und das Verfahren gemäß der Schritte a) bis d) ausgeführt. Dabei wird das Magnetfeld 3, das Wechselfeld 6 und das Anregungslicht 9 lokal am Ort der Messeinheit 16 in der Aushöhlung 15 erzeugt. Ferner wird das Lumineszenzlicht 11 lokal am Ort der Messeinheit 16 erfasst bzw. detektiert. Eine Beeinflussung des Magnetfelds 3, des Wechselfelds 6, des Anregungslichts 9 und des Lumineszenzlichts 11 durch das Organ 14 umgebende Gewebeschichten kann wesentlich verringert werden. Beispielsweise können Streuungs- und Absorptionsverluste gegenüber der in 1 beschriebenen Anordnung deutlich verringert werden. Das Organ 14 kann besonders genau untersucht und der Tumor 6 besonders sicher lokalisiert werden.
Es ist auch möglich, dass die Messeinheit 16 lediglich eines bzw. eine beliebige Kombination der Erzeugungs-, Änderungs-, Bestrahlungs- und Detektionsmittel aufweist. Beispielsweise kann die Messeinheit 16 das Bestrahlungs-, das Änderungs- und Detektionsmittel umfassen. Zur Erzeugung des Magnetfelds 3 können in Analogie zu 1 außerhalb des Patientenkörpers 13 angebrachte erste Magnetspulen 2 verwendet werden.
Eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung kann in 1 und 2 gezeigte Bestandteile aufweisen. Demnach kann die Vorrichtung erste Magnetspulen 2, eine zweite Magnetspule 4, zumindest eine Lichtquelle 8, einen Detektor 10 mit Filter 12 aufweisen. Ferner kann die Vorrichtung ein Auswertemittel und/oder einen Computer aufweisen. Eine geeignete Vorrichtung kann, wie in 3 dargestellt ist, auch so ausgestaltet sein, dass die Bestandteile in eine in einem Organ 14 oder allgemein in einem Gewebe befindliche oder dazu hinführende Aushöhlung 15 eingeführt werden können. Mit den genannten Vorrichtungen ist eine besonders genaue Untersuchung eines Gewebes 1, Organs 14 und dgl. möglich. Eine Läsion oder beispielsweise ein Tumor 6 kann sicher und zuverlässig lokalisiert werden. Die Vorrichtung kann als eigenständiges Diagnosemittel verwendet werden.

Claims

Verfahren zur Untersuchung eines biologischen Gewebes (1, 6, 14) mit folgenden Schritten: a) Erzeugen eines Magnetfelds (3) im Gewebe (1, 6, 14), so dass ein Permutationssymmetrieungleichgewicht bei einem im Gewebe (1, 6, 14) befindlichen Lumineszenzstoff (7) hervorgerufen wird, b) Bestrahlen des Gewebes (1, 6, 14) mit einer zum Anregen einer Lumineszenz des Lumineszenzstoffs (7) geeigneten kontinuierlichen oder gepulsten elektromagnetischen Strahlung (9), c) Erzeugen eines zum Ändern des Permutationssymmetrieungleichgewichts des Lumineszenzstoffs (7) geeigneten kontinuierlichen oder gepulsten magnetischen Wechselfelds (5) in einem vorgegebenen Ort im Gewebe (1, 6, 14) und d) Detektieren eines durch die Lumineszenz erzeugten Lumineszenzlichts (11) in Abhängigkeit vom Ort der Änderung des Permutationssymmetrieungleichgewichts.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei nach Schritt lit. b) und vor Schritt lit. c) das Lumineszenzlicht (11) detektiert und im Schritt lit. d) eine durch das magnetische Wechselfeld (5) verursachte Änderung des Lumineszenzlichts (11) in Abhängigkeit vom Ort der Änderung des Permutationssymmetrieungleichgewichts erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zum Erzeugen der elektromagnetischen Strahlung (9) zumindest eine monochromatische Strahlungsquelle (8) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Lumineszenz eine Fluoreszenz ist und sich im Gewebe (1, 6, 14) ein aus folgender Gruppe ausgewählter Fluoreszenzstoff (7) befindet: Fluorophore, Fluorochrome, Fluorogene, fluoreszierende Moleküle, fluoreszierende Proteine.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei als elektromagnetische Strahlung Licht (9) mit einer Wellenlänge zwischen 200 nm und 2000 nm, vorzugsweise zwischen 650 nm und 800 nm, verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei dem Detektieren im Schritt lit. d) eine Filterung des Lumineszenzlichts (11) vorgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine CCD-Kamera (10), ein optischer Sensor zum integralen Detektieren des Lumineszenzlichts (11), eine Photodiode, ein Photowiderstand, ein Phototransistor, ein Photomultiplier, ein pyroelektrischer Detektor verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei als Magnetfeld (3) ein Gradientenfeld verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Magnetfeld (3) und das Wechselfeld (5) mittels Magnetspulen (2, 4) und/oder Permanentmagneten erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zum Erzeugen und/oder Ändern des Permutationssymmetrieungleichgewichts und/oder zum Bestrahlen des Gewebes (1, 6, 14) und/oder Detektieren der Lumineszenz in eine im Gewebe (1, 6, 14) befindliche oder zum Gewebe (1, 6, 14) führende Aushöhlung (15) eingebrachte Erzeugungs- (2), Änderungs- (4), Bestrahlungs- (8) und/oder Detektionsmittel verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zur Leitung der elektromagnetischen Strahlung (9) und/oder des Lumineszenzlichts (11) ein Lichtleiter verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei automatisch ein Bild des Gewebes (1, 6, 14) mit einer ortsaufgelösten Darstellung der Intensität des detektierten Lumi neszenzlichts (11) oder eines daraus abgeleiteten Werts erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der abgeleitete Wert ein aus der folgenden Gruppe ausgewählter diagnostischer Parameter ist: Dichte, Elektrolytgehalt, Homogenität, Konzentration, Zusammensetzung der Elektrolyte und des Gewebes (1, 6, 14).
