DE102005045906B4

DE102005045906B4 - Vorrichtung zur Aufnahme eines einen Fluoreszenzfarbstoff enthaltenden Gewebes

Info

Publication number: DE102005045906B4
Application number: DE102005045906A
Authority: DE
Inventors: Thomas Ehben; Sebastian Dr. Schmidt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2005-09-26
Filing date: 2005-09-26
Publication date: 2007-11-29
Anticipated expiration: 2025-09-27
Also published as: US20070073159A1; DE102005045906A1

Abstract

Vorrichtung zur Aufnahme eines zumindest abschnittsweise einen Fluoreszenzfarbstoff enthaltenden Gewebes (G) mit einer Beleuchtungseinrichtung (1) zum Beleuchten des Gewebes (G) mit einem zur Anregung des Fluoreszenzfarbstoffs geeigneten ersten Licht (L1) und einer Bilderfassungseinrichtung (4),
wobei die Beleuchtungseinrichtung (1) eine erste Baueinheit (B1) und die Bilderfassungseinrichtung (4) eine separate zweite Baueinheit (B2) bildet,
wobei eine Taktgebereinrichtung (3) zur Erzeugung einer durch eine periodische Abfolge von Beleuchtungs- und Dunkelphasen des ersten Lichts (L1) gegebenen Taktfrequenz vorgesehen ist,
wobei die Bilderfassungseinrichtung (4) einen ersten Kanal zur Erfassung des ersten Lichts (L1) und einen zweiten Kanal zur Erfassung des zweiten Lichts (L2) aufweist, so dass durch das erste Licht (L1) erzeugte Floureszenzbilder getrennt von mit dem zweiten Licht erzeugten nativen Gewebebildern beobachtbar sind, und
wobei eine Bildverarbeitungseinrichtung (6) mit einem Bildverarbeitungsprogramm zur Überlagerung der nativen Gewebebilder und der Fluoreszenzbilder vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufnahme eines zumindest abschnittsweise einen Fluoreszenzfarbstoff enthaltenden Gewebes nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei der chirurgischen Entfernung eines Tumors tritt das Problem auf, dass gesundes Gewebe von einem mit einem Tumor befallenden Gewebe mit bloßem Auge häufig nicht unterschieden werden kann. Um hier Abhilfe zu schaffen, wird dem Patienten vor der Operation ein Fluoreszenzfarbstoff verabreicht, der sich spezifisch im Tumor anreichert. Bei der Operation wird das freigelegte Gewebe mit einem zur Anregung des Fluoreszenzfarbstoffs geeigneten Licht im nahen Infrarotbereich beleuchtet. Das Gewebe wird mit einer Bilderfassungseinrichtung aufgenommen, welche eine optische Einheit zur Trennung eines durch das Fluoreszenzlicht erzeugten Fluoreszenzbilds und ei nes durch das Umgebungslicht gebildeten nativen Gewebebilds aufweist. Die aufgenommenen Fluoreszenzbilder und die Gewebebilder werden mittels einer Bildverarbeitungseinrichtung überlagert, wobei das tumoröse Gewebe beispielsweise mittels einer Falsch-Farbendarstellung im überlagerten Bild kenntlich gemacht wird.
Das vom Fluoreszenzfarbstoff abgestrahlte Fluoreszenzlicht weist im Vergleich zum Umgebungslicht eine wesentlich geringere Intensität auf. Zur Bilderzeugung muss das Fluoreszenzbild hoch verstärkt werden. Dabei tritt das Problem auf, dass auch das Umgebungslicht spektrale Anteile enthält, welche dem vom Fluoreszenzfarbstoff abgestrahlten Fluoreszenzlicht entsprechen. Auch dieses störende Fluoreszenzlicht wird bei der Bilderzeugung verstärkt und verfälscht die Fluoreszenzbilder.
