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Die Erfindung betrifft ein medizinisches Fluoreszenz-Untersuchungssystem mit (a) einer Lichtquelle, die ausgebildet ist zum Bestrahlen eines mit Fluoreszenzfarbstoff angereicherten Objekts und die einen Lichtaustritt aufweist, und (b) einer Kamera zum Aufnehmen von Fluoreszenzlicht, das von dem mit Fluoreszenzfarbstoff angereicherten Objekt abgegeben wird.
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Derartige Fluoreszenz-Untersuchungssysteme werden beispielsweise in der Medizin eingesetzt und dienen dazu, mit Fluoreszenzfarbstoff angereichertes Tumorgewebe zu detektieren. Da derartiges Gewebe in aller Regel nicht an der Hautoberfläche vorliegt, kommt es zu Streuung des Lichts an gesundem Gewebe. Das vermindert den Kontrast sowie die räumliche Auflösung und senkt die Aussagekraft der Untersuchung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Aussagekraft einer Untersuchung auf mit Fluoreszenzfarbstoff angereicherte Objekte zu erhöhen.
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Die Erfindung löst das Problem durch ein gattungsgemäßes medizinisches Fluoreszenz-Untersuchungssystem, dessen Lichtquelle ein Beleuchtungs-Handstück mit einem Verdrängerkopf aufweist, in dem der Lichtaustritt angeordnet ist, so dass mittels des Verdrängerkopfs Gewebe in einer Umgebung des mit Fluoreszenzfarbstoff angereicherten Objekts verdrängbar und dadurch ein Abstand des Objekts zu dem Lichtaustritt verringerbar ist.
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Vorteilhaft an dem Fluoreszenz-Untersuchungssystem ist, dass der Lichtaustritt dichter an das mit Fluoreszenzfarbstoff markierte Objekt heran bringbar ist. Dadurch kommt es zu weniger Streueffekten, bis das Licht das mit Fluoreszenzfarbstoff angereicherte Objekt erreicht hat. Gleichsam unterliegt das abgegebene Fluoreszenzlicht ebenfalls weniger Streuereignissen. Dadurch steigt die Beleuchtungsstärke im Objekt und es wird ein höherer Kontrast und eine bessere Auflösung erreicht.
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Vorteilhaft ist zudem, dass das Beleuchtungs-Handstock, das auch als Lichtstift bezeichnet werden könnte, als Handstück ausgebildet ist, so dass es von einer untersuchenden Person frei bewegbar ist. Die untersuchende Person kann das Beleuchtungs-Handstück so ausrichten, dass das mit Fluoreszenzfarbstoff angereicherte Objekt optimal beleuchtet wird. Auch das führt zu einer höheren Lichtdichte im Objekt und zu genaueren Untersuchungsergebnissen.
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Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter der Lichtquelle insbesondere jede Vorrichtung verstanden, mittels der Licht nach Außen abgebbar ist, insbesondere in menschliches Gewebe. Vorzugsweise ist die Lichtquelle ausgebildet zum Abgeben von Licht, das zum Anregen eines mit Indocyaningrün angereicherten Objekts zur Fluoreszenz geeignet ist. Insbesondere ist die Lichtquelle ausgebildet zum Abgeben von Licht einer Wellenlänge zwischen 730 und 780 Nanometern.
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Unter dem Lichtaustritt wird insbesondere diejenige Region der Lichtquelle verstanden, aus der das Licht aus der Lichtquelle in die Umgebung oder in Gewebe übertritt.
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Unter dem Beleuchtungs-Handstück wird insbesondere ein Objekt verstanden, das mit einer Hand wie ein Stift gehalten werden kann. Vorzugsweise beträgt ein Durchmesser des Beleuchtungs-Handstücks maximal 5 cm.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Verdrängerkopf zumindest einen konvexen und/oder flachen Bereich auf, wobei der Lichtaustritt in dem konvexen und/oder flachen Bereich ausgebildet ist. Dadurch kann Gewebe besonders effektiv verdrängt werden. Der Verdrängerkopf könnte auch als Anpresskopf oder Anpressstück bezeichnet werden.
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Vorzugsweise erstreckt sich der konvexe Bereich über einen Raumwinkel von zumindest 2π. Günstig ist es, wenn der Verdrängerkopf perlenförmig ist und beispielsweise die Form eines Ellipsoiden, insbesondere einer Kugel, hat. Das ermöglicht es, das Licht der Lichtquelle in einem weiten Winkelbereich in Gewebe abzugeben. Besonders günstig ist es, wenn die Lichtquelle ausgebildet ist zum Abgeben eines Lichtstrahls, der einen Öffnungswinkel von höchstens 45° hat, wobei der Öffnungswinkel der desjenigen Kegels ist, außerhalb dessen die Strahlungsintensität auf weniger als ein Zehntel der Maximal-Strahlungsintensität abgefallen ist.
