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Die
Erfindung betrifft eine Bildgebungsvorrichtung zur Fluoreszenzbildgebung,
insbesondere von Kleintieren, umfassend eine Lichtquelle zur Erzeugung
von Anregungslicht in einem Untersuchungsbereich und eine optische
Bildaufnahmeeinrichtung zum Empfang von Emissionslicht aus dem Untersuchungsbereich
und zur Aufnahme von Bildern aus einer ersten Blickrichtung.
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Ein
aktueller Forschungsgegenstand der Biotechnologie sind Fluoreszenzmittel,
die als metabolische Marker verwendet werden können. Diese Fluoreszenzmittel
reichern sich entweder ausschließlich in bestimmten Regionen,
wie beispielsweise Tumoren, Entzündungen
oder anderen bestimmten Krankheitsherden, an, oder sind zwar überall im
Körper verteilt,
werden jedoch nur in bestimmten Regionen, beispielsweise aufgrund
tumorspezifischer Enzymaktivitäten,
aktiviert. Die Erkennung einer auf diese Weise fluoreszent markierten
Region erfolgt über eine
Bestrahlung der Region mit einem Anregungslicht, wobei die Wellenlänge des
Anregungslichts der Anregungswellenlänge des Fluoreszenzmittels
entspricht. Hiernach wird das als Reaktion ausgestrahlte Emissionslicht
der Emissionswellenlänge
des Fluoreszenzmittels detektiert. Bei einer Zulassung für den Humanbereich
würden
diese Fluoreszenzmittel die (Früh-)
Erkennung der genannten pathologischen Zustände deutlich verbessern, denn
nach bisherigen Untersuchungen an Tieren korreliert die Intensität der Fluoreszenz
mit der Aggressivität
des entsprechenden Tumors.
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Augenblicklich
wird dieses Verfahren, das auch als Fluoreszenzbildgebung bezeichnet
wird, hauptsächlich
zur Beobachtung von Tumoren, beispielsweise im Hinblick auf das
Wachstum oder das inverse Wachstum, und in der Medikamentenentwicklung
eingesetzt. Dabei ist häufig
hauptsächlich eine
vergleichende Aussage im Hinblick auf eine Veränderung erwünscht und nicht unbedingt eine
diagnostische Aussage. Einen Überblick über dieses Thema
enthält
beispielsweise ein Artikel von Umar Mahmood et al., „Near-Infrared
Optical Imaging of Protease Activity for Tumor Detection" in Radiology 213:
3, Seiten 866 bis 870 (1999).
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Um
entsprechende Messungen durchführen zu
können,
wurden verschiedene Bildgebungsvorrichtungen entworfen. Bekannt
sind vor allem zwei Arten von optischen Bildgebungsvorrichtungen.
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Zum
einen sind planare Architekturen bekannt, die prinzipiell das Untersuchungsobjekt,
insbesondere das Tier, flächig
mit Anregungslicht in der Anregungswellenlänge des Fluoreszenzmittels
beleuchten und mit einer beispielsweise als CCD-Kamera ausgebildeten
Kamera das Emissionslicht als zweidimensionales Bild aufnehmen.
Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise in A. Wall et al., „New multichannel
fluorescence reflectance imaging system for small animal applications", proceedings of
the ECR 2003, Vienna, offenbart. Eine solche Bildgebungsvorrichtung
umfasst eine Lichtquelle zur Erzeugung von Anregungslicht. Dabei
ist meist zunächst ein
Lichterzeugungsmittel vorgesehen, dem ein Filter vorgeschaltet ist,
so dass nur das Licht der Anregungswellenlänge das Untersuchungsobjekt
erreicht. Dieser Filter kann auch veränderlich sein, wenn verschiedene
Fluoreszenzmittel bzw. verschiedene Anregungslichtwellenlängen vorliegen.
Auch der Bildaufnahmeeinrichtung ist meist vorteilhafterweise ein Filter
vorgeschaltet, der nur Licht der Emissionswellenlänge zur
Bildaufnahmeeinrichtung vordringen lässt. Hierbei ist anzumerken,
dass die meisten Fluoreszenzmittel im Nahinfrarotbereich genutzt
werden, da in diesen Wellenlängenbereichen
(beispielsweise etwa 600-800 nm) das Gewebe im „optischen" Wellenlängenbereich am ehesten durchlässig für Photonen
ist.
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Der
Nachteil einer solchen Bildgebungsvorrichtung ist, dass lediglich
ein zweidimensionales Bild erhalten wird, welches keinerlei dreidimensionale
Informationen, beispielsweise über die
genaue Position des Tumors oder dessen Volumen, enthält. Daher sind
Aufnahmen über
das Wachstum nur sehr schwierig fundiert zu treffen.
