DE102020118673A1 - Method and system for measuring fluorescence in open surgery - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Messung von Fluoreszenz in der offenen Chirurgie, bei der ein Fluoreszenzmittel eingesetzt wird, dessen Absorptions- und Fluoreszenzspektren bekannt sind. Das behandelte Gewebe (2) des Patienten wird während des Eingriffs mit einem breitbandigen Umgebungslicht (4) ausgeleuchtet und zusätzlich wenigstens zeitweise mit einem Anregungslicht (12) für das Fluoreszenzmittel beleuchtet, dessen Maximum kurzwelliger ist als ein Maximum des Fluoreszenzspektrums des Fluoreszenzmittels. Ein Teil des Abregungslichts (16) des Fluoreszenzmittels und des am Gewebe (2) reflektierten Umgebungslichts (6) tritt in eine Messvorrichtung (20) ein.Das Licht wird in der Messvorrichtung (20) mittels eines oder zwei Strahlteilern (22, 24) in zwei oder drei Strahlengänge (30, 32, 34) aufgeteilt. Zur Ermittlung eines Untergrund-Offsets durch reflektiertes Umgebungslicht (6) wird ein Teil des Lichts durch ein erstes, als Bandpassfilter für das Abregungslicht (16) des Fluoreszenzmittels ausgebildetes, Filter (30A) auf einen ersten Bildsensor (30B) geleitet. Ein zweiter Teil des Lichts wird durch ein zweites, als Bandpassfilter für ein Referenzfrequenzband (32A') ausgebildetes Filter (32A), welches dem Bandpass des ersten Filters (30A) benachbart ist und von einem Maximum der Spektralverteilung (12') des Anregungslichts (12) beabstandet ist, auf einen zweiten Bildsensor (32B) geleitet.The invention relates to a method and a system for measuring fluorescence in open surgery, in which a fluorescence agent is used whose absorption and fluorescence spectra are known. The treated tissue (2) of the patient is illuminated during the intervention with a broadband ambient light (4) and additionally illuminated at least temporarily with an excitation light (12) for the fluorescence agent, the maximum of which has a shorter wavelength than a maximum of the fluorescence spectrum of the fluorescence agent. A part of the de-excitation light (16) of the fluorescent agent and the tissue (2) reflected ambient light (6) enters a measuring device (20). The light is in the measuring device (20) by means of one or two beam splitters (22, 24) in divided into two or three beam paths (30, 32, 34). To determine a background offset through reflected ambient light (6), part of the light is passed through a first filter (30A), designed as a bandpass filter for the de-excitation light (16) of the fluorescence agent, onto a first image sensor (30B). A second part of the light is passed through a second filter (32A), designed as a bandpass filter for a reference frequency band (32A'), which is adjacent to the bandpass of the first filter (30A) and is separated from a maximum of the spectral distribution (12') of the excitation light (12 ) is spaced, directed to a second image sensor (32B).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Messung von Fluoreszenz in der offenen Chirurgie.The invention relates to a method and a system for measuring fluorescence in open surgery.
In der offenen Chirurgie und in vielen anderen Anwendungen werden Fluoreszenzfarbstoffe eingesetzt. Bei der Operation wird das freigelegte Gewebe mit einem zur Anregung des Fluoreszenzfarbstoffs geeigneten Lichts, häufig im nahen Infrarotbereich, beleuchtet. Um den Fluoreszenzfarbstoff anzuregen, ist das verwendete Anregungslicht auf das dem Fluoreszenzfarbstoff eigene Absorptionsspektrum angepasst. Durch die Absorption des Anregungslichts wird der Fluoreszenzfarbstoff in einen energetisch höheren Zustand versetzt und fällt spontan unter Emission eines Fluoreszenzabregungslichts mit einem für den Fluoreszenzfarbstoff typischen Fluoreszenzspektrum wieder in den Grundzustand zurück. Bei Anwendungen im Blut eines Patienten werden in der Regel komplexe Moleküle als Fluoreszenzmittel verwendet deren Abregungslicht in der Regel energieärmer, also langwelliger ist als das Anregungslicht. Dies kommt daher, dass bei der elektronischen Anregung zunächst höhere Schwingungszustände des angeregten Zustands besetzt werden, die ihre Energie dann durch Schwingungsrelaxation abgeben, bevor die spontane Fluoreszenzabregung erfolgt. Daher wird zur Anregung mehr Energie aufgewendet als bei der Emission abgegeben wird.Fluorescent dyes are used in open surgery and in many other applications. During the operation, the exposed tissue is illuminated with a light that is suitable for exciting the fluorescent dye, often in the near-infrared range. In order to excite the fluorescent dye, the excitation light used is adapted to the absorption spectrum inherent to the fluorescent dye. As a result of the absorption of the excitation light, the fluorescence dye is shifted into an energetically higher state and spontaneously falls back into the ground state, emitting a fluorescence depletion light with a fluorescence spectrum typical of the fluorescence dye. In the case of applications in the blood of a patient, complex molecules are generally used as fluorescence agents, the deactivation light of which is generally lower in energy, ie has a longer wavelength, than the excitation light. This is due to the fact that during electronic excitation, higher vibrational states of the excited state are first occupied, which then release their energy through vibrational relaxation before spontaneous fluorescence depletion occurs. Therefore, more energy is used for excitation than is given off for emission.
Bei geeigneter Bilderfassung und Bildauswertung können die erfassten Fluoreszenzbilder und Gewebebilder überlagert werden, wobei das mit Fluoreszenzfarbstoff versorgte Gewebe beispielsweise mittels einer Falschfarbendarstellung im überlagerten Bild kenntlich gemacht werden kann.With suitable image acquisition and image evaluation, the acquired fluorescence images and tissue images can be superimposed, it being possible for the tissue supplied with fluorescent dye to be identified, for example, by means of a false color representation in the superimposed image.
Da diese Anregungsbeleuchtung im operativen Umfeld erfolgt, in dem das freigelegte Gewebe auch mit einem Umgebungslicht im sichtbaren Bereich ausgeleuchtet wird, dessen spektrale Verteilung sich über das sichtbare Spektrum hinaus auf den Bereich der Wellenlänge des Fluoreszenzlichts erstrecken kann, ergibt sich das Problem, dass das vom Fluoreszenzfarbstoff abgestrahlte Fluoreszenzlicht bzw. Abregungslicht im Vergleich zum reflektierten Umgebungslicht eine geringe Intensität aufweist. Zur Bilderzeugung muss das Fluoreszenzbild hoch verstärkt werden. Dabei werden auch die störenden spektralen Anteile des reflektierten Umgebungslichts verstärkt, was die Fluoreszenzbilder verfälscht.Since this excitation illumination takes place in the surgical environment, in which the exposed tissue is also illuminated with ambient light in the visible range, the spectral distribution of which can extend beyond the visible spectrum to the range of the wavelength of the fluorescent light, the problem arises that the Fluorescence dye emitted fluorescence light or deactivation light compared to the reflected ambient light has a low intensity. For imaging, the fluorescence image must be highly intensified. The disturbing spectral components of the reflected ambient light are also amplified, which falsifies the fluorescence images.
