DE102018111769B4

DE102018111769B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Elimination des Einflusses vorgelagerter Schichten bei spektralen Messungen an geschichteten Objekten

Info

Publication number: DE102018111769B4
Application number: DE102018111769.8A
Authority: DE
Inventors: Dietrich Schweitzer; Jens HAUEISEN; Matthias Klemm
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 2018-05-16
Filing date: 2018-05-16
Publication date: 2020-03-26
Anticipated expiration: 2038-05-17
Also published as: DE102018111769A1

Abstract

Vorrichtung zur Elimination des Einflusses vorgelagerter Schichten bei spektralen Messungen an geschichteten Objekten mittels eines konfokalen Laser Scanner Systems, umfassend einen ersten Detektionsstrahlengang zur konfokalen Detektion des von einer vom Laser Scanner System fokal beleuchteten Oberfläche des geschichteten Systems reflektierten, gestreuten oder fluoreszierten Lichtes und einen zweiten Detektionsstrahlengang zur nichtkonfokalen Detektion des von den vorgelagerten Schichten reflektierten, gestreuten oder fluoreszierten Lichtes, wobei die Vorrichtung ein Schaltelement (15) umfasst, das dafür ausgebildet ist, das nichtkonfokal und das konfokal detektierte Licht abwechselnd in einen dritten, gemeinsamen Detektionsstrahlengang zu koppeln.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Elimination störender Einflüsse vorgelagerter Schichten bei spektralen Messungen an geschichteten Objekten mittels eines Laser Scanning Systems, umfassend einen ersten Detektionsstrahlengang zur konfokalen Detektion des von einer vom Laser Scanner System fokal beleuchteten Oberfläche des geschichteten Systems reflektierten, gestreuten oder fluoreszierten Lichtes und einen zweiten Detektionsstrahlengang zur fokalen Detektion des von den vorgelagerten Schichten reflektierten, gestreuten oder fluoreszierten Lichtes. Die Erfindung kann insbesondere bei spektralen Messungen am Augenhintergrund (Fundus), bei denen die spektralen Eigenschaften der Augenlinse das Ergebnis verfälschen, angewendet werden.
Die Fluoreszenz in den vorderen Augenmedien Hornhaut und Augenlinse sowie die mit zunehmendem Alter erhöhte Lichtstreuung in der Augenlinse überlagern sich mit dem vom Augenhintergrund gemessenen Fluoreszenz- oder Reflexionslicht. Bei einfacher Fundusbildgebung kann durch Aperturblendenteilung oder durch konfokale Laser Scanning Technik das direkt an den vorderen Augenmedien reflektierte Licht weitgehend beseitigt werden, so dass eine kontrastreiche Beobachtung des Augenhintergrundes erreicht wird. Für spektrale Messungen am Augenhintergrund, insbesondere für spektrale oder zeitaufgelöste Messungen der Autofluoreszenz, ist jedoch das Signal um mehrere Größenordnungen kleiner als das vom Augenhintergrund reflektierte Licht, so dass das Streu- oder Fluoreszenzlicht der vorderen Augenmedien in vergleichbarer Größenordnung wie das vom Augenhintergrund gemessene Licht liegt. Dadurch sind die spektralen Messungen der Fluoreszenz, besonders der zeitaufgelösten Autofluoreszenz, am Augenhintergrund deutlich erschwert.
Zur Reduzierung oder Beseitigung des störenden Lichtes aus den vorderen Augenmedien sind aus dem Stand der Technik verschiedene Anordnungen und Verfahren bekannt.
So wird z.B. in DE 10 2004 042 198 A eine Kombination des konfokalen Laser Scanning Prinzips mit dem Prinzip der Aperturblendenteilung angegeben. Dazu konnte in experimentellen Untersuchungen nachgewiesen werden, dass mit diesem Prinzip eine Unterdrückung der Fluoreszenz der vorderen Augenmedien mindestens um eine Größenordnung gegenüber dem einfachen konfokalen Laser Scanning Prinzip erreicht wird (Klemm et al. Combination of confocal principle and aperture stop separation improves suppression of crystalline lens fluorescence in an eye model, Biomed Opt Express. 2016 Sep 1; 7(9): 3198-3210). Allerdings wird dabei die detektierbare Strahlungsleistung entsprechend der Aufteilung der Aperturblenden in Eintritts- und Austrittsbereich reduziert, z.B. bei gleichen Teilflächen um 50%.
Es ist weiterhin bekannt, dass eine zunehmende Streuung des Lichtes in der Augenlinse bei Messung der optischen Dichte des Makulapigments nach der 1-Wellenlängenmethode (Schweitzer et al.: Simple and objective method for routine detection of the macular pigment xanthophyll. Journal of Biomedical Optics 15(6), 061714-1061714-10 (2010)) zur Berechnung einer geringeren optischen Dichte des Makulapigments führt. Deshalb wird mit der DE 10 2007 047 300 A1 vorgeschlagen, in einer zusätzlichen Messung die Streuung der Linse zu erfassen, indem der Augenhintergrund zwar mit dem Messlicht beleuchtet wird, der zur Berechnung der optischen Dichte des Makulapigments verwendete Bildbereich aber ausgeblendet ist. Das vom nicht beleuchteten Bereich gemessene Streulicht ist anschließend von dem Licht zu subtrahieren, das vom Augenhintergrund bei vollständiger Beleuchtung gemessen wird. Danach kann die optische Dichte des Makulapigments korrekt für jedes Individuum berechnet werden. Dieser Ansatz erfordert, dass im Beleuchtungsstrahlengang eine einschwenkbare Blende angeordnet ist, die unter Korrektur der Fehlsichtigkeit des zu untersuchenden Auges scharf auf den zur Berechnung der optischen Dichte des Makulapigments herangezogenen makulären Bereich des Augenhintergrundes abgebildet wird. Allerdings ist eine Korrektur der Fehlsichtigkeit des Auges auch im Beleuchtungsstrahlengang in ophthalmologischen Untersuchungsgeräten bisher nicht realisiert. Weiterhin sind hierzu zwei Messungen erforderlich, zwischen denen sich das Auge bewegt haben kann, so dass es zusätzlich erforderlich ist, die gleiche Position am Fundus bei beiden Messungen zu finden.