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Zusätzlich sind
auch tomographische Architekturen bekannt, bei denen das Fluoreszenzmittel über eine
Vielzahl direkt eingekoppelter Lichtfasern punktuell angeregt wird
und das Licht über
eben solche Fasern einem Detektionsmittel zugeführt wird, so dass unter gewissen
Modellannahmen ein dreidimensionales Bild errechnet werden kann.
Eine derartige Vorrichtung wird beispielsweise in einem Artikel von
Vasilis Niziachristos et al., „In Vivo Tomographic Imaging
of Near-Infrared
Fluorescent Probes",
Molecular Imaging 1 (2): 82-88 (2002), beschrieben. Nachteilhafterweise
ist ein solches Aufnahmeverfahren trotz der detaillierten Information
extrem aufwändig
in Messung und Berechnung des dreidimensionalen Bildes.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Bildgebungsvorrichtung
anzugeben, die bei einfachem Aufbau eine schnelle und aufwandsarme
Fluoreszenzbildgebung unter Erhalt dreidimensionaler Informationen
erlaubt.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe ist bei einer Bildgebungsvorrichtung der eingangs
genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen,
dass eine Spiegelanordnung mit wenigstens einem ersten Spiegel zur Umlenkung
von Emissionslicht aus dem Untersuchungsbereich zur Bildaufnahmeeinrichtung
derart vorgesehen ist, dass Bilder des Untersuchungsbereichs aus
wenigstens einer zweiten Blickrichtung aufnehmbar sind.
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Erfindungsgemäß ist demnach
vorgesehen, dass über
die Spiegelanordnung Licht so zu der Bildaufnahmeeinrichtung umgelenkt
wird, dass zwei unter einem Winkel zueinander stehende Bilder aufgenommen
werden können,
also Bilder aus zwei Blickrichtungen. Aus zweidimensionalen Bildern,
die verschiedene Ansichten des Untersuchungsobjekts, insbesondere
des Kleintiers, beschreiben, ist es jedoch möglich, unter Verwendung beispielsweise
von Rückprojektionsalgorithmen,
eine Positionsinformation eines fluoreszierenden Bereichs innerhalb
des Untersuchungsobjekts zu erhalten. Unter bestimmten Modellannahmen
ist es auch möglich,
das Volumen – insbesondere
im Hinblick auf eine Größenveränderung – abzuschätzen. Zur
Durchführung
dieser Rechnungen kann die Bildgebungsvorrichtung unmittelbar eine
Recheneinrichtung umfassen, so dass die relevanten dreidimensionalen
Informationen zeitnah nach der Aufnahme berechnet und ausgegeben
werden können.
Damit ist eine einfach zu realisierende Möglichkeit zum Erhalt dreidimensionaler
Informationen beschrieben, die die Vorteile der zweidimensionalen
Bildaufnahme weiterhin nutzt, beispielsweise die sehr schnell erfolgende
Bildaufnahme. Zweckmäßigerweise
können
die Spiegelanordnung bzw. die einzelnen Spiegel auch aus der Bildgebungsvorrichtung
entnehmbar ausgestaltet werden, wenn für bestimmte Untersuchungen
lediglich eine einzige zweidimensionale Aufnahme aus einer Blickrichtung
gewünscht
ist.
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Hierbei
können
selbstverständlich
auch Aufnahmen von Bildern aus mehr als zwei Blickrichtungen vorgesehen
sein, so dass die Genauigkeit der erhaltbaren dreidimensionalen
Information noch erhöht wird.
Sind bei Verwendung von wenigstens zwei Spiegeln zwei Blickrichtungen
vorgesehen, so stehen diese vorteilhafterweise in einem Winkel von
90° zueinander,
da hieraus eine größtmögliche Informationsdichte
bei zwei Aufnahmen ermöglicht
wird. Es ist jedoch auch denkbar, drei Blickrichtungen zu ermöglichen,
die allesamt um 90° verdrehte
Bildebenen aufweisen. Auch vier Aufnahmen unter Verwendung von insbesondere
vier ersten Spiegeln, von denen jeweils zwei in einem 90°-Winkel zueinander
stehen können,
sind denkbar.
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Zur
genaueren Ausgestaltung der Bildgebungsvorrichtungen sind mehrere
Möglichkeiten
zu unterscheiden.
