DE112016004385T5 - 3d-spektroakustisches system: ein modulares, tomographisches, spektroskopisches abbildungs-, nichtinvasives bildgebungsdiagnosesystem - Google Patents

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Abstract

Das vorliegende Patent zielt darauf ab, die kombinierte Verwendung von Ultraschall- und Photontechnologien mit Hochfrequenz in dem Infrarotbereich des Spektrums durch die Verwendung einer herkömmlichen Sonde zu beschreiben. Diese herkömmliche Sonde kann das zu prüfende/untersuchende Objekt unter gleichzeitiger Verwendung beider Modalitäten oder im Serienmodus anregen, was zur Erfassung der tomographischen Informationen von dem Objekt und ebenso seiner spektroskopischen Reflexions-/Absorbierungsinformationen in dem Infrarotbereich des Spektrums führt. Die Kombination der beiden Technologien kann als spektroakustisches Verfahren bezeichnet werden.

Description

  • STAND DER TECHNIK
  • Die Modalitäten, die kombiniert werden, werden in den folgenden zwei Absätzen beschrieben:
  • AKUSTISCHE MIKROSKOPIE
  • In den einfachsten und am meisten eingesetzten zerstörungsfreien Prüfungs(non-destructive testing - NDT)anwendungen wird ein einzelner piezoelektrischer Wandler verwendet, um eine Schallwelle in das Testobjekt anzuregen. In den meisten Fällen wird der Wandler in Wasser platziert, und die Welle breitet sich durch das Wassermedium in das Objekt aus. Diese Technik hat den Vorzug, den Wandler leicht beweglich zu machen. Im Allgemeinen ist die Abstimmung zwischen dem Wandler und dem untersuchten Objekt, in diesem Fall einem Hautmelanom, ein sehr wichtiger Faktor bei Auflösung und Genauigkeit von akustischer Mikroskopie. Diese können bedeutend gesteigert werden unter Verwendung einer dünnen Gummischicht oder eines Gels für eine bessere Berührung zwischen der Schallquelle und dem Objekt. Diese Technik ist besonders für medizinische diagnostische Bildgebungsanwendungen sehr geeignet. Gesetzt den Fall, dass die Schallquelle durch einen kurzen elektrischen Impuls angeregt wird, ist die durch den Wandler erzeugte Welle ein kurzer Schallimpuls, der sich durch das Objekt ausbreitet und schließlich durch Schallimpedanz-Diskontinuitäten reflektiert wird. Diese können durch Störungen oder interne Strukturen innerhalb des Objekts verursacht werden (2). Diese Reflexionen werden durch die Oberflächen der Materialien unterschiedlicher Schichten in der Stratigraphie des Hautmelanoms verursacht. Die reflektierten Signale können verstärkt und in einem Oszilloskop betrachtet werden. Die Zeitdifferenz eines Echos, das in dem Aufzeichnungssignal erscheint, kann verwendet werden, um die Entfernung der Störung (von dem Wandler) zu identifizieren, während die Amplitude des reflektierten Echos proportional zu der Größe und Form der Störungen ist. Diese Technik ist als Amplitudenscan oder A-Scan bekannt. Ein Hauptnachteil von A-Scan-Bildgebung ist, dass dieses Verfahren sehr langsam und langwierig zu verwenden ist. Eine alternative Technik ist das Helligkeitsscan- oder B-Scan-Verfahren, in dem das Echosignal verwendet wird, um die Intensität des Flecks auf einem Oszilloskop zu modulieren, während die Zeitverzögerung durch die horizontale Position des Flecks dargestellt wird. Die mechanische Position entlang der Oberfläche des Objekts wird durch die vertikale Position des Flecks auf dem Oszilloskop dargestellt. Eine dritte Ausgabe für akustische Bildgebung ist als der C-Scan bekannt, wobei Reflexionsbildgebung verwendet wird, um ein Bild in einer Ebene auszubilden, die senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung des akustischen Strahls ist. Das Objekt wird mechanisch über den Strahl abgetastet, während der Strahl selbst quer bewegt wird, um eine Rasterabtastung zu erzeugen. Die Amplitude des empfangenen Signals wird verwendet, um die Intensität eines auf dem Bildschirm angezeigten Lichtflecks zu variieren. Der Vorteil von C-Scans ist, dass dieses Verfahren hochauflösende Bilder von dünnen Objekten ergibt. Akustische Mikroskopie ist der Begriff, der verwendet wird, um die Techniken und Systeme auf der Grundlage von Ultraschall mit Betriebsfrequenzen der Größenordnung von höher als 50 MHz zu beschreiben.