Eine aus dem Stand der Technik bekannte Maßnahme diesem Nachteil entgegenzuwirken, ist, die Intensität des vom Fluoreszenzfarbstoffs abgestrahlten Fluoreszenzlichts zu steigern, indem eine starke Anregungslichtquelle verwendet wird.A measure known from the prior art to counteract this disadvantage is to increase the intensity of the fluorescent light emitted by the fluorescent dye by using a strong excitation light source.
Zur weiteren Beseitigung der beschriebenen Nachteile wird gemäß
Ein in verschiedenen Diagnostik-Anwendungen verwendeter Fluoreszenzfarbstoff ist Indocyanin-Grün (ICG), dessen Absorptions- und Emissionscharakteristika bekannt sind. In Blut gelöstes Indocyanin-Grün wird mit Licht einer Wellenlänge zwischen 600 nm und 900 nm angeregt, mit einem schmalen Maximum bei ca. 810 nm, und emittiert bei etwa 830 nm, mit flachen Ausläufern bis 750 nm und 950 nm. Anwendungen von ICG als Fluoreszenzmittel in der Chirurgie ist beispielsweise die Perfusionsdiagnostik von Geweben und Organen. ICG kann derzeit allerdings nicht in der offenen Chirurgie verwendet werden, da auch das Umgebungslicht im Operationssaal von der Deckenbeleuchtung, der Operationsleuchte, etc. potenziell Licht in der Emissionswellenlänge des Fluoreszenzwirkstoffes emittiert, welches wiederum vom Gewebe im Wundbereich reflektiert wird. Eine Kamera kann nicht unterscheiden, ob das detektierte Licht der entsprechenden Wellenlänge bei ca. 830 nm tatsächlich durch den Fluoreszenzwirkstoff emittiert wurde oder reflektiertes Licht der Umgebungsbeleuchtung ist.A fluorescent dye used in various diagnostic applications is indocyanine green (ICG), whose absorption and emission characteristics are well known. Indocyanine green dissolved in blood is excited with light of wavelength between 600 nm and 900 nm, with a narrow maximum at about 810 nm, and emits at about 830 nm, with flat tails to 750 nm and 950 nm. Applications of ICG as Fluorescent media in surgery is, for example, perfusion diagnostics of tissues and organs. However, ICG cannot currently be used in open surgery because the ambient light in the operating room from overhead lighting, operating room lights, etc. also potentially emits light in the emission wavelength of the fluorescent agent, which in turn is reflected by the tissue in the wound area. A camera cannot distinguish whether the detected light of the corresponding wavelength at around 830 nm was actually emitted by the fluorescent agent or is reflected light from the ambient lighting.
Andere im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendbare Fluoreszenzmittel sind beispielsweise und nicht ausschließlich SGM-101 mit einem Absorptionsmaximum bei ca. 682 nm, OTL38 bei ca. 753 nm, IRDye 800BK bei ca. 752 nm, Bevacizumab-IRDye800CW bei ca. 752 nm oder LUM015 bei ca. 650 nm.Other fluorescers that can be used in the context of the present invention are, for example and not exclusively, SGM-101 with an absorption maximum at about 682 nm, OTL38 at about 753 nm, IRDye 800BK at about 752 nm, Bevacizumab-IRDye800CW at about 752 nm or LUM015 at approx. 650 nm.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein System bereitzustellen, mit dem es möglich wird, Fluoreszenz in der offenen Chirurgie einzusetzen.The object of the present invention is to provide a method and a system with which it is possible to use fluorescence in open surgery.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Messung von ICG-Fluoreszenz in der offenen Chirurgie, bei der ein im Blut eines Patienten gelöstes Fluoreszenzmittel, insbesondere Indocyanin-Grün (ICG), eingesetzt wird, dessen Absorptions- und Fluoreszenzspektren bekannt sind, wobei das behandelte Gewebe des Patienten während des Eingriffs mit einem breitbandigen, insbesondere weißen, Umgebungslicht ausgeleuchtet wird und zusätzlich wenigstens zeitweise mit einem Anregungslicht für das Fluoreszenzmittel mit einer bekannten Spektralverteilung, insbesondere im Infrarotbereich, beleuchtet wird, dessen Maximum kurzwelliger ist als ein Maximum des Fluoreszenzspektrums des Fluoreszenzmittels, gelöst, bei dem zur Ermittlung eines Untergrund-Offsets zu dem vom Fluoreszenzmittel emittierten Abregungslicht aufgrund von am Gewebe reflektiertem Umgebungslicht ein Teil des von dem Gewebe reflektierten und abgestrahlten Lichts in eine Messvorrichtung eintritt und in der Messvorrichtung mittels eines Strahlteilers in zwei Strahlengänge oder mittels zwei Strahlteilern in drei Strahlengänge aufgeteilt wird, wobei ein erster Teil des Lichts in einem ersten Strahlengang durch ein erstes Filter, das als Bandpassfilter für das Abregungslicht des Fluoreszenzmittels ausgebildet ist, auf einen ersten Bildsensor geleitet wird und ein zweiter Teil des Lichts in einem zweiten Strahlengang durch ein zweites Filter, das als Bandpassfilter für ein Referenzfrequenzband, welches dem Bandpass des ersten Filters benachbart ist und von einem Maximum der Spektralverteilung des Anregungslichts beabstandet ist, auf einen zweiten Bildsensor geleitet wird.This object is achieved by a method for measuring ICG fluorescence in open surgery, in which a fluorescent agent, in particular indocyanine green (ICG), dissolved in the blood of a patient, is used, the absorption and fluorescence spectra of which are known, the treated tissue of the patient is illuminated during the intervention with a broadband, in particular white, ambient light and is additionally illuminated at least temporarily with an excitation light for the fluorescence agent with a known spectral distribution, in particular in the infrared range, the maximum of which has a shorter wavelength than a maximum of the fluorescence spectrum of the fluorescence agent , in which, to determine a background offset to the de-excitation light emitted by the fluorescent agent due to ambient light reflected from the tissue, part of the light reflected and emitted by the tissue enters a measuring device and in the measuring device by means of a beam lsplitter is split into two beam paths or by means of two beam splitters into three beam paths, with a first part of the light in a first beam path being directed through a first filter, which is designed as a bandpass filter for the deactivation light of the fluorescent agent, onto a first image sensor and a second part of the light in a second beam path through a second filter, which is directed onto a second image sensor as a bandpass filter for a reference frequency band which is adjacent to the bandpass of the first filter and is spaced from a maximum of the spectral distribution of the excitation light.
