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Die
Ertindung betrifft eine Vorrichtung zur konfokalen Abbildung eines
Objektes in eine Bildebene mit einer Lichtquelle zur Beleuchtung
des Objektes und einem ersten Lichtleitfaserbündel umfassend eine Vielzahl von
Lichtleitfasern zur Aufnahme der vom Objekt reflektierten Lichtstrahlen.
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Bei
der konfokalen Mikroskopie erzielt man eine sehr geringe Schärfentiefe
und diskriminiert Streulicht aus Ebenen unterhalb und oberhalb der
Fokusebene sehr effizient, indem das Objekt über die Beobachtungsoptik,
beispielsweise das Mikroskopobjektiv, beleuchtet und das Licht im
Beobachtungsweg auf eine Lochblende abgebildet wird. Durch Rastern
in der Fokusebene wird dann von dem beobachteten Objekt nur eine
Schnittebene dargestellt. Dies hat den Vorteil, dass außerhalb
der Fokusebene liegende Strukturen mit ihrem Streulicht das Bild
des Objektes weit weniger stören
als in der konventionellen Mikroskopie. Allerdings ist es dann, um
das Objekt dreidimensional zu erfassen, notwendig, die beschriebene
Rasterung in weiteren Ebenen zu wiederholen, wodurch die Datenaufnahme
sehr zeitaufwendig wird.
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Die
Rolle der Lochblende zur konfokalen Abbildung kann in konfokalen
Mikroskopen auch durch eine dünne
Lichtleitfaser übernommen
werden.
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Aus
der WO 91/15792 A2 ist ein konfokales Mikroskop bekannt geworden,
welches Lichtleitfasern enthält
und mittels Spiegelsystemen die Abtastung eines Objektes ermöglicht.
Zum Fokussieren des gesamten Lichtstrahls ist eine einzige Lochblende
vorgesehen.
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Aus
der Zeitschrift „Optic's letter" April 15, 1993/Volume
18, No. 8, Seiten 565 bis 567 der Optical Society of America ist
ein konfokales Mikroskop bekannt geworden, welches zwischen einer
Lichtquelle und einem Objekt ein Bündel aus Lichtleitfasern enthält. Im Strahlengang
ist eine X-Y-Ablenkeinheit zur Abtastung des Objektes in einer Ebene
vorgesehen. Entsprechend der Abtastfrequenz gelangen eine Anzahl
von Signalen zeitlich nacheinander zu einem Detektor zur weiteren
Auswertung. Der Aufwand für
die Ablenkung ist nicht unerheblich, und die Auswertung der Vielzahl
von Signalen erfolgt mit einem erheblichen zeitlichen Aufwand. Im
Strahlengang ist vor dem Detektor ein optisches System und eine
Blende zwecks konfokaler Abbildung des abgetasteten Objektes auf
den Detektor vorgesehen, wobei die reflektierten Strahlen immer
durch die gleiche Blendenöffnung
nacheinander auf den Detektor gelangen. Aus den zeitlich nacheinander
erfassten Bildpunkten wird mit elektronischen Mitteln das Bild,
beispielsweise einer Oberfläche,
zusammengesetzt. Der diesbezügliche
elektronische Aufwand ist nicht unerheblich.
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Aus
A. S. Gmitro und A. R. Rouse, „Development
and use of a confocal microendoscope for in vivo histopathologic
diagnosis", SPIE
4254-29, San José 2001,
ist ein konfokaler Aufbau mit einem wackelnden Spiegel und Zwischenabbildung
auf eine Schlitzblende bekannt geworden, um statt eines einzelnen
Punktes eine Linie von Punkten gleichzeitig aufzunehmen. Ein derartiger
Aufbau ist sehr aufwendig und voluminös. Er hat den Nachteil, dass
er schwierig zu justieren und störanfällig ist,
da bewegte Komponenten, wie der wackelnde Spiegel, in jeden optischen
Aufbau Störungen
eintragen.