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Vorzugsweise ist die Kamera in einem Kamera-Handstück ausgebildet. Besonders günstig ist es, wenn das Kamera-Handstück von dem Beleuchtungs-Handstück verschieden ist. Günstig ist es, wenn das Kamera-Handstück einen konvexen Kopf besitzt, in dem ein Fenster ausgebildet ist, durch das Licht einfallen und zur Kamera gelangen kann.
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Vorzugsweise hat der Verdrängerkopf einen Durchmesser zwischen 1 und 5 cm, insbesondere von 3 cm. Bei diesem Durchmesser handelt es sich vorzugsweise um den Radius einer Ausgleichskugel, die den Verdrängerkopf in Bezug auf die Summe der Abweichungsquadrate optimal approximiert.
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Bevorzugt ist ein Fluoreszenz-Untersuchungssystem, bei dem (i) die Lichtquelle eine Anregungsstrahlungsquelle zum Einstrahlen von Anregungsstrahlung einer Anregungswellenlänge auf das zu vermessende Objekt und eine Hilfsstrahlungsquelle zum Einstrahlen einer Hilfsstrahlung mit einer Hilfsstrahlungswellenlänge auf das zu vermessende Objekt wobei die Hilfsstrahlungswellenlänge größer ist als die Anregungswellenlänge aufweist, (ii) die Kamera ausgebildet ist zum ortsaufgelösten Messen einer Fluoreszenzstrahlungs-Intensität von Fluoreszenzstrahlung die aus dem Objekt stammt, von der Anregungsstrahlung hervorgerufen wurde und eine Fluoreszenzwellenlänge hat, (iii) wobei das Fluoreszenzverteilungs-Messgerät einen Filter zum Unterdrücken Von gestreuter Anregungsstrahlung und zum Passierenlassen von Fluoreszenzstrahlung und Hilfsstrahlung aufweist, (iv) die Kamera ausgebildet ist zum ortsaufgelösten Messen einer Hilfsstrahlungs-Intensität von Hilfsstrahlung die im Objekt gestreut wurde. Ein derartiges Untersuchungssystem ist besonders einfach aufgebaut.
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Vorzugsweise umfasst das Fluoreszenz-Messgerät eine Auswerteeinheit, die eingerichtet ist zum Berechnen eines ortsaufgelösten Parameters, der ein Maß für die Konzentration an fluoreszierendem Material ist, aus der Fluoreszenz-Intensität und der Hilfsstrahlungs-Intensität. Dieser ortsaufgelöste Parameter wird vorzugsweise auf einem grafischen Anzeigegerät dargestellt und erlaubt einen Rückschluss darauf, ob tumoröses Gewebe vorliegt.
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Vorzugsweise sind die Anregungsstrahlungsquelle und die Hilfsstrahlungsquelle ausgebildet zum periodisch alternierenden Einstrahlen von Anregungsstrahlung und Hilfsstrahlung auf das zu vermessende Objekt, wobei das Fluoreszenz-Untersuchungssystem eine Synchronisiervorrichtung zum Synchronisieren der Kamera einerseits und der Anregungsstrahlungsquelle und der Hilfsstrahlungsquelle andererseits aufweist, und wobei die Kamera eingerichtet ist zum periodisch alternierenden Messen der Fluoreszenzstrahlungs-Intensität und der Hilfsstrahlungs-Intensität synchron zum Einstrahlen von Anregungsstrahlungen und Hilfsstrahlungen.
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Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung werden unter den genannten Wellenlängen immer Vakuumwellenlängen verstanden. Selbstverständlich hängt die Wellenlänge von Strahlung vom Brechungsindex ab, so dass die Wellenlänge im Objekt in der Regel kleiner ist, maßgeblich ist aber der Einfachheit halber die Vakuumwellenlänge.
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Unter dem Parameter, der ein Maß für die Konzentration an fluoreszierendem Material ist, wird jede Zahl oder Größe verstanden, die mit der Konzentration an fluoreszierendem Material oder einer Ableitung nach dem Ort so stark korreliert, dass eine verlässliche Aussage über die Konzentration möglich ist. Beispielsweise handelt es sich bei diesem ortsaufgelösten Parameter um den Quotienten aus Fluoreszenzstrahlungs-Intensität und Hilfsstrahlungs-Intensität oder eine daraus abgeleitete Größe oder Zahl.