Um diesem Nachteil entgegenzuwirken, wird nach dem Stand der Technik versucht, die Intensität des vom Fluoreszenzfarbstoff Um diesem Nachteil entgegenzuwirken, wird nach dem Stand der Technik versucht, die Intensität des vom Fluoreszenzfarbstoff abgestrahlten Fluoreszenzlichts zu steigern. Zu diesem Zweck verwendet man eine starke Anregungslichtquelle, welche zur Erzeugung von Licht im nahen infraroten Bereich LEDs enthält. Die LEDs werden zur Erzielung einer besonders hohen Leistung gepulst bzw. getaktet betrieben. Es gelingt damit zwar eine verbesserte Unterscheidung von Fluoreszenzfarbstoff enthaltenden Gewebeabschnitten gegenüber anderen Gewebeabschnitten. Abschnitte des Gewebes, welche nur sehr wenig Fluoreszenzfarbstoff enthalten, können aber auch mit herkömmlichen Vorrichtungen nicht eindeutig von anderen Gewebeabschnitten unterschieden werden.
Die DE 102 36 029 A1 offenbart eine Einrichtung zum Dispensieren und Beobachten der Lumineszenz von Einzelproben in Multiprobenanordnungen, insbesondere für die Untersuchung von biologischen, chemischen oder zellbiologischen Assays mit hohem Probendurchsatz. Dabei ist ein optisches System zur Übertragung von Lumineszenzlicht, das in den Kavitäten der Mikroplatte infolge der Dispensierung angeregt wird, auf eine CCD-Kamera vorgesehen.
Die DE 696 33 376 T2 offenbart eine Messvorrichtung einer intraokularen Substanz. Zum Bestrahlen eines Augapfels mit einem monochromatischen Einwellenlängen-Anregungslichtstrahl zum Erfassen eines Messlichts, welches entweder gestreutes Licht oder eine Fluoreszenz aufweist, ist ein optisches Photoempfangssystem vorgesehen.
Die EP 1 562 038 A2 beschreibt ein spektroskopisches Verfahren zum Analysieren einer Probe, bei dem die Probe mit einer Strahlung bestrahlt wird. Eine von der Probe abgestrahlte Rückstrahlung ist moduliert. Die modulierte Strahlung wird unter unterschiedlichen Abständen von der Probe beobachtet.
Die DE 101 38 072 A1 beschreibt ein Verfahren zum Bestimmen der Anwesenheit bzw. Abwesenheit mindestens eines Poly peptids/Proteins an mindestens einem vorgegebenen Messpunkt auf einem Reaktionsträger. Der Reaktionsträger wird einer elektromagnetischen Strahlung ausgesetzt, welche die Eigenfluoreszenz des Polypeptids/Proteins anregen kann.
Aus der DE 102 57 237 A1 ist eine Anordnung zur optischen Erfassung von in einer Probe angeregter Lichtstrahlung bekannt, wobei die Probenbeleuchtung in einer Pupillenebene des Strahlengangs zwischen Probenebene und Erfassungsebene fokussiert wird und in dieser Ebene Mittel zur räumlichen Trennung des Beleuchtungslichts vom Detektionslicht vorgesehen sind.
Aus der EP 1 340 973 A1 ist eine Lichtmessvorrichtung bekannt, die ein optisches System zum Ausblenden und Fokussieren einer zur Messung notwendigen Lichtquellenlänge umfasst. Ferner ist ein Detektor zur Erfassung einer von der Probe erzeugten Fluoreszenz oder Phosphoreszenz vorgesehen.
Aufgabe der Erfindung ist, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere eine Vorrichtung angegeben werden, mit der einen Fluoreszenzfarbstoff enthaltende, z.B. mit einem Tumor befallene, Abschnitte eines Gewebes mit weiter gesteigerter Empfindlichkeit von anderen Gewebeabschnitten unterscheidbar sind.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 13.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht die Verwendung einer Beleuchtungseinrichtung mit einer besonders hohen Leistung und damit eine besonders exakte Unterscheidung von einen Fluoreszenzfarbstoff enthaltenden Abschnitten eines Gewebes, z.B. eines Tumors, von anderen Gewebeabschnitten.
