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TECHNISCHES GEBIET
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Verschiedene Beispiele der Offenbarung betreffen ein holographisch-endoskopisches Bildgebungssystem. Verschiedene Beispiele der Offenbarung betreffen insbesondere die Implementierung unterschiedlicher Bildgebungsmodalitäten mittels eines solchen holographisch-endoskopischen Bildgebungssystems.
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HINTERGRUND
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Medizinische Endoskope werden verwendet, um das Innere des Körpers zu untersuchen. Dazu wird eine Kamera und Lichtquellen am distalen Enden verwendet. Oftmals wird das Licht durch einen Scanspiegel, der am distalen Ende angeordnet ist, gescannt. Es kann auch eine Faser, die zur Beleuchtung verwendet wird, abgelenkt werden, z.B. durch ein magnetisches Element.
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Die Endoskope werden durch eine Körperöffnung oder eine kleine Schnittöffnung eingeführt und erlauben es Ärzten, Bilder von inneren Organen und Geweben zu sehen und Untersuchungen oder Behandlungen durchzuführen. Endoskope werden in vielen medizinischen Fachgebieten eingesetzt, um diagnostische Untersuchungen durchzuführen oder minimalinvasive chirurgische Eingriffe vorzunehmen. Sie können zur Untersuchung des Verdauungstrakts, der Atemwege, des Urogenitaltrakts und anderer Organe eingesetzt werden.
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Endoskope herkömmlicher Bauart weisen den Nachteil auf, dass sie aufgrund der Notwendigkeit, optische Elemente am distalen Ende bereitzustellen, einen vergleichsweisen großen Querschnitt aufweisen. Dadurch wird die Anwendung im Körperinneren erschwert. Endoskope können beispielsweise in seltenen Fällen Blutungen verursachen, insbesondere wenn sie für biopsische oder therapeutische Eingriffe verwendet werden. Wenn das Endoskop in empfindliche Bereiche eindringt, kann es Blutgefäße beschädigen und Blutungen verursachen. In seltenen Fällen kann das Endoskop bei einer Untersuchung oder einem Eingriff ein Loch in das Gewebe oder ein Organ bohren, was zu einer Perforation führen kann. Dies kann zu schweren Komplikationen führen, wie z.B. einer Peritonitis (einer Infektion der Bauchhöhle).
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Um solche Komplikationen bei der Verwendung von Endoskopen zu vermeiden, besteht grundsätzlich ein Bestreben, die Größe des Endoskop-Kopfes am distalen Ende möglichst zu minimieren. Die Publikation Leite, Ivo T., et al. „Observing distant objects with a multimode fiber-based holographic endoscope." APL Photonics 6.3 (2021): 036112 beschreibt ein holographisch endoskopisches Bildgebungssystem, welches ohne Kamera, Lichtquelle, Scanelement usw. am distalen Ende auskommt. Der Endoskopschaft mit den Abmessungen von 0,2 × 0,4 mm2 besteht aus zwei parallelen optischen Fasern: eine für die Beleuchtung und die andere für die Signalerfassung. Die optischen Fasern sind Multimoden-Fasern. Der Lichttransport durch optische Multimoden-Fasern weist Eigenschaften auf, die sich von denen anderer komplexer Medien unterscheiden. Multimoden-Fasern unterstützen eine Reihe von ausbreitungsinvarianten Moden (engl. propagation invariant modes, PIMs), die ihre Feldverteilung bei der Ausbreitung durch die Faser nicht verändern und von denen jede durch eine bestimmte Ausbreitungskonstante gekennzeichnet ist, die ihre Phasengeschwindigkeit bestimmt. Dies ermöglicht die Verwendung eines Wellenfrontmanipulators am proximalen Ende. Dieser formt die Wellenfront des Sendelichts, bevor es in die Sende-Faser eintritt. Ein solches holographisch-endoskopisches Bildgebungssystem nutzt also das Prinzip der Rasterabtastung (engl. raster scanning), bei dem Bilder aus der lokalen Antwort eines Objekts auf einen vom Wellenfrontmanipulator vorgeformten und über die Multimoden-Faser übertragenen Abtaststrahl rekonstruiert werden. Der Wellenfrontmanipulator beeinflusst die Phasenlage der Wellenfront. Er wird daher auch als holographischer Modulator bezeichnet. Z.B. kann ein DMD verwendet werden. DMD steht für „Digital Micromirror Device“ verwendet ein Spiegel-Array basierend auf mikroelektromechanische Systemkomponenten-Technologie (MEMS-Technologie). Die Spiegel sind kippbar. Das holographisch-endoskopische Bildgebungssystem nutzt das Prinzip der Rasterabbildung, bei dem Bilder aus der lokalen Antwort eines Objekts auf einen vom Wellenfrontmanipulator vorgeformten Scanstrahl rekonstruiert werden. Die Empfangs-Faser sammelt Photonen, die vom Objekt zurückgestreut werden, wobei deren Menge von der lokalen Reflektivität des Objekts abhängt, der Rauheit, der Ausrichtung und der axialen Tiefe abhängt. Der entsprechende Abbildungsbereich ist gegenüber der Oberfläche der Sende- und Empfangs-Multimodenfaser beabstandet, wobei der Abstand durch den Wellenfrontmanipulator eingestellt werden kann. Im Detail wird die Lichtausbreitung durch die Sende-Multimoden-Faser empirisch durch eine Transmissionsmatrix charakterisiert, die die lineare Beziehung zwischen günstig gewählten Sätzen von Eingangs- und Ausgangsfeldern beschreibt. Es ist zum Beispiel möglich, die Darstellung orthogonaler, ebener Wellen, die vom Wellenfrontmanipulator abgeschnitten werden, als Grundlage für die Eingangsfelder und beugungsbegrenzte Brennpunkte in einem quadratischen Gitter in der Fernfeldebene der distalen Faserfacette als Grundlage für die Ausgangsfelder zu verwenden. Nach der Erfassung enthält die Übertragungsmatrix die Informationen für die Gestaltung der binären DMD-Muster zur Vorformung der proximalen Wellenfront, die zu Fernfeldfoki am distalen Ende des Endoskops führen. Dadurch lassen sich maßgeschneiderte Abbildungsbereiche abtasten.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
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Es besteht ein Bedarf für die flexible Verwendung von holographisch-endoskopischen Bildgebungssystemen.