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Vorzugsweise entspricht die Hilfsstrahlungswellenlänge der Fluoreszenzwellenlänge. Hierunter wird insbesondere verstanden, dass die Hilfsstrahlungswellenlänge innerhalb eines Intervalls von ±25 Nanometern um das globale Maximum der Intensität der Fluoreszenzstrahlung liegt. Die Fluoreszenzstrahlung hat in der Regel ein Wellenlängenspektrum mit einem Maximum und ist nicht auf eine einzelne Wellenlänge beschrieben. Es ist also möglich, nicht aber notwendig, dass die Hilfsstrahlung lediglich eine Wellenlänge besitzt. Denkbar ist auch, dass die Hilfsstrahlung mehrere Wellenlängen aufweist oder Wellenlängen aus einem Wellenlängen-Intervall besitzt. In diesem Fall bezieht sich die Aussage auf den auf Intensitätsanteile gewichteten Mittelwert.
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Je mehr die Hilfsstrahlung der Fluoreszenzstrahlung entspricht, desto genauer gelingt die Auswertung, da die Streu- und Absorptionseigenschaften des Objekts bezüglich der Fluoreszenzstrahlung dann besonders ähnlich sind zu den Streu- und Absorptionseigenschaften bezüglich der Hilfsstrahlung, Optimal ist es daher, wenn das Spektrum der Hilfsstrahlung dem Spektrum der Fluoreszenzstrahlung entspricht. Da eine derartige Hilfsstrahlung meist aufwändig herzustellen ist, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, eine solche Hilfsstrahlung zu verwenden, die lediglich eine Wellenlänge hat, wobei diese Wellenlänge dicht beim Maximum des Spektrums der Fluoreszenzstrahlung liegen sollte.
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Vorzugsweise erfolgen das Einstrahlen der Anregungsstrahlung und das Einstrahlen der Hilfsstrahlung alternierend. Das hat den Vorteil, dass die Fluoreszenzstrahlungsintensität und die Hilfsstrahlungs-Intensität mit ein und demselben Detektor gemessen werden können, der dazu lediglich mit dem Wechsel der Anregungsstrahlung zur Hilfsstrahlung synchronisiert werden muss. Es handelt sich dabei quasi um ein Zeitmultiplexen der beiden Strahlungen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden das ortsaufgelöste Messen der Hilfsstrahlungs-Intensität und das ortsaufgelöste Messen der Fluoreszenzstrahlungs-Intensität mit ein und demselben Detektor durchgeführt, wobei das Messgerät mit einer Strahlungsquelle, die die Anregungsstrahlung und die Hilfsstrahlung abgibt, synchronisiert wird. Unter dem Merkmal, dass die Hilfsstrahlungs-Intensität und die Fluoreszenzstrahlungs-Intensität in demselben Messgerät durchgeführt werden, wird insbesondere verstanden, dass die Umsetzung des optischen Signals in Form der Intensitäten in ein elektrisches Signal mit dem gleichen Sensorelement durchgeführt wird. Das ermöglicht einen einfachen Messaufbau und erspart ein ansonsten notwendiges Ausrichten von Sensorelementen für die unterschiedlichen Intensitäten relativ zueinander. In aller Regel umfasst das Messgerät einen Langpassfilter, der so gewählt ist, dass die Anregungsstrahlung herausgefiltert wird. In anderen Worten wird die Strahlung zunächst so gefiltert, dass die Anregungsstrahlung unterdrückt wird, danach werden die Fluoreszenzstrahlungs-Intensität und die Hilfsstrahlungs-Intensität zeitversetzt ortsaufgelöst gemessen, und zwar synchron zum Wechsel beim Einstrahlen zwischen Anregungsstrahlung und Hilfsstrahlung.
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Vorzugsweise ist das zu vermessende Objekt ein Teil eines menschlichen oder tierischen Körpers, dem ein Fluoreszenzfarbstoff zugeführt wurde. Als geeigneter Fluoreszenzfarbstoff hat sich Indocyaningrün herausgestellt.