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Aus
den Schriften
sind
vorrichtungen mit einem ersten und einem zweiten Lichtleitfaserbündel und
einem dazwischen angeordneten Element zur Homogenisierung oder gezielten
Beeinflussung der Beleuchtung bekannt geworden.
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Aus
der
DE 19537586 C2 ist
ein optischer Aufbau bekannt geworden, der eine konfokale Abbildung einer
Vielzahl von Messpunkten in der gleichen Messebene auf einen Detektor
ermöglicht.
Eine Scan- oder Ablenkeinheit ist nicht vorhanden und das vom abzubildenden
Objekt reflektierte Licht gelangt gleichzeitig durch einzelne Lichtleitfasern
eines Lichtleitfaserbündels
zu einem Detektor. Zur Streulichtunterdrückung ist vor dem Detektor
im Strahlengang nach den Lichtleitfasern des Faserbündels eine
Lochmaske angeordnet, deren einzelne Löcher den Enden der einzelnen
Fasern des Lichtleitfaserbündels
zugeordnet sind. Nachteilig am Aufbau gemäß dem Stand der Technik in
Form der
DE 19537586
C2 ist, dass zwar jede Faser in einem Bündel paralleler Einzelfasern
wie eine Lochblende wirkt, jedoch, wenn auf das Ende eines Lichtleitfaserbündels Licht
gegeben wird, nur der geringe Anteil, der durch die Kerne der Faser
eintritt, weitergeleitet wird. Die weitaus größere Fläche wird von den Mantelquerschnitten
und den Zwischenräumen
der Faser gebildet. Diese Flächen
streuen oder reflektieren auftreffendes Licht und erzeugen einen
hohen Untergrund an Streulicht, wenn dieses Licht in den Lichtweg
gelangt. Das Problem des Streulichtes wurde in der
DE 19537586 C2 dadurch
gelöst,
dass die Löcher
der Lochmaske den Enden der einzelnen Fasern des Lichtleitfaserbündels zugeordnet
sind. Dies ist nur eingeschränkt
möglich,
da Fasern in Faserbündeln
nie vollständig
gleichmäßig angeordnet
sind, so dass eine vollständige
Streulichtunterdrückung
mit einem Aufbau gemäß der
DE 19537586 C2 nicht erreicht
werden kann.
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Aufgabe
der Erfindung ist es somit, einen gegenüber der
DE 19537586 C2 vereinfachten
Aufbau einer Vorrichtung zur konfokalen Abbildung eines Objektes
mit einer Lichtquelle und einem ersten Lichtleitfaserbündel umfassend
eine Vielzahl von Lichtleitfasern zur Aufnahme der vom Objekt reflektierten
Strahlen anzugeben, der sich durch eine hohe Streulichtunterdrückung auszeichnet.
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Ertindungsgemäß wird das
Problem dadurch gelöst,
dass neben dem ersten Lichtleitfaserbündel ein zweites Lichtleitfaserbündel mit
einer Vielzahl von Lichtleitfasern zur Leitung der vom ersten Lichtleitfaserbündel aufgenommenen
Strahlen zu einer Detektionseinrichtung vorgesehen ist und dass
zwischen dem ersten und dem zweiten Lichtleitfaserbündel ein
optisches Element zur Abbildung der Faserenden des ersten Lichtleitfaserbündels auf
die Faserenden des zweiten Lichtleitfaserbündels vorgesehen ist.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn die Faserendflächen des ersten Lichtleitfaserbündels und
des zweiten Lichtleitfaserbündels
kongruent sind. Kongruent bedeutet in der vorliegenden Anmeldung,
dass nicht nur die Anzahl der Einzelfasern der beiden Faserbündel gleich
ist, sondern auch die Position jeder einzelnen Einzelfaser übereinstimmt.
Besonders bevorzugt ist es, um zwei Faserbündelendflächen zu erhalten, die zueinander
kongruent sind, wenn ein Faserbündel
durchtrennt wird und zwar in ein erstes Lichtleitfaserbündel und ein zweites
Lichtleitfaserbündel.