Aus der DE 10 2007 025 425 A1 ist bekannt, dass für Messungen der Fluoreszenz des Augenhintergrundes, insbesondere der Autofluoreszenz, im Anregungsstrahlengang eine Blende eingefügt ist, die einen Teil des zur Fluoreszenz angeregten Bereichs am Fundus abschattet. Von diesem abgeschatteten Bereich wird die Fluoreszenz der vorderen Augenmedien registriert, die von der Fluoreszenz der übrigen zur Fluoreszenz angeregten Bereiche subtrahiert wird. Um die Abschattungsblende scharf auf den Augenhintergrund abzubilden, sind die Abbildungsfehler des Auges auch im Anregungsstrahlengang zu korrigieren. Um die Fluoreszenz auch im abgeschatteten Bereich zu messen, sind mindestens 2 Messungen erforderlich, zwischen denen sich das Auge bewegt haben kann.
In der DE 10 2005 058 185 A1 wird zur Messung von Reflexions- oder Fluoreszenzspektren vom Augenhintergrund ohne die störenden Einflüsse der vorderen Okularmedien vorgeschlagen, den interessierenden Bereich am Augenhintergrund mit einem Laserspot fokal zur Fluoreszenz anzuregen und konfokal auf den Eintrittsspalt eines abbildenden Spektrographen abzubilden. Parallel oder sequentiell wird ein nicht beleuchteter Bereich des Augenhintergrundes auf einen anderen Abschnitt des Eingangsspaltes des Spektrographen abgebildet. Um genügend Photonen für die Darstellung der Reflexions- oder Fluoreszenzspektren zu erhalten, muss ein größerer Bereich am Augenhintergrund mehrfach gescannt werden. Nach Summation entsteht bei konfokaler Abbildung die Überlagerung aus den Spektren des Augenhintergrundes und der vorderen Augenmedien und die nichtkonfokale Abbildung liefert das Spektrum der vorderen Augenmedien. Als Ergebnis der Subtraktion beider gemessener Spektren wird das Spektrum des Augenhintergrundes berechnet. Mit diesem Verfahren ist es jedoch nicht möglich, hochaufgelöste örtliche Informationen vom Augenhintergrund zu erhalten.
Daneben ist aus der DE 10 2011 053 880 A1 die Aufnahme von Reflexions- oder Fluoreszenzspektren mit einer Schlitzkamera bekannt. Dabei wird ein Streifen des Beleuchtungslichtes über den Augenhintergrund bewegt und das Reflexions- oder Fluoreszenzlicht mit einer Detektorzeile registriert. Dieses Vorgehen ist ein Versuch, das Reflexions- oder Fluoreszenzlicht der vorderen Augenmedien in ähnlicher Weise zu unterdrücken, wie es bei konfokalen Laser Scanning Ophthalmoskopen erreicht wird. Da in Richtung der Zeilenausdehnung keine Konfokalität erreicht wird, bleibt ein störender Einfluss der vorderen Augenmedien erhalten. Außerdem wirkt sich bei der Verwendung einer Detektorzeile die unterschiedliche Empfindlichkeit der einzelnen Detektoren nachteilig aus.
Um das Reflexions- oder Fluoreszenzlicht der vorderen Augenmedien zu eliminieren, werden zwei Anordnungen vorgeschlagen. Beide nutzen das bekannte Prinzip, das störende Licht von einem unbeleuchteten Bereich des Augenhintergrundes zu detektieren und dieses von dem Licht zu subtrahieren, das vom beleuchteten Bereich des Augenhintergrundes detektiert wird.
Bei der ersten Anordnung befindet sich neben dem Beleuchtungsschlitz für die Aufnahme von Reflexions- oder Fluoreszenzbildern mindestens ein weiterer Beleuchtungsschlitz, der den Augenhintergrund beleuchtet, dessen Bild aber nicht auf die Detektorzeile abgebildet wird. Das von der Detektorzeile registrierte Licht ist das störende Licht, das in den vorderen Augenmedien entsteht. Durch Subtraktion dieses störenden Lichtes vom Licht, das bei Abbildung des beleuchteten Schlitzes am Augenhintergrund auf die Detektorzeile registriert wird, soll ein störungsfreies Bild des Augenhintergrundes erhalten werden. Nachteilig ist hierbei, dass nicht von exakt identischen Strahlungseigenschaften und Einstrahlbedingungen (Leistung, Spektrum, Augenbewegung) zwischen dem Licht der originalen Fundusbeleuchtung und der Beleuchtung zur Erfassung des störenden Lichtes ausgegangen werden kann.
