DE102020108957A1

DE102020108957A1 - Vorrichtung, Verfahren und Computerprogramm zur Fluoreszenzmessung

Info

Publication number: DE102020108957A1
Application number: DE102020108957.0A
Authority: DE
Inventors: Rainer Landes; Alfredo Illanes; Michael Friebe; Axel Boese
Original assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Current assignee: Friebe Michael Prof De
Priority date: 2020-03-31
Filing date: 2020-03-31
Publication date: 2021-09-30
Anticipated expiration: 2040-04-01
Also published as: DE102020108957B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Fluoreszenzmessung mit einer Lichtsendeeinheit (2) zur Anregung biologischen Zellmaterials mittels emittierter Lichtsignale (12, 17), mit einer einen optischen Sensor (5) aufweisenden Lichtempfangseinheit (4) zur Messung einer Fluoreszenz des angeregten biologischen Zellmaterials mittels empfangener Lichtsignale (13) und mit einer optischen Schnittstelle (6) zur Übertragung der emittierten und empfangenen Lichtsignale (12, 13, 17) zwischen der Vorrichtung (1) und dem biologischen Zellmaterial. Um eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der eine präzisere und flexiblere Fluoreszenzmessung und -auswertung möglich ist, wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung (1) eine Teilungseinrichtung (8) mit einer optischen Filtereinheit (9) zur räumlichen und/oder zeitlichen Aufteilung der empfangenen Lichtsignale (13) und/oder zur Aufteilung der empfangenen Lichtsignale (13) nach unterschiedlichen Wellenlängenbereichen aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren und ein Computerprogramm zur Fluoreszenzmessung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Fluoreszenzmessung mit einer Lichtsendeeinheit zur Anregung biologischen Zellmaterials mittels emittierter Lichtsignale, mit einer einen optischen Sensor aufweisenden Lichtempfangseinheit zur Messung einer Fluoreszenz des angeregten biologischen Zellmaterials mittels empfangener Lichtsignale und mit einer optischen Schnittstelle zur Übertragung der emittierten und empfangenen Lichtsignale zwischen der Vorrichtung und dem biologischen Zellmaterial. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Fluoreszenzmessung und ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln zur Durchführung des Verfahrens.
Derartige Vorrichtungen zur Fluoreszenzmessung werden auch Fluorimeter (engl. fluorimeter oder fluorometer) genannt und dienen in medizinisch-diagnostischen Anwendungen der Erkennung und Analyse von fluoreszenten Biomarkern. Diese repräsentieren charakteristische biologische Merkmale von beispielsweise menschlichen oder tierischen Lebewesen und sind in Form fluoreszenter Lichtemissionen nach chemischer oder physikalischer Anregung des zu untersuchenden Gewebes technisch detektierbar. Üblicherweise werden kolorimetrische oder chromatographische Methoden zur Untersuchung angewandt. Die Anregung und fluoreszenzbasierte Untersuchung des zu analysierenden Gewebes ermöglicht unter anderem die Erkennung und Lokalisierung erkrankter Gewebeabschnitte, beispielsweise als Folge einer Krebserkrankung, genetischer Defekte wie der Mondscheinkrankheit oder Schwermetallvergiftungen.
Derartige Vorrichtungen und Verfahren zur Fluoreszenzmessung sind bereits im Stand der Technik bekannt.
Die WO 2004/032734 A1 beispielsweise betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur nichtinvasiven Untersuchung von Steuer- und Regulationsprozessen im menschlichen und tierischen Stoffwechsel, um aus den Veränderungen einzelner Stoffwechselparameter Rückschlüsse auf spezifische Erkrankungen ziehen zu können. Das Verfahren findet Anwendung bei präventiven Untersuchungen zur Krebsfrüherkennung, entzündlichen Erkrankungen und der Bestimmung des Antioxidantienbedarfs, der Therapiekontrolle der einzelnen Krankheitsbilder sowie der Routineuntersuchung bei Berufsgruppen mit besonderer physischer und psychischer Belastung. Hierzu erfolgt die Erfassung von Fluoreszenzspektren mittels einer optischen Messstrecke, die aus einer Lichtquelle, einem Lichtleitkabel zur Zuführung des Anregungslichtes zum Messort, einem Lichtleitkabel zur Ableitung des Fluoreszenzlichtes zum Spektrometer und einem Auswerterechner besteht.
Die DE 10 2014 107 342 A1 offenbart eine multispektrale Analysensonde zur Analyse verschiedener Spektralbereiche einer Probe. Die Analysensonde umfasst eine Kanüle an einer Probenseite der multispektralen Analysensonde zur Umhausung von optischen Leitern, eine Messspitze an der Probenseite der multispektralen Analysensonde, einen ersten Lichtwellenleiter zum Transport eines ersten Lichtpulses sowie einen zweiten Lichtwellenleiter zum Transport eines zweiten Lichtpulses, der von dem ersten Lichtpuls verschiedenartig ist. Der erste und der zweite Lichtpuls werden durch die Kanüle an die Messspitze geleitet, um eine Spektralantwort an oder in der Probe zu erzeugen. Ein weiterer Lichtwellenleiter leitet die Spektralantwort auf die Lichtpulse an ein Spektrometer weiter. Die ausgesandten Lichtpulse und die empfangene Spektralantwort werden an einem Strahlteiler voneinander getrennt.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren sowie ein Computerprogramm der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit denen eine präzisere und flexiblere Fluoreszenzmessung und -auswertung möglich ist.
Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1, einem Verfahren gemäß Anspruch 12 und einem Computerprogramm gemäß Anspruch 16 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren offenbart.
Die Vorrichtung zur Fluoreszenzmessung weist eine Lichtsendeeinheit zur Anregung biologischen Zellmaterials mittels emittierter Lichtsignale auf. Die emittierten Lichtsignale zur Anregung des Zellmaterials können beispielsweise in einem kurzwelligen blauen Lichtbereich (< 450 nm) ausgestrahlt werden. Hierzu kann die Lichtsendeeinheit beispielsweise einen Laser aufweisen. Laser sind zur Emission eines Lichtsignals hoher Intensität in einem engen Frequenzbereich mit scharfer Strahlbündelung eingerichtet und somit für eine optische Anregung besonders geeignet. Beispielsweise kann die Wellenlänge des von der Lichtsendeeinheit ausgestrahlten Lichtsignals ca. 405 nm betragen, da hierdurch erfahrungsgemäß eine effiziente Anregung des biologischen Zellmaterials erfolgt.
Im Vorfeld der optischen Anregung werden dem biologischen Zellmaterial vorteilhafterweise ein oder mehrere Diagnostika zugeführt, die durch Verstoffwechselung zur Erzeugung fluoreszenter Biomarker dienen. Dabei entstehen auch Präkursoren, beispielsweise bestimmte Porphyrine wie Uroporphyrin III und Coproporphyrin III. Im weiteren Verlauf werden diese zum Beispiel zu Protoporphyrin IX, umgebildet. Beispielsweise in Krebszellen kommt es zu einer Anreicherung der Porphyrine bzw. zu einer Akkumulation fluoreszenter Stoffe, sodass diese anhand ihrer Fluoreszenz detektierbar und lokalisierbar werden. Hierbei sind die jeweiligen Porphyrinprodukte anhand lokaler Maxima („Peaks“) in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen voneinander unterscheidbar und somit identifizierbar. Das zeitlich aufeinanderfolgende Auftreten dieser Maxima ermöglicht eine Bestimmung der Phasen der Verstoffwechselung.
Das zu untersuchende biologische Zellmaterial kann einem Lebewesen vor der Analyse entnommen worden sein. Es ist jedoch auch denkbar, die Vorrichtung für eine Fluoreszenzmessung direkt an einem Lebewesen zu nutzen, wodurch eine aussagekräftige In-Situ-Untersuchung unter Echtzeitbedingungen möglich ist. Insbesondere kann ein optimaler Zeitpunkt einer Diagnostik oder Krankheitsbehandlung durch die präzise In-Situ-Fluoreszenzmessung besser bestimmt werden.