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Zum
einen ist es möglich,
dass eine der Blickrichtungen, insbesondere die erste Blickrichtung,
dem unmittelbar von dem Untersuchungsobjekt zur Bildaufnahmeeinrichtung
verlaufenden Lichtweg entspricht. Der wenigstens eine erste Spiegel
lenkt schließlich
noch Licht aus einer anderen Blickrichtung auf die Bildaufnahmeeinrichtung
um. In diesem Fall kann beispielsweise lediglich ein erster Spiegel vorgesehen
sein, der in einer Ausführungsform
seitlich des Untersuchungsobjekts so angeordnet ist, dass zur Seite
austretendes Emissionslicht zur Bildaufnahmeeinrichtung umgelenkt
wird. Die hierbei gegebenenfalls entstehende Verzerrung kann leicht durch
eine geeignete Recheneinrichtung rückgerechnet werden, so dass
die Bilder unmittelbar vergleichbar sind. Selbstverständlich können auch
in einer solchen Ausgestaltung mehrere erste Spiegel vorgesehen
sein, die entsprechend angeordnet sind.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann auch vorgesehen sein,
dass keine der Blickrichtungen dem unmittelbar, das heißt ohne
Umlenkung, auf die Bildaufnahmeeinrichtung einfallenden Licht aus
dem Untersuchungsbereich entspricht. In einem solchen Fall, aber
auch im Rahmen der ersten Ausgestaltung, wenn beispielsweise die
Bilder zeitlich versetzt hintereinander aufgenommen werden, ist
es zweckmäßig, wenn
weiterhin ein Abschattungselement zur gegebenenfalls bedarfsweisen
Verhinderung direkten Lichteinfalls von Emissionslicht aus dem Untersuchungsbereich
auf die Bildaufnahmeeinrichtung vorgesehen ist. Das Abschattungselement
dient demnach dazu, einen direkten Lichteinfall von Emissionslicht
auf die Bildaufnahmeeinrichtung zu vermeiden. Entspricht eine der
Blickrichtungen dem direkten Emissionslichtweg aus dem Untersuchungsbereich
zu der Bildaufnahmeeinrichtung, so sollte das Abschattungselement
dermaßen
ausgestaltet sein, dass es bedarfsweise aus dem unmittelbaren Lichtweg
entfernbar ist, so dass keine Abschattung vorliegt, wenn eine Bildaufnahme
aus dieser Blickrichtung erfolgen soll. Wird eine Aufnahme beispielsweise
aus einer zweiten Blickrichtung angefertigt, so kann das Abschattungselement
wieder in den Lichtweg eingebracht werden. Die Aufnahmen erfolgen
in diesem Fall zeitlich nacheinander.
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Mit
besonderem Vorteil kann das Abschattungselement selber als ein Spiegel
vorgesehen sein. Dann ist es beispielsweise möglich, wenn nur ein erster
Spiegel vorgesehen ist, das Abschattungselement beispielsweise so
in den direkten Lichtweg einzubringen, dass Licht des ersten Spiegels
insbesondere verzerrungsfrei in Richtung der Bildaufnahmeeinrichtung
umgelenkt wird, während
der unmittelbare Lichteinfall abgeschirmt wird.
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Besonders
vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstands ergeben sich
jedoch auch, wenn der direkte Lichtweg als Blickrichtung ungenutzt
bleibt und lediglich umgelenktes Licht von der Bildaufnahmeeinrichtung
aufgenommen wird. Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass
wenigstens zwei um insbesondere 90° gegeneinander gedrehte, auf
einer Ebene parallel zur Ebene der Bildaufnahmeeinrichtung angeordnete
erste Spiegel Emissionslicht unmittelbar oder über wenigstens einen, in einem
mittigen Bereich zwischen den ersten Spiegeln angeordneten zweiten
Spiegel zu der Bildaufnahmeeinrichtung umlenken, wobei die ersten Spiegel
einen gleichen Abstand zur optischen Achse der Bildaufnahmeeinrichtung
aufweisen. Der zweite Spiegel kann dabei insbesondere zusätzlich als
Abschattungselement dienen. Bei einer solchen Ausgestaltung ist
es beispielsweise möglich,
zwei seitlich der optischen Achse der Bildaufnahmeeinrichtung angeordnete
Spiegel vorzusehen, die Emissionslicht, das aus dem Untersuchungsbereich
etwa unter einem Winkel von 45° zur
optischen Achse jeweils in eine Richtung abgestrahlt wird, in eine
zur Bildebene parallele Ebene umzulenken, woraufhin ein zweiter Spiegel,
der im Bereich der optischen Achse unter einem 45°-Winkel steht,
das Emissionslicht wiederum so um etwa 90° umlenkt, dass es auf die Bildaufnahmeeinrichtung
fällt.
