DE102010047578A1 - Use of a combination of evaluation methods in a device for the detection of tumors and device for the detection of tumors - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kombination von Auswertungsverfahren in einer Vorrichtung zur Detektion von Tumoren, wobei die Kombination der Auswertungsverfahren das Auswertungsverfahren der Multiphotonenanregung und/oder das Auswertungsverfahren der Erzeugung der Zweiten Harmonischen umfasst sowie weiterhin entweder das Auswertungsverfahren der kohärenten Anti-Stokes-Raman-Streuung oder das Auswertungsverfahren der stimulierten Raman-Streuung umfasst. Um die Sicherheit bei der Erkennung von Tumoren zu verbessern wird im Rahmen der Erfindung vorgeschlagen, die genannten Auswertungsverfahren zu kombinieren.The present invention relates to a combination of evaluation methods in a device for detecting tumors, the combination of the evaluation methods including the evaluation method of multiphoton excitation and / or the evaluation method of generating the second harmonic, as well as either the evaluation method of coherent anti-Stokes-Raman scattering or the stimulated Raman scattering evaluation method. In order to improve the security in the detection of tumors, it is proposed within the scope of the invention to combine the mentioned evaluation methods.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verwendung einer Kombination von Auswertungsverfahren in einer Vorrichtung zur Detektion von Tumoren nach Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung zur Detektion von Tumoren nach Anspruch 2 oder 3.The present invention relates to a use of a combination of evaluation methods in a device for detecting tumors according to claim 1 and a device for detecting tumors according to claim 2 or 3.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, zur Detektion von Tumoren eines der Verfahren der Multiphotonfluoreszenz, der Erzeugung der Zweiten Harmonischen oder der kohärenten Anti-Stokes-Ramanstrreuung zu verwenden.It is known in the art to use for detection of tumors one of the methods of multiphoton fluorescence, second harmonic generation or coherent anti-Stokes Raman scattering.
Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, die Sicherheit bei der Erkennung von Tumoren zu verbessern.In contrast, the present invention is based on the object to improve the safety in the detection of tumors.
Dies wird vorteilhaft nach der vorliegenden Erfindung erreicht durch eine Kombination der genannten Auswertungsverfahren.This is advantageously achieved according to the present invention by a combination of the mentioned evaluation methods.
Anspruch 1 betrifft die Verwendung einer Kombination von Auswertungsverfahren in einer Vorrichtung zur Detektion von Tumoren, wobei die Kombination der Auswertungsverfahren das Auswertungsverfahren der Multiphotonenanregung und/oder das Auswertungsverfahren der Erzeugung der Zweiten Harmonischen umfasst sowie weiterhin entweder das Auswertungsverfahren der kohärenten Anti-Stokes-Raman-Streuung oder das Auswertungsverfahren der stimulierten Raman-Streuung umfasst.Claim 1 relates to the use of a combination of evaluation methods in a device for detecting tumors, wherein the combination of the evaluation methods comprises the multiphoton excitation evaluation method and / or the second harmonic generation method, and furthermore either the evaluation method of the coherent anti-Stokes-Raman Scattering or the evaluation method of stimulated Raman scattering includes.
Es hat sich gezeigt, dass gerade durch die Kombination die Auswertungssicherheit verbessert werden kann. Abhängig davon, ob die zu untersuchenden Tumore eine Multiphotonenautofluoreszenz aufweisen, kann dieses Auswertungsverfahren mit berücksichtigt werden oder nicht.It has been shown that it is precisely through the combination that the evaluation reliability can be improved. Depending on whether the tumors to be examined have a multiphoton autofluorescence, this evaluation method may or may not be taken into account.