Die Vorrichtung zur Fluoreszenzmessung weist eine einen optischen Sensor aufweisende Lichtempfangseinheit zur Messung einer Fluoreszenz des angeregten biologischen Zellmaterials mittels empfangener Lichtsignale auf. Ganz allgemein sind im Zusammenhang mit dieser Anmeldung die Wörter „ein/eine“, soweit nicht ausdrücklich anders definiert, nicht als Zahlwort zu verstehen, sondern als unbestimmte Artikel mit dem Wortsinn von „mindestens ein/eine“, sodass die Lichtempfangseinheit beispielsweise auch mehrere optische Sensoren aufweisen kann. Unter optischen Sensoren werden in dieser Anmeldung insbesondere optoelektronische Sensoren verstanden, die optische Informationen in elektrisch auswertbare Signale umwandeln. Hierbei kann es sich beispielsweise um Fotodioden, Fotowiderstände, Fototransistoren oder auch komplexere Bildsensoren wie etwa eine CCD-Kamera handeln. Die Fluoreszenz des biologischen Zellmaterials erfolgt als Antwort auf die optische Anregung der von der Lichtsendeeinheit emittierten Lichtsignale. Bei der Fluoreszenz handelt es sich normalerweise um eine Lichtemission des Zellmaterials in einem langwelligen roten Lichtbereich (> 600 nm). Der Detektionsbereich der Lichtempfangseinheit liegt vorteilhafterweise in einem Wellenlängenbereich von 600 bis 700 nm.
Die Vorrichtung zur Fluoreszenzmessung weist eine optische Schnittstelle zur Übertragung der emittierten und empfangenen Lichtsignale zwischen der Vorrichtung und dem biologischen Zellmaterial auf. Die optische Schnittstelle kann vorteilhafterweise als Lichtwellenleiter ausgeführt sein, da Lichtwellenleiter flexibel und effizient sind und nur wenig Bauraum beanspruchen. Der Lichtwellenleiter kann hierbei die von der Lichtsendeeinheit emittierten Lichtsignale aus der Vorrichtung in das biologische Zellmaterial hinein leiten und die mit der Fluoreszenz verbundenen Lichtsignale des biologischen Zellmaterials in die Vorrichtung zurück leiten. Der Lichtwellenleiter ist somit vorteilhafterweise zur Übertragung der Lichtsignale in beide Richtungen geeignet, wodurch die Vorteile des Lichtwellenleiters hinsichtlich des erforderlichen Bauraumes der Schnittstelle weiter erhöht werden. Beispielsweise bei einer Ausführung des Lichtwellenleiters als Fasersonde mit einem Durchmesser von 500 µm kann dieser optimal in einer Punktionsnadel oder einem Katheter angeordnet werden, sodass die Lichtübertragung direkt in das biologische Zellmaterial und zurück erfolgen kann. Die optische Schnittstelle kann auch als Faserkopplung bezeichnet werden und ist für die Ein- und Auskopplung von emittierten und empfangenen Lichtsignalen zwischen dem biologischen Zellmaterial und der Vorrichtung eingerichtet. Der Lichtwellenleiter kann auch in ein vorhandenes medizinisches System integriert sein oder dessen vorhandenen Aufbau nutzen. Beispielsweise kann ein Endoskopiesystem zur Einleitung des anregenden Lichtes und zum Auslesen der Fluoreszenz genutzt werden.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Teilungseinrichtung mit einer optischen Filtereinheit zur räumlichen und/oder zeitlichen Aufteilung der empfangenen Lichtsignale und/oder zur Aufteilung der empfangenen Lichtsignale nach unterschiedlichen Wellenlängenbereichen aufweist. Die optische Filtereinheit kann beispielsweise einen Verlaufsfilter, einen Kantenfilter oder einen Interferenzfilter aufweisen. Die optische Filtereinheit kann auch einen teildurchlässigen Spiegel aufweisen. Die optische Filtereinheit kann einen oder mehrere Bandpass-, Bandsperr-, Langpass- oder Kurzpassfilter aufweisen. Vorteilhaft ist zum Beispiel eine Kombination aus Lang- und Bandpassfiltern für die Teilungseinrichtung. Die optische Filtereinheit ist geeignet, in die Filtereinheit eintretendes Licht in Abhängigkeit seines Wellenlängenbereiches vollständig, teilweise oder nicht durchzulassen. Nicht oder nur teilweise durchgelassenes Licht wird beispielsweise absorbiert oder auf einen anderen Strahlungsweg umgeleitet, beispielsweise reflektiert oder rechtwinklig zum Einfallswinkel ausgeleitet. Die an der optischen Schnittstelle von dem biologischen Zellmaterial aus eingehenden Lichtsignale werden somit in der Vorrichtung beispielsweise für unterschiedliche Wellenlängenbereiche auf unterschiedliche Strahlungswege aufgesplittet. Mit einer nachfolgend noch erläuterten stellbaren optischen Filtereinheit ist alternativ oder zusätzlich zur räumlichen Aufsplittung auch eine zeitliche Aufteilung möglich, indem ein optischer Sensor sequentiell mit Lichtanteilen unterschiedlicher Wellenlängenbereiche versorgt wird. Hierdurch ist eine präzisere Messung und Detektion charakteristischer optischer Merkmale der empfangenen Lichtsignale möglich. Beispielsweise können wellenlängenbezogene oder zeitbezogene stoffspezifische Peaks besser identifiziert werden. Bei einer räumlichen Aufteilung der empfangenen Lichtsignale können die empfangenen Lichtsignale gleichzeitig und wellenlängenabhängig von unterschiedlichen optischen Sensoren der Lichtempfangseinheit erhalten und parallel ausgewertet werden, sodass insbesondere in einer In-Situ-Untersuchung des Zellmaterials unter Echtzeitbedingungen die Analyse der Fluoreszenz verbessert und präzisiert wird. Beispielsweise kann die Fluoreszenz der vorbeschriebenen mehreren Porphyrinprodukte zeitgleich untersucht werden. Auch können unterschiedliche Anregungen, beispielsweise im Hinblick auf unterschiedliche Wellenlängenbereiche der emittierten Lichtsignale der Lichtsendeeinheit oder auf unterschiedliche chemische Präkursoren, besser bei der Auswertung berücksichtigt werden. So können neben Porphyrinen etwa auch andere Ausgangsstoffe wie beispielsweise Adenosintriphosphat (ATP) für die Vorbereitung des biologischen Zellmaterials genutzt und mit der gleichen Vorrichtung untersucht werden. Es ist somit eine individuelle Fluoreszenz-Spektroskopie möglich, bei der unterschiedliche Wellenlängenbereiche der Fluoreszenz flexibler und präziser berücksichtigt werden. Durch das beispielsweise aus Lang- und Bandpassfiltern gebildete optische Filtersystem kann ein Analysebereich von beispielsweise 600 bis 700 nm Wellenlänge der empfangenen Lichtsignale frei einstellbar abgedeckt werden.