Selbstverständlich
ist es auch denkbar, lediglich zwei oder mehr erste Spiegel zu verwenden,
die das Licht unmittelbar zur Bildaufnahmeeinrichtung umlenken,
wobei es hier vorkommen kann, dass nicht der gesamte Aufnahmebereich
der Bildaufnahmeeinrichtung genutzt werden kann. In einem solchen
Fall ist wiederum vorzugsweise ein Ab schattungselement zur Abschattung
des direkten Lichtweges vorgesehen.
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In
der eben beschriebenen Ausgestaltung mit zwei auf einer Ebene parallel
zur Ebene der Bildaufnahmeeinrichtung angeordneten ersten Spiegeln ist
sowohl eine Ausgestaltung denkbar, bei der eine gleichzeitige Aufnahme
der Bilder aus den Blickrichtungen erfolgt wie auch eine Ausgestaltung,
in der die Bilder nacheinander aufgenommen werden.
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In
einer ersten Ausführungsform
dieser Ausgestaltung ist daher vorgesehen, dass als zweiter Spiegel
ein insbesondere V-förmiger
oder pyramidenförmiger
Spiegel vorgesehen ist, der von den ersten Spiegeln umgelenktes
Emissionslicht auf jeweils einen Bereich der flächigen Bildaufnahmeeinrichtung umlenkt.
In diesem Fall ist eine gleichzeitige Bildaufnahme aus mehreren
Richtungen möglich,
in dem eine flächige
Bildaufnahmeeinrichtung vorgesehen wird, deren Gesamtfläche in Bereiche
unterteilt wird, die jeweils einer der Blickrichtungen zugeordnet
werden. Im Falle von zwei zweiten Spiegeln kann der zweite Spiegel
im Querschnitt V-förmig
und vorteilhafterweise symmetrisch ausgestaltet sein, so dass das
von den ersten Spiegeln umgelenkte Emissionslicht letztendlich jeweils
auf eine Hälfte
des flächigen Bildaufnahmeeinrichtung
umgelenkt wird. Jeweils die Hälfte
der sensitiven Detektorfläche
wird demnach zur Aufnahme eines Bildes aus einer der Blickrichtungen
genutzt. Bei einer Anordnung mit vier ersten Spiegeln ist auch ein
pyramidenförmiger
zweiter Spiegel denkbar, dessen Pyramidenspitze auf dem Schnittpunkt
der senkrecht zueinander stehenden Verbindungslinien zwischen jeweils
zwei gegenüberliegenden
ersten Spiegeln liegt. Die empfindliche Fläche der flächigen Bildaufnahmeeinrichtung
wird hierbei demnach in vier Bereiche aufgeteilt, die jeweils ein
Bild aus einer Blickrichtung aufnehmen können. Selbstverständlich sind
auch andere Ausgestaltungen denkbar, bei denen drei oder mehr als
vier erste Spiegel vorgesehen sind.
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In
einer zweiten Ausführungsform
einer Ausgestaltung mit in einer zur Bildebene parallel liegenden
Ebene befindlichen ersten Spiegeln kann zweckmäßigerweise vorgesehen sein,
dass als zweiter Spiegel ein dreh- und/oder schwenkbarer Spiegel
mit wenigstens zwei Stellungen vorgesehen ist, wobei jeweils eine
Stellung das durch einen der ersten Spiegel umgelenkte Emissionslicht
zu der Bildaufnahmeeinrichtung umlenkt. Der zweite Spiegel ist über eine geeignete
Betätigungseinrichtung,
beispielsweise mittels eines Kugelgelenks, jeweils so einstellbar, dass
er das Licht jeweils eines der ersten Spiegel auf die Bildaufnahmeeinrichtung
umlenkt. Diese Verstellung erfolgt vorteilhafterweise automatisch
und ist mit der Bildaufnahme gekoppelt, die in diesem Falle zeitlich
nacheinander erfolgt.
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Allgemein
ist es vorteilhaft, die Spiegelanordnung so auszulegen, dass eine
verzerrungsfreie Abbildung des Untersuchungsbereichs aus jeder der Blickrichtungen
auf der Bildaufnahmeeinrichtung ermöglicht wird. Die aufgenommenen
Bilder können dann
unmittelbar ohne aufwändige
Rückrechnungen weiterverarbeitet
werden.