In einem solchen Fall kann durch das erfindungsgemäße optische
Element durch eine optische 1 : 1-Abbildung Licht aus dem ersten
Lichtleitfaserbündel
dem so genannten Objektfaserbündel
in das zweite Lichtleitfaserbündel,
das so genannte Detektionsfaserbündel, übertragen
werden, wobei Streulicht durch eine derartige Anordnung vom Eintritt
in das zweite Lichtleitfaserbündel
abgehalten wird und insofern nicht zum Detektor gelangt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst das optische Element eine erste und eine zweite Komponente
mit positiver Brechkraft. Zur Vermeidung von Abbildungsfehlern finden
bevorzugt als erstes und zweites optisches Element mit positiver
Brechkraft achromatische Plankonvexlinsen Verwendung.
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In
einer weitergebildeten Ausführungsform
wird das Licht, mit dem das abzubildende Objekt beleuchtet wird,
ebenfalls durch das erste Lichtleitfaserbündel eingekoppelt. Hierzu wird
bevorzugt ein Mikrospiegel verwandt, der im Strahlengang zwischen
den beiden Fasernbündeln
angeordnet ist. Durch das Einkoppeln des Lichtes mittels eines im
Strahlengang zwischen dem ersten Lichtleitfaserbündel und dem zweiten Lichtleitfaserbündel angeordneten
Mikrospiegels können
Lichtverluste, beispielsweise gegenüber einer Anordnung wie sie
aus der
DE 19537586
C2 bekannt ist, vermieden werden. In der
DE 19537586 C2 war hierfür ein halbdurchlässiger Spiegel
vonnöten,
der entsprechende Lichtverluste nach sich zog.
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Um
auch spektroskopisch ortsaufgelöste
Abbildungen eines Objektes zu ermöglichen, kann vorgesehen sein,
dass zwischen dem ersten optischen Element und dem zweiten optischen
Element ein Filterelement, beispielsweise ein Filterrad, eingebracht
ist. Wird mit monochromatischer Laserstrahlung ein derartiger Aufbau betrieben,
so kann mittels eines zwischen die erste und zweite optische Komponente
eingebrachten Filterelementes beispielsweise Fluoreszenzspektroskopie
betrieben werden. Mit Hilfe des Filterelementes wird sichergestellt,
dass nur die Wellenlängen
des Fluoreszenzlichtes in das Detektionsfaserbündel gelangen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein,
zwischen die erste optische Komponente und die zweite optische Komponente
des optischen Elementes einen optischen Schalter einzubringen. Wird
das Objekt mittels beispielsweise gepulster Laserstrahlung und damit
Laserlicht mit einem zeitlichen Verlauf beleuchtet, so sind mit
Hilfe des optischen Schalters zeitaufgelöste Messungen möglich.
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Als
Detektionseinrichtung zur Aufnahme der paralleloptisch über die
Detektionslichtleitfaser zur Verfügung gestellten Daten wird
besonders eine CCD-Kamera
bevorzugt.
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Bevorzugt
beträgt
der Durchmesser des Kerns einer Einzelfaser, der von einer Ummantelung
umgeben ist, 10 μm.
In einem solchen Fall ist es dann erforderlich, dass sowohl entlang
der optischen Achse wie auch am Rand der Lichtleitfaser durch das
optische Element eine auf 10 μm
genaue Abbildung ermöglicht
wird.
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Bevorzugt
beträgt
die Anzahl der Lichtleitfasern eines Lichtleitfaserbündels mehr
als 10 000 Lichtleitfasern.
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Durch
die parallele Datenakquisition gemäß der Erfindung entfällt das
Rastern eines Einzelpunktes oder eines Schlitzes. Der gesamte optische
Aufbau zeichnet sich dadurch aus, dass er sehr kompakt aufgebaut
ist und keine bewegten Elemente, die Erschütterungen erzeugen könnten, enthält. Des
Weiteren wird gegenüber
dem Aufbau gemäß der
DE 19537586 C2 eine
hohe Streulichtunterdrückung
erreicht. Bevorzugt können
sowohl die Einkoppel- wie auch die Abbildungseinheit hermetisch,
beispielsweise durch Vakuum, abgeschlossen und somit staub- und
wassergeschützt
ausgeführt
werden.