Vorteilhafterweise ist die Teilungseinrichtung zwischen der optischen Schnittstelle und der Lichtempfangseinheit angeordnet, um die eingehenden Lichtsignale nach dem Einkoppeln in die Vorrichtung, jedoch noch vor dem Einfall auf den oder die optischen Sensoren aufzuteilen. Grundsätzlich denkbar ist jedoch auch eine Anordnung der Teilungseinrichtung zwischen dem Zellmaterial und der Schnittstelle oder eine den optischen Sensoren nachgeschaltete Aufteilung der Lichtsignale beispielsweise in einer Auswerteeinheit, die zum Beispiel softwarebasiert erfolgen kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die optische Filtereinheit stellbar. Eine stellbare optische Filtereinheit kann hinsichtlich ihrer optischen Filtereigenschaften verstellt werden. Die Verstellung kann im laufenden Betrieb der Vorrichtung erfolgen, zum Beispiel im Laufe eines Analysevorgangs. Beispielsweise können unterschiedliche Strahlungswege oder Reflexionswinkel für unterschiedliche Wellenlängenbereiche des Lichtes eingestellt werden oder es kann die Durchlässigkeit der Filtereinheit über die Zeit geändert werden. Die Stellung kann beispielsweise manuell, etwa durch Drehen eines Stellrades zur Veränderung des Stellwinkels der Filtereinheit zum einfallenden Licht, aber auch programmgesteuert erfolgen. Durch die Stellbarkeit ergibt sich eine Modulierbarkeit der Vorrichtung, sodass die Eigenschaften der Teilungseinrichtung zur räumlichen und/oder zeitlichen Aufteilung der empfangenen Lichtsignale und/oder zur Aufteilung der empfangenen Lichtsignale nach unterschiedlichen Wellenlängenbereichen vor oder nach einem Messvorgang oder auch innerhalb einer Fluoreszenzmessung laufend änderbar und an individuelle Gegebenheiten wie beispielsweise unterschiedliche Stoffwechselreaktionen anpassbar sind. Somit können Fluoreszenzen des angeregten biologischen Zellmaterials präziser und flexibler gemessen und ausgewertet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Teilungseinrichtung mehrere optische Filtereinheiten und die Lichtempfangseinheit mehrere optische Sensoren auf, wobei einem optischen Sensor eine optische Filtereinheit zugeordnet ist. Hierbei ist es insbesondere denkbar, dass jedem optischen Sensor eine optische Filtereinheit zugeordnet ist. Auf diese Weise kann für einen optischen Sensor ein genauer Wellenlängenbereich des Lichtes, das zu diesem optischen Sensor durchgelassen wird, festgelegt und hierdurch identifizierbar werden. Mit jedem optischen Sensor ergibt sich ein weiterer Signalkanal der Vorrichtung, der die Präzision und Flexibilität der Fluoreszenzmessung erhöht. Die Anzahl der zusätzlich möglich Signalkanäle kann hierbei beispielsweise von der Intensität der Fluoreszenz des biologischen Zellmaterials abhängen. Weiterhin ist es denkbar, dass eine optische Filtereinheit im Strahlengang der aus der optischen Schnittstelle in die Vorrichtung eintretenden Lichtsignale angeordnet ist und einen Lichtanteil eines bestimmten Wellenlängenbereiches zu einem nicht im Strahlengang liegenden optischen Sensor umleitet und den restlichen Lichtanteil zu einem im Strahlengang hinter der Filtereinheit angeordneten weiteren optischen Sensor durchlässt. Es können beispielsweise mindestens zwei optische Filtereinheiten im Strahlengang der aus der optischen Schnittstelle in die Vorrichtung eintretenden Lichtsignale hintereinander angeordnet sein und jeweils einen Lichtanteil eines bestimmten Wellenlängenbereiches zu einem nicht im Strahlengang liegenden optischen Sensor umleiten und Lichtanteile eines abweichenden Wellenlängenbereiches zu der nächsten optischen Filtereinheit durchlassen. Durch mehrere optische Sensoren ist es möglich, die verschiedenen Lichtwellenanteile der Fluoreszenz des angeregten biologischen Zellmaterials gleichzeitig oder sequentiell zu erfassen und auszuwerten. Dies ist insbesondere vor dem Hintergrund bedeutsam, dass sich die Fluoreszenz des biologischen Zellmaterials über die Zeit ändert, beispielsweise in Abhängigkeit der Stoffwechselreaktionen mit den zugeführten Präkursoren. So werden beispielsweise die Porphyrinprodukte Uroporphyrin III und Coproporphyrin III zeitlich vor dem Protoporphyrin IX produziert und können bei simultaner oder sequentieller Erfassung der empfangenen Lichtsignale durch mehrere optische Sensoren zuverlässiger und präziser voneinander unterschieden werden. Beispielsweise hat sich ein Multikanalsystem mit vier bis sechs optischen Sensoren für unterschiedliche Emissionsbande als vorteilhaft für die Differenzierung unterschiedlicher Stoffwechselprodukte erwiesen. Es ist vorteilhaft, mit zunehmender Weiterleitung des empfangenen Lichtsignals von Filtereinheit zu Filtereinheit ein höheres Wellenlängenband zu einem optischen Sensor umzuleiten. Idealerweise wird an einer im Strahlungsweg des Lichtsignals zuerst erreichten ersten Filtereinheit das niedrigste Wellenlängenband und an einer letzten Filtereinheit das höchste Wellenlängenband zu einem optischen Sensor umgeleitet. Bei beispielsweise zwei vorgesehenen optischen Sensoren kann ein Lichtanteil in einem Wellenlängenbereich von 607 bis 625 nm zu einem ersten optischen Sensor und ein Lichtanteil in einem Wellenlängenbereich von 625 bis 652 nm zu einem zweiten optischen Sensor geleitet werden.
Grundsätzlich ist es jedoch auch denkbar, nur einen optischen Sensor mit einer diesem zugeordneten stellbaren optischen Filtereinheit vorzusehen. In diesem Fall erfolgt eine zeitlich nacheinander erfolgende Aufteilung der Lichtsignale in unterschiedliche Wellenlängenanteile, das empfangene Licht wird somit sequentiell nach charakteristischen optischen Merkmalen in spezifischen Wellenlängenbereichen abgetastet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Vorrichtung modular um weitere optische Filtereinheiten und/oder optische Sensoren erweiterbar. Hierbei ist der Begriff „modular erweiterbar“ selbstverständlich nicht auf eine reine Erweiterbarkeit beschränkt, sondern umfasst ebenso eine modulare Reduzierbarkeit, sodass die Vorrichtung auch um optische Filtereinheiten und/oder optische Sensoren reduziert werden kann. Modularität bedeutet im Zusammenhang mit dieser Anmeldung einen Aufbau in einem Baustein- oder Baukastenprinzip im Sinne einer Aufteilung eines Ganzen in Teile, die als Module, Komponenten, Bauelemente, Baugruppen oder Bausteine bezeichnet werden können. Die optischen Filtereinheiten und/oder optischen Sensoren stellen solche Module dar und können in die Vorrichtung eingefügt werden oder über entsprechende Schnittstellen mit der Vorrichtung interagieren. Die Vorrichtung ist somit nicht baulich auf eine bestimmte Anzahl von optischen Filtereinheiten und/oder optischen Sensoren beschränkt, sondern die Vorrichtung kann bedarfsweise nach Art eines Baukastensystems mit weiteren optischen Bauteilen bestückt werden. Hierzu kann die Teilungseinrichtung beispielsweise mehrere Steckplätze oder sonstige Aufnahmeplätze zur Belegung mit optischen Filtereinheiten aufweisen oder die optischen Filtereinheiten können mechanisch miteinander verbindbar, beispielsweise per Steckverbindung aneinander anreihbar sein. Ebenso kann die Lichtempfangseinheit beispielsweise mehrere Steckplätze oder sonstige Aufnahmeplätze zur Belegung mit optischen Sensoren aufweisen. Des Weiteren kann die Vorrichtung ein modular erweiterbares Gehäuse aufweisen, um genügend Bauraum und Abschirmung gegen Umgebungslicht für die bedarfsweise hinzugefügten Filtereinheiten und Sensoren bereitzustellen. Eine modular erweiterbare Vorrichtung ermöglicht alternativ oder ergänzend zu einer vorbeschriebenen Stellbarkeit der optischen Filtereinheit eine mechanische Modulierbarkeit der Vorrichtung, sodass die Eigenschaften der Teilungseinrichtung zur Aufteilung der empfangenen Lichtsignale änderbar und an individuelle Gegebenheiten wie beispielsweise unterschiedliche Stoffwechselreaktionen anpassbar sind. Somit können Fluoreszenzen des angeregten biologischen Zellmaterials präziser und flexibler gemessen und ausgewertet werden. Eine modular erweiterbare Vorrichtung kann beispielsweise auch nicht stellbare optische Filtereinheiten aufweisen und stattdessen über die Art und Anzahl der verwendeten Filtereinheiten eine individuelle Vorbereitung und Durchführung der Fluoreszenzmessung ermöglichen. Durch modulare Erweiterung der Vorrichtung um optische Sensoren kann die Anzahl der auswertbaren Signalkanäle und somit der unterscheidbaren Wellenlängenbereiche erhöht werden, sodass die Fluoreszenzmessung und -auswertung präzisiert und flexibilisiert wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Steuer- und Auswerteeinheit zur elektronischen Ansteuerung der Lichtsendeeinheit, der Teilungseinrichtung und/oder der optischen Filtereinheit sowie zur elektronischen Auswertung der von der Lichtempfangseinheit empfangenen Lichtsignale auf. Insbesondere ist die Steuer- und Auswerteeinheit für eine programmierbare elektronische Ansteuerung und/oder eine programmierbare elektronische Auswertung eingerichtet. Hierzu kann die Steuer- und Auswerteeinheit beispielsweise eine interne oder externe Recheneinheit aufweisen, die zur Ausführung eines geeigneten Computerprogramms zur Durchführung der Ansteuerung und/oder Auswertung geeignet ist. Durch die Steuer- und Auswerteeinheit wird der Bedienkomfort der Vorrichtung erhöht und der zeitliche und personelle Aufwand für die Durchführung der Fluoreszenzmessung und -auswertung verringert. Bei der Auswertung erfolgt beispielsweise eine maschinelle Analyse der aufgezeichneten opto-elektronischen Signalverläufe nach charakteristischen Merkmalen wie beispielsweise Steigungen, Peaks oder Wendepunkte. Zwischen der Lichtempfangseinheit und der Steuer- und Auswerteeinheit kann optional ein Signalverstärker vorgesehen sein.