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Auch
in anderen erfindungsgemäßen Anordnungen
kann es sinnvoll sein, dass die Spiegelanordnung zur Umlenkung von
den Blickrichtungen zugeordnetem Licht jeweils in disjunkte Unterbereiche
der flächigen
Bildaufnahmevorrichtung ausgebildet ist. Hierdurch wird eine gleichzeitige
Aufnahme von Bildern möglich,
so dass ein Zeitdruck aufgrund der nur kurz anhaltenden Fluoreszenz
vermieden wird.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der Untersuchungsbereich
zumindest teilweise von einem Gehäuse umgeben sein, an dem die
Spiegel gehaltert oder in dem sie angeordnet sind. Ein solches Gehäuse, in
das beispielsweise das Kleintier eingebracht wird, schützt zum
einen vor Streulicht von außen,
zum anderen können
die Spiegel der Spiegelanordnung unmittelbar oder mittelbar an dem Gehäuse befestigt
oder ge haltert werden. Auch eine Halterungskonstruktion für die gesamte
Spiegelanordnung ist denkbar.
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Umfasst
die Lichtquelle eine eine Durchgangsöffnung zur Bildaufnahme aufweisende
Lichtaussendeeinheit, beispielsweise einen ringförmigen Diffusor, welche zwischen
der Bildaufnahmeeinrichtung und dem Untersuchungsbereich angeordnet
ist, so kann insbesondere ein Abschattungselement semitransparent
ausgebildet sein. Das Abschattungselement ist durchlässig für das Anregungslicht,
jedoch undurchlässig
für das
Emissionslicht.
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Wie
bereits erwähnt,
kann die Bildgebungsvorrichtung zweckmäßigerweise eine Recheneinrichtung
umfassen, welche zur Ermittlung einer dreidimensionalen Position
und gegebenenfalls eines Volumens eines in wenigstens zwei unter
verschiedenen Blickrichtungen aufgenommenen Bilder sichtbaren fluoreszierenden
Bereichs ausgebildet ist. Dieselbe Recheneinrichtung kann auch zur
Steuerung der einzelnen Komponenten der Bildgebungsvorrichtung ausgebildet
sein.
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Daneben
betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung einer dreidimensionalen
Position eines durch ein Fluoreszenzmittel markierten Bereichs in
einem Zielobjekt, insbesondere einem Kleintier, unter Verwendung
einer erfindungsgemäßen Bildgebungsvorrichtung,
umfassend folgende Schritte:
- – Einbringen
des Zielobjekts in einen Untersuchungsbereich,
- – Bestrahlung
des Zielobjekts mit einem Anregungslicht,
- – Aufnahme
des Emissionslichts in Form wenigstens zweier das Zielobjekt unter
wenigstens zwei unterschiedlichen Blickrichtungen zeigender zweidimensionaler
Bilder,
- – Bestimmung
der Position des Bereichs in den zweidimensionalen Bildern,
- – Bestimmung
einer dreidimensionalen Position durch Rückprojektion.
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Mit
der Bildgebungsvorrichtung ist es, wie bereits beschrieben, problemlos
möglich,
Bilder aus wenigstens zwei Blick richtungen aufzunehmen. Mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren
ist es nun möglich, über entsprechende
Algorithmen oder durch Markierung eines Benutzers die Position eines
fluoreszierenden Bereichs in den zweidimensionalen Bildern aufzufinden
und daraus durch Rückprojektion die
Position in einem dreidimensionalen Koordinatensystem zu ermitteln.
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In
weiterer Ausgestaltung des Verfahrens kann auch das Volumen des
Bereichs unter Verwendung eines Ellipsoidmodells bestimmt werden.
Hierbei sind dann Aussagen über
die Größe des fluoreszierenden
Bereichs möglich,
beispielsweise zum Vergleich mit älteren Aufnahmen, um Veränderungen
an beispielsweise einem Tumor feststellen zu können. Da im erfindungsgemäßen Verfahren
eine eher kleine Anzahl zweidimensionaler Bilder vorliegt, ist die Verwendung
eines vereinfachten Modells für
die Form des fluoreszierenden Bereichs sinnvoll, wobei sich ein
Ellipsoidmodell anbietet. Bei einem solchen Verfahren ist weiterhin
zu beachten, dass durch die starke Lichtstreuung im Gewebe die Größe des detektierten
Bereichs nicht unbedingt der Größe des tatsächlichen
Bereichs entspricht. Auch die Ausbreitung des Lichtes im Gewebe
kann jedoch unter bestimmten Annahmen modelliert werden, wobei die Tiefe
des fluoreszierenden Bereichs im Gewebe aus der Positionsermittelung
folgt, wenn zudem, beispielsweise auch mit einem Ellipsoidmodell,
die Größe bzw. äußere Umrandung
des Untersuchungsobjekts, insbesondere des Kleintiers, festgestellt
wurde. Damit ist vorteilhafterweise eine zumindest grobe Angabe
der Größe des fluoreszierenden
Bereichs, insbesondere eines Tumors, möglich.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen
Ausführungsbeispielen
sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 eine
Prinzipskizze einer Bildgebungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung,
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2 eine
Prinzipskizze einer Bildgebungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung, und
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3A und 3B Prinzipdarstellungen
zur Erläuterung
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Bildgebungsvorrichtung 1.