Bei der zweiten Anordnung, die gegenüber der ersten Anordnung verbessert ist, wird der Augenhintergrund schlitzförmig beleuchtet und das beleuchtete Feld auf die Detektorzeile abgebildet, wobei sich neben dieser Detektorzeile eine weitere Detektorzeile befindet, die das störende Licht detektiert. Nachteilig ist, dass durch die Schlitzbeleuchtung und Schlitzdetektion Prinzip bedingt nicht bereits die Unterdrückung des störenden Lichtes der vorderen Augenmedien erreicht werden kann, wie es bei der Verwendung des Prinzips der konfokalen Laser Scanning Ophthalmoskopie möglich ist. Außerdem stellt die schlitzförmige Anregung am Augenhintergrund eine unter Umständen zu hohe Lichtbelastung für die Messung der zeitaufgelösten Fluoreszenz stellt dar.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die aufgezeigten Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden und eine verbesserte Vorrichtung und ein dazugehöriges Verfahren bereitzustellen, mit denen spektrale Messungen, z.B. Messungen der zeitaufgelösten Fluoreszenz, an einem geschichteten Objekt, insbesondere des Augenhintergrunds, ohne den störenden Einfluss von spektralen Eigenschaften vorgelagerter Strukturen, insbesondere der vorderen Augenmedien, realisiert werden können.
Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen des ersten und fünften Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Unter Verwendung eines konfokalen Scanning Laser Ophthalmoskops mit automatischer Bildlagenkorrektur werden die erforderlichen Messungen in einem Zyklus vorgenommen. Die Vorrichtung umfasst neben dem konfokalen Detektionsstrahlengang einen zweiten Strahlengang zur nichtkonfokalen Detektion des störenden Fluoreszenzlichts vorgelagerter Strukturen (z.B. vordere Augenmedien). Dabei ist die hierzu vorhandene Feldblende von der konfokalen Detektionsfeldblende so weit entfernt angeordnet, dass kein Licht der fokalen Anregung auf deren Bild am Augenhintergrund trifft. Während der konfokal angeregten Fluoreszenz des Augenhintergrundes wird auch das störende Fluoreszenzlicht der vorderen Augenmedien zeitaufgelöst registriert. Unter Verwendung des bekannten zeitkorrelierten Einzelphotonenzählens (TCSPC) wird für jeden Bildpunkt im konfokalen Detektionsstrahlengang das überlagerte Abklingverhalten der Fluoreszenz des Augenhintergrundes und der vorderen Augenmedien und im nichtkonfokalen Detektionsstrahlengang nur das Abklingverhalten der vorderen Augenmedien registriert. Prinzipiell entstehen nach mehrfachem Scannen des Bildlagen-korrigierten Bereichs am Augenhintergrund ein Bild des überlagerten Abklingverhaltens der Fluoreszenz des Augenhintergrundes mit dem Abklingverhalten der vorderen Augenmedien sowie ein Bild des Abklingverhaltens der Fluoreszenz der vorderen Augenmedien. Die Subtraktion beider Bilder liefert ein Bild des Abklingverhaltens nur des Augenhintergrundes.
Da das Anregungslicht während des Scannens immer durch den gleichen Bereich an den vorderen Augenmedien tritt, ist das überlagerte Abklingverhalten der Fluoreszenz der vorderen Augenmedien an allen Orten am Augenhintergrund gleich. Daher ist es ausreichend, das Abklingverhalten der Fluoreszenz der vorderen Augenmedien an nur einem Pixel zu detektieren oder in einem Pixel zu akkumulieren und anschließend dieses Abklingverhalten von allen Pixeln des konfokal detektierten Abklingverhaltens zu subtrahieren.
Grundsätzlich ist es denkbar, das konfokal und das nichtkonfokal auftreffende Fluoreszenzlicht parallel in zwei unabhängigen Detektionskanälen mit anschließender spektraler Aufteilung zu registrieren. Ökonomischer ist es jedoch, für beide Lichtanteile den gleichen Detektionskanal zu verwenden und so auch den Einfluss unterschiedlicher Detektorempfindlichkeiten zu vermeiden. In diesem Detektionskanal kann auch eine weitere spektrale Aufspaltung realisiert werden. Bei der erfindungsgemäße Vorrichtung werden daher die Fluoreszenzsignale des nichtkonfokalen und des konfokalen Eingangs bei jeder Aufnahme eines Einzelbildes nacheinander mittels eines schnellen Schalters in einen gemeinsamen Detektionskanal mit spektraler Aufteilung geleitet und zeitaufgelöst gesondert registriert.
Während des Scanprozesses wird jedes Pixel durch eine Zeitdauer definiert, während der die Fluoreszenzphotonen, die durch den hochfrequenten Pulslaser angeregt wurden, in bestimmte Zeitkanäle eingeordnet werden. Die Photonen, die nichtkonfokal in jedem Zeitkanal detektiert wurden, werden von den konfokal detektierten Photonen jedes entsprechenden Zeitkanals, beispielsweise bei jeder Bildaufnahme, subtrahiert. Bei Anwendung des zeitkorrelierten Einzelphotonenzählens liefert, nach Summation der so korrigierten Fluoreszenzphotonen über alle Scanvorgänge, der Inhalt der Zeitkanäle die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion des Fluoreszenzabfalls eines jeden Pixels des Augenhintergrundes ohne das störende Fluoreszenzlicht der vorderen Augenmedien. Durch die Subtraktion des nichtkonfokal detektierten Lichtes vom konfokal detektierten Licht wird weiterhin der Offset der zeitaufgelösten konfokal detektierten Fluoreszenz beseitigt. Durch diese Operation wird die Konkurrenz zwischen Offset und der längsten Komponente bei der Approximation des Fluoreszenzsignals durch eine Modellfunktion vermieden. Das nichtkonfokal detektierte Licht liefert weiterhin das zeitaufgelöste Fluoreszenzsignal der vorderen Augenmedien zur gesonderten Auswertung.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können vollständige Bilder konfokal und nichtkonfokal detektiert werden. Anschließend wird dann der Inhalt jedes Zeitkanals jedes Pixels des akkumulierten nichtkonfokal detektierten Bildes vom Inhalt jedes Zeitkanals jedes Pixels des akkumulierten konfokal detektierten Bildes subtrahiert. Allerdings wird dabei die Messzeit deutlich verlängert.
