DE102005036147A1 - Anordnung für einen Messkopf zur kombinierten Aufnahme von Remissions- und Fluoreszenz- Spektren sowie von Bildern, vorzugsweise zur Anwendung in der Dermatologie - Google Patents

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung für einen optisch-spektroskopischen Messkopf anzugeben, mit der in kurzen Zeitabständen von einem ausgewählten, fixierten Hautareal in vivo Remissions- und Fluoreszenzspektren sowie ein digitalisiertes Bild aufgenommen werden können. Die Erfindung soll in der Diagnostik von Tumoren und anderen Erkrankungen der menschlichen Haut eingesetzt werden. DOLLAR A Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe dadurch, dass in einem optisch-spektroskopischen Messkopf durch einen zentrisch durchbohrten 45 DEG -Spiegel Spektroskopie-Lichtleitfasern durchgeführt werden, die sowohl die Strahlungsanregung für die Spektroskopie gewährleisten als auch Remissions- und Fluoreszenzsignale zeitlich nacheinander an Spektrometer-Detektionsmodule weiterleiten. Durch diesen Spiegel mit zentrischem Loch wird die optische Achse für die Bildaufnahme um 90 DEG von der optischen Achse der Spektroskopie-Lichtleitfasern ausgelenkt, so dass eine störungsfreie Bildaufnahme ermöglicht wird. Ein weiterer 45 DEG -Spiegel versetzt die optische Achse der Bildaufnahmeeinrichtung seitlich und parallel zur optischen Achse der Spektroskopie-Lichtleitfasern. Als Beleuchtungs-Einrichtung für die Bildaufnahme wird eine LED-Ringbeleuchtung mit weißen LEDs verwendet, die durch ihre spezifische Anordnung und einen diffusen Reflektor homogenisiertes Licht auf das ausgewählte Hautareal abgibt. Als Strahlungsquelle für die Remissionsspektroskopie ist eine stabilisierte Halogenlampe ...