Sie umfasst eine Bildaufnahmeeinrichtung 2, die hier als
CCD-Kamera ausgebildet ist.
Diese besitzt eine ebene Detektorfläche 3, die dem Untersuchungsbereich 4 zugewandt
ist, durch dessen Mitte die optische Achse 5 verläuft.
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Weiterhin
umfasst die Bildgebungsvorrichtung 1 eine Lichtquelle 6,
die eine Lampe 7, ein Filterrad 8, einen Lichtleiter 9 und
eine ringförmige
Lichtaussendeeinheit 10 umfasst, die hier als ringförmiger Diffusor
ausgebildet ist. Das Durchgangsloch in der Mitte der Lichtaussendeeinheit 10 erlaubt
die Aufnahme von Bildern durch die Bildaufnahmeeinrichtung 2.
Die Lampe 7 erzeugt ein möglichst weißes Licht im relevanten Bereich,
also im nahinfraroten Bereich. Durch das Filterrad 8 sind
verschiedene Anregungslichtwellenlängen auswählbar, so dass lediglich Anregungslicht
der ausgewählten
Wellenlänge über die
Lichtaussendeeinheit 10 ausgestrahlt wird. Der vom Anregungslicht
ausgeleuchtete Bereich 11 ist schraffiert dargestellt und
umfasst den gesamten Untersuchungsbereich 4.
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Durch
das Anregungslicht wird ein Fluoreszenzmittel zur Aussendung von
Emissionslicht 14 angeregt, welches sich innerhalb des
Untersuchungsobjekts 12, hier einer Maus, in einem bestimmten
Bereich 13 angereichert hat. Der Bereich 13 sendet demnach
durch seine Fluoreszenz Emissionslicht 14 aus, das durch
eine weitere Schraffur gekennzeichnet ist. Dieses Emissionslicht 14 soll
nun mittels der Bildaufnahmeeinrichtung 2 aufgenommen werden.
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Um
eine Aufnahme aus mehr als einer Blickrichtung zu ermöglichen,
ist eine Spiegelanordnung vorgesehen, die zunächst zwei erste Spiegel 15 umfasst.
Die ersten Spiegel 15 sind auf einer Ebene angeordnet,
die parallel zu der Ebene des Flachdetektors 3 verläuft. Unter
verschiedenen Winkeln ausgesandtes Emissionslicht 14 wird
durch die ersten Spiegel 15 in einen mittigen Bereich umgelenkt,
wie durch die Pfeile 16 angedeutet ist. Insbesondere sind
die ersten Spiegel 15 so ausgerichtet, dass die beiden möglichen
Blickrichtungen in einem Winkel von 90° zueinander stehen.
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Mittig
ist ein zweiter Spiegel 17 vorgesehen, der einen V-förmigen Querschnitt aufweist.
Er dient zum einen als Abschattungselement, verhindert also das
Auftreffen von Emissionslicht 14 über den unmittelbaren Weg auf
die Bildaufnahmeeinrichtung 2. Weiterhin ist der zweite
Spiegel 17 so ausgebildet, dass das Emissionslicht 14 der
jeweiligen ersten Spiegel 15 gleichzeitig auf disjunkte
Bereiche der Detektorfläche 3 der
Bildaufnahmeeinrichtung 2 umgelenkt wird, wie durch die
Pfeile 18 angedeutet. Das bedeutet, jeweils eine Hälfte der
Detektorfläche 3 kann
für eine
Aufnahme eines Bildes aus einer Blickrichtung verwendet werden.
Damit ist eine simultane Aufnahme von Bildern aus zwei Blickrichtungen
möglich.
Der Bildaufnahmeeinrichtung 2 vorgeschaltet ist weiterhin
ein weiteres Filterrad 19, das auswählbare Filter umfasst, die
lediglich dem Licht der Emissionswellenlänge erlauben, zu dem Flachdetektor 3 durchzudringen.
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Die
Bildgebungsvorrichtung 1 umfasst weiterhin eine Recheneinrichtung 20,
die der Steuerung der einzelnen Komponenten der Bildgebungsvorrichtung 1 dient,
insbesondere des Filterrades 19, der Lichtquelle 6 mit
der Lampe 7 und dem Filterrad 8 sowie der Bildaufnahmeeinrichtung 2.
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Die
Recheneinrichtung 20 ist weiterhin zur Verarbeitung der
aufgenommenen Bilder ausgebildet. Insbesondere kann mittels der
Recheneinrichtung 20 das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden.