Im Rahmen der Erfindung ist das Fluoreszenzspektrum des Fluoreszenzmittels gleichbedeutend mit dem Spektrum des Fluoreszenzabregungslichts bzw. des Abregungslichts. Der erste Bildsensor empfängt erfindungsgemäß ebenso wie der zweite Bildsensor Licht, das nicht hauptsächlich Anregungslicht ist, sondern spektral einerseits auf die Fluoreszenzabregung und andererseits auf einen Referenzbereich abseits, aber benachbart, zum Maximum der Fluoreszenzabregung zentriert ist. Diese spektrale Analyse erlaubt die erfindungsgemäße Auswertung des als im Wesentlichen spektral konstant oder flach angenommen Untergrundes aus reflektiertem breitbandigem Beleuchtungslicht.In the context of the invention, the fluorescence spectrum of the fluorescence agent is synonymous with the spectrum of the fluorescence deactivation light or deactivation light. According to the invention, the first image sensor, like the second image sensor, receives light that is not primarily excitation light but is spectrally centered on the one hand on the fluorescence depletion and on the other hand on a reference area away from, but adjacent to, the maximum of the fluorescence depletion. This spectral analysis allows the evaluation according to the invention of the background, which is assumed to be essentially spectrally constant or flat, from reflected broadband illumination light.
Der Bandpass des zweiten Filters liegt in Ausführungsformen bei kürzeren oder längeren Wellenlängen als der Bandpass des ersten Filters. Damit kann das Referenzfrequenzband spektral entweder zwischen dem Anregungslicht und dem Maximum der Fluoreszenzabregung (kurzwelliger) oder auf der zum Anregungslicht gegenüberliegenden Seite des Maximums der Fluoreszenzabregung (langwelliger) angeordnet sein. Im langwelligeren Fall ist der Einfluss des reflektierten Anregungslichts aufgrund des größeren Abstands zum Anregungsspektrum kleiner als im kurzwelligeren Fall, jedoch kann aufgrund einer Asymmetrie des Fluoreszenzspektrums die kürzerwellige Alternative der Anordnung des Referenzfrequenzbands vorteilhaft sein.In embodiments, the bandpass of the second filter is at shorter or longer wavelengths than the bandpass of the first filter. The reference frequency band can thus be arranged spectrally either between the excitation light and the maximum of the fluorescence deactivation (shorter wavelength) or on the side of the maximum of the fluorescence deactivation (longer wavelength) opposite the excitation light. In the long-wave case, the influence of the reflected excitation light is smaller than in the shorter-wave case due to the greater distance to the excitation spectrum, but the shorter-wave alternative of arranging the reference frequency band can be advantageous due to an asymmetry of the fluorescence spectrum.
Zwischen den Bandpässen des ersten Filters und des zweiten Filters besteht vorzugsweise ein spektraler Abstand von 0 bis 10 nm, insbesondere von 1 bis 4 nm. Dies stellt sicher, dass die Annahme, dass die spektrale Verteilung des Umgebungslichts im Wesentlichen konstant ist, gültig bleibt.There is preferably a spectral spacing of 0 to 10 nm, in particular 1 to 4 nm, between the bandpass filters of the first filter and the second filter. This ensures that the assumption that the spectral distribution of the ambient light is essentially constant remains valid.
In Ausführungsformen mit zwei Strahlteilern und drei Strahlengängen wird ein dritter Teil des Lichts in einem dritten Strahlengang auf einen dritten Bildsensor zur Bildgebung im sichtbaren Licht geleitet, wobei der dritte Strahlengang insbesondere ein drittes Filter, insbesondere ein UV-Filter und/oder ein IR-Filter, umfasst. Dies ermöglicht die Anzeige und Überlagerung des Vollbildes im sichtbaren bzw. visuellen Licht (VIS) mit einem um die Untergrund-Offset-Anteile korrigierten Fluoreszenzbild, das sich aus einer Weiterverarbeitung der Bilder des ersten und des zweiten Bildsensors ergibt.In embodiments with two beam splitters and three beam paths, a third part of the light is guided in a third beam path onto a third image sensor for imaging in visible light, with the third beam path in particular having a third filter, in particular a UV filter and/or an IR filter , includes. This enables the full image to be displayed and overlaid in visible light (VIS) with a fluorescence image corrected for the background offset components, which results from further processing of the images from the first and second image sensors.
Im Unterschied zu dem aus
Konkret dient der erste Strahlengang mit dem ersten Filter und dem ersten Bildsensor dazu, hauptsächlich das Fluoreszenzabregungslicht zu erfassen. Dazu ist das erste Filter als Bandpassfilter für das Fluoreszenzabregungslicht ausgebildet, insbesondere im Falle von ICG eng auf das Intensitätsmaximum um ca. 830 nm von ICG herum. Dieses Bildsignal enthält einen Anteil an reflektiertem Umgebungslicht, das eine sehr breite und flache spektrale Verteilung aufweist. Eine enge Begrenzung auf das Intensitätsmaximum der Fluoreszenzabregung dient somit dazu, das Signal-zu-Untergrund-Verhältnis zu maximieren. Je breiter der Bandpass, also das Frequenzband, in dem das Filter transparent ist, gemacht wird, desto mehr Licht wird gesammelt, wodurch sich das Rauschen verringert und somit die Bildqualität erhöht, jedoch um den Preis, dass das Verhältnis von Licht aus Fluoreszenzabregung zu reflektiertem Umgebungslicht kleiner wird. Die Festlegung der Breite des Bandpasses des ersten Filters erfolgt beim Hersteller, der entsprechende Versuche unternimmt, um ein gutes Qualitäts- und Kontrastergebnis zu erzielen.Specifically, the first optical path having the first filter and the first image sensor serves to mainly capture the fluorescence depletion light. For this purpose, the first filter is designed as a bandpass filter for the fluorescence depletion light, in particular in the case of ICG narrow to the intensity maximum around approx. 830 nm of ICG. This image signal contains a proportion of reflected ambient light that has a very broad and flat spectral distribution. A narrow limitation to the intensity maximum of the fluorescence depletion thus serves to maximize the signal-to-background ratio. The wider the bandpass, i.e. the frequency band in which the filter is transparent, is made, the more light is collected, which reduces noise and thus increases image quality, but at the cost of reducing the ratio of light from fluorescence depletion to reflected light ambient light decreases. The width of the bandpass of the first filter is determined by the manufacturer, who undertakes appropriate tests to achieve good quality and contrast results.
Der zweite Strahlengang mit dem zweiten Filter und dem zweiten Bildsensor dient als Referenz zur Bestimmung der Stärke des reflektierten Umgebungslichts. Diese Referenz soll einerseits so wenig wie möglich Fluoreszenzabregungslicht enthalten, andererseits aber dicht an dem Wellenlängenbereich des ersten Filters liegen, insbesondere mit wenigen Nanometer Abstand. Dies hat zur Folge, dass aufgrund des flachen Verlaufs der Spektralverteilung des Umgebungslichts im nahen IR-Bereich in sehr guter Näherung davon ausgegangen werden kann, dass das Intensitätsniveau des reflektierten Umgebungslichts im Frequenzband (bzw. Wellenlängenband) des zweiten Filters das gleiche ist wie im Frequenzband des ersten Filters.The second beam path with the second filter and the second image sensor serves as a reference for determining the strength of the reflected ambient light. On the one hand, this reference should contain as little fluorescence-excitation light as possible, but on the other hand it should be close to the wavelength range of the first filter, in particular at a distance of a few nanometers. As a result, due to the flat profile of the spectral distribution of the ambient light in the near IR range, it can be assumed to a very good approximation that the intensity level of the reflected ambient light in the frequency band (or wavelength band) of the second filter is the same as in the frequency band of the first filter.