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Diese Aufgabe wird gelöst von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Die Merkmale der abhängigen Patentansprüche definieren Ausführungsformen.
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Nachfolgend werden Techniken beschrieben, die es ermöglichen, holographisch-endoskopische Bildgebungssysteme, die eine oder mehrere Multimoden-Fasern und einen proximal angeordneten Wellenfrontmanipulator umfassen, flexibel für unterschiedliche Bildgebungsmodalitäten einzusetzen.
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Ein holographisch-endoskopisches Bildgebungssystem umfasst mindestens eine Multimoden-Faser. Die mindestens eine Multimoden-Faser ist eingerichtet, um Sendelicht von einem proximalen Ende zu einem distalen Ende und Empfangslicht vom distalen Ende zum proximalen Ende zu führen. Das holographisch-endoskopische Bildgebungssystem umfasst auch einen Wellenfrontmanipulator. Der Wellenfrontmanipulator ist eingerichtet ist, um eine Wellenfront des Sendelichts oder des Empfangslichts beim proximalen Ende der mindestens einen Multimoden-Faser zu formen, um derart das Sendelicht am distalen Ende in einem Abbildungsbereich zu scannen oder das Empfangslicht aus einem im Abbildungsbereich gescannten Winkel zu akzeptieren. Das holographisch-endoskopische Bildgebungssystem umfasst auch ein Lichtquellensystem, das eingerichtet ist, um das Sendelicht zu erzeugen; sowie ein Detektionssystem, das eingerichtet ist, um das Empfangslicht zu detektieren. Das holographisch-endoskopische Bildgebungssystem umfasst auch ein Datenverarbeitungssystem, das eingerichtet ist, um basierend auf Messsignalen des Detektionssystems für zwei oder mehr Bildgebungsmodalitäten Bilder der Abbildungsbereichs zu bestimmen.
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Ein Verfahren zum Betreiben eines Datenverarbeitungssystems eines Holographisch-endoskopischen Bildgebungssystems umfasst zeitsequentielles oder zeitparalleles Aktivieren von mehreren Bildgebungsmodalitäten. Das Verfahren umfasst auch das Ansteuern von zumindest einem von einem Wellenfrontmanipulator des holographisch-endoskopischen Bildgebungssystems, einem Lichtquellensystem des holographisch-endoskopischen Bildgebungssystems oder einem Detektionssystem des holographisch-endoskopischen Bildgebungssystems in Abhängigkeit von den aktivierten Bildgebungsmodalitäten. Das Verfahren umfasst auch, basierend auf Messsignalen des Detektionssystems und in Abhängigkeiten von den aktivierten Bildgebungsmodalitäten, Bestimmen von Bildern eines am distalen Ende von mindestens eine Multimoden-Faser des holographisch-endoskopischen Bildgebungssystems angeordneten Abbildungsbereichs. Jedes der Bilder ist dabei mit einer entsprechenden Bildgebungsmodalität assoziiert.
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Ein Computerprogramm beinhaltet Programmcode, der von mindestens einem Prozessor ausgeführt werden kann. Dies bewirkt, dass der mindestens eine Prozessor ein solches Verfahren zum Betreiben eines Datenverarbeitungssystems eines Holographisch-endoskopischen Bildgebungssystems ausführt.
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Die oben dargelegten Merkmale und Merkmale, die nachfolgend beschrieben werden, können nicht nur in den entsprechenden explizit dargelegten Kombinationen verwendet werden, sondern auch in weiteren Kombinationen oder isoliert, ohne den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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KURZE BESCHRIEBUNG DER FIGUREN
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- 1 illustriert schematisch ein holographisch-endoskopisches Bildgebungssystem gemäß verschiedenen Beispielen.