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Bevorzugt
findet die Vorrichtung gemäß der Erfindung
im medizinischen Bereich Verwendung, insbesondere um mikroskopische
Beobachtungen von Organoberflächen
zu ermöglichen.
Hierbei kann eine Auflösung
bis in den zellulären
Bereich erreicht werden, so dass mit Hilfe der vorliegenden Vorrichtung
die Beobachtung des Entartungsgrades von Zellen möglich ist,
ohne dass Biopsien entnommen werden müssen oder zeitaufwendige histologische
Laboruntersuchungen notwendig sind. Für einen Einsatz im Bereich
der Medizin ist die Vorrichtung derart ausgestaltet, dass das erste
Lichtleitfaserbündel
sowie das Objektfaserbündel über Endoskope
in natürliche
Körperöffnungen
beispielsweise zur Beobachtung der Bronchien oder des Darms eingesetzt
werden können.
Alternativ wäre
auch eine Beobachtung anderer innerer Organe, wie der Leber, der Milz
oder der Nieren, durch kleine künstliche Öffnungen
möglich.
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Für den Fachmann
ist selbstverständlich,
dass der erfindungsgemäße Aufbau,
umfassend wenigstens zwei Lichtleitfaserbündel, nicht auf eine Verwendung
im Bereich der Medizin beschränkt
ist, sondern auch für Aufgaben
in vielen technischen Bereichen eingesetzt werden kann, bei denen
in kurzer Messzeit Oberflächenstrukturen
mit mikroskopischer Auflösung
darzustellen sind.
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.
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Es
zeigen
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1 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung der Erfindung mit einem
als CCD-Kamera ausgebildeten Detektor,
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2 einen
Aufbau für
spektroskopische Untersuchungen,
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3 einen
Aufbau für
zeitaufgelöste
Untersuchungen,
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4a-b
Faserenden zweier kongruenter Faserendflächen,
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4c-d
Faserenden zweier nicht kongruenter Faserendflächen,
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5 geometrische Überdeckung
des Kerns einer Faser mit der Abbildung der entsprechend konkruenten
Faser,
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6 Funktion
des Überlappungsfaktors
V in Abhängigkeit
vom Verhältnis
des Abstandes des Mittelpunktes zweier Faserkerne zum Radius des
Faserkerne.
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Die
in 1 schematisch dargestellte Vorrichtung gemäß der Erfindung
enthält
eine Lichtquelle 2, welche vorzugsweise als eine Laserlichtquelle
ausgebildet ist und welche nachfolgend der Einfachheit halber als solche
bezeichnet wird. Die ausgesandten Strahlen 4 gelangen auf
einen Mikrospiegel 6. Mittels des Mikrospiegels 6 wird
das Beleuchtungslicht auf das erste flexible Lichtleitfaserbündel 8 mit
einer ersten Stirnfläche 10 geleitet
und bestrahlt dieses vollständig.
Die Länge
des Lichtleitfaserbündels 8 aus
lichtleitenden Fasern ist den Erfordernissen entsprechend vorgegeben.
Das durch das Lichtleitfaserbündel
geleitete Licht tritt an einer Endfläche 12 des flexiblen
Lichtleitfaserbündels 8 heraus
und gelangt von dort zu einer Optik 14, welche nachfolgend
auch als Abbildungsoptik bezeichnet wird und schematisch durch eine
Linse L3 angedeutet ist. Nur beispielhaft sind die Strahlen 16, 18 dargestellt,
welche aus einer Lichtleitfaser austreten und auf das zu untersuchende
Objekt, insbesondere eine Gewebeoberfläche, treffen. Lediglich von
in der Bildebene 23 liegenden Oberflächenpunkten 22 wird
ein Strahl 24 reflektiert und gelangt wiederum in das erste
Lichtleitfaserbündel 8.