Die Steuer- und Auswerteeinheit kann ein Nutzer-Interface als Bedienschnittstelle aufweisen und hierzu beispielsweise eine Anzeige, Eingabe- und Ausgabemittel haben oder zum Anschluss an einen Computer eingerichtet sein. Das Nutzer-Interface kann beispielsweise eine Programmmaske aufweisen, die über Stell- und Anzeigemittel wie Stoppschalter, Flag, Counter, Offset und Akquisitionsgeschwindigkeit, Anzeigemodi und Anzeigegraph verfügt. Beispielsweise kann mit einem Drehregler des Nutzer-Interface die Datenakquisitionsgeschwindigkeit zwischen einem Datenpunkt pro Millisekunde oder einem Datenpunkt pro 1000 Millisekunden gewählt werden. Ein Offset-Schalter setzt das angezeigte Signal zurück auf die Nulllinie, um Signalrauschen zu reduzieren. Dabei wird beispielsweise über 100 Datenpunkte ein Mittelwert gebildet, der dann vom Grundsignal abgezogen wird. Dies erfolgt vorteilhafterweise vor jeder Messung. Ein Flag-Schalter kann dazu dienen, einen Graphen mit einem kontinuierlichen Wert auszugeben, um einzelne Messungen leichter voneinander unterscheidbar zu gestalten. Es können einzelne, mehrere oder alle Signale der optischen Sensoren gleichzeitig angezeigt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuer- und Auswerteeinheit zur elektronischen Auswertung der von der Lichtempfangseinheit empfangenen Lichtsignale nach unterschiedlichen Wellenlängenbereichen eingerichtet. Die Steuer- und Auswerteeinheit ist somit zur Verarbeitung von Daten aus mehreren Signalkanälen geeignet und hat hierzu beispielsweise mehrere, insbesondere modular erweiterbare Signaleingänge zum Empfang elektrischer Signale von den optischen Sensoren der Vorrichtung. Die Steuer- und Auswerteeinheit ist insbesondere zur simultanen oder quasi-simultanen Verarbeitung der Lichtsignale nach unterschiedlichen Wellenlängenbereichen geeignet, um eine Echtzeitauswertung der zeitlich veränderlichen Fluoreszenzen des biologischen Zellmaterials zu ermöglichen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuer- und Auswerteeinheit zur Durchführung einer Lichtintensitätsmessung mittels eines als Lichtintensitätssensor ausgeführten optischen Sensors eingerichtet. Unter Lichtintensität wird hierbei die Strahlungsintensität der empfangenen Lichtsignale verstanden. Diese entspricht der Energiedichte des Lichtsignals, die beispielsweise als Beleuchtungsstärke oder Lichtstärke messbar ist. Der Lichtintensitätssensor ist vorteilhafterweise ein opto-elektronisches Bauteil wie beispielsweise eine Fotodiode, ein Fotowiderstand oder ein Fototransistor. Vorteilhafterweise erfasst der Lichtintensitätssensor das an der optischen Schnittstelle bereitgestellte Lichtsignal der Fluoreszenz vor der Aufteilung des Lichtsignals in der Teilungseinrichtung und ist hierzu beispielsweise zwischen der optischen Schnittstelle und der Teilungseinrichtung, vorteilhafterweise unter Zwischenschaltung eines teildurchlässigen Spiegels, angeordnet. Mit dem Lichtintensitätssensor ist eine Signalstärke des an der optischen Schnittstelle bereitgestellten Lichtsignals der Fluoreszenz ermittelbar und beispielsweise für die Validierung der Fluoreszenzmessung nutzbar.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuer- und Auswerteeinheit zur dynamischen Ansteuerung der Teilungseinrichtung in Abhängigkeit der Lichtintensitätsmessung eingerichtet. So ist es denkbar, dass je nach empfangener Lichtintensität mehr Signalkanäle geöffnet werden und hierzu beispielsweise mehrere optische Filtereinheiten der Teilungseinrichtung so gestellt werden, dass mehr Lichtanteile des erhaltenen Lichtsignals zu der jeweils nächsten optischen Filtereinheit durchgelassen werden. Hierdurch können beispielsweise zusätzliche Wellenlängenbereiche untersucht werden, wobei die jeweilige Signalstärke an einem optischen Sensor und dem zugehörigen Signalkanal weiterhin für eine zuverlässige Auswertung ausreicht. Umgekehrt werden bei einem vergleichsweise schwachen Lichtsignal weniger Signalkanäle genutzt, indem die Teilungseinrichtung mit stellbaren optischen Filtereinheiten das Lichtsignal auf weniger optische Sensoren verteilt. Durch die dynamische Ansteuerung ist eine präzisere und flexiblere Fluoreszenzmessung und -auswertung in Abhängigkeit der gegebenen Bedingungen möglich, beispielsweise in Abhängigkeit einer biologisch bedingten stärkeren oder schwächeren Stoffwechselreaktion.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die stellbare optische Filtereinheit derart einstellbar, dass jeder optische Sensor im Wesentlichen die gleiche Lichtintensität empfängt. Hierbei ist mit jedem optischen Sensor jeder für die aktuelle Messung genutzte optische Sensor gemeint. Optische Sensoren, zu denen beispielsweise aufgrund eines schwachen Messsignals aktuell kein Licht geleitet wird, bleiben hierbei unberücksichtigt. Um die verfügbaren optischen Sensoren mit der gleichen Lichtintensität zu versorgen, kann beispielsweise eine logarithmisch sinkende Lichtdurchlässigkeit an im Strahlungsweg aufeinanderfolgenden optischen Filtereinheiten vorgesehen sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Lichtsendeeinheit einen Lichtsender mit einstellbarer Wellenlänge des emittierten Lichtsignals oder mehrere Lichtsender, die beispielsweise separat einschaltbar sein können, mit unterschiedlichen Wellenlängen des emittierten Lichtsignals auf. Hierdurch ergibt sich eine weitere Modulierbarkeit der Vorrichtung, indem das emittierte Licht zur Anregung des biologischen Zellmaterials hinsichtlich seiner Wellenlänge variabel einstellbar oder wählbar ist. Somit können unterschiedliche Ausgangsbedingungen, beispielsweise verschiedene Präkursoren oder Krankheitsbilder, bei der Fluoreszenzmessung berücksichtigt werden, sodass diese flexibler und präzise anpassbar ist. Der Lichtsender kann hierbei beispielsweise eine kontinuierlich oder stufenweise änderbare Wellenlänge innerhalb eines bestimmten Wellenlängenbereiches emittieren. Grundsätzlich denkbar ist auch eine einstellbare Wellenlängenänderung über die Zeit einer Fluoreszenzmessung, um verschiedene Anregungsbedingungen während einer Messung herzustellen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist zumindest ein Lichtsender zur Emission von Lichtsignalen in einem Wellenlängenbereich eingerichtet, der zur therapeutischen Strahlungsbehandlung von biologischem Zellmaterial geeignet ist. Hierdurch ist die Vorrichtung nicht nur zur Detektion, sondern auch zur gleichzeitigen oder anschließenden Behandlung von auffälligen oder krankhaften Gewebeabschnitten des biologischen Zellmaterials geeignet. Insbesondere ist hiermit eine In-Situ-Therapie der betroffenen Gewebeabschnitte bereits während der Untersuchung möglich. Die therapeutische Strahlungsbehandlung wird auch als photodynamische Therapie bezeichnet und kann beispielsweise durch eine Rotlichtbestrahlung erfolgen. Der Lichtsender ist somit vorteilhafterweise zur Emission von langwelligem roten Licht eingerichtet und kann beispielsweise Licht in einem Wellenlängenbereich zwischen 630 und 640 nm, etwa mit einer Wellenlänge von 637 nm, emittieren.