Wegen der Trennung der Beleuchtungs- und der Bilderfassungseinrichtung kann vorteilhafterweise nunmehr nur die Bilderfassungseinrichtung als Handgerät ausgeführt sein.
Eine weitere Beleuchtungseinrichtung zur Erzeugung eines zweiten Lichts kann Bestandteil der ersten Baueinheit sein. Bei der weiteren Beleuchtungseinrichtung kann es sich beispielsweise um eine herkömmliche Lichtquelle zur Beleuchtung eines Operationsbereichs handeln.
Die Bilderfassungseinrichtung kann zumindest eine Kamera, vorzugsweise eine CCD-Kamera, umfassen. Zweckmäßigerweise weist die Bilderfassungseinrichtung zumindest zwei CCD-Kameras auf. Ferner weist die Bilderfassungseinrichtung einen ersten Kanal zur Erfassung des ersten Lichts und einen zweiten Kanal zur Erfassung des zweiten Lichts auf. Dazu kann beispielsweise ein Strahlteiler vorgesehen sein, mit dem durch das erste Licht erzeugte Fluoreszenzbilder von mit dem zweiten Licht beobachtbaren nativen Gewebebildern getrennt, beispielsweise jeweils mit einer CCD-Kamera beobachtet werden können. Dabei kann eine erste CCD-Kamera insbesondere im Bereich einer Lichtwellenlänge von mehr als 700 nm und eine zweite CCD-Kamera eine Empfindlichkeit insbesondere im Bereich von 350 bis 700 nm aufweisen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Beleuchtungseinrichtung zur Erzeugung des ersten Lichts LEDs auf. Damit kann dass erste Licht in einem gewünschten Spektralbereich erzeugt werden. Das erste Licht kann insbesondere Licht im Infrarotbereich, vorzugsweise im nahen Infrarotbereich, sein. Es kann sich dabei um Licht mit einer Wellenlänge von mehr als 700 nm handeln.
Ferner ist eine Taktgebereinrichtung zur Erzeugung einer durch eine periodische Abfolge von Beleuchtungs- und Dunkelphasen gegebenen Taktfrequenz vorgesehen. Die Taktfrequenz kann 10 bis 100 Hz, vorzugsweise 20 bis 40 Hz, betragen. Die vorgeschlagene Taktfrequenz ist mit dem Auge nicht mehr erkennbar und stört damit nicht die Beobachtung des beleuchteten Gewebes. Die Taktgebereinrichtung kann Bestandteil der Beleuchtungseinrichtung oder der Bilderfassungseinrichtung sein.
Ferner kann eine Synchronisationseinrichtung zur Erzeugung eines der Taktfrequenz entsprechenden Synchronisationssignals vorgesehen sein. Die Synchronisationseinrichtung kann einen Sender und einen Empfänger zum drahtlosen Übermitteln eines das Synchronisationssignal bildenden Funksignals umfassen. Nach einer weiteren Ausgestaltung kann die Synchronisationseinrichtung auch eine optische Erfassungseinrichtung zur Erfassung des mit der Taktfrequenz erzeugten ersten Lichts umfassen. Damit ist es möglich, die Beleuchtungs- und die Bilderfassungseinrichtung zu synchronisieren. Die Bilderfassungseinrichtung weist in diesem Fall zweckmäßigerweise eine Einrichtung zur separaten Erfassung von während der Beleuchtungsphasen durch die Anregung des Fluoreszenzfarbstoffs erzeugten ersten Fluoreszenzbildern und von während der Dunkelphasen durch Beleuchtung des Gewebes mit dem zweiten Licht erzeugten zweiten Fluoreszenzbildern. Das ermöglicht eine Korrektur der während der Beleuchtungsphasen aufgenommenen ersten Fluoreszenzbilder beispielsweise durch eine Subtraktion der während der Dunkelphasen aufgenommenen zweiten Fluoreszenzbilder. Damit können durch eine Anregung mit dem zweiten Licht verursachte Störsignale erfasst und eliminiert werden.