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Ein erfindungsgemäßes Fluoreszenz-Untersuchungssystem umfasst eine Auswerte einheit, die eingerichtet ist zum Berechnen eines ortsaufgelösten Parameters aus der Fluoreszenzstrahlungs-Intensität und der Hilfsstrahlungs-Intensität, wobei dieser Parameter ein Maß für die Konzentration an fluoreszierendem Material im Objekt ist. Insbesondere handelt es sich bei dem Parameter um das Verhältnis aus Fluoreszenzstrahlungs-Intensität und Hilfsstrahlungs-Intensität. Vorzugsweise ist das Fluoreszenz-Untersuchungssystem als Handgerät ausgebildet und die Messvorrichtung zum Messen der Fluoreszenzstrahlungs-Intensität und der Hilfsstrahlungs-Intensität ist bezüglich der Hilfsstrahlungsquelle und der Anregungsstrahlungsquelle in Rückstrahllage angeordnet.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
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1 eine Schemazeichnung eines erfindungsgemäßen Fluoreszenz-Untersuchungssystems,
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2 ein Beleuchtungs-Handstück gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fluoreszenz-Untersuchungssystems
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3 ein Beleuchtungs-Handstück in einer Schnittansicht,
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4 eine Kamera eines Fluoreszenz-Untersuchungssystems in einer Glaskörperansicht.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Fluoreszenz-Untersuchungssystem 10 mit einer Lichtquelle 16, die ausgebildet ist zum Bestrahlen des mit Fluoreszenzfarbstoff 12 angereichten Objekts 14 mit einem Lichtkegel 18. In einem Bereich 19 ist eine Konzentration an Fluoreszenzfarbstoff 12 erhöht, beispielweise wenn im Bereich 19 ein Tumor vorliegt. Die Lichtquelle 16 besitzt zudem einen Lichtaustritt 20, im vorliegenden Fall in Form eines Fensters. Das Fluoreszenz-Untersuchungssystem 10 besitzt eine Kamera 22, mittels der Fluoreszenzlicht 24, das vom Objekt 14 kommt, aufgezeichnet werden kann.
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Die Lichtquelle 16 besitzt ein Beleuchtungs-Handstück 26 mit einem Verdrängerkopf 28. Der Verdrängerkopf 28 weist einen konvexen und/oder flachen Bereich 30 auf, in dem der Lichtaustritt 20 angeordnet ist.
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Die Lichtquelle 16 umfasst eine Alterniervorrichtung 32 und eine Lichtleitfaser 34 und ist ausgebildet zum Einstrahlen von Anregungsstrahlung 36 mit einer Anregungswellenlänge λ1 auf das zu vermessende Objekt 14. Die Alterniervorrichtung 32 wird von einem Leuchtelement 38 der Lichtquelle 16, beispielsweise einer LED, mit Anregungsstrahlung 36 der Anregungswellenlänge von beispielsweise λ1 = 760 Nanometer versorgt.
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Die Lichtquelle 16 umfasst zudem ein zweites Leuchtelement 40, das mit dem ersten Leuchtelement 38 die Alterniervorrichtung 32 und die Lichtleitfaser 34 teilt. Das zweite Leuchtelement 40 ist eingerichtet zum Abgeben von Hilfsstrahlung 41 mit einer Wellenlänge λ2. Beispielsweise beträgt die Wellenlänge der Hilfsstrahlung λ2 = 820 Nanometer.
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Die Kamera 22 ist eine CCD-Kamera, die so angeordnet ist, dass vom Objekt 14 abgegebenes Fluoreszenzlicht 24 mit einer Fluoreszenzwellenlänge λ3 und zurück gestreute Hilfsstrahlung 41 mit der Wellenlänge λ1 ortsaufgelöst messbar sind. Die Kamera 22 ist als Kamera-Handstück ausgebildet, das heißt, dass sie mit einer Hand gehalten werden kann.
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Die Kamera 22 umfasst einen Detektor, im vorliegenden Fall in Form eines CCD-Chips 66, ein Linsensystem 42 sowie einen Langpassfilter 44. Der Langpassfilter 44 besitzt eine Absorptionskate λK zwischen der Anregungswellenlänge λ1 und der Fluoreszenzwellenlänge λ3. Im vorliegenden Fall liegt die Absorptionskante λK des Langpassfilters 44 beispielsweise bei λK = 800 Nanometer. Die Kamera 22 ist mit einer Auswerteeinheit 46 verbunden, die aus den Messdaten der Kamera 22 einen Konzentrations-Parameter P berechnet, dar die Konzentration an Fluoreszenzfarbstoff 12 im Objekt 14 angibt.
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Die Kamera 22 ist ausgebildet zum ortsaufgelösten Messen einer Fluoreszenzstrahlungs-Intensität I24 des Fluoreszenzlichts 24, das auch als Fluoreszenzstrahlung bezeichnet werden kann, sowie einer Hilfsstrahlungs-Intensität I41 der Hilfsstrahlung 41. Damit beide Intensitäten, I24, I41, mit der gleichen Kamera 22 gemessen werden können, ist die Kamera 22 über eine Verbindung 48, im vorliegenden Fall mittels eines elektrischen Kabels 70, mit der Alterniervorrichtung 32 verbunden, die auch als Chopper bezeichnet werden kann.