Wenn die Breiten der Bandpässe des ersten Filters und des zweiten Filters gleich sind, ist davon auszugehen, dass der erste Bildsensor gleich viel reflektiertes Umgebungslicht empfängt wie der zweite Bildsensor. Da der Bandpass des zweiten Filters nahe am Bandpass des ersten Filters liegt, ist ein Teil des den Bandpass des zweiten Filters passierenden Lichts ebenfalls Fluoreszenzabregungslichts, jedoch gegenüber dem Anteil im Bandpass des ersten Filters stark unterdrückt. Ferner umfasst der Bandpass des zweiten Filters auch so wenig wie möglich Anteile des Anregungslichts selbst, welches bei etwas kürzeren Wellenlängen sein Maximum hat, und schließt dafür das Maximum der Spektralverteilung des Anregungslichts vollständig aus. Somit enthält das Bildsignal des zweiten Bildsensors ein Maß für die Menge und die räumliche Verteilung des reflektierten Umgebungslichts und dient damit als Vergleichsbasis für die untergrundbehafteten Fluoreszenzbilder des ersten Bildsensors.If the bandpass widths of the first filter and the second filter are the same, it can be assumed that the first image sensor receives the same amount of reflected ambient light as the second image sensor. Since the bandpass of the second filter is close to the bandpass of the first filter, part of the light passing through the bandpass of the second filter is also fluorescence depletion light, but is strongly suppressed compared to the part in the bandpass of the first filter. Furthermore, the bandpass of the second filter also includes as few portions as possible of the excitation light itself, which has its maximum at somewhat shorter wavelengths, and in return completely excludes the maximum of the spectral distribution of the excitation light. The image signal from the second image sensor thus contains a measure of the quantity and the spatial distribution of the reflected ambient light and thus serves as a basis for comparison for the background-affected fluorescence images from the first image sensor.
Unvermeidbare Überlappungen der Bandpässe des ersten und des zweiten Filters mit den Spektralverteilungen des Anregungslichts und des Fluoreszenzabregungslichts können bei dem Vergleich rechnerisch berücksichtigt werden, da sowohl die verschiedenen Emission- und Absorptionsspektren als auch die Verläufe der Filterfunktionen bekannt sind bzw. gemessen werden können und rechnerisch verarbeitet werden können, während die Spektralverteilung des reflektierten Umgebungslichts in dem sehr schmalen Wellenlängenbereich als näherungsweise konstant angenommen werden kann. Eine weitere Vereinfachung der Berechnung der verschiedenen Anteile wird in Ausführungsformen erreicht, wenn das Anregungslicht vor dem Austritt aus einer Anregungslichtquelleneinheit durch einen Kanten- oder Bandpassfilter geleitet wird, der Anteile des Anregungslichts herausfiltert, deren Wellenlängen im Bereich der Bandpässe des ersten Filters und des zweiten Filters liegen. Damit kann auch kein reflektiertes Anregungslicht die ersten und zweiten Bildsensoren erreichen.Unavoidable overlaps in the bandpass filters of the first and second filters with the spectral distributions of the excitation light and the fluorescence depletion light can be taken into account in the comparison, since both the different emission and absorption spectra and the profiles of the filter functions are known or can be measured and processed by calculation can be, while the spectral distribution of the reflected ambient light can be assumed to be approximately constant in the very narrow wavelength range. A further simplification of the calculation of the various components is achieved in embodiments if the excitation light is passed through an edge or bandpass filter before exiting an excitation light source unit, which filters out components of the excitation light whose wavelengths are in the range of the bandpass filters of the first filter and the second filter lie. As a result, no reflected excitation light can reach the first and second image sensors either.
In Ausführungsformen des Verfahrens wird zur Entfernung des Untergrund-Offsets die vom zweiten Bildsensor gemessene Beleuchtungsstärke von der vom ersten Bildsensor gemessenen Beleuchtungsstärke unter Verwendung eines zuvor ermittelten Kalibrierungsfaktors abgezogen. In den Kalibrierungsfaktor fließen die bekannten Verläufe der Spektren der verschiedenen Bandpassfilter sowie des Fluoreszenzabregungslichts und der Anregungslichtquelleneinheit ein, wie zuvor beschrieben. Weiterhin fließt eine gegebenenfalls unterschiedliche Verstärkung der beiden Bildsensorsignale in die Berechnung des Kalibrierungsfaktors ein. Das Ergebnis der Subtraktion ist ein um den Untergrund aus reflektiertem Umgebungslicht bereinigtes Fluoreszenzbild.In embodiments of the method, to remove the background offset, the illuminance measured by the second image sensor is subtracted from the illuminance measured by the first image sensor using a previously determined calibration factor. The known curves of the spectra of the various bandpass filters and of the fluorescence excitation light and the excitation light source unit are included in the calibration factor, as described above. Furthermore, a possibly different amplification of the two image sensor signals is included in the calculation of the calibration factor. The result of the subtraction is a fluorescence image corrected for the background from reflected ambient light.
In Ausführungsformen, in denen ICG als Fluoreszenzmittel verwendet wird, hat die Spektralverteilung des Anregungslichts ein Maximum bei 810 nm ± 5 nm, insbesondere bei 810 nm ± 3 nm, wobei die Spektralverteilung des Anregungslichts insbesondere eine Halbwertsbreite (FWHM) von bis zu 10 nm hat, insbesondere bis zu 5 nm.In embodiments in which ICG is used as a fluorescer, the spectral distribution of the excitation light has a maximum at 810 nm ± 5 nm, in particular at 810 nm ± 3 nm, the spectral distribution of the excitation light in particular having a full width at half maximum (FWHM) of up to 10 nm , especially up to 5 nm.
Zusätzlich oder alternativ ist in diesem Fall das Referenzfrequenzband auf eine Wellenlänge im Bereich von 820 nm bis 826 nm oder im Bereich von 835 nm bis 841 nm zentriert, wobei das Referenzfrequenzband insbesondere eine Halbwertsbreite (FWHM) von bis zu 4 nm hat, insbesondere bis zu 2 nm. Unter dem Referenzfrequenzband wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Bandpass des zweiten Filters, also das transparente Fenster des zweiten Filters, verstanden.Additionally or alternatively, in this case the reference frequency band is centered on a wavelength in the range from 820 nm to 826 nm or in the range from 835 nm to 841 nm, the reference frequency band in particular having a full width at half maximum (FWHM) of up to 4 nm, in particular up to 2 nm. Within the scope of the present invention, the reference frequency band is understood to mean the bandpass of the second filter, ie the transparent window of the second filter.