- 2 illustriert schematisch ein Lichtquellensystem des holographisch-endoskopischen Bildgebungssystems mit mehreren Modulen, die unterschiedliche Bildgebungsmodalitäten gemäß verschiedenen Beispielen unterstützen.
- 3 illustriert schematisch ein Detektionssystem des holographisch-endoskopischen Bildgebungssystems mit mehreren Modulen, die unterschiedliche Bildgebungsmodalitäten gemäß verschiedenen Beispielen unterstützen.
- 4 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Elemente. Die Figuren sind schematische Repräsentationen verschiedener Ausführungsformen der Erfindung. In den Figuren dargestellte Elemente sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Vielmehr sind die verschiedenen in den Figuren dargestellten Elemente derart wiedergegeben, dass ihre Funktion und genereller Zweck dem Fachmann verständlich wird. In den Figuren dargestellte Verbindungen und Kopplungen zwischen funktionellen Einheiten und Elementen können auch als indirekte Verbindung oder Kopplung implementiert werden. Eine Verbindung oder Kopplung kann drahtgebunden oder drahtlos implementiert sein. Funktionale Einheiten können als Hardware, Software oder eine Kombination aus Hardware und Software implementiert werden.
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Nachfolgend werden Techniken im Zusammenhang mit endoskopischen Bildgebungssystemen, insbesondere holographisch-endoskopischen Bildgebungssystemen, beschrieben. Die hierin beschriebenen holographisch-endoskopischen Bildgebungssysteme können Techniken einsetzen, wie sie in Leite, Ivo T., et al. „Observing distant objects with a multimode fiber-based holographic endoscope." APL Photonics 6.3 (2021): 036112 bzw. dem Abschnitt „Hintergrund“ dieser Offenbarung beschrieben sind.
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Die hierin offenbarten holographisch-endoskopische Bildgebungssysteme unterstützen mehrere Bildgebungsmodalitäten.
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In einem Beispiel werden nacheinander unterschiedliche Betriebsmodi aktiviert, wobei die verschiedenen Betriebsmodi mit unterschiedlichen Bildgebungsmodalitäten assoziiert sind. Ein Datenverarbeitungssystem des holographisch-endoskopischen Bildgebungssystems arbeitet je nach Betriebsmodus unterschiedlich. Dies kann die Ansteuerung von verschiedenen Komponenten und/oder die Datenverarbeitung von Messignalen betreffen. Eine oder mehrere Fasern des holographisch-endoskopischen Bildgebungssystems können in einem solchen Beispiel nacheinander Licht, das mit den unterschiedlichen Bildgebungsmodalitäten assoziiert ist, führen. Derart kann ein besonders kleiner Querschnitt des Endoskopschafts erzielt werden. Es wäre auch möglich, mehrere Bildgebungsmodalitäten gleichzeitig zu verwenden, beispielsweise indem zeitparallel Licht, das mit den mehreren, gleichzeitig unterstützten Bildgebungsmodalitäten assoziiert ist, durch entsprechende Multimoden-Fasern des holographisch-endoskopischen Bildgebungssystems geführt wird. Pro Bildgebungsmodalität kann beispielsweise eine Multimoden-Faser vorgehsehen sein. Eine solche Implementierung erhöht zwar den Querschnitt des Endoskopchafts; gleichzeitig wird aber die zeitliche Auflösung, mit der nacheinander Bilder, die mit den verschiedenen Bildgebungsmodalitäten assoziiert sind, erfasst werden können, erhöht.
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Aufgrund der Unterstützung mehrerer unterschiedlicher Bildgebungsmodalitäten, können holographisch-endoskopische Bildgebungssysteme gemäß den hierin offenbarten Techniken in einer Reihe von medizinischen Anwendungsgebieten eingesetzt werden. Einige sind nachfolgend aufgezählt.
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Gastroenterologie: Gastroskopie (Magenuntersuchung), Koloskopie (Dickdarmuntersuchung) und Endoskopische retrograde Cholangiopankreatikographie (ERCP) zur Untersuchung der Gallengänge und Bauchspeicheldrüse.
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Bronchoskopie: Untersuchung der Atemwege und Lunge.
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Laparoskopie: Minimale Invasivität bei chirurgischen Eingriffen im Bauchraum, wie zum Beispiel bei der Entfernung der Gallenblase oder bei gynäkologischen Operationen.
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Arthroskopie: Untersuchung und Behandlung von Gelenkproblemen, insbesondere im Knie- und Schulterbereich.
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Urologie: Zystoskopie zur Untersuchung der Blase und Ureteroskopie zur Untersuchung der Harnleiter.
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Otolaryngologie (Hals-Nasen-Ohren-Heilkunde): Nasen- und Kehlkopfendoskopie zur Untersuchung von Atemwegen, Nasennebenhöhlen und Stimmbändern.
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Gynäkologie: Hysteroskopie zur Untersuchung der Gebärmutter und Diagnostik von Problemen wie Myomen oder Polypen.