Vom ersten Lichtleitfaserbündel 8 wird
der reflektierte Strahl der ersten Stirnfläche 10 geleitet. Dort
tritt der erste Strahl aus und wird über das optische Element 50 auf
die entsprechende Faser des zweiten Faserbündels in Rahmen einer 1 : 1-Abbildung
abgebildet. Die erste Faserendfläche
des zweiten Faserbündels 60 ist
mit 62 bezeichnet. Die erste Stirn- oder Faserendfläche 10 des
ersten Faserbündels
und die erste Stirnfläche 62 des
zweiten Faserendbündels
sind kongruent zueinander, so dass Streulichtverluste vermieden
werden können.
Kongruente Faserendflächen,
die sich dadurch auszeichnen, dass sowohl die Anzahl wie die Position der
Fasern im Faserbündel
identisch ist, können
dadurch erhalten werden, dass ein Faserbündel durchtrennt wird, wobei
die Position jeder Einzelfaser fixiert wird. Derartige kongruente
Faserendflächen
erlauben es also, exakt die Endfläche der einen Faser auf die
der anderen Faser abzubilden, wodurch beispielsweise von den Ummantelungen
herrührendes
Streulicht nicht in das zweite Lichtfaserbündel, das auch als Beobachtungsfaserbündel bezeichnet
wird, eintreten kann. Der Begriff kongruente Faserendflächen wird
in den Figuren 4a-4d sowie 5 näher erläutert.
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Das
in die zweite Lichtleitfaser eingekoppelte Licht wird über die
Lichtleitfaser auf eine CCD-Kamera 70 geleitet, die die
paralleloptische Datenakquisition beispielsweise von mehr als 10
000 Punkten, falls Lichtleitfasern mit mehr als 10 000 Punkten eingesetzt
werden, ermöglicht.
Um Licht, das aus der Faserendfläche des
zweiten Lichtleitfaserbündels
heraustritt, auf den Detektor, der hier als CCD-Kamera 70 ausgebildet
ist, zu fokussieren, kann eine Optik 72 vorgesehen sein.
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In 2 ist
eine Anordnung gemäß der Erfindung
gezeigt, die die spektroskopische Untersuchung von Oberflächen ermöglicht.
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Gleiche
Bauteile wie in 1 sind mit gleichen Bezugsziffern
gekennzeichnet.
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Zwischen
die beiden optischen Komponenten, die bevorzugt eine erste Plankonvexlinse 80 und
eine zweite Plankonvexlinse 82 darstellen, ist ein optisches
Filter 84 eingebracht. Wird nunmehr das zu untersuchende
Objekt mit monochromatischem Licht beleuchtet, so kann durch das
optische Filter 84, das beispielsweise als Filterrad ausgebildet
sein kann, Fluoreszenzlicht herausgefiltert werden, so dass lediglich
das Fluoreszenzanregungslicht in das zweite Lichtleitfaserbündel, das
Beobachtungsfaserbündel,
gelangt und damit auf die Detektionsvorrichtung 70. Das
optische Filter 84 ist bevorzugt im Strahlengang von der
Objekt zur Bildebene zwischen die erste Plankonvexlinse 80 und
die zweite Plankonvexlinse 82 eingebracht.
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Prinzipiell
sind zwei mögliche
Aufbauten für
die Fluoreszenzspektroskopie mit Hilfe von zwischen die Plankonvexlinse 80 und
die zweite Plankonvexlinse 82 eingebrachte optische Filter 84 möglich. Zunächst muss
dafür gesorgt
werden, dass das Anregungslicht der Lichtquelle 2 effektiv
abgeblockt wird. Hierzu kann als Filterelement des optischen Filters
ein schmalbandiger Interferenzfilter eingesetzt werden. Möchte man
nur Fluoreszenzwellenlängen
mit einer Wellenlänge,
die größer als
die des Anrechnungslichtes ist, beobachten, so wird hierzu beispielsweise
ein Kantenfilter mit hoher Transmission im roten Spektralbereich
eingesetzt.