Da die Fluoreszenz der vorderen Augenmedien isotrop verteilt ist, ist es ausreichend, nur eine Zeile bei jeder Aufnahme eines konfokal detektierten Bildes nichtkonfokal zu detektieren. Nach Akkumulation der konfokal detektierten Bilder und der nichtkonfokal detektierten Zeilen wird der Inhalt jedes Zeitkanals jedes Pixels der akkumulierten nichtkonfokal detektierten Zeile vom Inhalt jedes zugeordneten Zeitkanals jedes Pixels in den ebenfalls zugeordneten Pixel jeder Spalte subtrahiert.
Es erwies sich als vorteilhaft, das Umschalten zwischen nichtkonfokalem und konfokalem Eingangskanal mit Hilfe des schnellen Schalters mit der Zeilensteuerung des y-Scanners zu synchronisieren, wobei die Detektion der nichtkonfokal abgebildeten Fluoreszenz vor oder nach der Detektion jedes konfokal angeregten Bildes erfolgen kann.
Im Ergebnis werden die nichtkonfokal und die konfokal angeregte Fluoreszenz unter den gleichen Bedingungen detektiert.
Es liegt selbstverständlich auch im Bereich der Erfindung, den Inhalt der Zeitkanäle aus so vielen Pixeln der nichtkonfokal detektierten Fluoreszenz einer vorgelagerten fluoreszierenden Schicht, beispielsweise der vorderen Augenmedien, in nur einem Pixel zu akkumulieren, wie konfokal Bilder der Gesamtfluoreszenz akkumuliert wurden. Anschließend wird der Inhalt aller Zeitkanäle des Pixels mit der akkumulierten nichtkonfokal detektierten Fluoreszenz von allen Zeitkanälen jedes Pixels der akkumulierten konfokal detektierten Fluoreszenz subtrahiert. Als Ergebnis einer derartigen Subtraktion enthalten die Zeitkanäle aller Pixel des korrigierten Bildes nur noch das Abklingverhalten der Fluoreszenz aus der Fokalebene, beispielsweise der Fundusfluoreszenz.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, dass mit Hilfe der nichtkonfokalen Messung des Lichtes die spektralen Eigenschaften der vorderen Augenmedien bestimmt werden können, da das nichtkonfokal detektierte Licht das Streulicht oder das Fluoreszenzlicht der vorderen Augenmedien ist.
Die Erfindung soll anhand nachfolgender Beispiele näher erläutert werden. Es zeigt:

1 - Schematischer Aufbau eines Scanning Laser Ophthalmoskops zur Messung der Fluoreszenz des Augenhintergrundes mit Beseitigung der störenden Fluoreszenz der vorderen Augenmedien,
2- Prinzip eines DMD-Schalters zwischen konfokal und nichtkonfokal detektiertem Fluoreszenzlicht,
3- Prinzip eines Piezo-Schalters zwischen konfokal und nichtkonfokal detektiertem Fluoreszenzlicht
4- Prinzip eines LCD-Schalters zwischen konfokal und nichtkonfokal detektiertem Fluoreszenzlicht.
5- Detektion des nichtkonfokalen Lichtes durch Einfügen einer schräg gestellten Planplatte in den konfokalen Strahlengang.

Wie in 1 dargestellt, regt das Licht eines Pulslasers (1) über die Abbildung einer Feldblende (2) durch eine Linse (3), einen dichroitischen Spiegel (4), ein Laser Scanner System (5), eine Linse (6) und eine Augenlinse (7) den Augenhintergrund (8) eines Auges (9) in bekannter Weise fokal zur Fluoreszenz an. Dabei werden auch die vorderen Augenmedien, wie Linse (7), zur Fluoreszenz angeregt. Das Fluoreszenzlicht des Augenhintergrundes (8) wird in ebenfalls bekannter Weise über die Augenlinse (7), die Linse (6), das Laser Scanner System (5) nach Durchtritt durch den dichroitischen Spiegel (4) und einen Blockfilter (10) durch eine Linse (11) auf eine Blende (12), beispielsweise ausgeführt als Eingang eines Lichtleiters, konfokal abgebildet. In diesem Fluoreszenzlicht ist zusätzlich zur Fluoreszenz des Augenhintergrundes auch die Fluoreszenz der vorderen Augenmedien enthalten.
Das (nicht abgebildete) Laser Scanner System (5) umfasst in bekannter Weise ein System zur automatischen Bildlagenkorrektur auf der Grundlage von Reflexionsbildern, die durch einen Infrarotlaser erzeugt werden. Diese reflektierte Infrarotstrahlung wird ebenso wie das Anregungslicht durch den Blockfilter (10) gesperrt.