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Ophthalmologie: Endoskope werden in der Ophthalmologie zur Untersuchung und Behandlung von Erkrankungen des Auges und der umgebenden Strukturen eingesetzt, z.B. bei der Untersuchung des hinteren Augenabschnitts, wie der Netzhaut und dem Glaskörper. Das Endoskop wird in der Ophthalmologie normalerweise durch einen kleinen Einschnitt im Bereich des lateralen oder temporalen Orbitarandes (Seitenteil der Augenhöhle) eingeführt. Dies ermöglicht den Zugang zum hinteren Augenabschnitt, wie der Netzhaut, dem Glaskörper und dem Sehnerv.
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Neurochirurgie: Beispielsweise werden Endoskope bei der sog. Endoskopischen Transsphenoidalen Chirurgie (ETSS) verwendet. Bei diesem Verfahren wird das Endoskop durch die Nasenhöhle eingeführt, um auf das Gehirn zuzugreifen. Es wird zur Entfernung von Tumoren und anderen Erkrankungen der Hypophyse und des Hypothalamus verwendet. Im Bereich der Wirbelsäule werden Endoskope dazu verwendet, um z.B. Bandscheibenvorfälle zu diagnostizieren. Es werden z.B. der Spinalkanal und die Nervenwurzeln im betroffenen Bereich detailliert untersucht.
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Die Ohr-Endoskopie kann zur Diagnose von Erkrankungen wie Mittelohrentzündungen, Tumoren im Ohr, Verletzungen oder Fremdkörpern verwendet werden. Es kann auch zur Überwachung von Ohr-Operationen und zur Entfernung von Ohrenschmalz oder anderen Ablagerungen aus dem Ohr verwendet werden.
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Allgemein können verschiedene chirurgische Eingriffe unterstützt werden. Ein Beispiel betrifft die Anbringung von Cochlea-Implantate. Das sind Elektroden, die zur Behandlung von Schwerhörigkeit und Taubheit eingesetzt werden. Ein Cochlea-Implantat besteht aus zwei Teilen: einem Implantat, das unter der Haut hinter dem Ohr implantiert wird, und einer externen Sprachprozessoreinheit. Das Implantat besteht aus einer Gruppe von Elektroden, die in die Cochlea, das Hörorgan im Innenohr, eingeführt werden. Die Elektroden stimulieren die Hörnerven, indem sie elektrische Signale an das Gehirn senden, die das Gehirn als Klang wahrnimmt. Mittels des holographisch-endoskopischen Bildgebungssystems kann eine solche Implantierung von Cochlea-Implantaten unterstützt und visualisiert werden.
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Ein weiteres Beispiel für einen chirurgischen Eingriff wäre die Kombination mit einer endoskopischen Strahlentherapie. Dabei ist das distale Ende des Endoskops mit einer Strahlenquelle ausgestattet. Mittels einer geeigneten Bildgebungsmodalität kann ein Tumor lokalisiert werden und dann die Strahlenquelle aktiviert werden.
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Solche Techniken beruhen auf der Erkenntnis, dass je nach medizinischer Aktion typischerweise eine oder mehrere präferierte Bildgebungsmodalitäten existieren, die einen besonders hohen Informationsgehalt für die jeweilige Aktion bereitstellen. Durch die Möglichkeit, zwischen unterschiedlichen Bildgebungsmodalitäten zu wählen, wird der Anwendungsbereich vergrößert.
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1 ist eine schematische Illustration eines holographisch-endoskopischen Bildgebungssystems (nachfolgend einfach Endoskop) 100. Das Endoskop 100 weist eine Sende-Multimoden-Faser 121 auf, durch die Sendelicht 125 vom proximalen Ende 191 zum distalen Ende 192 geführt wird. Das holographische Endoskop 100 umfasst außerdem eine Empfangs-Multimoden-Faser 122, durch die Empfangslicht 126 vom distalen Ende 192 zum proximalen Ende 191 geführt wird. Diese Fasern 121, 122 bilden den Endoskopschaft 120. Am distalen Ende 192 ist kein aktives scannendes Element - wie beispielsweise eine Magnetfeldspule, ein Piezoaktuator usw. - vorhanden. Der Querschnitt des Endoskopschafts 120 ist also besonders klein.
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Das Sendelicht 125 wird von einem Lichtquellensystem 111 erzeugt. Das Sendelicht 125 durchläuft dann einen Wellenfrontmanipulator 112, beispielsweise ein DMD. Dieser ist eingerichtet, um die Wellenfront des Sendelichts 125 beim proximalen Ende 191 zu formen. Durch diese Formung der Wellenfront wird ein Abbildungsbereich 141 am distalen Ende 192 definiert und gescannt. Entsprechendes Scanlinien eines kartesischen Scanmusters sind in 1 indiziert, wobei aber allgemein unterschiedliche Scanmusters, zum Beispiel spiralförmig usw., denkbar sind.