Nach einer alternativen Ausgestaltung ist es auch möglich, dass die weitere Beleuchtungseinrichtung eine Einrichtung zur Erzeugung einer durch eine periodische Abfolge von weiteren Beleuchtungs- und Dunkelphasen des zweiten Lichts gegebenen weiteren Taktfrequenz umfasst, wobei die weitere Taktfrequenz gegenüber der Taktfrequenz um 180° phasenverschoben ist. In diesem Fall werden also abwechselnd das erste und das zweite Licht erzeugt. Das ermöglicht eine besonders einfache Ausgestaltung der Bilderfassungseinrichtung. Sie kann in diesem Fall lediglich eine CCD-Kamera umfassen, welche sowohl im Bereich des Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht der wesentlichen Komponenten der Vorrichtung und
2 eine schematische Ansicht einer Bilderfassungseinrichtung.
In 1 umfasst eine erste Beleuchtungseinrichtung 1 eine Vielzahl leistungsstarker LEDs (hier nicht gezeigt) zur Erzeugung eines ersten Lichts L1 im nahen Infrarotbereich, d. h. im Wellenlängenbereich von 700 bis 800 nm. Eine zweite Beleuchtungseinrichtung 2 kann herkömmliche Leuchtmittel oder auch LEDs zur Erzeugung eines zweiten Lichts L2 umfassen. Das zweite Licht L2 umfasst die Wellenlängen des sichtbaren Lichts, d. h. insbesondere einen Wellenlängenbereich von 350 bis 750 nm.
Eine Taktgebereinrichtung 3 ist mit der ersten Beleuchtungseinrichtung 1 und – beim hier gezeigten Ausführungsbeispiel – auch mit der zweiten Beleuchtungseinrichtung 2 verbunden. Die erste 1 und die zweite Beleuchtungseinrichtung 2 sowie die Taktgebereinrichtung 3 bilden eine erste Baueinheit B1, welche in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sein kann. Es kann sich dabei beispielsweise um das Gehäuse einer Lampe zum Beleuchten eines zu operierenden Patienten handeln.
Zum Empfang eines Bilds des mit dem ersten L1 und dem zweiten Licht L2 beleuchteten Abschnitts eines Gewebes G ist in einer zweiten Baueinheit B2 eine Bilderfassungseinrichtung 4 mit einer Synchronisationseinrichtung 5 vorgesehen. Die zweite Baueinheit B2 ist vorzugsweise als Handgerät ausgeführt. Mit dem Bezugszeichen 6 ist eine Bildverarbeitungseinrichtung bezeichnet, bei der es sich vorzugsweise um einen Computer mit einem herkömmlichen Bildverarbeitungsprogramm handelt. Mit dem Bildverarbeitungsprogramm können insbesondere ein natives Gewebebild und ein den Fluoreszenzfarbstoff enthaltender Abschnitt des Gewebes G wiedergebendes Fluoreszenzbild überla gert werden. Ein mit einem Bildverarbeitungsprogramm erzeugtes Bild kann an einem Monitor 7 beobachtet werden.
2 zeigt eine schematische Schnittansicht der Bilderfassungseinrichtung 4. Einem Objektiv 8 ist ein Strahlteiler 9 im Strahlengang nachgeordnet. Zwischen einer ersten Kamera 10 und dem Strahlenteiler 9 befindet sich ein erster Filter 11, welcher für mit einer Wellenlänge von weniger als 700 nm undurchlässig ist. Zwischen einer zweiten Kamera 12 und dem Strahlenteiler 9 ist ein zweiter Filter 13 angeordnet, welcher in einem Wellenlängenbereich ab 700 nm undurchlässig ist.