Die Vorrichtung kann optional weitere optische Bauteile und Baugruppen zur Verbesserung der Fluoreszenzmessung aufweisen, beispielsweise Sammellinsen zur Bündelung der emittierten oder empfangenen Lichtsignale, Spiegel, Signalverstärker oder Strahlteiler.
Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zur Durchführung einer Fluoreszenzmessung gelöst. Das Verfahren weist die folgenden Verfahrensschritte auf:

■ Eingang eines Fluoreszenz-Lichtsignals an einer optischen Schnittstelle einer Vorrichtung;
■ räumliche und/oder zeitliche Aufteilung des eingehenden Lichtsignals und/oder zur Aufteilung der empfangenen Lichtsignale nach unterschiedlichen Wellenlängenbereichen mittels einer oder mehrerer optischer Filtereinheiten der Vorrichtung;
■ Empfangen der unterschiedlichen Wellenlängenanteile des Lichtsignals an einer oder mehreren optischen Sensoren der Vorrichtung;
■ Auswerten der unterschiedlichen Wellenlängenanteile des Lichtsignals nach charakteristischen optischen Merkmalen.

Vorteilhafterweise ist die in den Verfahrensschritten genannte Vorrichtung eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder eine Vorrichtung gemäß den vorbeschriebenen Merkmalen.
Das Fluoreszenz-Lichtsignal ist eine spontane Lichtemission nach Anregung eines Materials durch Licht. In der vorliegenden Anmeldung liegt das Fluoreszenz-Lichtsignal vorteilhafterweise in einem bestimmten Wellenlängenbereich, beispielsweise zwischen 600 und 700 nm. Die optische Schnittstelle kann beispielsweise ein Lichtwellenleiter sein.
Die optische Filtereinheit kann beispielsweise einen Verlaufsfilter, einen Kantenfilter oder einen Interferenzfilter aufweisen. Die optische Filtereinheit kann auch einen teildurchlässigen Spiegel aufweisen. Die optische Filtereinheit kann einen Bandpass-, Bandsperr-, Langpass- oder Kurzpassfilter aufweisen. Vorteilhaft ist eine Kombination aus Lang- und Bandpassfiltern für die Aufteilung. Die optische Filtereinheit ist geeignet, in die Filtereinheit eintretendes Licht in Abhängigkeit seines Wellenlängenbereiches vollständig, teilweise oder nicht durchzulassen. Nicht oder nur teilweise durchgelassenes Licht wird beispielsweise absorbiert oder auf einen anderen Strahlungsweg umgeleitet, beispielsweise reflektiert oder rechtwinklig zum Einfallswinkel ausgeleitet. Die an der optischen Schnittstelle eingehenden Lichtsignale werden somit in der Vorrichtung für unterschiedliche Wellenlängenbereiche auf unterschiedliche Strahlungswege oder auf unterschiedliche Einfallzeiten an der Lichtempfangseinheit aufgesplittet. Hierdurch ist eine präzisere Messung und Detektion charakteristischer optischer Merkmale der empfangenen Lichtsignale möglich.
Bei den optischen Sensoren kann es sich beispielsweise um Fotodioden, Fotowiderstände, Fototransistoren oder auch komplexere Bildsensoren wie etwa eine CCD-Kamera handeln.
Die charakteristischen optischen Merkmale können beispielsweise Steigungen, Peaks oder Wendepunkte in den aufgezeichneten Signalverläufen der optischen Sensoren sein.
Das Auswerten kann beispielsweise in einer Steuer- und Auswerteeinheit der Vorrichtung erfolgen. Die Steuer- und Auswerteeinheit ist insbesondere für eine programmierbare elektronische Auswertung eingerichtet. Hierzu kann die Steuer- und Auswerteeinheit beispielsweise eine interne oder externe Recheneinheit aufweisen, die zur Ausführung eines geeigneten Computerprogramms zur Durchführung der Auswertung geeignet ist.