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Der Abbildungsbereich 141 ist in einem bestimmten Abstand 142 von der Oberfläche 132 auf der distalen Seite 192 der Fasern 121,122 angeordnet. Auch dieser Abstand 142 wird durch die geeignete holographische Modulation der Wellenfront des Sendelichts 125 im Wellenfrontmanipulator 112 eingestellt.
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Das am jeweils beleuchteten Teil des Objekts zurückgestreute oder reflektierte Licht wird von der Empfangs-Faser 122 gesammelt. Das Empfangslicht 126 wird von einem Detektionssystem 119 detektiert.
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Außerdem ist ein Datenverarbeitungssystem 105 vorgesehen. Dieses ist eingerichtet, um die verschiedenen Einheiten 111, 112, 119 zu steuern, z.B. in Abhängigkeit eines jeweils aktivierten Betriebsmodus. Das Datenverarbeitungssystem 105 ist außerdem eingerichtet, um basierend auf Messsignalen des Detektionssystem 119 für mehrere Bildgebungsmodalitäten Bilder des Abbildungsbereichs 141 zu bestimmen. Dies kann eine Rekonstruktion von Bildpixeln beinhalten. Die Bildrekonstruktion kann auch je nach aktiviertem Betriebsmodus variieren.
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Im Beispiel der 1 sind zwei getrennte Fasern 121, 122 vorhanden, um das Sendelicht 125 und das getrennt Empfangslicht 126 zu führen. In manchen Beispielen könnte auch nur eine Multimoden-Faser verwendet werden, um das Sendelicht 125 und das Empfangslicht 126 zu führen.
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In manchen Beispielen wäre es auch denkbar, dass mehrere Fasern vorhanden sind, um unterschiedliche Typen des Sendelichts 125 und/oder unterschiedliche Typen des Empfangslichts 126 zu führen; unterschiedliche Typen des Sendelichts 125 und/oder des Empfangslichts 126 sind dabei mit unterschiedlichen Bildgebungsmodalitäten assoziiert und können durch unterschiedliche Module des Lichtquellensystems 111 erzeugt werden. Beispielsweise kann einmal kohärentes Licht und einmal inkohärentes Licht geführt werden. Es kann Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen geführt werden. Entsprechende Aspekte sind nachfolgend im Detail im Zusammenhang mit 2 und 3 erläutert.
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2 illustriert Aspekte im Zusammenhang mit dem Lichtquellensystem 111. Im Beispiel der 2 weist das Lichtquellensystem 111 eine Reihe von Lichtquellenmodulen 811-813 auf. Die verschiedenen Lichtquellenmodulen 811-813 sind mit unterschiedlichen Bildgebungsmodalitäten assoziiert, das heißt, sie erzeugen Sendelicht für unterschiedliche Bildgebungsmodalitäten (während in dem Beispiel der 2 eine Anzahl von drei Lichtquellenmodulen 811-813 gezeigt ist, wäre es allgemein möglich, eine kleinere oder größere Anzahl von Lichtquellenmodulen zu verwenden; alternativ könnten auch durchstimmbare Lichtquellen verwendet werden).
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Wenn eine gemeinsame Sende-Multimoden-Faser für zwei oder mehr der Module 811-813 verwendet wird, kann eine optische Vorrichtung vorhanden sein, die das Sendelicht 125, welches von den verschiedenen Modulen 811-813 erzeugt wird, jeweils in einen gemeinsamen Strahlengang lenkt bzw. einkoppelt. Das könnte z.B. ein optischer Schalter sein oder ein Strahlkoppler. Es könnte eine bewegliche Bühne vorhanden sein, die - je nachdem, welche Bildgebungsmodalität aktiv ist - ein anderes Modul 811-813 im Strahlengang platziert. Wenn aber für die verschiedenen Module 811-813 getrennte Sende-Multimoden-Fasern verwendet werden, so können diese starr mit den entsprechenden Modulen 811-813 gekoppelt sein.
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3 illustriert Aspekte im Zusammenhang mit dem Detektionssystem 119. Dieses umfasst mehrere Detektionsmodule 821-823, die mit unterschiedlichen Bildgebungsmodalitäten assoziiert sind. Während im Beispiel der 3 drei Detektionsmodule 821-823 gezeigt sind, kann in anderen Varianten eine größere oder geringere Anzahl von Detektionsmodulen verwendet werden.
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Es wäre denkbar, dass jedem der Detektionsmodule 821-823 eine entsprechende Empfangs-Multimoden-Faser zugeordnet ist. Es wäre aber auch denkbar, dass eine Empfangs-Multimoden-Faser für Empfangslicht 126 verwendet wird, das - je nach gewünschtem Betriebsmodus - unterschiedlichen Detektionsmodulen 821-823 zugeführt wird. Dazu könnte ein optischer Schalter oder ein Strahlteiler vorhanden sein. Es könnte eine bewegliche Bühne verwendet werden, die - je nach Betriebsmodus - unterschiedliche Detektionsmodul 821-823 im Strahlengang des Empfangslichts 126 platziert.