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Soll
nur Fluoreszenzlicht mit einer Wellenlänge, die kleiner als die des
Anregungslichtes ist, beobachtet werden, so wird hierfür ein Kantenfilter
mit hoher Transmission im blauen Spektralbereich eingesetzt. Diese Methode
ist insbesondere für
Zwei-Photonen-Anregung geeignet. Hierdurch kann die räumliche
Auflösung
der konfokalen Mikroskopie um einen Faktor 2 gesteigert werden.
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Da
viele spektrale Filter den Nachteil haben, dass sie Streulicht erzeugen
und teilweise stark fluoreszieren, ist es von Vorteil, einen derartigen
Filter wie im gezeigten Ausführungsbeispiel
zwischen den Linsen 80 und 82 zu positionieren.
Das Fluoreszenzlicht, das dann beispielsweise durch die Beleuchtung
des Filters entsteht, kann nicht direkt in den Detektor gelangen
und ist folglich Streulicht, das nicht auf die Faserbündelendfläche 62 abgebildet
wird und somit nicht das Messsignal überlagert.
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Auf
diese Art und Weise ist eine ortsaufgelöste Fluoreszenzspektroskopie
verschiedener Wellenlängen
möglich,
was insbesondere bei der Bestimmung von Entartungen von Krebszellen
im medizinischen Bereich von Bedeutung ist.
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Viele
Messungen haben gezeigt, dass im Speziellen Tumorzellen Fluoreszenzlicht
mit einer längeren Abklingkurve
emittieren als gesunde Körperzellen.
Verwendet man eine gepulste Anregung durch die Lichtquelle 2,
so kann das Zeitverhalten des Fluoreszenzlichtes zur Erhöhung der
Detektion von Tumorzellen eingesetzt werden.
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Wie
in 3 gezeigt, wird hierfür zwischen die Linsen 80 und 82 ein
optischer Schalter 100 eingebracht, der vorzugsweise so
gestaltet ist, dass er der bei Beleuchtung mit Anregungslicht zur
Zeit T0 die Lichttransmission auf die Faserbündelendfläche 62 abblockt.
Zu einem späteren
Zeitpunkt T0 + Δ T, zu dem die Fluoreszenz des
gesunden Gewebes bereits abgeklungen ist, öffnet der Schalter auf Lichttransmission
und erlaubt so die Detektion des vom Tumor ausgesandten Fluoreszenzlicht.
Die Zeitverzögerung Δ T kann beliebig eingestellt
werden und zwar verschieden je nach Tumorart und Menge der Gesamtfluoreszenz.
Aus der Halbwertszeit und der Abklingkurve des Fluoreszenzlichtes
kann dann auf die Art der Tumorzellen rückgeschlossen werden. Erfindungsgemäß kann der
optische Schalter 100 auch so genutzt werden, dass nur
der Beginn des Fluoreszenzsignals detektiert und dieser damit gegenüber der
späteren
Fluoreszenz hervorgehoben wird.
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In
Abhängigkeit
von der Zeitverzögerung Δ T, mit der
vom Abblocken des Lichtes auf die Durchlässigkeit umgeschaltet werden
soll, können
verschiedene optische Schalter verwendet werden. Denkbar sind beispielsweise
schnelle elektro-optische Schalter wie Pockels-Zellen oder Kerr-Zellen.
Alternativ hierzu können optisch
sättigbare
Absorber zum Einsatz kommen, bei denen durch einen ultrakurzen Laserpuls
ein ansonsten absorbierendes Medium optisch gesättigt und damit transparent
wird.
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Wie
schon beim vorangegangenen Ausführungsbeispiel,
das in 2 dargestellt ist, ist es mit der Positionierung
des optischen Schalters zwischen den beiden Linsen 80 und 82 möglich, Streulicht,
das in dem optischen Schalter entsteht, zu unterdrücken, da
das Streulicht nicht auf die Faserbündelflächen 62 abgebildet wird
und damit nicht in den Detektor 70 gelangt.
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In
den 4a bis 4b ist
näher erläutert, was
in vorliegender Anmeldung unter dem Begriff kongruente Faserendflächen verstanden
werden soll. Die 4a und 4b zeigen
die Faserendfläche 10 und die
Faserendfläche 62 zweier
gemäß dieser
Anmeldung kongruenten Faserendflächen.