Auch mit dem vorgestellten Verfahren werden die vorbeschriebenen Vorteile einer präziseren, flexibleren und individuell anpassbaren Fluoreszenzmessung erreicht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform erfolgt in einem weiteren Verfahrensschritt ein modulares Erweitern oder Reduzieren der Vorrichtung um optische Filtereinheiten und/oder optische Sensoren. Hierzu kann die Vorrichtung beispielsweise vor einer Fluoreszenzmessung nach Art eines Baukastensystems mit weiteren optischen Bauteilen bestückt werden, beispielsweise durch Belegung einer gewünschten Anzahl von Steckplätzen in der Vorrichtung mit optischen Filtereinheiten und/oder optischen Sensoren.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform erfolgt in einem weiteren Verfahrensschritt das Ansteuern einer oder mehrerer optischer Filtereinheiten der Vorrichtung zur Änderung optischer Filtereigenschaften der optischen Filtereinheit. Das Ansteuern kann insbesondere durch die vorbeschriebene Steuer- und Auswerteeinheit erfolgen, alternativ oder zusätzlich ist auch eine manuelle Ansteuerung möglich. Das Ansteuern kann beispielsweise in einer Steuer- und Auswerteeinheit der Vorrichtung erfolgen. Die Steuer- und Auswerteeinheit ist insbesondere für eine programmierbare elektronische Ansteuerung eingerichtet. Hierzu kann die Steuer- und Auswerteeinheit beispielsweise eine interne oder externe Recheneinheit aufweisen, die zur Ausführung eines geeigneten Computerprogramms zur Durchführung der Ansteuerung geeignet ist. Bei der optischen Filtereinheit handelt es sich hierbei um eine stellbare optische Filtereinheit. Beispielsweise können unterschiedliche Strahlungswege oder Reflexionswinkel für unterschiedliche Wellenlängenbereiche des Lichtes eingestellt werden oder es kann die Durchlässigkeit der Filtereinheit über die Zeit geändert werden. Die Stellung kann beispielsweise manuell, etwa durch Drehen eines Stellrades zur Veränderung des Stellwinkels der Filtereinheit zum einfallenden Licht, aber auch programmgesteuert erfolgen. Somit kann die räumliche und/oder zeitliche Aufteilung der empfangenen Lichtsignale nach unterschiedlichen Wellenlängen vor oder nach einem Messvorgang oder auch innerhalb einer Fluoreszenzmessung laufend geändert und an individuelle Gegebenheiten wie beispielsweise unterschiedliche Stoffwechselreaktionen angepasst werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform erfolgt in einem weiteren Verfahrensschritt ein Messen der Lichtintensität des eingehenden Lichtsignals und in einem weiteren Verfahrensschritt ein Ansteuern der einen oder mehreren optischen Filtereinheiten zur Änderung optischer Filtereigenschaften der optischen Filtereinheit in Abhängigkeit von der gemessenen Lichtintensität. Das Messen der Lichtintensität kann beispielsweise mit einem hierzu vorgesehenen optischen Sensor erfolgen. Vorteilhafterweise erfolgt die Lichtintensitätsmessung vor der Aufteilung des Lichtsignals nach unterschiedlichen Wellenlängenbereichen. Mit der Lichtintensitätsmessung ist eine Signalstärke des an der optischen Schnittstelle bereitgestellten Lichtsignals ermittelbar.
Bei einem Ansteuern der optischen Filtereinheit in Abhängigkeit von der gemessenen Lichtintensität ist es beispielsweise denkbar, je nach empfangener Lichtintensität mehr Signalkanäle zu öffnen und hierzu beispielsweise mehrere optische Filtereinheiten der Vorrichtung so zu stellen, dass mehr Lichtanteile des erhaltenen Lichtsignals zu der jeweils nächsten optischen Filtereinheit durchgelassen werden. Hierdurch können beispielsweise zusätzliche Wellenlängenbereiche untersucht werden, wobei die jeweilige Signalstärke an einem optischen Sensor und dem zugehörigen Signalkanal weiterhin für eine zuverlässige Auswertung ausreicht. Umgekehrt werden bei einem vergleichsweise schwachen Lichtsignal weniger Signalkanäle genutzt, indem die stellbaren optischen Filtereinheiten das Lichtsignal auf weniger optische Sensoren verteilen. Durch die dynamische Ansteuerung ist eine präzisere und flexiblere Fluoreszenzmessung und -auswertung in Abhängigkeit der gegebenen Bedingungen möglich.
Die Aufgabe wird auch mit einem Computerprogramm mit Programmcodemitteln zur Durchführung des vorbeschriebenen Verfahrens gelöst, wenn das Computerprogramm auf einer Recheneinheit der Vorrichtung ausgeführt wird. Die Recheneinheit kann beispielsweise Bestandteil der beschriebenen Steuer- und Auswerteeinheit der Vorrichtung sein.
Auch mit dem vorgestellten Computerprogramm werden die vorbeschriebenen Vorteile einer präziseren, flexibleren und individuell anpassbaren Fluoreszenzmessung erreicht.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in schematischer Weise:

1 eine Vorrichtung zur Fluoreszenzmessung in einer ersten Ausführungsform;
2 eine Vorrichtung zur Fluoreszenzmessung in einer zweiten Ausführungsform;
3 ein Verfahren zur Fluoreszenzmessung.

1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Fluoreszenzmessung in einer ersten Ausführungsform. Die Vorrichtung 1 ist beispielsweise ein Fluorimeter (engl. fluorimeter oder fluorometer) und dient der medizinischen Diagnose von erkrankten oder defekten Gewebeabschnitten biologischen Zellmaterials mittels Analyse von Fluoreszenzen des energetisch angeregten Zellmaterials. Die Vorrichtung 1 weist eine Lichtsendeeinheit 2 zum Anregen des biologischen Zellmaterials auf. Die Lichtsendeeinheit 2 hat hierzu einen ersten Lichtsender 3a und einen zweiten Lichtsender 3b. Die Lichtsender 3a, 3b sind beispielsweise als Laser ausgeführt. Der erste Lichtsender 3a dient der Anregung des in den Figuren nicht gezeigten biologischen Zellmaterials zur Erzeugung von Fluoreszenzen und emittiert hierzu beispielsweise Lichtsignale 12 in einem kurzwelligen blauen Wellenlängenbereich, etwa mit einer Wellenlänge von 405 nm. Der zweite Lichtsender 3b ist optional zur therapeutischen Strahlungsbehandlung des biologischen Zellmaterials einsetzbar und kann beispielsweise in situ während oder nach der Fluoreszenzmessung eingeschaltet werden. Der zweite Lichtsender 3b emittiert vorteilhafterweise Lichtsignale 17 in einem langwelligen roten Lichtbereich, beispielsweise mit einer Wellenlänge von 637 nm, um die betroffenen Gewebeabschnitte photodynamisch zu therapieren. Alternativ kann auch statt zwei Lichtsendern 3a, 3b ein umschaltbarer Laser mit unterschiedlichen emittierbaren Wellenlängen eingesetzt werden.
Die Vorrichtung 1 weist eine Lichtempfangseinheit 4 mit mehreren optischen Sensoren 5 auf. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die Lichtempfangseinheit vier optische Sensoren 5. Die optischen Sensoren 5 sind beispielsweise Fotodioden und zum Empfang der mit der Fluoreszenz des biologischen Zellmaterials verbundenen Lichtsignale 13 sowie zur Umwandlung des jeweils einfallenden Lichtsignals 13 in elektrische Signale eingerichtet. Den optischen Sensoren 5 ist ein Signalverstärker 14 zur Verstärkung der elektrischen Signale nachgeschaltet.
Die Vorrichtung 1 weist einen Strahlteiler 10 zur Umleitung eines Lichtanteils des empfangenen Lichtsignals 13 auf einen der optischen Sensoren 5 auf, sodass an diesem optischen Sensor 5 eine Lichtintensitätsmessung des empfangenen Lichtsignals 13 möglich ist. Die Lichtintensitätsmessung kann hierbei einer anschließenden Korrekturrechnung in Abhängigkeit der optischen Eigenschaften des Strahlteilers 10 unterzogen werden, da nur ein Teil des empfangenen Lichtsignals 13 an den optischen Sensor 5 übertragen wird.