Zusätzlich zum Lichtleiter (12) für die konfokale Detektion ist in einer zum Augenhintergrund (8) kongruenten Bildebene eine weitere Blende (14), beispielsweise ebenso ausgeführt als Eingang eines Lichtleiter, so angeordnet, dass deren Bild in einem zur Anregung nichtkonfokalen Strahlengang (13) durch die Linse (11) und nach Durchgang durch den Blockfilter (10) und den dichroitischen Spiegel (4) und Ablenkung durch das Laser Scanner System (5) und weiterhin durch die Linse (6) und die Augenlinse (7) so neben das Bild der Feldblende (2) auf den Augenhintergrund (Fundus) (8) abgebildet wird, dass kein Licht des Lasers (1) den Augenhintergrund (8) an dieser Stelle fokal anregt.
An den Ausgängen des Lichtleiters (12) für die konfokale Detektion des Fluoreszenzlichtes und des Lichtleiters (14) für die nichtkonfokale Detektion des Fluoreszenzlichtes der vorderen Augenmedien ist erfindungsgemäß ein Schaltelement (15) angeordnet, welches das Licht dieser Lichtleiterausgänge wählbar auf den Eingang eines dritten Lichtleiters (16) überträgt. Je nach Schalterstellung wird das konfokal oder das nichtkonfokal detektierte Licht vom Ausgang des Lichtleiters (16) durch eine Linse (17) direkt oder nach spektraler Aufspaltung durch einen oder mehrere dichroitische Spiegel (18) auf die Detektoren (19) und (20) abgebildet, die mit Einheiten zum zeitkorrelierten Einzelphotonenzählen (21) und (22) verbunden sind.
Um eine hohe spektrale Aufspaltung des Fluoreszenzlichtes zu erreichen, können mehrere dichroitische Spiegel und Kaskaden von Detektoren und zugeordneten Einheiten zum zeitkorrelierten Einzelphotonenzählen verwendet werden.
In den Einheiten zum zeitkorrelierten Einzelphotonenzählen (21) und (22) wird das nach jedem Anregungspuls des Lasers (1) detektierte Fluoreszenzphoton entsprechend der Detektionszeit nach dem Anregungspuls in zugeordnete Zeitkanäle detektiert. Die Einheiten (21) und (22) sind mit einer Recheneinheit (23) verbunden, in welcher der Aufbau von Bildern der zeitaufgelösten Fluoreszenz (24) und (25) für jeden Spektralbereich erfolgt. Da es vorteilhaft ist, das Schaltelement (15) so zu steuern, dass jeweils zu Beginn oder Ende einer Bildaufnahme in einer Zeile das nichtkonfokal detektierte Fluoreszenzlicht angeben ist, enthalten die Bilder der zeitaufgelösten Fluoreszenz (24) und (25) je eine Zeile der nichtkonfokal detektierten Fluoreszenz (26) und (27) der vorderen Augenmedien. Dabei ist es zweckmäßig, diesen Schaltvorgang mit dem Zeilenvorschub des y-Scanners zu synchronisieren.
Für periodisch arbeitende Schaltelemente (15) ist es vorteilhaft, den Schaltvorgang mit dem Laser Scanner System (5), beispielsweise einem Resonanzscanner für die X-Ablenkung und einem Galvanoscanner für die y- Ablenkung, so zu synchronisieren, dass abwechselnd eine Zeile des nichtkonfokal und eine Zeile des konfokal detektierten Lichtes registriert wird. Um die Auflösung in y-Richtung aufrecht zu erhalten, erfolgt ein Zyklus aus nichtkonfokaler und aus konfokaler Messung in jeweils der gleichen Zeile, beispielsweise im Vorlauf die nichtkonfokale Detektion und im Rücklauf des Resonanzscanners die konfokale Detektion. Erst nach Abschluss dieses Zyklus erfolgt die Weiterschaltung zu einer neuen Zeile.
Grundsätzlich ist es auch möglich, die Detektion vollständiger Bilder des nichtkonfokal und des konfokal gemessenen Lichtes nacheinander aufzunehmen. Dabei müssen jedoch beide Messungen über die gleiche Zeit erfolgen.
Der Einsatz von Lichtleitern (12) und (14) in den Strahlengängen für das nichtkonfokal und das konfokal detektierte Licht, sowie des Lichtleiters (16), der beide Lichtanteile zu den Detektoren leitet, ermöglicht einen flexiblen Aufbau des Messsystems zwischen dem beweglichem Laser Scanner System (5) und der feststehenden Detektions- und Auswerteeinrichtung. Es ist aber auch denkbar, die Strahlengänge für das nichtkonfokal und das konfokal detektierte Licht mit konventionellen optischen Bauelementen in fester Anordnung, beispielsweise direkt in den beweglichen Teil des Laser Scanner Systems (5), zu integrieren.
In einer weiteren Ausführung können auch das nichtkonfokal und das konfokal detektierte Licht gleichzeitig in parallelen Strahlengängen spektral aufgespalten und detektiert werden. Hierbei sind jedoch gleiche Detektoreigenschaften erforderlich.