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Beispielsweise wurde beobachtet, dass aufgrund des - aufgrund der Messmethodik inhärent - niedrigen Signal-zu-Rausch-Verhältnisses oftmals eine Strahlteilung zum zeitparallelen Verteilen des Empfangslichts 126 auf unterschiedliche Detektormodule (um Multiplexen mehrerer Bildgebungsmodalitäten zu unterstützen) wenig erstrebenswert sein kann. Deshalb kann es insbesondere in Varianten, in denen dieselbe Empfangs-Multimoden-Faser für mehrere Bildgebungsmodalitäten verwendet wird, erstrebenswert sein, nacheinander unterschiedliche Betriebsmodi zu aktivieren, die mit den unterschiedlichen Bildgebungsmodalitäten assoziiert sind. In jedem Betriebsmodus kann dann das gesamte Empfangslicht 126 auf ein entsprechendes Detektormodul 821-823 gelenkt werden, ohne eine weitere Verringerung der Signalamplitude durch Strahlteilung vorzunehmen. Dadurch wird die Bildqualität verbessert.
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4 illustriert ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens. Das Flussdiagramm der 4 kann von einem Prozessor ausgeführt werden, der Programmcode aus einem Speicher lädt und ausführt. Beispielsweise kann das Verfahren gemäß 4 von einem Prozessor des Datenverarbeitungssystems 105 (vergleiche 1) ausgeführt werden.
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Das Verfahren aus 4 beschreibt die Steuerung eines holographisch-endoskopischen Bildgebungssystem und die Datenverarbeitung von entsprechenden Messsignalen, um mehrere Bildgebungsmodalitäten zu unterstützen. In den verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen werden unterschiedliche Bildgebungsmodalitäten unterstützt. Beispiele beinhalten: Reflektanz, optische Kohärenztomographie, Fluoreszenz, Autofluoreszenz, Laser-Speckle, Laser-Doppler, kohärentes Raman, nichtkohärentes Raman, und Spektroskopie.
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Bei der Reflektanz-Bildgebungsmodalität wird die Reflektionsintensität des Sendelichts 125 gemessen. Die Intensität des reflektierten Lichts (des Empfangslichts 126) hängt von der Zusammensetzung und der Textur der Oberfläche ab. Durch die Analyse der Reflektanzbilder können Informationen über die physikalischen Eigenschaften des Materials gewonnen werden, wie z.B. die Rauheit, die Farbe und die Textur. Die Reflektanz-Bildgebungsmodalität kann z.B. verwendet werden, um die die Pigmentierung von Gewebe zu messen und somit Veränderungen wie z.B.
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Pigmentflecken oder Melanome zu diagnostizieren. In der Ophthalmologie kann die Reflektanzmessung eingesetzt werden, um die Dicke der Netzhautschichten zu messen und somit Veränderungen der Netzhaut im Zusammenhang mit verschiedenen Augenerkrankungen wie z.B. der Makuladegeneration zu verfolgen.
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Bei der optischen Kohärenztomographie-Bildgebungsmodalität (OCT-Bildgebungsmodalität) wird ein kohärenter Lichtstrahl erzeugt, typischerweise im Nahinfrarotbereich. In dem die Phasenverschiebung gegenüber einem Referenzstrahl gemessen wird, kann die Lichtlaufzeit im Gewebe vermessen werden. Es wird das Interferenzmuster zwischen strahlen Referenzstrahl erfasst. Der Referenzstrahl kann vom Sende-Lichtstrahl (Sendelicht 121) proximal vor dem Wellenfrontmanipulator 112 abgezweigt werden. Die OCT-Bildgebungsmodalität kann in der Ophthalmologie zur Untersuchung der Netzhaut und des vorderen Augenabschnitts sowie in der Kardiologie und der Dermatologie eingesetzt werden.
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Die Fluoreszenz-Bildgebungsmodalität basiert auf der Anregung von Fluoreszenz in bestimmten Molekülen. Dabei wird das Sendelicht 125 mit einer bestimmten Wellenlänge auf das zu untersuchende Objekt gerichtet, um die fluoreszierenden Moleküle im Gewebe anzuregen. Die emittierte Fluoreszenz wird dann über das Empfangslicht 126 erfasst. In der Medizin wird die Fluoreszenz-Bildgebungsmodalität in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, wie z.B. bei der Diagnose von Krebs, der Visualisierung von Zellaktivität oder der Untersuchung von Organfunktionen. Beispielsweise werden fluoreszierende Moleküle gezielt an Krebszellen gebunden, um sie sichtbar zu machen. Es kann auch Autofluoreszenz verwendet werden, d.h. es werden nativ vorhandene fluoreszierende Moleküle verwendet. Die Fluoreszenz-Bildgebungsmodalität kann auch bei der Untersuchung von Organfunktionen eingesetzt werden, wie z.B. bei der Untersuchung des Herzens. Hier kann ein fluoreszierendes Kontrastmittel verwendet werden, das sich in den Herzzellen ansammelt und es ermöglicht, die Kontraktionen des Herzmuskels zu visualisieren.