Weiterhin ist zusätzlich oder alternativ in Ausführungsformen der Bandpass des ersten Filters auf ein Maximum der Emission des Fluoreszenzmittels, insbesondere eine Wellenlänge zwischen 828 nm und 833 nm, zentriert und hat insbesondere eine Halbwertsbreite (FWHM) von bis 4 nm, insbesondere bis 2 nm. Der Bandpass des ersten Filters ist der Frequenzbereich bzw. Wellenlängenbereich, in dem das erste Filter transparent ist.Furthermore, in embodiments, the bandpass of the first filter is additionally or alternatively centered on a maximum of the emission of the fluorescer, in particular a wavelength between 828 nm and 833 nm, and in particular has a full width at half maximum (FWHM) of up to 4 nm, in particular up to 2 nm Bandpass of the first filter is the frequency range or wavelength range in which the first filter is transparent.
Die vorstehenden Werte für die Spektralverteilung des Anregungslichts, das Referenzfrequenzband und das transparente Frequenzband des ersten Filters sind im Rahmen der Erfindung einzeln, in Paaren oder auch zusammen verwendbar und bei Verwendung anderer Fluoreszenzmittel als ICG entsprechend anzupassen.The above values for the spectral distribution of the excitation light, the reference frequency band and the transparent frequency band of the first filter can be used individually, in pairs or together within the scope of the invention and adjusted accordingly when using fluorescence agents other than ICG.
In Ausführungsformen des Verfahrens fließen in den Kalibrierungsfaktor Überlappungen der Spektralverteilungen des Anregungslichts und des Abregungslichts mit den Frequenzverläufen des ersten Filters und des zweiten Filters ein. Dies erfolgt am Beispiel von ICG als Fluoreszenzmittel beispielsweise dadurch, dass für das Referenzfrequenzband, also den Bandpass des zweiten Filters, und für den Bandpass des ersten Filters jeweils die Gewichtungen GF,R,E berechnet werden, mit denen die Anteile von Fluoreszenz- bzw. Abregungslicht (F), reflektiertem Umgebungslicht (R) und Anregungslicht (E) in das Referenzfrequenzband (Ref) des zweiten Filters bzw. den Bandpass (beispielsweise ICG) des ersten Filters einfließen. Dies kann über die Berechnung des Integrals der Produkte der Spektralfunktionen der Bandpässe (Ref, ICG) einerseits und der Spektralfunktionen von F, R und E andererseits über die Wellenlängen λ im Bereich der jeweiligen Bandpässe der beiden Filter erfolgen. Für die sechs Kombinationen aus Bandpässen ICG, REF und Lichtanteilen F, R und E gilt dann beispielsweise:
Die vom ersten Bildsensor gemessene Lichtintensität IS1 setzt sich für jedes Pixel dann zusammen aus
Weitere Kalibrationsfaktoren können sich aus den Verstärkungsfaktoren und Offsets der Bildsensoren ergeben, sowie daraus, dass das in die Messvorrichtung einfallende Licht auf dem Weg zu den verschiedenen Bildsensoren möglicherweise verschieden oft geteilt worden ist, falls zwei Strahlteiler verwendet werden. Das vom ersten Strahlteiler aus dem Hauptstrahlengang abgezweigte Licht repräsentiert dann beispielsweise die Hälfte des einfallenden Lichts, während die beiden vom zweiten Strahlteiler geteilten Strahlengänge jeweils nur noch ein Viertel des einfallenden Lichts aufweisen. Für die interessierende ICG-Fluoreszenz ist es daher vorteilhaft, denjenigen Strahlengang zu verwenden, in dem nur ein Strahlteiler angeordnet ist. Dieses Beispiel ist nicht abschließend. Die Bezeichnung ICG wird bei Auswahl anderer Fluoreszenzmittel durch die jeweilige Bezeichnung ersetzt.Further calibration factors can result from the amplification factors and offsets of the image sensors, as well as from the fact that the light incident on the measuring device has possibly been split differently often on the way to the different image sensors if two beam splitters are used. The light branched off from the main beam path by the first beam splitter then represents, for example, half of the incident light, while the two beam paths split by the second beam splitter each have only a quarter of the incident light. For the ICG fluorescence of interest, it is therefore advantageous to use that beam path in which only one beam splitter is arranged. This example is not final. The designation ICG is replaced by the respective designation if other fluorescers are selected.
Die für die weiteren Kalibrierungsfaktoren relevanten Offsets ergeben sich aus Dunkelmessungen, die Verstärkungsfaktoren können bei ausgeschaltetem Anregungslicht ermittelt werden. Die Intensitäten der Lichtanteile lassen sich durch lineare Umformungen dieser Gleichungen ermitteln, was vereinfacht wird, wenn die Faktoren, die auf das Anregungslicht zurückgehen, durch geeignete Filterung des Anregungslichts auf Null gesetzt werden.The offsets relevant for the other calibration factors result from dark measurements, the amplification factors can be determined when the excitation light is switched off. The intensities of the light components can be determined by linear transformations of these equations, which is simplified if the factors that go back to the excitation light are set to zero by suitable filtering of the excitation light.
Diese direkte Berechnung ist eine beispielhafte Möglichkeit, das Fluoreszenzbild um die reflektierten Umgebungslichtanteile zu bereinigen. Andere Möglichkeiten ergeben sich durch die Verwendung von Lookup-Tabellen, die zuvor gefüllt wurden, oder durch geeignete Modelle, die für verschiedene Kombinationen von IS1 und IS2 die Lichtanteile beispielsweise durch Interpolation zwischen vorherbestimmten Werten ausgeben.This direct calculation is an exemplary possibility of removing the reflected ambient light components from the fluorescence image. Other possibilities arise through the use of lookup tables that have been previously filled, or by suitable models for various combinations of output I S1 and I S2, the light components, for example, by interpolation between predetermined values.