Anspruch 2 betrifft eine Vorrichtung zur Detektion von Tumoren unter Verwendung einer Kombination von Auswertungsverfahren, wobei die Kombination der Auswertungsverfahren das Auswertungsverfahren der Multiphotonenanregung und/oder das Auswertungsverfahren der Erzeugung der Zweiten Harmonischen sowie weiterhin das Auswertungsverfahren der kohärenten Anti-Stokes-Raman-Streuung umfasst., wobei die Vorrichtung einen Femtosekunden-Oszillator oder einen Pikosekunden-Oszillator aufweist, dessen Ausgangssignale einem Optischen Parametrischen Oszillator zugeführt werden, wobei die Ausgangssignale des Optischen Parametrischen Oszillators mittels einer Fokussiereinrichtung auf die Haut einer zu untersuchenden Person projiziert werden, wobei gestreute Signale mit einer Frequenz, die sich als Frequenz auf Grund der kohärenten Anti-Stokes-Raman Streuung aus den beiden Frequenzen des Optischen Parametrischen Oszillators ergibt, hinsichtlich deren Intensität analysiert werden, wobei die Vorrichtung weiterhin Mittel aufweist zur Ausblendung eines der Ausgangssignale des Optischen Parametrischen Oszillators zur Durchführung des Auswertungsverfahrens der Multiphotonenanregung sowie des Auswertungsverfahrens der Erzeugung der Zweiten Harmonischen.Claim 2 relates to a device for detecting tumors using a combination of evaluation methods, wherein the combination of the evaluation method comprises the multiphoton excitation evaluation method and / or the second harmonic generation evaluation method and furthermore the coherent anti-Stokes-Raman scattering evaluation method. wherein the device comprises a femtosecond oscillator or a picosecond oscillator whose output signals are supplied to an optical parametric oscillator, wherein the output signals of the optical parametric oscillator are projected onto the skin of a person to be examined by means of a focusing device, wherein scattered signals with a frequency , which results as a frequency due to the coherent anti-Stokes-Raman scattering from the two frequencies of the optical parametric oscillator, are analyzed in terms of their intensity, the Vorrichtun g further comprises means for blanking one of the output signals of the optical parametric oscillator for performing the evaluation method of multiphoton excitation and the evaluation method of generating the second harmonic.
Dabei erweist es sich als vorteilhaft, dass mehrere Bauteile gemeinsam genutzt werden können zur Durchführung der unterschiedlichen Auswertungsverfahren. Die genannte Vorrichtung eignet sich bei Verwendung des Auswertungsverfahrens der kohärenten Anti-Stokes-Raman-Streuung.It proves to be advantageous that several components can be used together to carry out the different evaluation methods. Said device is suitable for using the coherent anti-Stokes-Raman scattering evaluation method.
Anspruch 3 betrifft eine Vorrichtung zur Detektion von Tumoren unter Verwendung einer Kombination von Auswertungsverfahren, wobei die Kombination der Auswertungsverfahren das Auswertungsverfahren der Multiphotonenanregung und/oder das Auswertungsverfahren der Erzeugung der Zweiten Harmonischen sowie weiterhin das Auswertungsverfahren der stimulierten Raman-Streuung umfasst, wobei die Vorrichtung einen Femtosekunden-Oszillator oder einen Pikosekunden-Oszillator aufweist, dessen Ausgangssignale einem Optischen Parametrischen Oszillator zugeführt werden, wobei die Ausgangssignale des Optischen Parametrischen Oszillators mittels einer Fokussiereinrichtung auf die Haut einer zu untersuchenden Person projiziert werden, wobei gestreute Signale der Frequenz des Pumpfeldes und/oder der Frequenz des Stokes-E-Feldes, hinsichtlich deren Intensität analysiert werden, wobei die Vorrichtung weiterhin Mittel aufweist zur Ausblendung eines der Ausgangssignale des Optischen Parametrischen Oszillators zur Durchführung des Auswertungsverfahrens der Multiphotonenanregung sowie des Auswertungsverfahrens der Erzeugung der Zweiten Harmonischen.Claim 3 relates to a device for the detection of tumors using a combination of evaluation methods, wherein the combination of the evaluation method comprises the multiphoton excitation evaluation method and / or the second harmonic generation method and further the Raman scattering evaluation method; Femtosecond oscillator or a picosecond oscillator whose output signals are supplied to an optical parametric oscillator, wherein the output signals of the optical parametric oscillator are projected by means of a focusing on the skin of a person to be examined, wherein scattered signals of the frequency of Pumpfeldes and / or the Frequency of the Stokes E-field, are analyzed in terms of their intensity, the apparatus further comprising means for masking one of the output signals of the optical parametric oscillator for carrying out the multiphoton excitation evaluation method and the second harmonic generation evaluation method.