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Die Laser-Speckle-Bildgebungsmodalität (LSI-Bildgebungsmodalität) ist eine bildgebende Technologie, die eingesetzt wird, um die Durchblutung von Geweben zu messen. Dabei wird ein Laserstrahl (Sendelicht 125) auf das zu untersuchende Gewebe gerichtet, wodurch ein räumliches Muster aus helleren und dunkleren Flecken (sogenannte Speckles) entsteht. Die Bewegung des Gewebes aufgrund der Blutflussveränderungen verursacht eine Veränderung in der Anordnung der Speckles, die mittels des Empfangslichts 126 erkannt wird. Aus dieser Veränderung kann dann die Geschwindigkeit des Blutflusses und die Perfusion des Gewebes berechnet werden. Die LSI-Bildgebungsmodalität wird in der Medizin eingesetzt, um die Durchblutung in verschiedenen Geweben und Organen zu untersuchen, z.B. in der Neurologie zur Untersuchung des Blutflusses im Gehirn und in der Kardiologie zur Beurteilung der Durchblutung des Herzens.
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Die Laser-Doppler-Bildgebungsmodalität (LDB-Bildgebungsmodalität) wird verwendet, um die Durchblutung von Gewebe zu messen. Dabei wird ein Laserstrahl (Sendelicht 125) auf das zu untersuchende Gewebe gerichtet, der von roten Blutkörperchen in den Kapillaren des Gewebes gestreut wird. Die Streuung des Laserlichts führt zu einer Verschiebung der Frequenz des reflektierten Lichts (Doppler-Effekt). Durch die Messung der Frequenzverschiebung im Empfangslicht 126 kann die Geschwindigkeit des Blutflusses im Gewebe berechnet werden.
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Die kohärente Raman-Bildgebungsmodalität (CRB) ist eine bildgebende Technologie, die auf dem Raman-Effekt basiert. Dabei wird ein Laserstrahl mittels des holographischen Endoskops auf das zu untersuchende Gewebe gerichtet (Sendelicht 125), wodurch die Moleküle im Gewebe zum Schwingen angeregt werden. Die Interaktion zwischen dem Laserlicht und den Molekülen führt zur Emission von Raman-Streulicht, das spezifische Informationen über die chemische Zusammensetzung des Gewebes enthält. Die CRB-Bildgebungsmodalität ermöglicht, chemische Veränderungen im Gewebe zu visualisieren. Die CRB-Bildgebungsmodalität wird eingesetzt, um die Moleküle in Geweben zu charakterisieren, wie z.B. Proteine, Lipide, Kohlenhydrate und Nukleinsäuren. Die CRB-Bildgebungsmodalität kann auch zur Diagnose von Krankheiten eingesetzt werden, indem sie es ermöglicht, spezifische Biomarker in Geweben zu identifizieren. Beispielsweise können Krebszellen frühzeitig erkannt werden. Der Unterschied zwischen kohärentem und nichtkohärentem Raman besteht darin, dass bei der kohärenten Raman-Streuung ein Laserstrahl verwendet wird, um die Schwingungen im Molekül anzuregen und zu vergrößern, während bei der nichtkohärenten Raman-Streuung eine nichtkohärente Lichtquelle verwendet wird. Bei der nichtkohärenten Raman-Bildgebungsmodalität wird ein Spektrometer als Detektormodul verwendet.
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Eine weitere spektroskopische Bildgebungsmodalität ist die Nahinfrarotspektroskopie-Bildgebungsmodalität (NIRS): Dieses Verfahren basiert auf der Messung der Absorption von Licht im nahen Infrarotbereich. Die NIRS-Bildgebungsmodalität wird eingesetzt, um die Sauerstoffversorgung im Gehirn, im Herzen und in anderen Organen zu messen sowie um Hirnaktivitäten zu überwachen.
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In Box 805 wird ein aktiver Betriebsmodus aus mehreren Betriebsmodi ausgewählt. Die verschiedenen Betriebsmodi sind mit unterschiedlichen Bildgebungsmodalitäten assoziiert, beispielsweise wie oben beschrieben.
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Aus der obenstehenden Beschreibung der verschiedenen denkbaren Bildgebungsmodalitäten ist ersichtlich, dass je nach aktivierter Bildgebungsmodalität unterschiedliche Module des Lichtquellensystems aktiviert oder verwendet werden, um Sendelicht zum Wellenfrontmanipulator auszusenden. Entsprechend kann in Box 810 die Steuerung erfolgen.
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Beispielsweise kann - je nach Bildgebungsmodalität - eine breitbandige Lichtquelle erforderlich sein, oder eine schmalbandige Lichtquelle. Manchmal kann -je nach Bildgebungsmodalität - kohärentes Licht verwendet werden, manchmal kann inkohärentes Licht verwendet werden. Je nach Bildgebungsmodalität können auch unterschiedliche Wellenlängen des Sendelichts 125 gewünscht sein. Typischerweise ist es hilfreich, wenn hierzu unterschiedliche Lichtquellenmodule verwendet werden. In anderen Varianten kann aber auch eine einstellbare Lichtquelle ausreichend sein.