Um zu einer zusätzlichen Differenzierung zu gelangen, wird das Anregungslicht in Ausführungsformen getaktet an- und ausgeschaltet, wobei in den Phasen ohne Anregungslicht ein Ausgleich der Offsets in den Messsignalen des ersten Bildsensors und des zweiten Bildsensors und/oder eine Rekalibrierung erfolgt. Die Taktung kann auch nur phasenweise erfolgen, um zu verifizieren, dass die Kalibrierungsfaktoren noch stimmen und sie gegebenenfalls zu aktualisieren, da in den Phasen ohne Anregungslicht die Anteile
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auch durch ein System zur Messung von Fluoreszenz in der offenen Chirurgie, bei der ein im Blut eines Patienten gelöstes Fluoreszenzmittel, insbesondere Indocyanin-Grün (ICG), eingesetzt wird, dessen Absorptions- und Fluoreszenzspektren bekannt sind, umfassend eine oder mehrere Lichtquellen zur Ausleuchtung eines zu behandelnden Gewebes des Patienten mit breitbandigem, insbesondere weißem, Umgebungslicht und eine Anregungslichtquelleneinheit, die ausgebildet und angeordnet ist, das Gewebe wenigstens zeitweise mit einem Anregungslicht für das Fluoreszenzmittel mit einer bekannten Spektralverteilung, insbesondere im Infrarotbereich, zu beleuchten, dessen Maximum kurzwelliger ist als ein Maximum des Fluoreszenzspektrums des Fluoreszenzmittels, gelöst, das dadurch weitergebildet ist, dass eine Messvorrichtung umfasst ist, die so angeordnet ist, dass ein Teil des von dem Gewebe reflektierten und abgestrahlten Lichts in die Messvorrichtung eintritt, welche einen Strahlteiler oder zwei Strahlteiler umfasst, mittels dessen oder mittels derer das eintretende Licht in einen ersten Strahlengang, einen zweiten Strahlengang und, bei Vorhandensein von zwei Strahlteilern, einen dritten Strahlengang aufgeteilt wird, wobei der erste Strahlengang ein erstes Filter, das als Bandpassfilter für das Abregungslicht des Fluoreszenzmittels ausgebildet ist, und einen ersten Bildsensor umfasst und der zweite Strahlengang ein zweites Filter, das als Bandpassfilter für ein Referenzfrequenzband, welches dem Bandpass des ersten Filters benachbart ist und von einem Maximum der Spektralverteilung des Anregungslichts beabstandet ist, und einen zweiten Bildsensor umfasst, wobei eine Auswertungseinrichtung umfasst ist, die ausgebildet und eingerichtet ist, aus den Messsignalen des zweiten Bildsensors, und insbesondere zusätzlich des ersten Bildsensors, einen Untergrund-Offset zu dem vom Fluoreszenzmittel emittierten Abregungslicht aufgrund von am Gewebe reflektiertem Umgebungslicht zu ermitteln.The object on which the invention is based is also comprehensively achieved by a system for measuring fluorescence in open surgery, in which a fluorescent agent dissolved in the blood of a patient, in particular indocyanine green (ICG), whose absorption and fluorescence spectra are known, is used one or more light sources for illuminating a patient's tissue to be treated with broadband, in particular white, ambient light and a light source ing light source unit that is designed and arranged to illuminate the tissue at least temporarily with an excitation light for the fluorescent agent with a known spectral distribution, in particular in the infrared range, the maximum of which is shorter-wavelength than a maximum of the fluorescence spectrum of the fluorescent agent, which is further developed in that a measuring device is included, which is arranged in such a way that part of the light reflected and emitted by the tissue enters the measuring device, which includes a beam splitter or two beam splitters, by means of which the entering light is directed into a first beam path, a second beam path and, if two beam splitters are present, a third beam path is divided, the first beam path comprising a first filter, which is designed as a bandpass filter for the deactivation light of the fluorescence agent, and a first image sensor, and the second beam path second filter, which as a bandpass filter for a reference frequency band which is adjacent to the bandpass of the first filter and is spaced apart from a maximum of the spectral distribution of the excitation light, and a second image sensor, wherein an evaluation device is included, which is designed and set up from the measurement signals of the second image sensor, and in particular additionally of the first image sensor, to determine a background offset to the de-excitation light emitted by the fluorescence agent on the basis of ambient light reflected on the tissue.
Das System verwirklicht somit die gleichen Merkmale, Eigenschaften und Vorteile wie das erfindungsgemäße Verfahren.The system thus realizes the same features, properties and advantages as the method according to the invention.
Der Bandpass des zweiten Filters liegt in Ausführungsformen bei kürzeren oder längeren Wellenlängen als der Bandpass des ersten Filters. Vorzugsweise besteht zwischen den Bandpässen des ersten Filters und des zweiten Filters ein spektraler Abstand von 0 bis 10 nm, insbesondere von 1 bis 4 nm.In embodiments, the bandpass of the second filter is at shorter or longer wavelengths than the bandpass of the first filter. There is preferably a spectral spacing of 0 to 10 nm, in particular 1 to 4 nm, between the bandpass filters of the first filter and the second filter.
Das erste Filter, das zweite Filter und/oder ein Filter im dritten Strahlengang ist oder sind als eigenständiges optisches Bauteil oder als Beschichtung des Strahlteilers oder eines der Strahlteiler ausgebildet. In der zweiten Alternative sind ist der Strahlteiler oder sind die Strahlteiler spektral selektiv.The first filter, the second filter and/or a filter in the third beam path is/are designed as an independent optical component or as a coating of the beam splitter or one of the beam splitters. In the second alternative, the beam splitter or beam splitters are spectrally selective.
In Ausführungsformen ist die Auswertungseinrichtung ausgebildet und eingerichtet, die vom zweiten Bildsensor gemessene Beleuchtungsstärke von der vom ersten Bildsensor gemessenen Beleuchtungsstärke unter Verwendung eines zuvor ermittelten Kalibrierungsfaktors abzuziehen.In embodiments, the evaluation device is designed and set up to subtract the illuminance measured by the second image sensor from the illuminance measured by the first image sensor using a previously determined calibration factor.
In Ausführungsformen, in denen ICG als Fluoreszenzmittel verwendet wird, hat die Spektralverteilung des Anregungslichts ein Maximum bei 810 nm ± 5 nm, insbesondere bei 810 nm ± 3 nm, wobei die Spektralverteilung des Anregungslichts insbesondere eine Halbwertsbreite (FWHM) von bis zu 10 nm hat, insbesondere bis zu 5 nm, und/oder ist das Referenzfrequenzband auf eine Wellenlänge im Bereich von 820 nm bis 826 nm oder im Bereich von 835 nm bis 841 nm zentriert, wobei das Referenzfrequenzband insbesondere eine Halbwertsbreite (FWHM) von bis zu 4 nm hat, insbesondere bis zu 2 nm, und/oder ist der Bandpass des ersten Filters auf ein Maximum der Emission des Fluoreszenzmittels, insbesondere eine Wellenlänge zwischen 828 nm und 833 nm, zentriert, insbesondere eine Halbwertsbreite (FWHM) von bis 4 nm hat, insbesondere bis 2 nm. Die Breiten der Bandpässe des ersten Filters und des zweiten Filters können in Ausführungsformen gleich sein.In embodiments in which ICG is used as a fluorescer, the spectral distribution of the excitation light has a maximum at 810 nm ± 5 nm, in particular at 810 nm ± 3 nm, the spectral distribution of the excitation light in particular having a full width at half maximum (FWHM) of up to 10 nm , in particular up to 5 nm, and/or the reference frequency band is centered on a wavelength in the range from 820 nm to 826 nm or in the range from 835 nm to 841 nm, the reference frequency band in particular having a full width at half maximum (FWHM) of up to 4 nm , in particular up to 2 nm, and/or the bandpass of the first filter is centered on a maximum of the emission of the fluorescer, in particular a wavelength between 828 nm and 833 nm, in particular has a full width at half maximum (FWHM) of up to 4 nm, in particular up to 2 nm. The widths of the bandpass filters of the first filter and of the second filter can be the same in embodiments.