Die Funktion der Vorrichtung ist folgende:
Die Taktgebereinrichtung 3 erzeugt ein Taktsignal, beispielsweise mit einer Frequenz von 40 Hz zum periodischen An- und Ausschalten der ersten Beleuchtungseinrichtung 1. Falls die zweite Beleuchtungseinrichtung 2 als Leuchtmittel LEDs umfasst, kann mit der Taktgebereinrichtung 3 ferner ein weiteres Taktsignal erzeugt werden, mit dem die zweite Beleuchtungseinrichtung 2 relativ zur ersten Beleuchtungseinrichtung 1 um 180° phasenverschoben an- und ausgeschaltet wird.
Mit dem ersten Licht L1 wird ein im Gewebe G enthaltener Fluoreszenzfarbstoff angeregt. Das damit erzeugte erste Fluoreszenzbild wird von der ersten Kamera 10 der Bilderfassungseinrichtung 4 erfasst. Ein damit in der ersten Kamera 10 erzeugtes Signal kann zur Ansteuerung der Synchronisationseinrichtung 5 verwendet werden. Mit der Synchronisationseinrichtung 5 wiederum wird die Bilderzeugungseinrichtung 6 so angesteuert, dass die mit der ersten Kamera 10 aufgenommenen ersten Fluoreszenzbilder separat mit der Bilderzeugungseinrichtung 6 erfasst und verarbeitet werden. In ähnlicher Weise können während der mit der zweiten Beleuchtungseinrichtung 2 erzeugten phasenverschobenen Beleuchtungsphasen native Gewebebilder mit der zweiten Kamera 12 aufgenommen, separat von der Bilderzeugungseinrichtung 6 erfasst und verarbeitet werden.
Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel werden also abwechselnd native Gewebebilder und erste Fluoreszenzbilder aufgenommen und mittels der Bilderzeugungseinrichtung 6 zu einem Bild überlagert.
Nach einer weiteren Ausgestaltung kann es auch sein, dass mit der zweiten Beleuchtungseinrichtung 2 kontinuierlich zweites Licht erzeugt wird. In diesem Fall ist die Taktgebereinrichtung 3 nicht mit der zweiten Beleuchtungseinrichtung 2 verbunden.
Im zweiten Licht L2 können Wellenlängenanteile enthalten sein, welche den im Gewebe G enthaltenen Fluoreszenzfarbstoff anregen. Es ergibt sich damit ein Störsignal, welches die Aussagekraft der ersten Fluoreszenzbilder vermindert. Zur Korrektur ist es möglich, während der Beleuchtungsphasen der ersten Beleuchtungseinrichtung 1 mittels der ersten Kamera 10 erste Fluoreszenzbilder aufzunehmen und während der Dunkelphasen der ersten Beleuchtungseinrichtung 1 ebenfalls mit der ersten Kamera 10 zweite Fluoreszenzbilder aufzunehmen. Die zweiten Fluoreszenzbilder geben das Störsignal wieder. Durch eine Subtraktion der zweiten Fluoreszenzbilder von den ersten Fluoreszenzbildern kann das Störsignal eliminiert werden. Anschließend können die korrigierten ersten Fluoreszenzbilder mit den nativen Gewebebildern überlagert werden. Die Synchronisationseinrichtung 5 dient in diesem Fall auch zur getrennten Erfassung der ersten und zweiten Fluoreszenzbilder mittels der Bilderzeugungseinrichtung 6.
Neben der oben beschriebenen optischen Ansteuerung der Synchronisationseinrichtung 5 ist es auch möglich, diese mittels eines Funksignals anzusteuern. Dazu können die Taktgebereinrichtung 3 beispielsweise über eine entsprechende Sendevorrichtung (hier nicht gezeigt) und die Synchronisationseinrichtung 5 über eine (nicht gezeigte) Empfangsvorrichtung verfügen. Anstelle der Sende- und der Empfangsvorrichtungen können die Taktgebereinrichtung 3 und die Synchronisationseinrichtung aber auch mit einem Kabel verbunden sein. Die Synchronisationseinrichtung 5 kann auch Bestandteil der Bilderzeugungseinrichtung 4, insbesondere der ersten 10 und/oder der zweiten Kamera 12 sein, sofern diese zur Erzeugung eines internen Synchronisationssignals geeignet sind. Insbesondere CCD-Kameras arbeiten mit einem internen Taktsignal, welches zur Erzeugung eines Synchronisationssignals verwendet werden kann. Dazu kann beispielsweise das erste Licht L1 mit einer hohen zeitlichen Auflösung abgetastet und durch eine Frequenzvervielfachung mittels einer PLL (phased locked loop) das Synchronisationssignal erzeugt werden.