Die Vorrichtung 1 hat eine Teilungseinrichtung 8 mit mehreren optischen Filtereinheiten 9 zur räumlichen und/oder zeitlichen Aufteilung der empfangenen Lichtsignale 13 nach unterschiedlichen Wellenlängenbereichen. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel in 1 sind drei optische Filtereinheiten 9 vorgesehen, die im Strahlungsweg des empfangenen Lichtsignals 13 nacheinander und nach dem Strahlteiler 10 angeordnet sind. Die optischen Filtereinheiten 9 sind stellbar ausgeführt und können manuell oder automatisch, beispielsweise programmbasiert, hinsichtlich ihrer optischen Filtereigenschaften geändert werden. Bei den optischen Filtereinheiten 9 kann es sich beispielsweise um einstellbare Kantenfilter handeln, die zum Beispiel als Bandpass- oder Langpassfilter ausgeführt sind. Die optischen Filtereinheiten 9 leiten jeweils einen Anteil des empfangenen Lichtsignals 13 in einem bestimmten Wellenlängenbereich zu einem zugeordneten optischen Sensor 5 und lassen weitere Anteile des empfangenen Lichtsignals 13 mit anderen Wellenlängenbereichen jeweils zu der nächsten Filtereinheit 9 durch. Auf diese Weise wird das empfangene Lichtsignal 13 auf verschiedene Signalkanäle verteilt, die jeweils einen anderen Wellenlängenbereich des empfangenen Lichtsignals 13 repräsentieren. Obwohl in 1 drei optische Filtereinheiten 9 und drei zugeordnete optische Sensoren 5 gezeigt sind, können gleichwohl auch weniger oder mehr Filtereinheiten oder Sensoren vorgesehen sein. Insbesondere kann die Vorrichtung 1 modular um weitere optische Filtereinheiten 9 und weitere optische Sensoren 5 erweiterbar sein, beispielsweise durch das Vorsehen zusätzlicher Steckplätze in der Vorrichtung 1. In einer vorteilhaften Ausführungsform erfolgt eine dynamische Stellung der optischen Filtereinheiten 9 in Abhängigkeit der gemessenen Lichtintensität des empfangenen Lichtsignals 13, sodass je nach Signalstärke weitere Signalkanäle durchgeschaltet oder weggelassen werden. Hierbei kann eine von den optischen Sensoren 5 erhaltene Lichtintensität der empfangenen Lichtsignale 13 von Sensor 5 zu Sensor 5 gleich bleiben, indem die im Strahlengang des Lichtsignals 13 nacheinander erreichten Filtereinheiten 9 jeweils eine logarithmisch sinkende Durchlässigkeit des Lichtsignals 13 zu der nächsten Filtereinheit aufweisen. Beispielsweise kann die im Strahlengang des Lichtsignals 13 zuerst angeordnete Filtereinheit 9 drei Viertel und die nachfolgende Filtereinheit 9 zwei Viertel der gesamten Lichtintensität des Lichtsignals 13 zu der nächsten Filtereinheit 9 durchlassen, während jede Filtereinheit 9 jeweils ein Viertel des Lichtsignals 13 zu einem optischen Sensor 5 umleitet.
Die in den 1 und 2 gezeigte Vorrichtung 1 weist eine optische Schnittstelle 6 zur Übertragung der emittierten Lichtsignale 12, 17 und der empfangenen Lichtsignale 13 zwischen der Vorrichtung 1 und dem biologischen Zellmaterial auf. Die optische Schnittstelle 6 hat hierzu einen in einer Fasersonde angeordneten Lichtwellenleiter 7, der beispielsweise über eine Punktionsnadel in das zu untersuchende Gewebe einführbar ist und dort unmittelbar die Fluoreszenz des Zellmaterials erfassen und in die Vorrichtung 1 übertragen kann. Innerhalb der Vorrichtung 1 können weitere Lichtwellenleiter zur Übertragung der Lichtsignale 12, 13, 17 zwischen den Lichtsendern 3a, 3b, der Schnittstelle 6, den Filtereinheiten 9 und den Sensoren 5 vorgesehen sein.
Die in den 1 und 2 gezeigte Vorrichtung 1 weist eine Steuer- und Auswerteeinheit 15 zur elektronischen Ansteuerung der Lichtsendeeinheit 2, der Teilungseinrichtung 8 und/oder der optischen Filtereinheiten 9 sowie zur elektronischen Auswertung der von der Lichtempfangseinheit 4 empfangenen Lichtsignale 13 auf. Hierzu ist die Steuer- und Auswerteeinheit 15 mittels Energie- und Datenleitungen 16 mit den Lichtsendern 3a, 3b, den optischen Sensoren 5 und den optischen Filtereinheiten 9 (nicht gezeigte Leitungen) verbunden. Die Steuer- und Auswerteeinheit 15 kann eine Recheneinheit aufweisen, die zur Ausführung eines geeigneten Computerprogramms zur Durchführung der Ansteuerung und/oder Auswertung geeignet ist. Die Steuer- und Auswerteeinheit 15 ist insbesondere zur elektronischen Auswertung der von der Lichtempfangseinheit 4 empfangenen Lichtsignale 13 nach unterschiedlichen Wellenlängenbereichen eingerichtet. Ferner kann die Steuer- und Auswerteeinheit 15 die Durchführung der Lichtintensitätsmessung übernehmen, indem sie das empfangene Lichtsignal 13 eines hierfür vorgesehenen optischen Sensors 5 überwacht und auswertet sowie gegebenenfalls erforderliche Korrekturrechnungen vornimmt. In Abhängigkeit der ermittelten Lichtintensität kann die Steuer- und Auswerteeinheit 15 auch eine dynamische Ansteuerung der Teilungseinrichtung 8 vornehmen.
Die Vorrichtung 1 ermöglicht durch die Aufteilung der empfangenen Lichtsignale 13 nach unterschiedlichen Wellenlängenbereichen, ihre Modulierbarkeit und Modularität, die Stellbarkeit der Filtereinheiten 9 und ihre dynamische Ansteuerung eine präzisere und flexiblere Fluoreszenzmessung und -auswertung.
2 zeigt die Vorrichtung 1 in einer weiteren Ausführungsform. Die hier gezeigte Vorrichtung 1 weist lediglich einen Lichtsender 3a als Lichtsendeeinheit 2 auf. Das von dem Lichtsender 3a emittierte Lichtsignal 12, 17 kann nur der Anregung des biologischen Zellmaterials dienen oder durch eine Umschaltbarkeit hinsichtlich der emittierten Wellenlänge auch eine photodynamische Therapie des betroffenen Gewebes ermöglichen. Das emittierte Lichtsignal 12, 17 wird in 2 über einen Spiegel 11 und einen Strahlteiler 10 zu der optischen Schnittstelle 6 geleitet. Das als Fluoreszenz von dem biologischen Zellmaterial empfangene Lichtsignal 13 durchtritt den Strahlteiler 10 ausgehend von der optischen Schnittstelle 6 und trifft auf eine optische Filtereinheit 9 einer Teilungseinrichtung 8. An der optischen Filtereinheit 9 wird das empfangene Lichtsignal 13 hinsichtlich seiner Wellenlängenbereiche in zwei Signalanteile aufgeteilt. Beide Signalanteile werden über Spiegel 11 zu einem jeweilig zugeordneten optischen Sensor 5 geleitet und von dort als unterschiedliche, wellenlängenabhängige elektrische Signale zu einem Signalverstärker 14 und einer anschließenden Steuer- und Auswerteeinheit 15 übertragen. Durch die in 2 gezeigte Anzahl und Anordnung der einzelnen Bauteile, insbesondere die Verwendung nur einer optischen Filtereinheit 9 und die Spiegelanordnung, kann eine wesentlich kompaktere und bauraumoptimierte Vorrichtung 1 bereitgestellt werden. Die optische Filtereinheit 9 kann hierbei stellbar sein und vor, während oder nach einer Fluoreszenzmessung hinsichtlich der Filtereigenschaften veränderbar sein. Hierdurch kann die Vorrichtung 1 jederzeit an individuell gegebene Messbedingungen und Ausgangssituationen, beispielsweise auch unterschiedliche Stoffwechselprodukte zur Erzeugung der Fluoreszenz, angepasst werden.