  • IR-SPEKTROSKOPIE
  • Das IR-Spektrometer besteht aus drei grundlegenden optischen Elementen: a) einer IR-Quelle, b) einem Interferometer, das einen Strahlenteiler und zwei Spiegel, einen unbeweglichen und einen beweglichen, umfasst, und c) einem Detektor. Das Arbeitsprinzip eines IR-Spektrometers wird kurz in 3 illustriert. Der durch die IR-Quelle erzeugte Strahl geht durch eine Öffnung hindurch. Danach wird er optisch gefiltert, bevor er in das Interferometer eintritt, welches das „Herz“ des Spektrometers bildet. Die Bewegung des beweglichen Spiegels des Interferometers moduliert den Lichtstrahl, der dann aus dem Interferometer austritt und zu der Probe geleitet wird. Das Licht, das durch die Probe durchgelassen oder von derselben reflektiert wurde, wird schließlich auf dem Detektor gebündelt, der seine Intensität, d.h., seine Stärke, misst. Das Signal an dem Detektor, d.h. das Interferogramm, wird verstärkt, gefiltert und digitalisiert, bevor es verarbeitet wird, um das Spektrum der Probe zu erzeugen. Die Wahl der technischen Eigenschaften der drei optischen Elemente hängt von dem gewünschten zu messenden Spektralbereich, d.h. Nah-IR (nIR), Mittel-IR (mIR) und Fern-IR (fIR), ab. Obwohl die Hauptarbeitsprinzipien die gleichen sind, beruht die Auslegung des Interferometers auf derjenigen des ursprünglich von Michelson 1891 gestalteten Zweistrahl-Interferometers. Die Theorie hinter allen Zweistrahl-Interferometern des Standes der Technik ist ähnlich der Theorie hinter dem Michelson-Interferometer.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Das System ist in der Lage zum Erfassen von Informationen über die tomographische /3D-Struktur und die „Verteilung“ der Materialien, die chemische Zusammensetzung oder im Fall biomedizinischer Anwendungen die biochemischen „Veränderungen“ in dieser 3D-Struktur. Das System ist in der Lage zum Bereitstellen der 3D-spektroskopischen Abbildungsinformationen einer mehrschichtigen Struktur. Ähnlich ist es dazu in der Lage, ein 3D-spektroskopisches Abbildungsbild kleiner Tumorstrukturen bereitzustellen und als ein robustes Instrument zur Melanom-Früherkennung in vivo zu dienen. Dies wird mit der kombinierten Verwendung der in dem vorstehenden Absatz beschriebenen Techniken erreicht und wird schematisch in 1 und lexikalisch entsprechend beschrieben; unter Verwendung von akustischer Mikroskopie werden die tomographischen Informationen (und nicht nur) der zu untersuchenden Struktur erhalten und unter Verwendung von spektroskopischer nIR- und mIR-Abbildungsbildgebung in diffuser Reflexion oder in Reflexionsmodus kann die Identifizierung wichtiger Substanzen und deren Konzentration, die in der tomographischen Struktur vorhanden sind, erreicht werden. Das wichtige und neuartige Konzept und Teil des Systems sind:
    • 1. Das 3D-spektroskopische Abbildungsbildgebungssystem oder als ein neuartiger Begriff 3D-spektroakustische Abbildungsbildgebungssystem (1).
    • 2. Eine besondere gefertigte Kombination von akustischem Mikroskopiewandler und Infrarot-Beleuchtungssonde, welche die gleichzeitige Erfassung der spektroskopischen und der tomographischen Informationen ermöglicht (4 und 5). Diese Sonde stellt mit der Fähigkeit von hoher Wiedergabetreue und Genauigkeit aufgezeichnete Informationen von den kombinierten Modalitäten bereit.