Description

• Die Erfindung betrifft eine Anordnung für einen optisch-spektroskopischen Messkopf, mit der in kurzen Zeitabständen von einem ausgewählten, fixierten Hautareal in vivo Remissions- (400 nm–800 nm), und Fluoreszenzspektren (300 nm–600 nm) sowie ein digitalisiertes Bild aufgenommen werden können. Die Anordnung muss während der Messwertaufnahme nicht bewegt werden, so dass als wesentlicher Vorteil gewährleistet wird, dass die genannten Spektren und das Bild vom gleichen Messort über dem Hautareal registriert werden.
• Für die dermatologische Diagnostik ist es notwendig, dass Fluoreszenz- und Remissionsspektren über dem gleichen Ort einer Hautläsion aufgenommen werden. So müssen bei kanzerogenen Erkrankungen der Haut die Bildinformation einer Läsion exakt mit deren Fluoreszenz- und Remissions-Spektren verknüpft werden können. Bei herkömmlichen Verfahren, die nur auf der Bildauswertung basieren, sind zwar schon hohe Erkennungsraten von Hauterkrankungen wie Tumoren möglich, es kommt aber immer noch zu vielen falsch-positiven und falsch-negativen Aussagen, die einerseits eine Früherkennung der Erkrankung und Therapie verhindern oder andererseits durch unnötige chirurgische Schritte (Exzision) die Therapiekosten in die Höhe treiben. Durch die erfindungsgemäße Anordnung von digitaler Bildaufnahme mit einer spektroskopischen Sensorik soll die diagnostische Aussagekraft bei der Krankheitsfrüherkennung über die bisher übliche 95%-Marke hinaus verbessert werden.
• Auch für optisch-spektroskopische Wiederholungsmessungen von ein und derselben Hautstelle, z.B. für eine Therapieverlaufskontrolle bei dermatologischen Laser-Behandlungen, ist es wichtig, dass immer die gleiche Position der Haut aufgefunden, diagnostiziert und therapiert werden kann, was mit den bisherigen spektroskopischen Methoden nicht möglich ist ( DE 199 34 038 A1 ). So kommt es beim gegenwärtigen Stand der spektroskopischen Technik immer wieder vor, dass bei Wiederholungsuntersuchungen nicht an derselben Stelle gemessen wird, keine exakte Korrelation von Bild- und Spektralinformationen möglich ist und daraus Falschaussagen resultieren.
• Prinzipiell gibt es mehrere Möglichkeiten, mit einem Messkopf sowohl Fluoreszenz- und Remissions-Spektren als auch digitale Bilder aufzunehmen. Bildlichtleiter, bestehen aus vielen, exakt parallel verlaufenden Einzellichtleitfasern und werden zum Strahlungstransport z.B. in der Laser-Therapie angewendet. Damit können sowohl Bilder wie auch Spektren parallel aufgenommen werden. Wenn in die Lichtleitfasern zur spektralen Anregung und Detektion optimal eingekoppelt wird, treten bei der Spektroskopie durch Bildlichtleiter kaum Fehler auf. Für eine medizinische Bildaufnahme sind die Lichtleitfasern beim jetzigen Stand der Technik jedoch zu groß (> 150 μm), so dass nur ein relativ grobes, für die Dermatologie unzureichendes Bild aufnehmbar ist.
• Ein weiterer Lösungsansatz beruht auf Lichtleitfasern, die über dem Untersuchungsareal lateral in das Bildfeld der Kamera eingeschoben werden. Zur Effizienzsteigerung von Strahlungsanregung sowie Detektion können die Lichtleiter an der Spitze mit einem Winkel von 45° angeschliffen werden. Dadurch ist die Bildaufnahme weitgehend unbeeinflusst möglich, es werden jedoch Bildmitte und ein radialer Abschnitt aus dem Bildfeld ausgeblendet. Mit einem Winkel von 45° abgeschrägte Lichtleitfasern sind aus der Spektroskopie, beispielsweise in ATR-Tauchsonden für Flüssigkeiten, bekannt. Hier tritt der Strahl nicht längs in die Faser ein sondern im Winkel von fast 90° dazu. Nachteilig an einem solchen Messkopf ist eine extreme Abstandsabhängigkeit der optischen Signale, die auf einem zusätzlichen Linseneffekt beruht. Freihändige Messungen am Patienten sind damit nicht realisierbar.
• Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung eines halbdurchlässigen Spiegels, den für Bildaufnahme und Spektroskopie jeweils ein Teil des Lichtes passieren kann (TDAS-MSP 3095 Fluorescence Microscope Spectrometer. Firmenschrift J&M Analytische Mess- und Regeltechnik GmbH, Aalen, 2004). Dabei geht jedoch für die Fluoreszenzmessung viel Licht verloren. Außerdem sind spektrale Messungen nur sehr aufwändig zu realisieren, da die Spektralfasern für Anregung und Detektion schon hinter dem Spiegel mit telezentrischen Optiken einzeln fokussiert werden müssen. Eine ähnliche Lösung wird als Mikrospektrometeraufsatz von der Fa. CRAIC für ein Remissions- und Fluoreszenz-Mikroskop angeboten: Neben der Mikroskopaufnahme kann in einem Punkt das Remissionsspektrum gemessen werden (Firmenschrift SPECTRUM Nr. 97, LOT-Oriel GmbH, Darmstadt, 2005). Die Remissions- und Fluoreszenzanregung sowie die Beleuchtung für das Imaging müssen durch externe Quellen in Transmission oder Reflexion vorgenommen werden. Als Konzept eines dermatologischen Handstücks für in vivo- Hautuntersuchungen sind diese Gerätelösungen jedoch nicht verwendbar.