Dabei erweist es sich ebenfalls als vorteilhaft, dass mehrere Bauteile gemeinsam genutzt werden können zur Durchführung der unterschiedlichen Auswertungsverfahren. Die genannte Vorrichtung eignet sich bei Verwendung des Auswertungsverfahrens der stimulierten Raman-Streuung.It also proves to be advantageous that several components can be used together to carry out the different evaluation methods. Said device is suitable when using the evaluation method of stimulated Raman scattering.
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 4 werden die Ausgangssignale des Optischen Parametrischen Oszillators und die rückgestreuten Signale unterschieden werden, indem die Polarisationsebenen der Signale auf dem Weg der Signale gedreht werden.In the embodiment according to
Diese Ausgestaltung bezieht sich wieder auf die stimulierte Raman-Streuung, weil hierbei die Frequenzen der gestreuten Strahlung mit den Frequenzen der eingeleiteten Strahlung übereinstimmen. Die Auswertung erfolgt hierbei dadurch, dass die gestreute Strahlung die eingeleitete Strahlung hinsichtlich einer Frequenz verstärkt und hinsichtlich der anderen Frequenz geschwächt wird. Um die gestreute Strahlung von der eingeleiteten Strahlung zu unterscheiden, werden diese Strahlungen unterschiedlich polarisiert.This embodiment again relates to the stimulated Raman scattering, because in this case the frequencies of the scattered radiation coincide with the frequencies of the introduced radiation. The evaluation takes place in this case in that the scattered radiation amplifies the radiation introduced with respect to one frequency and with respect to the other Frequency is weakened. In order to distinguish the scattered radiation from the introduced radiation, these radiations are polarized differently.
Bei dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung geht es daher um ein Gerät zur Durchführung von optischen Tomographien der Haut, wobei die bildgebenden Signale durch Erzeugung und Detektion von Multiphotonenfluoreszenz, kohärente Anti-Stokes-Ramanstreuung (CARS) oder der Zweiten Harmonischen (SHG) des eingestrahlten Lichts entstehen. Zur Erzeugung der Signale werden ein oder mehrere Laserstrahlen gepulster Laser auf bzw. in die Haut fokussiert und das Fokusvolumen so verstellt, dass der zu untersuchende Bereich nacheinander (pixelweise) abgerastert wird. Die im Fokusvolumen erzeugten Signale werden durch die gleiche Fokussieroptik gegen die Strahlrichtung eingesammelt und detektiert. Durch Übertragen der Signalintensitäten in Grauwerte der entsprechenden Bildpunkte wird ein Bild generiert. Bei der Multiphotonenfluoreszenz werden pro Anregungsprozess zwei oder mehr Photonen von in der Haut natürlicherweise vorkommenden Molekülen absorbiert und diese zur Autofluoreszenz angeregt, die detektiert wird. Bei der Erzeugung der Zweiten Harmonischen findet ein spezieller kohärenter Streuprozess statt, bei dem zwei zeitgleich eingestrahlte Photonen gleicher Energie zu einem Photon mit der doppelten Energie umgewandelt werden. Die kohärente Anti-Stokes-Raman-Streuung wird durch gleichzeitig eingestrahlte Pump-, Stokes- und Test-Photonen hervorgerufen und führt, wenn die Energiedifferenz der eingestrahlten Pump- und Stokes-Photonen gerade einem Vibrationsübergang des Moleküls entspricht zu einem resonanzverstärkten kohärenten molekülspezifischen Signal. Sie ermöglicht damit auch die Detektion nicht autofluresszierender oder SHG erzeugender Substanzen. Im Gewebe ermöglicht dies beispielsweise die Detektion von Lipiden und Wasser.The object of the present invention is therefore an apparatus for performing optical tomography of the skin, wherein the imaging signals by generation and detection of multiphoton fluorescence, coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) or