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Es ist auch ersichtlich, dass je nach aktiviertem Betriebsmodus unterschiedliche Detektionsmodule verwendet werden können; dies kann entsprechenden Box 810 gesteuert werden.
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In Box 815 werdenden ein oder mehrere Bilder für den jeweils aktivierten Betriebsmodus bestimmt. Dies kann eine Bildgebungsmodalität-spezifische Rekonstruktion beinhalten.
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Anschließend kann - in einer weiteren Iteration 899 - Box 805 erneut ausgeführt werden und ein anderer aktiver Betriebsmodus, der mit einer anderen Bildgebungsmodalität assoziiertes, ausgewählt werden.
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Anstatt einer sequenziellen Aktivierung unterschiedlicher Betriebsmodi bzw. einer sequenziellen Aktivierung unterschiedlicher Bildgebungsmodalitäten wäre es in manchen Beispielen auch denkbar, dass mehrere unterschiedliche Bildgebungsmodalitäten parallel bzw. zeitgleich aktiviert sind (Multiplexen). Dazu kann es insbesondere hilfreich sein, wenn das holographische Endoskop 100 mehrere Sende-Fasern und/oder mehrere Empfangs-Fasern zur parallelen Übertragung von Licht, das mit unterschiedlichen Bildgebungsmodalitäten assoziiert ist, aufweist. In einem solchen Fall kann es entbehrlich sein, Empfangslicht aufzuteilen, wodurch das Signal-zu-Rausch-Verhältnis vermindert werden würde. Es wäre aber auch denkbar, umzuschalten zwischen einem zeitparallelen Aktivieren von mehreren Bildgebungsmodalitäten und einem zeitsequentiellen Aktivieren von mehreren Bildgebungsmodalitäten, beispielsweise je nach Signal-zu-Rausch-Verhältnis.
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In manchen Beispielen können Ergebnisse aus einer ersten Iteration 899 zur Konfiguration eines in einer nachfolgenden Iteration 899 aktivierten Betriebsmodus verwendet werden. Beispielsweise ist es mittels der OCT-Bildgebungsmodalität möglich, Abstände zu messen. Die Abstände drücken sich in unterschiedlichen Phasenverschiebungen des Empfangs-Lichts 126 gegenüber dem Referenz-Licht aus. Durch eine entsprechend gewonnene Abstandsinformation könnte eine Autofokus-Funktionalität für eine nachfolgende Bildgebungsmodalität bereitgestellt werden.
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Alternativ oder zusätzlich wäre es auch denkbar, dass Bilder, die basierend auf unterschiedlichen Bildgebungsmodalitäten - zum Beispiel in nachfolgenden Iterationen 899 oder auch zeitparallel, wenn ein entsprechendes Multiplexen mehrerer Bildgebungsmodalitäten unterstützt wird - bestimmt wurden, anschließend überlagert dargestellt werden, ggf. nach einer optionalen Registrierung.
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Zusammenfassend ist es mittels des Verfahrens aus 4 also möglich, zeitsequenziell oder zeitparallel mehrere Bildgebungsmodalitäten zu aktivieren (wobei auch zwischen zeitsequentiell und zeitparallel gewechselt werden kann). Der Wellenfrontmanipulator und/oder das Lichtquellensystem und/oder das Detektionssystem werden dann in Abhängigkeit von den aktiven Bildgebungsmodalitäten angesteuert. Basierend auf Messsignalen des Detektionssystems und in Abhängigkeit von den aktivierten Bildgebungsmodalitäten werden Bilder bestimmt. Beispielsweise kann je nach Bildgebungsmodalität ein unterschiedliches Rekonstruktionsverfahren verwendet werden. Die verschiedenen Bilder sind also mit den entsprechenden Bildgebungsmodalitäten assoziiert.
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Selbstverständlich können die Merkmale der vorab beschriebenen Ausführungsformen und Aspekte der Erfindung miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale nicht nur in den beschriebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder für sich genommen verwendet werden, ohne das Gebiet der Erfindung zu verlassen.
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Beispielsweise wurden voranstehend Aspekte in Bezug auf das holographisch-endoskopische Bildgebungssystem beschrieben, bei dem das Sendelicht mittels des Wellenfrontmanipulators über den Abbildungsbereich gescannt wird. Es wäre aber auch möglich, mittels des Sendelichts am distalen Ende großflächig zu beleuchten (sog. „flash“-Beleuchtung) und dann das Empfangslicht selektiv aus einer bestimmten Richtung bzw. Winkeln zu akzeptieren, mittels des Wellenfrontmanipulators. Derart kann also der Winkel, aus dem Empfangslicht akzeptiert wird, im Abbildungsbereich gescannt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Leite, Ivo T., et al. „Observing distant objects with a multimode fiber-based holographic endoscope.“ APL Photonics 6.3 (2021): 036112 [0005, 0015]