Der konfokal detektierte Teil der Fluoreszenz des Augenhintergrundes der Bilder (24) und (25) ist mit der Fluoreszenz der vorderen Augenmedien überlagert. Es ist vorteilhaft, den Inhalt jedes Zeitkanals jedes Pixels aus der nichtkonfokal registrierten Zeile vom Inhalt jedes Zeitkanals der zugeordneten Pixel in jeder Spalte des konfokal registrierten Fluoreszenzlichtes nach jeder Einzelbildaufnahme zu subtrahieren. In den resultierenden Bildern ist ausschließlich die Fundusfluoreszenz (28) und (29) abgebildet. In diesen Bildern sind spektral unterschiedliche Veränderungen der zeitaufgelösten Fluoreszenz in den entsprechenden Bildern der Fluoreszenzintensität oder nach Approximation des Fluoreszenzabfalls mit geeigneten Modellfunktionen, beispielsweise bei exponentieller Approximation in Bildern der Lebensdauern oder Amplituden, zur klinischen oder sonstigen Auswertung dokumentiert.
Mit der vorliegenden Erfindung kann dediziert die Fluoreszenz des insbesondere pathologisch veränderten Augenhintergrundes bereits im Frühstadium einer Erkrankung detektiert werden, wobei der opto-mechanische Aufbau bekannter konfokaler Laser Scanner Systeme weitgehend erhalten bleibt. Lediglich in der zum Augenhintergrund konjugierten Detektionsebene ist neben dem Lichtleiter zur konfokalen Detektion des Fluoreszenzlichtes ein weiterer Lichtleiter einzubringen, mit dem das Fluoreszenzlicht der vorderen Augenmedien nichtkonfokal detektiert wird. Außerdem wird zusätzlich ein Schaltelement (15) benötigt, der das Licht abwechselnd vom Lichtleiter (12) oder Lichtleiter (14) gesteuert in den Lichtleiter (16) leitet. Alle weiteren Baugruppen sind in bekannten Anordnungen zur Messung der zeitaufgelösten Fluoreszenz bereits vorhanden. Die erforderliche Steuerung des Schaltelements (15) und die Subtraktion des nichtkonfokal detektierten Lichtes vom konfokal detektierten Licht werden softwareseitig realisiert.
Bei Messungen der zeitaufgelösten Fluoreszenz mittels zeitaufgelöstem Einzelphotonenzählens ist es zweckmäßig, die Photonen in den Zeitkanälen der Pixel in den Serien der nichtkonfokal und der konfokal detektierten Fluoreszenz zuerst zu akkumulieren und danach voneinander zu subtrahieren. Damit wird vermieden, dass negative Photonenzahlen in einzelnen Zeitkanälen auftreten können.
Da das nichtkonfokal detektierte Licht im Gegensatz zum konfokal detektierten Licht keine Ortsabhängigkeit zeigt, ist es auch möglich, vor oder nach der Aufnahme und Akkumulation einer Serie von konfokal detektierten Bildern ein oder mehrere Bilder nichtkonfokal aufzunehmen und die gleiche Anzahl von Zeilen eines oder mehrerer nichtkonfokal detektierter Bilder zu akkumulieren, die gleich der Anzahl der konfokal detektierten Bilder ist. Der Inhalt der Zeitkanäle der Pixel dieser akkumulierten Zeile des nichtkonfokal detektierten Lichtes ist vom Inhalt der zugeordneten Zeitkanäle aller Pixel in den zugeordneten Spalten des akkumulierten Bildes der konfokal detektierten Einzelbilder zu subtrahieren.
Besonders einfach ist es, das nichtkonfokal detektierte Licht nur einiger Zeilen, beispielsweise nur einer einzigen Zeile, aufzunehmen und je Zeitkanal den Inhalt aller Pixel dieser Zeile oder Zeilen zu akkumulieren. Um gleiche Messzeiten für die nichtkonfokale und die konfokale Detektion der Fluoreszenz zu gewährleisten, muss die Anzahl der akkumulierten Pixel der nichtkonfokal detektierten Fluoreszenz gleich der Anzahl der konfokal aufgenommenen Bilder sein. Damit wird in den Zeitkanälen eines einzelnen Pixels der zeitliche Verlauf des nichtkonfokal detektierten Lichtes dargestellt, der vom zeitabhängigen Verlauf der konfokal detektierten Fluoreszenz jedes einzelnen Pixels zu subtrahieren ist. Durch dieses Vorgehen wird die Zeit zur Aufnahme zeitaufgelöster Fluoreszenzbilder des Augenhintergrundes nur marginal verlängert.
Die Erfindung ist nicht auf die Beseitigung der Fluoreszenz der vorderen Augenmedien bei Messungen der vorwiegend zeitaufgelösten Fluoreszenz des Augenhintergrundes beschränkt. So kann beispielsweise auch das störende Streulicht der vorderen Augenmedien beseitigt werden, wenn die optische Dichte des Makulapigments nach der 1-Wellenlängenmethode mittels eines Scanning Laser Ophthalmoskops ausgeführt wird. Grundsätzlich kann die Erfindung überall dort angewendet werden, wo in einem Schichtsystem die spektralen Eigenschaften einer Schicht zu bestimmen sind, vor der sich eine weitere Schicht mit störenden spektralen Eigenschaften befindet.
Durch die konfokale und die nichtkonfokale Messung der Fluoreszenz, Reflexion oder Streuung an einem Schichtsystem können außerdem die spektralen Eigenschaften der einzelnen vorgelagerten Schichten bestimmt werden. Damit wird es möglich, Veränderungen der vorderen Augenmedien zeitgleich mit Veränderungen am Augenhintergrund zu ermitteln.