the second harmonic (SHG) of the incident light arise. To generate the signals, one or more laser beams of pulsed lasers are focused on or into the skin and the focus volume is adjusted so that the area to be examined is scanned one after the other (pixel by pixel). The signals generated in the focus volume are collected and detected by the same focusing optics against the beam direction. By transferring the signal intensities into gray values of the corresponding pixels, an image is generated. In multiphoton fluorescence, two or more photons of naturally occurring molecules in the skin are absorbed per excitation process, and these are excited to autofluorescence, which is detected. In the generation of the second harmonic a special coherent scattering process takes place in which two simultaneously irradiated photons of the same energy are converted into a photon with twice the energy. The coherent anti-Stokes-Raman scattering is caused by simultaneously irradiated pump, Stokes and test photons and leads, when the energy difference of the injected pump and Stokes photons just a vibration transition of the molecule corresponds to a resonance-enhanced coherent molecule-specific signal. It also allows the detection of non-autofluresszierender or SHG-producing substances. In tissue, for example, this allows the detection of lipids and water.
Die Kohärente Anti-Stokes-Raman-Mikroskopie ermöglicht die Abbildung von chemischen oder biologischen Proben, wobei molekulare Schwingungsübergänge als Kontrastmechanismus eingesetzt werden. Bei der CARS Mikroskopie/Tomographie werden mindestens zwei Laserfelder, ein elektromagnetisches Pump-Feld mit einer Zentralfrequenz ωp sowie ein elektromagnetisches Stokes-Feld mit Zentralfrequenz ωs verwendet. Durch die Wechselwirkung von Pump- und Stokes-Feldern mit der Probe wird ein kohärentes Anti-Stokes-Feld mit der Frequenz ωAS = 2ωp – ωs in der Richtung generiert, die durch die Phasenanpassung vorgeben ist. Insbesondere wenn die Frequenzdifferenz ωp – ωs einem bestimmten Schwingungsübergang entspricht, wird bei der Anti-Stokes Frequenz ωAS ein CARS Signal erzeugt. Im Unterschied zur Fluoreszenz-Mikroskopie-Tomographie erfordert die CARS Mikroskopie (sowie auch die SHG-Mikroskopie) keine Fluorophore, da der Bildgebungsmechanismus auf der Schwingungsanregung von chemischen und biologischen Proben beruht. Aufgrund der Kohärenzeigenschaften der CARS Mikroskopie liefert sie deutlich höhere Empfindlichkeit als die spontane Raman-Mikroskopie, wodurch eine deutlich geringere durchschnittliche Anregungsleistung verwendet werden kann bzw. eine kürzere Messzeit notwendig ist.Coherent anti-Stokes Raman microscopy allows imaging of chemical or biological samples using molecular vibration transitions as a contrasting mechanism. In CARS microscopy / tomography at least two laser fields, an electromagnetic pumping field with a central frequency ω p and a Stokes electromagnetic field with central frequency ω s are used. The interaction of pump and Stokes fields with the sample generates a coherent anti-Stokes field of frequency ω AS = 2ω p -ω s in the direction dictated by the phase matching. In particular, when the frequency difference ω p - ω s corresponds to a certain vibration transition, a CARS signal is generated at the anti-Stokes frequency ω AS . In contrast to fluorescence microscopy tomography, CARS microscopy (as well as SHG microscopy) does not require fluorophores because the imaging mechanism is based on vibrational excitation of chemical and biological samples. Due to the coherence properties of CARS microscopy, it provides significantly higher sensitivity than spontaneous Raman microscopy, which means that a significantly lower average excitation power can be used or a shorter measurement time is necessary.