Claims

Vorrichtung zur Aufnahme eines zumindest abschnittsweise einen Fluoreszenzfarbstoff enthaltenden Gewebes (G) mit einer Beleuchtungseinrichtung (1) zum Beleuchten des Gewebes (G) mit einem zur Anregung des Fluoreszenzfarbstoffs geeigneten ersten Licht (L1) und einer Bilderfassungseinrichtung (4), wobei die Beleuchtungseinrichtung (1) eine erste Baueinheit (B1) und die Bilderfassungseinrichtung (4) eine separate zweite Baueinheit (B2) bildet, wobei eine Taktgebereinrichtung (3) zur Erzeugung einer durch eine periodische Abfolge von Beleuchtungs- und Dunkelphasen des ersten Lichts (L1) gegebenen Taktfrequenz vorgesehen ist, wobei die Bilderfassungseinrichtung (4) einen ersten Kanal zur Erfassung des ersten Lichts (L1) und einen zweiten Kanal zur Erfassung des zweiten Lichts (L2) aufweist, so dass durch das erste Licht (L1) erzeugte Floureszenzbilder getrennt von mit dem zweiten Licht erzeugten nativen Gewebebildern beobachtbar sind, und wobei eine Bildverarbeitungseinrichtung (6) mit einem Bildverarbeitungsprogramm zur Überlagerung der nativen Gewebebilder und der Fluoreszenzbilder vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Bilderfassungseinrichtung (4) als Handgerät ausführt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine weitere Beleuchtungseinrichtung (2) zur Erzeugung eines zweiten Lichts (L2) Bestandteil der ersten Baueinheit (B1) ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bilderfassungseinrichtung (4) zumindest eine Kamera (10, 12), vorzugsweise eine CCD-Kamera, umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beleuchtungseinrichtung (1) zur Erzeugung des ersten Lichts (L1) LEDs aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Licht (L1), Licht im Infrarotbereich, vorzugsweise nahen Infrarotbereich, ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Taktfrequenz 10 bis 100 Hz, vorzugsweise 20 bis 40 Hz, ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Taktgebereinrichtung (3) Bestandteil der Beleuchtungseinrichtung (1) oder der Bilderfassungseinrichtung (4) ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Synchronisationseinrichtung (5) zur Erzeugung eines der Taktfrequenz entsprechenden Synchronisationssignals vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Synchronisationseinrichtung (5) einen Sender und einen Empfänger zum drahtlosen Übermitteln eines das Synchronisationssignal bildenden Funksignals umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Synchronisationseinrichtung (5) eine optische Erfassungseinrichtung zur Erfassung des mit der Taktfrequenz erzeugten ersten Lichts umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bilderfassungseinrichtung (4) eine Einrichtung (9, 10, 11, 12, 13) zur separaten Erfassung von während der Beleuchtungsphasen durch die Anregung des Fluoreszenzfarbstoffs erzeugten ersten Fluoreszenzbildern und von während der Dunkelphasen durch Beleuchtung des Gewebes mit dem zweiten Licht erzeugten zweiten Fluoreszenzbildern umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die weitere Beleuchtungseinrichtung (2) eine Einrichtung zur Erzeugung einer durch eine periodische Abfolge von weiteren Beleuchtungs- und Dunkelphasen des zweiten Lichts (L2) gegebenen weiteren Taktfrequenz umfasst, wobei die weitere Taktfrequenz gegenüber der Taktfrequenz um 180° phasenverschoben ist.