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zur Ausführung von zumindest einem der Schritte lit. a) bis d) und/oder zum Erfassen der Änderungen und/oder zum Erzeugen des Bildes ein Computer verwendet wird.
Vorrichtung zur Untersuchung eines biologischen Gewebes (1, 6, 14) mit a) einem Erzeugungsmittel (2) zum Erzeugen eines Magnetfelds (3) im Gewebe (1, 6, 14), so dass ein Permutationssymmetrieungleichgewicht bei einem im Gewebe (1, 6, 14) befindlichen Lumineszenzstoff (7) hervorgerufen wird, b) einem Änderungsmittel (4) zum Erzeugen eines geeigneten kontinuierlichen oder gepulsten magnetischen Wechselfelds (5) im Gewebe (1, 6, 14), so dass sich das Permutationssymmetrieungleichgewicht in einem vorgegebenen Ort ändert, c) einem Bestrahlungsmittel (8) zum Bestrahlen des Gewebes (1, 6, 14) mit einer zum Anregen einer Lumineszenz des Lumineszenzstoffs (7) geeigneten kontinuierlichen oder gepulsten elektromagnetischen Strahlung (9) und d) einem Detektionsmittel zum Detektieren eines durch die Lumineszenz erzeugten Lumineszenzlichts (11) in Abhängigkeit vom Ort der Änderung des Permutationssymmetrieungleichgewichts.
Vorrichtung nach Anspruch 15 mit einem Erfassungsmittel zum Erfassen einer durch das magnetische Wechselfeld (5) verursachten Änderung des Lumineszenzlichts (11) in Abhängigkeit vom Ort der Änderung des Permutationssymmetrieungleichgewichts
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 oder 16, wobei das Bestrahlungsmittel (8) zumindest eine monochromatische Strahlungsquelle (8) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei die Lumineszenz eine Fluoreszenz ist und der Lumineszenzstoff (7) aus folgender Gruppe ausgewählt ist: Fluorophore, Fluorochrome, Fluorogene, fluoreszierende Moleküle, fluoreszierende Proteine.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei die Strahlungsquelle (8) eine Lichtquelle (8) zum Erzeugen von Licht (9) mit einer Wellenlänge zwischen 200 nm und 2000 nm, vorzugsweise zwischen 650 nm und 800, nm ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei dem Detektionsmittel ein Filter (12) vorgeschaltet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 20, wobei das Detektionsmittel eine CCD-Kamera (10), einen optischen Sensor zum integralen Detektieren des Lumineszenzlichts (11), eine Photodiode, einen Photowiderstand, einen Phototransistor, einen Photomultiplier, einen pyroelektrischen Detektor umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 21, wobei das Magnetfeld (3) ein Gradientenfeld ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 22, wobei das Erzeugungsmittel (2) und das Änderungsmittel (4) Magnetspulen (2, 4) und/oder Permanentmagneten aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 23, wobei das Erzeugungsmittel (2), das Änderungsmittel (4), das Bestrahlungsmittel (8) und/oder das Detektionsmittel in eine im Gewebe (1, 6, 14) befindliche oder zum Gewebe (1, 6, 14) führende Aushöhlung (15) einführbar sind/ist.
Vorrichtung nach Anspruch 24, wobei Mittel (17) zum Einführen des Erzeugungsmittels (2), des Änderungsmittels (4), des Bestrahlungsmittels (8) und/oder des Detektionsmittels in die Aushöhlung (15) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 25, wobei das Bestrahlungsmittel (8) und/oder das Detektionsmittel einen Lichtleiter umfassen/umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 26, mit einem Bilderzeugungsmittel zum automatischen Erzeugen eines Bilds des Gewebes (1, 6, 14) mit einer ortsaufgelösten Darstellung der Intensität des detektierten Lumineszenzlichts (11) oder eines daraus abgeleiteten Werts.
Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei der abgeleitete Wert ein aus der folgenden Gruppe ausgewählter diagnostischer Parameter ist: Dichte, Elektrolytgehalt, Homogenität, Konzentration, Zusammensetzung der Elektrolyte und des Gewebes (1, 6, 14).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 28, mit einem Computer zum Steuern und/oder Einstellen des Erzeugungsmittels (2), des Änderungsmittels (4), des Bestrahlungsmittels (8), des Detektionsmittels und/oder des Bilderzeugungsmittels und/oder zum automatisierten Detektieren, Erfassen, Auswerten und/oder Verarbeiten des detektierten Lumineszenzlichts (11) und/oder der erfassten Änderungen des Lumineszenzlichts (11) und/oder zum Erzeugen des Bilds.