In Weiterbildungen des Systems sind eine Steuereinheit des Systems und die Auswertungseinrichtung ausgebildet und eingerichtet, das Anregungslicht getaktet an- und auszuschalten und in den Phasen ohne Anregungslicht einen Ausgleich der Offsets in den Messsignalen des ersten Bildsensors und des zweiten Bildsensors vorzunehmen. Die Auswertungseinheit kann auch in die Steuereinheit integriert sein, insbesondere als weitere Funktionseinheit.In developments of the system, a control unit of the system and the evaluation device are designed and set up to switch the excitation light on and off in a clocked manner and to compensate for the offsets in the measurement signals of the first image sensor and the second image sensor in the phases without excitation light. The evaluation unit can also be integrated into the control unit, in particular as an additional functional unit.
Die Anregungslichtquelleneinheit umfasst in Ausführungsformen ein Filter, das als Bandpassfilter mit schmalbandigem Bandpass ausgebildet ist, welches Licht im Infrarotbereich passieren lässt, wobei das durchgelassene Band insbesondere auf eine Wellenlänge von 810 nm ± 8 nm zentriert und eine Halbwertswertbreite (FWHM) von bis zu 15 nm, insbesondere von bis zu 8 nm aufweist. Diese Filterung sorgt dafür, dass kein reflektiertes Anregungslicht den ersten und zweiten Bildsensor erreicht. Damit wird die Ermittlung des reinen Fluoreszenzlichtanteils erleichtert.In embodiments, the excitation light source unit comprises a filter designed as a bandpass filter with a narrow-band bandpass, which allows light in the infrared range to pass, with the band that passes centered in particular on a wavelength of 810 nm ± 8 nm and a full-width at half maximum (FWHM) of up to 15 nm , In particular of up to 8 nm. This filtering ensures that no reflected excitation light reaches the first and second image sensors. This makes it easier to determine the pure fluorescent light component.
Weitere Merkmale der Erfindung werden aus der Beschreibung erfindungsgemäßer Ausführungsformen zusammen mit den Ansprüchen und den beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Erfindungsgemäße Ausführungsformen können einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllen.Further features of the invention will be apparent from the description of embodiments of the invention taken together with the claims and the accompanying drawings. Embodiments according to the invention can fulfill individual features or a combination of several features.
Im Rahmen der Erfindung sind Merkmale, die mit „insbesondere“ oder „vorzugsweise“ gekennzeichnet sind, als fakultative Merkmale zu verstehen.Within the scope of the invention, features that are marked “particularly” or “preferably” are to be understood as optional features.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei bezüglich aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich auf die Zeichnungen verwiesen wird. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung der Beleuchtungssituation in offener Chirurgie mit Fluoreszenz-Anregungsbeleuchtung und Umgebungsbeleuchtung, -
2 eine schematische Darstellung einer Messvorrichtung eines erfindungsgemäßen Systems, -
3 eine schematische Darstellung der Bandpässe sowie der Spektralverteilungen der Lichtquellen und des Abregungslichts in dem erfindungsgemäßen Verfahren und -
4 eine schematische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs von Beleuchtung und Signalantworten.
-
1 a schematic representation of the lighting situation in open surgery with fluorescence excitation lighting and ambient lighting, -
2 a schematic representation of a measuring device of a system according to the invention, -
3 a schematic representation of the bandpass filters and the spectral distributions of the light sources and the deactivation light in the method according to the invention and -
4 a schematic representation of a time course of illumination and signal responses.
In den Zeichnungen sind jeweils gleiche oder gleichartige Elemente und/oder Teile mit denselben Bezugsziffern versehen, so dass von einer erneuten Vorstellung jeweils abgesehen wird.In the drawings, elements and/or parts that are the same or of the same type are provided with the same reference numbers, so that they are not presented again in each case.
In
ICG wird hier beispielhaft als Fluoreszenzmittel genommen, jedoch gelten die Ausführungen hierzu analog auch für andere Fluoreszenzmittel, wobei die Angaben zu den Frequenz- bzw. Wellenlängenbereichen entsprechend anzupassen sind.ICG is taken here as an example of a fluorescence agent, but the explanations in this regard also apply analogously to other fluorescence agents, with the information on the frequency or wavelength ranges having to be adapted accordingly.
Das vom Gewebe 2 ausgesendete und reflektierte Licht enthält Anteile von reflektiertem Umgebungslicht 6, reflektiertem Anregungslicht 12 und dem für die Messung der ICG-Fluoreszenz einzig interessierenden vom Fluoreszenzmittel emittierten Fluoreszenzlicht bzw. Abregungslicht 16. Das Licht mit diesen Anteilen gelangt in eine Messvorrichtung 20, die eingerichtet ist, gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung die ICG-Fluoreszenz zu messen.The light emitted and reflected by the
Eine entsprechende Messvorrichtung 20 ist in
In dem Strahlengang der Messvorrichtung 20 sind zwei Strahlteiler 22, 24 angeordnet, die jeweils das einfallende Licht aufteilen. Wenn davon ausgegangen wird, dass jeder der beiden Strahlteiler 22, 24 das einfallende Licht in zwei gleich große Anteile aufteilt, so wird die Hälfte des einfallenden Lichts in den ersten Strahlengang 30 abgelenkt, jeweils ein Viertel des einfallenden Lichts gelangt weiter in den zweiten Strahlengang 32 und den dritten Strahlengang 34. Die genauen Verhältnisse hängen von der Art und der Aufstellung der Strahlteiler 22, 24 ab. Da etwa die Hälfte des einfallenden Lichts in den ersten Strahlengang 30 abgelenkt wird, ist es günstig, diesen ersten Strahlengang 30 für die Messung der ICG-Abregung zu verwenden. Entsprechend ist dem ersten Bildsensor 30B am Ende des ersten Strahlengangs 30 ein Bandpassfilter 30A vorgeschaltet, das ausschließlich Lichtanteile im Bereich des Maximums des Abregungslichts von Indocyanin-Grün durchlässt.Two
Im vom zweiten Strahlteiler 24 erzeugten zweiten Strahlengang 32 ist eine Kombination aus einem Bandpassfilter 32A und einem Bildsensor 32B angeordnet, die eine Referenzmessung ermöglichen. Dazu weist das Bandpassfilter 32A ein schmales Referenzfrequenzband als durchlässiges Band auf, welches dem Fluoreszenzfrequenzband des ersten Filters 30A benachbart ist, jedoch das Maximum der Spektralverteilung des ICG-Abregungslichts ausschließt. Damit wird das vom zweiten Filter 32A durchgelassene Licht von dem reflektierten Umgebungslicht 6 dominiert.A combination of a bandpass filter 32A and an image sensor 32B, which enable a reference measurement, is arranged in the