Wie in 4a und 4b deutlich
zu erkennen ist, besteht jede Faserendfläche aus einer Vielzahl von
Einzelfasern 200. Jede Einzelfaser weist einen Faserkern
mit einem Mittelpunkt 202 sowie einen Fasermantel 204 auf,
der Abstand zwischen den Mittelpunkten 202 zweier Faserkerne
wird mit a bezeichnet. Der Radius vom Mittelpunkt 202 eines
Faserkernes zum Rand des Fasermantels 204 mit rF.
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Da
die einzelnen Fasern eines Faserbündels nie exakt aufeinander
ausgerichtet sind, ergibt sich eine Versetzungslinie 210.1 der
Einzelfasern beispielsweise in der Faserendfläche 10. Wird eine
Glasfaser durch eine Trennscheibe sehr geringer Dicke durchgetrennt,
so ändert
sich an der Lage der einzelnen Fasern des Glasfaserbündels wenig.
Dementsprechend ist die Versetzungslinie 210.1 der Faserendfläche 62 wie
in 4b gezeichnet in ihrer Form nach im Wesentlichen
gleich zur Versetzungslinie 210.2 der Faserendfläche 10.
Die Lage der Mittelpunkte 202 der einzelnen Faserkerne
entspricht somit bei der Faserendfläche 10 der Positionierung
der Mittelpunkte 202 der Faserkerne bei der Faserendfläche 62.
Die Faserendflächen
sind dann kongruent zueinander. In den 4c und 4d sind
zwei nicht zueinander kongruente Faserendflächen gezeigt. Wie deutlich
zu erkennen ist, ist die Lage der Fasern 200, das heißt der Mittelpunkt 202 der
Faserkerne, in der Endfläche 10 vollkommen
unterschiedlich von der Lage der Mittelpunkte 202 der Faserkerne
der Endfläche 62.
Dann verläuft
die Versetzungslinie 220 in der Endfläche 62 unterschiedlich
zur Versetzungslinie 210 in der Endfläche 10. Die Faserendflächen 10 und 62 gemäß der 4c beziehungsweise 4d sind
somit nicht kongruent zueinander.
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5 erläutert in
stark vereinfachter Art und Weise den Begriff des Überlappungsfaktors
von zwei einander zugeordneten Fasern der Faserendflächen 10 und 62.
Mit dem Bezugszeichen 220 wird der Kern einer der Fasern
der Faserendfläche 62 bezeichnet,
wobei mit r der Radius des Faserkerns angegeben ist. Die Fläche 221 stellt
die von den Linsen 6 und 82 erzeugte Abbildung
des zugeordneten Faserkerns aus der Faserendfläche 10 in der Ebene
der Faserendfläche 62 dar.
Der Einfachheit halber wird hier ebenfalls ein die Ausdehnung der
Fläche 221 bestimmender
Radius r angenommen. Dies ist auch die bevorzugte Ausführungsform der
Erfindung. Im Allgemeinen müssen
die beiden Radien der Flächen 220 und 221 nicht übereinstimmen; auch
Abweichungen von der Kreisform sind möglich. Mit 222 ist
die Überlappungsfläche zwischen
dem Faserkern 220 und dem Bild des zugeordneten Faserkerns 221 bezeichnet.
Außerdem
ist für
die Abstände
der kreisförmigen
Flächen 220 und 221 der
Mittelpunktsabstand a angegeben.
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Quantitativ
kann die Kongruenz von Faserendflächen durch den Überlappungsfaktor
jeder Faser in der Faserendfläche
62 mit
dem Bild der entsprechenden Faser der Faserendfläche
10 angegeben werden.
Es gilt:
definierte
relative Versatz zwischen Faserkern und dem Bild des zugeordneten
Faserkerns in der Faserendfläche
62 ist.
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Hierbei
werden mit
- a:
- der Abstand zwischen
den Mittelpunkten einer Faser der Faserendfläche 62 und der Abbildung
der dazu entsprechenden Faser der Faserendfläche 10 und mit
- r:
- der Radius des Faserkerns
bezeichnet.