• In der Offenlegungsschrift DE 19934038A1 [Schmidt et. al., 1999], wird ein Verfahren beschrieben, bei dem mit einer kontaktfreien Messsonde sowohl im visuellen Bereich als auch im NIR-Bereich berührungslos spektroskopiert werden kann. Wesentliches Merkmal ist hier die Möglichkeit einer spektralen Messung in einem definierten Abstand über der Hautoberfläche, eine kombinierte Bildaufnahme ist jedoch nicht vorgesehen. In DE 10120787A1 [Schmidt et. al., 2001] wird eine Anordnung zur remissionsgesteuerten selektiven Lasertherapie von Hautgewebe beschrieben. Darin ist ein Bildlichtleiter zur Weiterleitung des Laserstrahls (Lasertaper) sowie zur Remissionsspektroskopie vorgesehen. Diese Anordnung weist Nachteile bei der erreichbaren Bildauflösung auf. In DE 10002238A1 [Mittenzwey, et al, 2000] wird eine Reflexions-Messsonde für die Ermittlung mehrerer optischer Größen beschrieben. Diese ist jedoch nicht für medizinische Anwendungen vorgesehen, sondern beschreibt eine Transmissions-Messkammer, mit der Remission, Transmission und Streuung von zugeführten Materialien gemessen werden können. Ein Verfahren zur nichtinvasiven optischen Bearbeitung von Geweben wird in DE 10148783A1 [König, 2001] beschrieben. Hierbei handelt es sich um ein ophthalmologisches Therapiegerät für die Laser-Korrektur des Auges, wozu eine Kombination von Bildaufnehmer und Spektroskop verwendet werden.
• Die erfindungsgemäße Anordnung für einen optisch-spektroskopischen Messkopf, mit der in kurzen Zeitabständen von einem ausgewählten, fixierten Hautareal in vivo Remissions- und Fluoreszenzspektren sowie ein digitalisiertes Bild erfassbar sind, wird durch eine klassische 0°/0°-Lichtleiteranordnung realisiert, so dass für die Spektroskopie optimale Bedingungen gegeben sind. Bei der Bildaufnahme werden lediglich der für die Spektroskopie-Lichtleiter benötigte Bildfleck in der Mitte sowie der, durch die hineinragenden Lichtleitfasern gebildete Radius des Bildfeldes ausgeblendet. Im Ergebnis ist nur ein kleiner, medizinisch tolerierbarer Bildbereich von < 5% verdeckt.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Anordnung, welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale und mit einer Vorrichtung, welche die in den Ansprüchen 2 und 4 angegebenen Merkmale enthält, erfüllt. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Die erfindungsgemäße Anordnung enthält einen unter 45° angeordneten zentrisch durchbohrten Spiegel. Der Durchmesser der Bohrung beträgt typischerweise einige 100 μm. Durch den zentrisch durchbohrten Spiegel werden in der Mitte die Lichtleitfasern für die Spektroskopie (Strahlungsanregung und -detektion) geführt. Diese Lichtleitfasern sind relativ großkalibrig ausgeführt, damit einerseits genügend Strahlung weitergeleitet und andererseits eine genügende mechanische Stabilität gewährleistet wird. Vor dem Messobjekt ist ein transparentes Fenster mit einem Zielkreuz vorgesehen, das für die Faser-Enden eine zusätzliche Haltefunktion realisiert.
• Als Beleuchtungsquelle für die Bildaufnahme ist eine Ringbeleuchtung mit weißen LEDs vorgesehen, im einfachsten Fall wird zur Homogenisierung der Beleuchtung eine Streuscheibe zwischen die LED-Beleuchtung und das Messobjekt gesetzt. Da aufgrund der vom Messobjekt zurück gestreuten Beleuchtungs-Strahlung dieser Aufbau nicht optimal ist, wird die erfindungsgemäße Beleuchtungsanordnung als so genannter Lichtdom vorgesehen. Mit dieser Anordnung wird das Messobjekt indirekt beleuchtet: Die Weiß-LEDs strahlen zunächst gegen eine diffuse Reflektoreinrichtung, die eine Strahlhomogenisierung bewirkt und dann das Anregungslicht auf das Messareal leitet.
• Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.
• In der zugehörigen Zeichnung zeigt:
• 1 die schematische Darstellung der Erfindung mit allen wichtigen Baugruppen.