In 2 ist der Prinzipaufbau eines DMD (digital mirror device) Elements (30) dargestellt, der von einer Einheit (31) gesteuert wird, die mit der Steuerung des Laser Scanner Laser Systems (5) synchronisiert ist. Die Ausgänge des Lichtleiters (14) für das nichtkonfokal detektierte Licht und des Lichtleiters (12) für das konfokal detektierte Licht sind in der Brennebene einer Linse (32) so angeordnet, dass das DMD Element (30) mit parallelem Licht beleuchtet wird und das wahlweise abgelenkte Licht auf den Eingang des Lichtleiters (16) fokussiert wird, der wahlweise das nichtkonfokal detektierte oder das konfokal detektierte Licht zu den Detektoren leitet.
Beispielsweise wird zu Beginn jeder Bildaufnahme während des Vorlaufs beispielsweise des x-Resonanzscanners in einer Zeile durch eine erste Stellung des DMD Elements (30) das nichtkonfokal detektierte Licht aus dem Lichtleiter (14) und während des Rücklaufs des X-Scanners das konfokal detektierte Licht aus dem Lichtleiter (12) in den gemeinsamen Lichtleiter (16) reflektiert, der zu den Detektoren führt. Danach schaltet der y-Galvanoscanner zur nächsten Zeile und der gleiche Messzyklus setzt sich bis zum Bildende fort. Am Ende der Messung liegen Einzelbilder des nichtkonfokal und des konfokal detektierten Lichtes vor. Das nichtkonfokal detektierte Bild kann direkt nach der Aufnahme vom konfokal detektierten Bild subtrahiert werden.
Bei Verwendung nichtperiodisch arbeitender Schaltelemente wird beispielsweise zu Beginn jeder Bildaufnahme das nichtkonfokal detektierte Licht der vorderen Augenmedien durch die Spiegel des DMD Elements (30) für die Dauer einer Zeilenregistrierung auf den Lichtleiter reflektiert, der dieses Licht zu den Detektoren leitet. Während der Umschaltung auf die nächste Zeile wird der Spiegel des DMD Elements (30) so umgeschaltet, dass jetzt das konfokal detektierte Licht des Augenhintergrundes, das mit dem Licht der vorderen Augenmedien überlagert ist, in den Lichtleiter reflektiert wird, der es zu den Detektoren leitet. DMD Elemente können mit ausreichen hoher Frequenz geschaltet werden, so dass eine Synchronisation des Umschaltens mit der Zeilensteuerung des Laser Scanners realisierbar ist.
3 zeigt das Prinzip eines piezo-elektrischen Schalters für die Umschaltung des nichtkonfokal oder des konfokal detektierten Lichtes auf den Lichtleiter (16), der beide Lichtanteile zu den Detektoren leitet. Bei diesem Schalter wird der gemeinsame Lichtleiter (16) mechanisch zwischen den Ausgängen der Strahlengänge für die nichtkonfokale und die konfokale Detektion des Fluoreszenzlichtes, beispielsweise den Ausgängen der Lichtleiter (12) und (14), die das nichtkonfokal oder das konfokal detektierte Licht leiten, bewegt. Die Positioniergenauigkeit des Aktuators (34) ist im µm-Bereich ausreichend hoch. Bei Verwendung von Lichtleitern (12), (14), (16) sind keine zusätzlichen abbildenden Elemente erforderlich.
In 4 ist das Prinzip von LCD (liquid crystal device) Elementen unter Verwendung eines polarisierenden Strahlteilers für die Umschaltung des nichtkonfokal oder des konfokal detektierten Lichtes auf den Lichtleiter (16) dargestellt, der beide Lichtanteile zu den Detektoren leitet. Durch die Linsen (35) und (36) wird das konfokal detektierte Licht aus dem Lichtleiter (12) und das nichtkonfokal detektierte Licht aus dem Lichtleiter (14) parallelisiert und tritt durch die LCD Elemente (37) und (38) und wird anschließend im polarisierenden Strahlteiler (39) mit lateralem Versatz vereinigt, wobei das vereinigte Licht durch die Linse (40) in den Lichtleiter (16) fokussiert, der beide Lichtanteile zu den Detektoren leitet. Die LCD Elemente (37) und (38) sind so angeordnet, dass beispielsweise vom konfokal detektierten Licht durch das LCD Element (38), das durch die Steuerung (41) so aktiviert wird, dass nur das senkrecht polarisierte Licht passieren kann, während das LCD Element (37) nur die waagerecht polarisierte Komponente des nichtkonfokal detektierten Lichtes passieren lässt. Im polarisierenden Strahlteiler mit lateralem Versatz (39) ist die Transmission bzw. die Reflexion für beide Lichtanteile verlustarm.
Diese LCD Schalter haben den Vorteil, dass keine mechanische Aktivität erforderlich ist. Nachteilig ist, dass durch die Polarisationsteilung nur noch die auf die Hälfte reduzierte Lichtintensität zur Verfügung steht.
An Stelle der LCD Elemente können andere polarisationsabhängige Schalter wie z.B. Pockelszellen verwendet werden. So können auch die Lichtleiter für die nichtkonfokale und für die konfokale Detektion faseroptische Pockelszellen sein.
Weiterhin sind Kerrzellen als schnelle Schalter einsetzbar.
5 offenbart eine besonders einfache Lösung zum Umschalten zwischen konfokal und nichtkonfokal detektiertem Licht durch eine einschwenkbare, schräg gestellte Planplatte vor dem Detektor. Der Parallelversatz zum fokal beleuchteten Anregungsspot hängt von der Dicke der Planplatte und vom eingestellten Winkel ab.