Mikroskopie basierend auf kohärenter Anti-Stokes-Raman-Streuung wird bereits in einer Reihe von Patenten beschrieben. Das
Das
Im Unterschied zur Detektion des Signals in Strahlrichtung behandelt das
Das
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Tomograph, der Signale durch nichtlineare optische Anregung ortsaufgelöst erzeugt und detektiert. Die Bildsignale entstehen durch pixelweise Detektion der Signalintensitäten. Die räumliche Auflösung wird durch Minimieren des Fokusvolumens erzeugt, da nur in diesem Volumen Signale entstehen. Die zu detektierenden Signale sind Multiphotonenautofluoreszenz, die Zweite Harmonische des eingestrahlten Lichtes sowie CARS-Licht. Für die Erzeugung von CARS-Signalen müssen mindestens zwei kollineare Laserstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlangen durch ein Mikroskopobjektiv auf die Probe in einem gemeinsamen Fokusvolumen fokussiert werden. Das Signallicht muss eingesammelt werden und (spektral) von der eingestrahlten Strahlung getrennt und detektiert werden. Für die Erzeugung der eingestrahlten Laserstrahlen zum Generieren des CARS-Signals kann ein Oszillator in Kombination mit einem optischen Parametrischen Oszillator (OPO) verwendet werden. Die Laserstrahlen können mit Hilfe von Scannerspiegeln über die Haut bewegt werden und das eingesammelte Signal mit einem Photomultiplier detektiert werden. Für die Erzeugung von Multiphotonenautofluoreszenz und SHG reicht die Verwendung eines einzelnen Laserstrahis aus, der zweite Laserstrahl kann in diesem Betriebsmodus geblockt werden. Für die Erzeugung von Multiphotonenautofluoreszenz. SHG und CARS müssen im allgemeinen unterschiedliche Anregungswellenlängen und Filter verwendet werden.The subject matter of the present invention is a tomograph which generates and detects signals in a spatially resolved manner by non-linear optical excitation. The image signals are generated by pixel-by-pixel detection of the signal intensities. The spatial resolution is generated by minimizing the focus volume since only in this volume do signals arise. The signals to be detected are multiphoton autofluorescence, the second harmonics of the incident light and CARS light. For the generation of CARS signals, at least two collinear laser beams with different wavelengths must be focused by a microscope objective on the sample in a common focus volume. The signal light must be collected and (spectrally) separated from the incident radiation and detected. For generating the irradiated laser beams for generating the CARS signal, an oscillator in combination with an optical parametric oscillator (OPO) can be used. The laser beams can be moved over the skin with the aid of scanner mirrors and the collected signal can be detected with a photomultiplier. For the generation of multiphoton autofluorescence and SHG, the use of a single laser beam is sufficient, the second laser beam can be blocked in this mode of operation. For the generation of multiphoton autofluorescence. SHG and CARS generally require different excitation wavelengths and filters.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele des Tomographen zur Durchführung von optischen Hautuntersuchungen auf Basis von Multiphotonenanregungen, der Erzeugung der Zweiten Harmonischen und kohärenter Anti-Stokes-Raman-Streuung beschrieben.Exemplary embodiments of the tomograph for carrying out optical skin examinations on the basis of multiphoton excitations, the generation of the second harmonic and coherent anti-Stokes-Raman scattering are described below.
Der (Spiegel-)Scanner dient zum pixelweisen Abrastern der Probe mit den anregenden Pulsen. Die erzeugten Signale (je nach Konfiguration CARS, Autofluoreszenz, SHG) werden durch die gleiche Fokussieroptik eingesammelt und durch den Spiegelarm (f) zurück in das Scan-Detektor-Modul (e) geleitet. Innerhalb des Scan-Detektor-Moduls (e) wird anregende Strahlung und Signal durch einen dichroitischen Spiegel getrennt und das Signal detektiert.The (mirror) scanner is used for pixel-by-pixel scanning of the sample with the stimulating pulses. The generated signals (depending on the configuration CARS, autofluorescence, SHG) are collected by the same focusing optics and passed through the mirror arm (f) back into the scan detector module (e). Within the scan detector module (e), stimulating radiation and signal are separated by a dichroic mirror and the signal is detected.