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Generell
kann der Überlappungsfaktor
V zwischen 0 und 1 variieren. Hierbei bedeutet V = 1 eine vollständige Überlappung
und V = 0, dass sich in einer Endfläche der Kern einer Glasfaser
und das Bild des Kerns der zugeordneten Glasfaser der anderen Endfläche gerade
noch berühren.
Im Folgenden wird die Fläche
des Kerns
220 einer beliebigen Faser in der Faserendfläche
62 als
F
220 und die Fläche des Überlappungsbereichs
222 zwischen
der Fläche
F
220 und dem Bild des zugeordneten Faserkerns
221 aus
der Faserendfläche
10 rückprojeziert
in die Faserendfläche
62 als
F
222 bezeichnet. Im Allgemeinen gilt dann
für den Überlappungsfaktor mit
Bezug auf
5:
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Unter
einer kongruenter Endfläche
wird nun verstanden, dass sich Faserkern und die Fläche des Leuchtflecks
der entsprechenden Faser der Faserendfläche 10 in der Ebene
der Faserendfläche 62 gerade berühren. Vorteilhaft
ist jedoch ein Überlappungsfaktor
V größer als
0,5. Bevorzugt ist ein Überlappungsfaktor größer 0,7
und besonders bevorzugt größer 0,9.
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In
dem in 5 gezeigten Beispiel besteht ein relativer Versatz
von x = 0,2. Somit nimmt der Überlappungsfaktor
V einen Wert von 0,7 ein. Für
den Fall eines relativen Versatzes von x = 0,4 ergibt sich ein V
von ungefähr
0,5.
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Jedem
Einzelfaktor im Faserbündel
60 ist
ein Überlappungsfaktor
V; zugeordnet mit i = 1..n (n = Anzahl der Fasern im Faserbündel
60).
Aus der Summe dieser einzelnen Überlappungsfaktoren
kann ein Gesamtüberlappungsfaktor
berechnet werden, der ein Maß für die Bildtransmission
und der Faserendfläche
10 in
das Faserbündel
60 ist.
Hierbei ist der Gesamtüberlappungsfaktor
V
gesamt wie folgt definiert:
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Als
Voraussetzung für
ein hinreichend helles Bild muss der Gesamtüberlappungsfaktor Vgesamt möglichst
hoch sein. Bevorzugt wird ein Wert für den Gesamtüberlappungsfaktor
Vgesamt, der > 0,5 und insbesondere > 0,7 und besonders bevorzugt > 0,9 ist.
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Neben
der Forderung eines möglichst
lichtstarken Bildes besteht ein weiteres Erfordernis für die Überlappungsfaktoren
V; der Einzelfasern des Faserbündels 60 darin,
dass die Streuung der einzelnen Überlappungsfaktoren
Vi möglichst
gering sein muss, um ein vollständiges
bzw. gleichmäßig ausgeleuchtetes
Bild zu übertragen.
Hierbei hat sich eine Bildübertragung
dann als gut herausgestellt, wenn höchstens 10 % aller Einzelfasern
einen Überlappungsfaktor
Vi < 0,5
und mindestens 70 % aller Fasern einen Überlappungsfaktor von Vi ≥ 0,7
aufweisen. Bis zu einem gewissen Grad können die einzelnen Fasern bzw.
Faserbereichen zugeordneten Unterschiede in der Bildübertragung
sensorseitig korrigiert werden, dennoch sind insbesondere Einzelfasern
mit Überlappungsfaktoren
von Vi < 0,1
für die
Qualität
der Bildübertragung
nachteilig.
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6 zeigt
den Verlauf der Überlappfläche bezogen
auf die Kernfläche
einer Einzelfaser – dies
entspricht dem Überlappungsfaktor
Vi – in
Abhängigkeit
des Verhältnisses
vom Abstand der Mittelpunkte zweier benachbarter Fasern a zum doppelten
Radius der Faserkerne r, wobei dieses Verhältnis als x bezeichnet wird.