Bezugszeichenliste

1 -: Pulslaser
2 -: Feldblende
3, 6,11,17,32,33, 35, 36,40, 41 -: Linsen
4, 18 -: dichroitische Spiegel
5 -: Laser Scanner System
7 -: Augenlinse
8 -: Augenhintergrund
9 -: Auge
10 -: Blockfilter
12 -: Lichtleiter für konfokale Detektion
13 -: nichtkonfokaler Strahlengang
14 -: Lichtleiter für nichtkonfokale Detektion
15 -: Schaltelement
16 -: Lichtleiter zur Lichtleitung zum Detektor
19, 20 -: Detektoren
23 -: Recheneinheit
24, 25 -: Bilder der zeitaufgelösten Fluoreszenz
26,27 -: Zeile der nichtkonfokal detektierten Fluoreszenz
28, 29 -: Bilder der Fundusfluoreszenz
30 -: DMD (Digital mirror device) Element
31, 41 -: Steuereinheit
34 -: Aktuator
37, 38 -: LCD (Liquid crystal device) Element
39 -: polarisierender Strahlteiler mit Strahlversatz
42 -: Planplatte

Claims

Vorrichtung zur Elimination des Einflusses vorgelagerter Schichten bei spektralen Messungen an geschichteten Objekten mittels eines konfokalen Laser Scanner Systems, umfassend einen ersten Detektionsstrahlengang zur konfokalen Detektion des von einer vom Laser Scanner System fokal beleuchteten Oberfläche des geschichteten Systems reflektierten, gestreuten oder fluoreszierten Lichtes und einen zweiten Detektionsstrahlengang zur nichtkonfokalen Detektion des von den vorgelagerten Schichten reflektierten, gestreuten oder fluoreszierten Lichtes, wobei die Vorrichtung ein Schaltelement (15) umfasst, das dafür ausgebildet ist, das nichtkonfokal und das konfokal detektierte Licht abwechselnd in einen dritten, gemeinsamen Detektionsstrahlengang zu koppeln.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste, der zweite und der dritte Detektionsstrahlengang als Lichtleiter (12, 14 und 16) ausgeführt sind und der erste und der zweite Detektionsstrahlengang optische Bauelemente umfassen, die im beweglichen Teil des Laser Scanner Systems angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Schaltelement (15) als Digital-Mirror-Device-Schalter, als piezo-elektrischer Schalter oder als polarisationsabhängiger Schalter ausgeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der polarisationsabhängige Schalter eine Flüssigkristall-Einheit oder eine Pockels- oder eine Kerrzelle und einen polarisierenden Strahlteiler umfasst.
Verfahren zur Elimination des Einflusses vorgelagerter Schichten bei spektralen Messungen an geschichteten Objekten mit einer Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, mit der zusätzlich zur konfokalen Detektion des von der vom Laser Scanner System fokal beleuchteten Oberfläche des geschichteten Systems reflektierten, gestreuten oder fluoreszierten Lichtes eine nichtkonfokale Detektion des von den vorgelagerten Schichten reflektierten, gestreuten oder fluoreszierten Lichtes realisiert wird, und eine Differenz aus konfokal detektiertem Licht und nichtkonfokal detektiertem Licht gebildet wird, wobei das konfokal und das nichtkonfokal detektierte Licht abwechselnd über das Schaltelement (15) in den dritten, gemeinsamen Detektionsstrahlengang eingekoppelt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das konfokal und das nichtkonfokal detektierte Licht synchronisiert mit der y-Zeilensteuerung des Laser Scanner Systems in den dritten, gemeinsamen Detektionsstrahlengang eingekoppelt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die konfokale und die nichtkonfokale Detektion des Lichtes beim Abtasten der gleichen Zeile am Objekt realisiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei nichtkonfokal und konfokal vollständige Bilder vom Objekt detektiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei bei jeder konfokalen Detektion eines Bildes vom Objekt das Licht einer Zeile nichtkonfokal detektiert wird und nach Akkumulation der Inhalt jedes Pixels aus der nichtkonfokal detektierten Zeile vom Inhalt jedes Pixels in den zugeordneten Spalten des konfokal detektierten Bildes subtrahiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei konfokal Bilder detektiert und akkumuliert werden und nichtkonfokal der Inhalt aller Pixel einer oder mehrerer Zeilen in einem Pixel akkumuliert wird und der Inhalt dieses Pixels vom Inhalt aller Pixel des akkumulierten konfokal detektierten Lichtes subtrahiert wird, wobei die Anzahl der akkumulierten nichtkonfokal detektierten Pixel gleich der Anzahl der akkumulierten konfokal detektierten Bilder ist.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 5 bis 10 zur nichtkonfokalen und konfokalen Detektion der zeitaufgelösten Fluoreszenz mittels zeitkorrelierten Einzelphotonenzählern, wobei nach einer Akkumulation aller nichtkonfokal detektierten Photonen mehrerer Pixel, Zeilen oder Bilder und aller konfokal detektierten Bilder für jeden zugeordneten Zeitkanal die Differenz zwischen der Anzahl der konfokal detektierten Photonen und der Anzahl der nichtkonfokal detektierten Photonen gebildet wird.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 5 bis 10 zur Charakterisierung von spektralen Eigenschaften der vorgelagerten Schichten.