• Die Anordnung für einen kombinierten Fluoreszenz- Remissions- und Bildaufnahme-Messkopf in der Dermatologie in 1 besteht aus einem vorzugsweise zylindrischem Gehäuse 3, das außen als Griffstück ausgeführt ist. Im Inneren des Gehäuses ist die Kameraelektronik 16 für den Bildaufnehmer (Kamerachip 6) untergebracht. Die erfindungsgemäße Anordnung besteht weiterhin aus mehreren Spektroskopie-Fasern 2 für die Strahlungsanregung sowie die Detektion, einem unter einem Winkel von 45° angebrachten Spiegel 1 mit zentrischem Loch, einer LED-Ringbeleuchtung 7 für die Bildaufnahme, bestehend aus weißes Licht emittierender LEDs kombiniert mit einem diffusen Reflektor 8 zur Erzeugung homogener Beleuchtungsverhältnisse bestehend aus diffusen Reflektoren oder Streuscheiben, einem weiteren 45°-Spiegel 9, einem transparenten Fenster mit Zielkreuz 5, das ebenso als Halterung für die Spektroskopiefasern dient, einem passgerechten, zentrisch durchbohrtem 45°-Winkelstück 4, einer Kabel- und Faserdurchführung 10 am Gehäusegriffstück, durch die die Lichtleitfasern und die elektronischen Kabel zur externen PC- und Spektroskopie-Auswertetechnik geführt werden, einem Verbindungskabel 13 zwischen Bildaufnehmer und Kameraelektronik, einem Verbindungskabel 14 zwischen Kameraelektronik und Computer sowie einem optoelektronischen Mikrozirkulations-Sensor 11, mit dem zusätzliche physiologische Gewebeeigenschaften wie die kapillare Mikrozirkulation (Pulsfrequenz, Sauerstoffsättigung) des Hautgewebes 15 gemessen wird.
• Als Strahlungsquelle für die Remissionsspektroskopie wird vorrangig eine Halogenlampe verwendet, es ist aber auch eine Kombination aus einer Anordnung mit weißes Licht emittierenden LEDs und einer leistungsschwächeren Halogenlampe möglich. Die Spektroskopie-Fasern 2 bestehen vorteilhafterweise aus zwei Fasern zur Anregung und Detektion der Remission und aus zwei entsprechenden für die Fluoreszenz. Es sind auch andere Faserkombinationen geeignet. Anregungslicht für die Remission wird über eine der Spektroskopie-Fasern 2 dem Hautgewebe 15 zuge führt, remittiert, von einer weiteren Spektroskopie-Faser 2 zur Remissionsdetektion aufgenommen und an ein Spektrometermodul weitergeleitet. Als Anregungsstrahlungsquelle für die Fluoreszenzspektroskopie wird vorrangig eine Kombination von Xenon-Hochdrucklampe und Monochromator verwendet, möglich sind aber auch andere schmalbandige Lichtquellen wie Laser und UV-LEDs sowie eine Blitzlampe mit einem optischen Schmalband-Filter. Die Fluoreszenz-Anregungsstrahlung wird über eine weitere Spektroskopie-Faser 2 dem Hautgewebe 15 zugeführt. Die resultierende Fluoreszenzstrahlung wird mit einer weiteren Spektroskopie-Faser 2, ggf. auch der gleichen Messfaser wie bei der Remissionsmessung, einem empfindlichen Spektrometermodul zur Messung zugeführt. Die Lichtquelle für die Bildaufnahmeeinrichtung besteht aus einer weiß- emittierender LED-Ringbeleuchtung 7 und einem diffusen Reflektor 8 als Homogenisierungseinrichtung. Eine Ablaufsteuerung sorgt dafür, dass nicht alle Strahlungsquellen gleichzeitig Strahlung emittieren, sondern eine vorgegebene zeitliche Reihenfolge eingehalten wird. Im Betriebszustand „Monitoring" beleuchtet nur die weiße Ringlichtquelle das zu untersuchende Hautgewebe 15 und ermöglicht eine einfache Positionierung der erfindungsgemäßen Anordnung über der Hautläsion. Bei der anschließenden Spektralmessung werden die Weißlichquelle ausgeschaltet und zeitlich gestaffelt die Beleuchtungsquellen für die Messung der Remissions- und Fluoreszenz-Spektren zugeschaltet. Über ein passgenaues 45°-Winkelstück 4 wird der zentrisch durchbohrte, schräg gestellte 45°-Spiegel 1 in seiner korrekten Position gehalten, wobei die Spektroskopie-Fasern 2 zentrisch durchgeführt sind. Die Spektroskopie-Fasern 2 werden messobjektseitig durch ein transparentes Fenster mit Zielkreuz 5 mit passgerechten Öffnungen zusätzlich in ihrer Position gehalten. Bei berührender spektraler Haut-Messung werden durch dieses Fenster mit Zielkreuz 5 Verletzungs- und Bruchgefahren verhindert und eine Reinigung der Anordnung entsprechend den Hygiene-Anforderungen erleichtert. Durch einen zweiten 45°-Spiegel 9 wird die optische Achse für die Bildaufnahme so verändert, dass eine Platz sparende Anordnung für die Bildaufnahmeeinrichtung mit dem Kamerachip 6 möglich ist. Ein optoelektronischer Mikrozirkulations-Sensor 11 ist an der Stirnseite des Messkopfes angebracht, der berührend die Mikrozirkulationssignale des Hautgewebes 15 aufnimmt und zur Auswertung an ein externes Gerät zur Bestimmung des Pulses und der relativen Sauerstoffsättigung des kapillaren Bluts weitergibt.
• Zur Detektion der Remissionsspektren werden monolithische Spektrometermodule mit CMOS-Diodenzeilen oder CCD-Zeilen eingesetzt. Die Fluoreszenzspektren werden vorzugsweise mit peltiergekühlten CCD-Zeilen detektiert. Für die Bildaufnahme wird eine optoelektronische Matrixkamera in CCD- oder CMOS-Technologie mit einer geeigneten Abbildungs-Optik verwendet.