Es ist demnach möglich,
die Position des fluoreszierenden Bereichs 13 in den beiden
aus verschiedenen Blickrichtungen aufgenommenen Bildern zu bestimmen,
um daraus durch Rückprojektion Schlussfolgerungen über die
dreidimensionale Position des Bereichs 13 und gegebenenfalls über sein Volumen
zu ermöglichen.
Dies wird auch dadurch erreicht, dass die optischen Eigenschaften
des Systems genau bekannt sind, das bedeutet, der Weg, den das Emissionslicht 14 zum
entsprechenden Pixel der Detektorfläche 3 zurückgelegt
hat, ist bekannt, und daher auch sein Ursprung im Untersuchungsbereich 4.
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Die
Spiegel 15 und 17 sind zudem in einem Gehäuse 21 gehaltert,
das den Untersuchungsbereich 4 umgibt.
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Insbesondere
ist die Spiegelanordnung, bestehend aus den ersten Spiegeln 15 und
dem zweiten Spiegel 17, so ausgelegt, dass eine verzerrungsfreie
Abbildung des Untersuchungsbereichs 4 aus beiden möglichen
Blickrichtungen erreicht wird.
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In
einer solchen Bildgebungsvorrichtung müssen nicht unbedingt lediglich
zwei zweite Spiegel vorgesehen sein. Es ist auch denkbar, vier erste Spiegel
vorzusehen, wobei der zweite Spiegel dann entweder schwenkbar ausgebildet
ist, so dass jeweils zwei Bilder aus zwei Blickrichtungen aufgenommen
werden können,
oder in einer Pyramidenform ausgebildet ist, so dass die Detektorfläche der
flächigen
Bildaufnahmeeinrichtung in vier Bereiche unterteilt wird, die der
simultanen Bildaufnahme dienen.
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Auch
Bildgebungsvorrichtungen mit einem ersten Spiegel, drei ersten Spiegeln
oder fünf
oder mehr ersten Spiegeln sind denkbar.
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2 zeigt
eine Bildgebungsvorrichtung 1' gemäß einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Zur Vereinfachung werden für gleiche Gegenstände gleiche
Bezugszeichen verwendet.
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Die
Bildgebungsvorrichtung 1' unterscheidet sich
von der Bildgebungsvorrichtung 1 im Wesentlichen durch
die Ausgestaltung des zweiten Spiegels 17', der das von den ersten Spiegeln 15 umgelenkte Emissionslicht 14 in
Richtung der Bildaufnahmeeinrichtung 2 umlenken soll. Der
zweite Spiegel 17' ist um
eine Schwenkachse 27 schwenkbar gelagert. Die Schwenkachse 27 liegt
auf der optischen Achse 5 der Bildaufnahmeeinrichtung 2,
steht aber senkrecht dazu. Dies folgt aus der Symmetrie der Anordnung.
Der Spiegel 17' ist über hier
nicht dargestellte Betätigungsmittel
in zwei verschiedene Stellungen bringbar. In der in 2 gezeigten
ersten Stellung lenkt er das durch den rechten ersten Spiegel 15 umgelenkte Emissionslicht 14 unter
Ausnutzung der gesamten Detektorfläche 3 in Richtung
der Bildaufnahmeeinrichtung 2 um, wie durch den Pfeil 18' dargestellt
ist. Es kann nun ein Bild aus einer ersten Blickrichtung aufgenommen
werden. Wird der Spiegel 17' um
90° in eine
zweite Stellung gedreht, die hier gestrichelt bei 22 angedeutet
ist, so wird das von dem linken ersten Spiegel 15 umgelenkte
Emissionslicht 14 unter Ausnutzung der gesamten Detektorfläche 3 in
Richtung der Bildaufnahmeeinrichtung 2 umgelenkt, so dass
ein Bild aus einer zweiten Blickrichtung aufgenommen werden kann.
Auch das hier nicht dargestellte Betätigungsmittel für den Spiegel 17' wird durch
die Recheneinrichtung 20 angesteuert.
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Sind
mehr als zwei erste Spiegel vorhanden, so kann es notwendig sein,
dass der zweite Spiegel nicht nur schwenkbar, sondern auch um eine
weitere Achse drehbar gelagert ist.