3 zeigt ein Verfahren zur Fluoreszenzmessung. Zur Erleichterung des Verständnisses wird das Verfahren anhand der vorbeschriebenen Vorrichtung 1 erläutert, ohne dadurch auf eine Durchführung des Verfahrens mit der Vorrichtung 1 beschränkt zu werden. Optional erfolgt in einem Verfahrensschritt a) ein modulares Erweitern oder Reduzieren der Vorrichtung um optische Filtereinheiten und/oder optische Sensoren. In einem Verfahrensschritt b) erfolgt ein Eingang eines Fluoreszenz-Lichtsignals 13 an einer optischen Schnittstelle 6 der Vorrichtung 1. Das Fluoreszenz-Lichtsignal 13 kann beispielsweise über einen Lichtwellenleiter 7 zu der optischen Schnittstelle 6 gelangt sein. Optional erfolgt in einem Verfahrensschritt c) ein Messen der Lichtintensität des eingehenden Lichtsignals 13, beispielsweise mit einem optischen Sensor 5. Weiterhin erfolgt optional in einem Verfahrensschritt d) ein Ansteuern einer oder mehrerer optischer Filtereinheiten 9 der Vorrichtung 1 zur Änderung optischer Filtereigenschaften der optischen Filtereinheit 9, wobei dieses Ansteuern auch in Abhängigkeit einer zuvor optional erfolgten Lichtintensitätsmessung erfolgen kann. Auf diese Weise wird an den Filtereinheiten 9 eingestellt, nach welchen Vorgaben eine Aufteilung eines Lichtsignals 13 in Schritt e) vorgenommen wird. Alternativ können die Filtereinheiten 9 bereits voreingestellt sein und ohne weitere Stellung eine Lichtaufteilung vornehmen. In dem Verfahrensschritt e) erfolgt eine räumliche und/oder zeitliche Aufteilung des eingehenden Lichtsignals 13 nach unterschiedlichen Wellenlängenbereichen mittels einer oder mehrerer optischer Filtereinheiten 9 der Vorrichtung 1. Hierdurch wird das eingehende Lichtsignal 13 auf verschiedene optische Sensoren 5 und somit verschiedene Signalkanäle aufgeteilt, die eine Auswertung des Lichtsignals 13 nach unterschiedlichen Wellenlängenbereichen ermöglichen. Die Aufteilung resultiert in ein Empfangen der unterschiedlichen Wellenlängenanteile des Lichtsignals 13 an einem oder mehreren optischen Sensoren 5 der Vorrichtung 1 in einem Verfahrensschritt f). In einem Verfahrensschritt g) erfolgt ein Auswerten der unterschiedlichen Wellenlängenanteile des Lichtsignals 13 nach charakteristischen optischen Merkmalen in einer Steuer- und Auswerteeinheit 15 der Vorrichtung 1.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Lichtsendeeinheit
3a: erster Lichtsender
3b: zweiter Lichtsender
4: Lichtempfangseinheit
5: optischer Sensor
6: optische Schnittstelle
7: Lichtwellenleiter
8: Teilungseinrichtung
9: optische Filtereinheit
10: Strahlteiler
11: Spiegel
12: emittiertes Lichtsignal (Anregung)
13: empfangenes Lichtsignal
14: Signalverstärker
15: Steuer- und Auswerteeinheit
16: Energie- und Datenleitung
17: emittiertes Lichtsignal (Therapie)
a): optional modulares Erweitern/Reduzieren
b): Eingang Lichtsignal
c): optional Messen der Lichtintensität
d): optional Ansteuern der Filtereinheit
e): Aufteilung des Lichtsignals
f): Empfangen des Lichtsignals am Sensor
g): Auswerten

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2004/032734 A1 [0004]
DE 102014107342 A1 [0005]

Claims

Vorrichtung (1) zur Fluoreszenzmessung mit einer Lichtsendeeinheit (2) zur Anregung biologischen Zellmaterials mittels emittierter Lichtsignale (12, 17), mit einer einen optischen Sensor (5) aufweisenden Lichtempfangseinheit (4) zur Messung einer Fluoreszenz des angeregten biologischen Zellmaterials mittels empfangener Lichtsignale (13) und mit einer optischen Schnittstelle (6) zur Übertragung der emittierten und empfangenen Lichtsignale (12, 13, 17) zwischen der Vorrichtung (1) und dem biologischen Zellmaterial, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) eine Teilungseinrichtung (8) mit einer optischen Filtereinheit (9) zur räumlichen und/oder zeitlichen Aufteilung der empfangenen Lichtsignale (13) und/oder zur Aufteilung der empfangenen Lichtsignale (13) nach unterschiedlichen Wellenlängenbereichen aufweist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Filtereinheit (9) stellbar ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilungseinrichtung (8) mehrere optische Filtereinheiten (9) und die Lichtempfangseinheit (4) mehrere optische Sensoren (5) aufweist, wobei einem optischen Sensor (5) eine optische Filtereinheit (9) zugeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) modular um weitere optische Filtereinheiten (9) und/oder optische Sensoren (5) erweiterbar ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) eine Steuer- und Auswerteeinheit (15) zur elektronischen Ansteuerung der Lichtsendeeinheit (2), der Teilungseinrichtung (8) und/oder der optischen Filtereinheit (9) sowie zur elektronischen Auswertung der von der Lichtempfangseinheit (4) empfangenen Lichtsignale (13) aufweist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (15) zur elektronischen Auswertung der von der Lichtempfangseinheit (4) empfangenen Lichtsignale (13) nach unterschiedlichen Wellenlängenbereichen eingerichtet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (15) zur Durchführung einer Lichtintensitätsmessung mittels eines als Lichtintensitätssensor ausgeführten optischen Sensors (5) eingerichtet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (15) zur dynamischen Ansteuerung der Teilungseinrichtung (8) in Abhängigkeit der Lichtintensitätsmessung eingerichtet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die stellbare optische Filtereinheit (9) derart einstellbar ist, dass jeder optische Sensor (5) im Wesentlichen die gleiche Lichtintensität empfängt.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtsendeeinheit (2) einen Lichtsender (3a, 3b) mit einstellbarer Wellenlänge des emittierten Lichtsignals (12, 17) oder mehrere Lichtsender (3a, 3b) mit unterschiedlichen Wellenlängen des emittierten Lichtsignals (12, 17) aufweist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Lichtsender (3a, 3b) zur Emission von Lichtsignalen (12, 17) in einem Wellenlängenbereich eingerichtet ist, der zur therapeutischen Strahlungsbehandlung von biologischem Zellmaterial geeignet ist.
Verfahren zur Durchführung einer Fluoreszenzmessung mit den folgenden Verfahrensschritten: ■ Eingang (b)) eines Fluoreszenz-Lichtsignals (13) an einer optischen Schnittstelle (6) einer Vorrichtung (1); ■ räumliche und/oder zeitliche Aufteilung (e)) des eingehenden Lichtsignals (13) und/oder Aufteilung des eingehenden Lichtsignals (13) nach unterschiedlichen Wellenlängenbereichen mittels einer oder mehrerer optischer Filtereinheiten (9) der Vorrichtung (1); ■ Empfangen (f)) der unterschiedlichen Wellenlängenanteile des Lichtsignals (13) an einem oder mehreren optischen Sensoren (5) der Vorrichtung (1); ■ Auswerten (g)) der unterschiedlichen Wellenlängenanteile des Lichtsignals (13) nach charakteristischen optischen Merkmalen.
Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch den weiteren Verfahrensschritt: ■ modulares Erweitern oder Reduzieren (a)) der Vorrichtung (1) um optische Filtereinheiten (9) und/oder optische Sensoren (5).
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, gekennzeichnet durch den weiteren Verfahrensschritt: ■ Ansteuern (d)) einer oder mehrerer optischer Filtereinheiten (9) der Vorrichtung (1) zur Änderung optischer Filtereigenschaften der optischen Filtereinheit (9).
Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch die weiteren Verfahrensschritte: ■ Messen (c)) der Lichtintensität des eingehenden Lichtsignals (13); ■ Ansteuern (d)) der einen oder mehreren optischen Filtereinheiten (9) zur Änderung optischer Filtereigenschaften der optischen Filtereinheit (9) in Abhängigkeit von der gemessenen Lichtintensität.
Computerprogramm mit Programmcodemitteln zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 12 bis 15, wenn das Computerprogramm auf einer Recheneinheit der Vorrichtung (1) ausgeführt wird.