1

durchbohrter 45°-Spiegel

2

Spektroskopie-Fasern

3

Gehäuse

4

45°-Winkelstück

5

Fenster mit Zielkreuz

6

Kamerachip

7

LED-Ringbeleuchtung

8

diffuser Reflektor

9

45°-Spiegel

10

Kabel- und Faser-Durchführung

11

Mikrozirkulations-Sensor

12

Objektiv

13

Verbindungskabel von Kamerachip und Kameraelektronik

14

Verbindungskabel von Kameraelektronik und Computer

15

Hautgewebe

16

Kameraelektronik

Claims (10)

1. Anordnung für einen optischen Messkopf zur kombinierten Aufnahme von Remissions- und Fluoreszenz- Spektren sowie von Bildern zur Anwendung, vorzugsweise in der Dermatologie, aufweisend eine Ringbeleuchtung und einen Kamerachip 6 mit Kameraelektronik 16, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem durchbohrten Spiegel 1 für Spektroskopie-Fasern 2 von einer ausgewählten, lokal fixierten Position von Hautgewebe 15 zeitlich versetzt Remissionsspektren, Fluoreszenzspektren und ein Bild aufgenommen werden können.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bildaufnahme eine LED-Ringbeleuchtung 7 bestehend aus Weiß-Licht-LEDs verwendet wird.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Homogenität der von der LED-Ringbeleuchtung 7 ausgehenden Strahlung durch einen diffusen Reflektor 8 verbessert wird.
4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Verlegung des Strahlengangs der optischen Bildaufnahmeeinrichtung (Kamerachip 6) in die ursprüngliche optische Achse ein zweiter, nicht durchbohrter 45°-Spiegel 9 verwendet wird.
5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spektroskopie-Fasern 2 für Anregung und Detektion durch das Loch des 45°-Spiegels 1 geführt und messobjektseitig in einem transparenten Fenster 5 gehaltert werden.
6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein optoelektronischer Mikrozirkulations-Sensor 11 für die Mikrozirkulationsmessung angeordnet ist.
7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtquelle für die Remissionsmessung eine Halogenlampe oder eine Kombination aus weißen LEDs und leistungsschwachen Halogenlampen verwendet wird.
8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Anregungsstrahlungsquelle für die Fluoreszenzmessung ein Laser, eine UV-LED, eine Blitzlampe mit Filter oder eine Anordnung aus Xenon-Hochdrucklampe und Monochromator verwendet wird.
9. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beleuchtung für die Bildaufnahme ein Lichtdom als diffuser Reflektor 8 zur Beleuchtungshomogenisierung verwendet wird.
10. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abbildung ein fokussierendes oder telezentrisches Objektiv 12 vor dem Kamerachip 6 angeordnet ist.