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In
beiden Ausführungsformen 1, 1' kann die Spiegelanordnung
insbesondere so ausgelegt werden, dass im Bereich der Detektorfläche 3 ein
unverzerrtes Bild des Untersuchungsbereichs 4 entsteht. Es
ist jedoch auch möglich,
dass beide Aufnahmen aus beiden Blickrichtungen dieselbe Verzerrung
aufweisen. Wichtig für
die nachfolgende Auswertung ist vor allem, dass der Lichtweg des
Emissionslichts 14 aus dem Untersuchungsbereich zu einem
Pixel der Detektorfläche 3 vollständig zurück verfolgt
werden kann, so dass im erfindungsgemäßen Verfahren eine Rückprojektion
ermöglicht
wird.
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Weiterhin
ist anzumerken, dass für
eine verbesserte Ausleuchtung des Untersuchungsbereichs 4 durch
die Lichtquelle 6 vorgesehen sein kann, dass der zweite
Spiegel 17, 17',
der auch als Abschattungselement wirkt, halbtransparent ausgebildet
ist, das bedeutet, er ist durchlässig
für Anregungslicht, jedoch
nicht durchlässig
für Emissionslicht.
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3A und 3B zeigen
Skizzen zur Erläuterung
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Im erfindungsgemäßen Verfahren
wird zunächst
das Zielobjekt 12 in den Untersuchungsbereich 4 eingebracht.
Sodann wird die Lichtquelle 6 aktiviert, um Anregungslicht
in den Bereich 11 auszustrahlen, der den Untersuchungsbereich 4 erfasst.
Dadurch wird das im Bereich 13 befindliche Fluoreszenzmittel
angeregt, so dass es Emissionslicht einer etwas verschobenen Wellenlänge ausstrahlt.
Das in verschiedene Richtungen abgestrahlte Emissionslicht 14 wird durch
die Spiegelanordnung, also die ersten Spiegel 15 und den
zweiten Spiegel 17 oder 17', zu der Bildaufnahmeeinrichtung 2 umgelenkt,
so dass nun das Emissionslicht 14 in Form zweier zweidimensionaler Bilder 23a, 23b aufgenommen
werden kann. Diese Bilder zeigen das Zielobjekt 12, insbesondere
den fluoreszierenden Bereich 13, unter zwei verschiedenen
Winkeln, das bedeutet, unter zwei unterschiedlichen Blickrichtungen.
Im Folgenden wird beispielshalber davon ausgegangen, dass die Bildgebungsvorrichtung 1 verwendet
wird. Die Detektorfläche 3 ist dort
in zwei Bereiche aufgeteilt, in denen jeweils eines der Bilder aufgenommen
wird, so dass sich ein Gesamtbild 23 ergibt, das aus den
beiden zweidimensionalen Bildern 23a, 23b besteht,
welche jeweils den Bereich 13 zeigen. Aufgrund der bekannten Auslegung
der Optik in Form der Spiegelanordnung ist nun bekannt, welches
Pixel des Flachdetektors 3 welchen Ort in der zweidimensionalen
Projektion zeigt.
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Im
erfindungsgemäßen Verfahren
wird nun zunächst
die Position der Bereiche 13 in den zweidimensionalen Bildern 23a und 23b bestimmt,
beispielsweise der Mittelpunkt 24. Aufgrund der bekannten
Optik lässt
sich nun der Weg nachvollziehen, den das Emissionslicht 14 zur
Bildaufnahmeeinrichtung 2 genommen hat, insbesondere im
Bereich des in 3B schematisch dargestellten
Zielobjekts 12. Dort ist der Lichtweg 25, insbesondere
innerhalb des Zielobjekts 12, als Gerade angenommen. Dies
stellt selbstverständlich
nur eine erste Näherung
dar, da das Gewebe normalerweise eine lichtbrechende Wirkung hat.
Mit Hilfe von Modellen kann, wenn beispielsweise die Oberfläche des
Zielobjekts 12 auch aus den Bildern 23a, 23b bestimmt
wird, der Lichtweg innerhalb des Zielobjekts 12 auch genauer
bestimmt werden. Dies geschieht aufgrund von Modellannahmen.
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Der
Schnittpunkt der Lichtwege 25 innerhalb des Zielobjekts 12 gibt
nun die Position 26 des Bereichs 13 im dreidimensionalen
Raum wieder. Diese Art der Berechnung wird üblicherweise als Rückprojektion
bezeichnet.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist es auch möglich,
eine Abschätzung
des Volumens des Bereichs 13 zu bestimmen, um beispielsweise
festzustellen, ob sich dies gegenüber früheren Aufnahmen verändert hat.
Hierzu müssen,
zusätzlich
zu den bereits genannten Modellannahmen bezüglich der Lichtausbreitung
im Gewebe, auch vereinfachende Annahmen über die Form des Bereichs 13 gemacht werden.
Hierfür
bietet sich beispielsweise die Verwendung eines Ellipsoidmodells
an.