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Im Betrieb gibt die Lichtquelle 16 alternierend Licht mit den Wellenlängen λ1 und λ2 ab. Das Objekt 14 wird so abwechselnd mit Anregungsstrahlung 36 und Hilfsstrahlung 41 bestrahlt.
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Über die Verbindung 48 wird ein Synchronisierungssignal an die Kamera 22 gesendet, so dass die Intensität eindeutig als Fluoreszenzstrahlungs-Intensität I24 oder als Hilfsstrahlungs-Intensität I41 identifiziert werden kann. Die Verbindung 48 und eine in 1 nicht eingezeichnete Steuervorrichtung der Alterniervorrichtung 32, die das Triggersignal generiert, sind Teil einer Synchronisiervorrichtung.
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1 zeigt, dass das Beleuchtungs-Handstück 26 per Hand ergriffen und im Raum bewegt werden kann. Die möglicherweise schweren Strahlungsquellen 38 und 40 können ortsfest bleiben und über die Lichtleitfaser 34 und die Verbindung 48 mit dem Handstück 26 verbunden sein. Es ist dann einfach, das Handstück 26 beispielsweise auf Teile des menschlichen Körpers zu richten und Gewebe 54 durch Aufbringen von Druck zu verdrängen. So sinkt ein Abstand d zwischen dem Lichtaustritt 20 und dem Bereich 19.
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2 zeigt das Beleuchtungs-Handstück 26 in einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fluoreszenz-Untersuchungssystems 10. Es zu erkennen, dass der konvexe und/oder flache Bereich 30 einen flachen Abschnitt 50 und einen gekrümmten Abschnitt 52 umfasst. Der Verdrängerkopf 28 ist so ausgebildet, dass mit ihm Gewebe 54, insbesondere menschliches oder tierisches Gewebe 54, verdrängbar ist.
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2 zeigt zudem eine gedachte Ausgleichskugel 56 durch den Verdrängerkopf 28 um das zu erkennen, dass sich der konvexe Bereich 30 über einen Raumwinkel Ω von über 2π erstreckt.
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3 zeigt das Beleuchtungs-Handstück 26 gemäß 2 in einem Querschnitt. Es ist zu erkennen, dass die Lichtquelle 16 durch eine Leuchtdiode gebildet ist. Die Lichtquelle 16 kann zudem einen optionalen Filter 58 aufweisen. Die Leuchtdiode ist über ein Stromkabel 60 mit einer Stromversorgung verbunden. Zu erkennen ist zudem ein Griff 62.
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4 zeigt eine Kamera 22 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eines Fluoreszenz-Untersuchungssystems 10 als Kamera-Handstück ausgebildet ist. Zu erkennen ist eine Optik 64, die das Fluoreszenzlicht 24 und gestreutes Anregungs- und Hilfsstrahlungslicht auf einen CCD-Chip 66 abbildet. Der CCD-Chip 66 wird von einer Auswerteeinheit 68 ausgelesen und die Bilddaten mittels eines Kabels 70 übermittelt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Fluoreszenz-Untersuchungssystem
- 12
- Fluoreszenzfarbstoff
- 14
- Objekt
- 16
- Lichtquelle
- 18
- Lichtkegel
- 19
- Bereich erhöhter Konzentration an Fluoreszenzfarbstoff
- 20
- Lichtaustritt
- 22
- Kamera
- 24
- Fluoreszenzlicht
- 26
- Beleuchtungs-Handstück
- 28
- Verdrängerkopf
- 30
- konvexer Bereich
- 32
- Alterniervorrichtung
- 34
- Lichtleitfaser
- 36
- Anregungsstrahlung
- 38
- Leuchtelement
- 40
- zweites Leuchtelement
- 41
- Hilfsstrahlung
- 42
- Linsensystem
- 44
- Langpassfilter
- 46
- Auswerteeinheit
- 48
- Verbindung
- 50
- flacher Abschnitt
- 52
- gekrümmter Abschnitt
- 54
- Gewebe
- 56
- Ausgleichskugel
- 58
- Filter
- 60
- Stromkabel
- 62
- Griff
- 64
- Optik
- 66
- CCD-Chip
- 68
- Auswerteeinheit
- 70
- Kabel
- P
- Konzentrations-Parameter
- I24
- Fluoreszenzstrahlungs-Intensität
- I41
- Hilfsstrahlungs-Intensität
- λ1
- Anregungswellenlänge
- λ2
- Hilfsstrahlungswellenlänge
- λ3
- Fluoreszenzwellenlänge Absorptionskante
- Ω
- Raumwinkel