Der Strahlengang der anregenden Laserpulse und des erzeugten Signals ist in
In einer anderen Ausführung kann in dem beschriebenen Aufbau ein Pikosekunden-Oszillator verwendet werden. Die Pulsdauer der OPO-Pulse liegt dann auch im Pikosekunden Bereich. Mit diesen Pulsen lässt sich beim CARS eine höhere spektrale Genauigkeit der Anregung erzielen, jedoch sind die Pulsintensitäten, die zur Anregung der Autofluoreszenz zur Verfügung stehen geringer.In another embodiment, a picosecond oscillator may be used in the described construction. The pulse duration of the OPO pulses is then also in the picosecond range. With these pulses, CARS can achieve higher spectral accuracy of excitation, but the pulse intensities available to excite autofluorescence are lower.
Zur Erzeugung des CARS Signales ist auch der Einsatz von zwei (oder drei) einzelnen synchronisierten Laser (Oszillatoren) möglich (fs/fs, ps/ps, fs/ps). Im Ausführungsbeispiel der
Zur Anregung der CARS-Signale kann auch eine Kombination aus Oszillatorpulsen und Superkontinuum, d. h. (Oszillator-)Pulse, deren Spektrum durch Transmission durch eine Faser und den dabei statt findenden Wechselwirkungsprozess (Selbstphasenmodulation) verbreitet sind. In diesem Ausführungsbeispiel wird (c) in Abbildung 1 durch ein Medium zur Generation eines Superkontinuum ersetzt. Für den CARS-Prozess muss nicht das gesamte Superkontinuum eingesetzt werden, sondern es können – z. B. mit geeigneten Filtern – geeignete Spektralbereiche herausgefiltert werden.To excite the CARS signals, a combination of oscillator pulses and supercontinuum, ie (oscillator) pulses whose spectrum is propagated through transmission through a fiber and the interaction process taking place (self-phase modulation), can be used. In this embodiment, (c) in Figure 1 is replaced by a medium for generation of a supercontinuum. The entire supercontinuum does not have to be used for the CARS process. B. with suitable filters - suitable spectral ranges are filtered out.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine der vorher beschriebenen Möglichkeiten eingesetzt, um die anregenden elektromagnetischen Felder zu generieren und Autofluoreszenz/SHG-Signale zu erzeugen. Statt eines CARS-Signals wird jedoch eine andere nichtlineare Raman-Technik verwendet. Eine solche Technik, stellt die stimulierte Raman-Streuung (SRS) dar. Dabei werden zwei E-Felder (Pump und Stokes) unterschiedlicher Wellenlänge simultan auf die Probe eingestrahlt und räumlich überlagert.In another embodiment, one of the previously described possibilities is used to generate the exciting electromagnetic fields and to generate autofluorescence / SHG signals. However, instead of a CARS signal, another non-linear Raman technique is used. One such technique is stimulated Raman scattering (SRS). Two E-fields (pump and Stokes) of different wavelengths are simultaneously irradiated onto the sample and spatially superimposed.
Entspricht die Energiedifferenz von Pump- und Stokes-E-Feldern gerade der Energie eines Schwingungsübergangs, so kann das Molekül zur Schwingung angeregt werden. Bei solch einem stimulierten Raman-Prozess wird das Stokes-E-Feld durch stimulierte Emission verstärkt und das Pump-Feld abgeschwächt. Die Stärke dieser Intensitätszunahme oder Abschwächung wird als Signal zur Bilderzeugung verwendet. Bei einer SRS-Messung in Epi-Geometrie ist keine spektrale Trennung von anregenden Strahlen und rückgestreutem Signal möglich.If the energy difference of pump and Stokes E fields corresponds to the energy of a vibration transition, then the molecule can be excited to vibrate. In such a stimulated Raman process, the Stokes E field is amplified by stimulated emission and the pump field is attenuated. The intensity of this increase in intensity or attenuation is used as a signal for imaging. SRS measurement in epi geometry does not allow for spectral separation of exciting rays and backscattered signal.
In diesem Fall kann entsprechend der Darstellung der
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