Eine nicht dargestellte Auswertungseinheit empfängt die Bildsignale vom ersten Bildsensor 30B und 32B und verarbeitet diese, indem die Signale des zweiten Bildsensors 32B mit geeigneter Gewichtung und unter Berücksichtigung geeigneter Offsets von den Signalen des ersten Bildsensors 30B abgezogen werden oder eine andere Art der Korrektur der Bildsignale des ersten Bildsensors 30B mittels der Bildsignale des zweiten Bildsensors 32B erfolgt. Hierbei wird angenommen, dass die Intensität des reflektierten Umgebungslichts 6 sich zwischen den beiden nahe benachbarten Bandpässen des ersten Filters 30A und des zweiten Filters 32A nicht unterscheidet oder der Unterschied vernachlässigbar ist.An evaluation unit, not shown, receives the image signals from the first image sensor 30B and 32B and processes them by weighting the signals from the second image sensor 32B with suitable weighting and taking into account suitable Offsets are subtracted from the signals of the first image sensor 30B or another type of correction of the image signals of the first image sensor 30B is carried out using the image signals of the second image sensor 32B. It is assumed here that the intensity of the reflected ambient light 6 does not differ between the two closely adjacent bandpass filters of the
Ein dritter Strahlengang 34 leitet das übrige Licht, optional gefiltert mittels eines UV- und/oder IR-Filters 34A, zu einem dritten Bildsensor 34B, der das sichtbare Licht im optisch sichtbaren Bereich empfängt und somit für die digitale Bildgebung mit Normalfarben dient. Diesem Normalbild kann das Ergebnis der Auswertung der ICG-Fluoreszenz mit Falschfarben überlagert werden.A third beam path 34 directs the remaining light, optionally filtered using a UV and/or IR filter 34A, to a
Alle drei Bildsensoren 30B, 32B, 34B sind in der Bildebene des jeweiligen Strahlengangs 30, 32, 34 angeordnet. Die Bilder entsprechen einander daher. Die Strahlteiler 22, 24 sind so ausgebildet, dass sie die für den jeweiligen Bildsensor 30B, 32B, 34B relevanten Spektralanteile des einfallenden Lichts zu den Bildsensoren 30B, 32B, 34B umlenken. Dies kann beispielsweise durch passend gewählte Beschichtungen erzielt werden. So ist es beispielsweise ausreichend, wenn die Strahlteiler nur den Infrarotanteil reflektieren und den Weißlichtanteil transmittieren lassen. Das wäre vorteilhaft, da so das Weißlicht, welches den Bildsensor 34B erreicht, nicht in seiner Intensität reduziert wird. Der Strahlteiler 22 lässt vorzugsweise die für die Imagereinheit 32B relevanten Wellenlängen ganz oder teilweise passieren. Weiterhin kann können die Bandpassfilterfunktionen der Bandpassfilter 30A, 32A auch direkt in die Strahlteiler-Beschichtungen integriert sein, wodurch separate Bandpassfilter 30A, 32A entfallen können.All three
Das Fluoreszenzlicht des im Blut gelösten Fluoreszenzmittels ICG, im Rahmen der vorliegenden Patentanmeldung auch Abregungslicht 16 genannt, hat in der Hauptsache eine schmale Spektralverteilung um ca. 830 nm. Schwache Seitenbänder und Ausläufer der Spektralverteilung sind aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen. Die Intensität des Abregungslichts 16 ist wesentlich kleiner als die des Anregungslichts 12. Auf das Maximum der Spektralverteilung 16' des Abregungslichts 16 ist das Fluoreszenzfrequenzband 30B' des ersten Filters 30A zentriert, so dass der wesentliche Anteil des Abregungslichts 16 innerhalb des Bandpasses, also des Fluoreszenzfrequenzbands 30B' des ersten Filters 30A, liegt.The fluorescent light of the fluorescence agent ICG dissolved in the blood, also called de-excitation light 16 in the context of the present patent application, mainly has a narrow spectral distribution around approx. 830 nm. Weak sidebands and extensions of the spectral distribution have been omitted for reasons of clarity. The intensity of the de-excitation light 16 is significantly lower than that of the
In der Lücke zwischen dem Fluoreszenzfrequenzband 30B' und der Spektralverteilung 12' des Anregungslichts 12 ist ferner das Referenzfrequenzband 32B' des zweiten Filters 32B angeordnet, mit einem geringen Abstand zum Fluoreszenzfrequenzband30B'. In der idealisierten Darstellung der
In der Realität kann es schwache Ausläufer der Spektren 12', 16' des Anregungslichts 12 und des Abregungslichts 16 geben. Soweit diese nicht vernachlässigbar sind, werden sie bei der Gewichtung der Bildsignale in angemessener Weise berücksichtigt. Da die einzelnen Frequenzverläufe der verschiedenen Lichtanteile und der Bandpässe bekannt sind, ist es möglich, in der Bildsignalverarbeitung aus der Verteilung der gemessenen Intensitäten in den Bildsensoren 30B, 32B auf die Intensitäten der Lichtanteile zu schließen, die auf das Abregungslicht 16 einerseits und das reflektiertem Umgebungslicht 6 andererseits zurückgehen.In reality there can be weak tails of the spectra 12', 16' of the
In
Das in
Alle genannten Merkmale, auch die den Zeichnungen allein zu entnehmenden sowie auch einzelne Merkmale, die in Kombination mit anderen Merkmalen offenbart sind, werden allein und in Kombination als erfindungswesentlich angesehen. Erfindungsgemäße Ausführungsformen können durch einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllt sein.All of the features mentioned, including those that can be taken from the drawings alone and also individual features that are disclosed in combination with other features, are considered essential to the invention alone and in combination. Embodiments according to the invention can be fulfilled by individual features or a combination of several features.
BezugszeichenlisteReference List
- 22
- Gewebetissue
- 44
- Umgebungslichtambient light
- 4'4'
- Spektralverteilung des UmgebungslichtsSpectral distribution of the ambient light
- 66
- reflektiertes Umgebungslichtreflected ambient light
- 1010
- Anregungslichtquelleneinheitexcitation light source unit
- 1212
- Anregungslichtexcitation light
- 12'12'
- Spektralverteilung des AnregungslichtsSpectral distribution of the excitation light
- 1616
- Abregungslichtde-excitation light
- 16'16'
- Spektralverteilung des Abregungslichts (ICG in Blut)Spectral distribution of de-excitation light (ICG in blood)
- 16Sign16 sign
- Fluoreszenzsignalfluorescence signal
- 16Offs16Offs
- Offset des FluoreszenzsignalsFluorescence signal offset
- 2020
- Messvorrichtungmeasuring device
- 2222
- Strahlteilerbeam splitter
- 2424
- Strahlteilerbeam splitter
- 2626
- Abbildungsoptikimaging optics
- 3030
- erster Strahlengangfirst beam path
- 30A30A
- erstes Filterfirst filter
- 30B'30B'
- Fluoreszenzfrequenzbandfluorescence frequency band
- 30B30B
- erster Bildsensorfirst image sensor
- 3232
- zweiter Strahlengangsecond beam path
- 32A32A
- zweites Filtersecond filter
- 32B'32B'
- Referenzfrequenzbandreference frequency band
- 32B32B
- zweiter Bildsensorsecond image sensor
- 3434
- dritter Strahlengangthird beam
- 34A34A
- drittes Filterthird filter
- 34B34B
- dritter Bildsensorthird image sensor
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- DE 102005045961 A1 [0006, 0015]DE 102005045961 A1 [0006, 0015]
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-
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- 2020-07-15 DE DE102020118673.8A patent/DE102020118673A1/en active Pending
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---|---|---|---|
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