  • Die Vorrichtung ist gestaltet, um das zuvor erwähnte Konzept zu erreichen und die entworfene Sonde effizient zu verwenden. Ein standardmäßiges Impulsgebersystem regt den Wandler, der zur Mitte der kombinierten Sonde angeordnet ist, mit Impulsen von 2 ns Breite mit einer Bandbreite von 500 MHz an. Die elektrischen Impulse werden durch die Verwendung des Wandlers zu mechanischen Wellen übertragen, und die Stärke der Schallwelle wird in das zu untersuchende Objekt eingeführt. Parallel zu dem für die Anregung des piezoelektrischen Wandlers verwendeten Weg ist ebenfalls ein Lichtleitfaserbündel-Weg gestaltet, um die Beleuchtung unter Verwendung der von der in 3 und 4 durch die Vorrichtung angezeigten Form des ausgegebenen Infrarotstrahls zu leiten und demzufolge die reflektierte Infrarotleistung von dem zu untersuchenden Objekt in den Sensor der Vorrichtung zu leiten (3). Die Krümmung der Stirnfläche der Sonde ist so gestaltet, dass der Brennpunkt des Ultraschall-(akustischen Mikroskopie)-Wandlers der gleiche ist wie der Brennpunkt der Beleuchtung des Infrarotstrahls, was erreicht, dass der Empfang der Reflexion von den beiden Modalitäten genau den gleichen Punkt ausbildet. Die Anregung der spektroskopischen Modalität wird in 4 und 5 angezeigt; der durch die IR-Quelle erzeugte Strahl geht für die Beleuchtung des Untersuchungsbereichs durch das Lichtfaserbündel hindurch. Das Lichtfaserbündel, das näher an der axialen Mitte der Sonde angeordnet ist, leitet den Beleuchtungsstrahl, der in 4 und 5 mit gelber Farbe markiert ist. Die sich ergebenden reflektierten Spektren von dem beleuchteten Bereich werden durch das empfangende Lichtfaserbündel zurück übertragen, das ebenfalls in 5 dargestellt wird, markiert mit oranger Farbe.
  • Danach wird durch Abtasten eines Bereichs von Interesse die Erfassung der tomographischen Informationen und der spektroskopischen von genau den gleichen Matrixpunkten des abgetasteten Bereichs erreicht. Der Fall eines kleinen Melanomtumors wird in 6 und 7 dargestellt.
  • Figurenliste
    • 1: Allgemeines Konzept des vorgeschlagenen Systems
    • 2: Prinzip der akustischen Mikroskopie
    • 3: Prinzip der spektroskopischen Infrarot(IR)-Abbildungsbildgebung
    • 4: Blockdiagramm des spektroakustischen Abbildungsbildgebungssystems
    • 5: Zwei Auslegungen der spektroakustischen Sonde
    • 6: Die tomographischen Informationen akustischer Mikroskopie von einem Melanom
    • 7: Die spektroskopischen Abbildungsinformationen, verschmolzen mit den tomographischen Informationen akustischer Mikroskopie von einem Melanom unter Verwendung der spektroakustischen Sonde.
  • VERWEISE
    • [1] G. Karagiannis, „Development of a non-invasive system for the early detection of melanoma with the combined use of acoustic microscopy from 50 up to 175MHz, IR reflectance from 0.4µm up to 10µm., Raman spectroscopy, 9th International Conference on Ultrasonic Biomedical Micro scanning, University of Edinburgh, 28. September 2014 -1. Oktober 2014.
    • [2] G. Karagiannis, G. Apostolidis, K. Vavliakis, G. Grivas, A. Tsingotjidou, I. Dori, P. Georgoulias, Use of signal processing techniques applied to acoustic microscopy echo graphs in order to support the detection of melanoma infiltration using time frequency representation techniques, 60 Παvελλήvio Σuvέδρio Bioïατρikήζ Tεχvoλoүiαζ 6-8 Mαiou 2015, Aθήvα, Eλλάδα.
    • [3] Georgios T. Karagiannis; loannis Grivas; Anastasia Tsingotjidou; Georgios K. Apostolidis; Ifigeneia Grigoriadou, I. Dori, Kyriaki-Nefeli Poulatsidou, Argyrios Doumas, Stefan Wesarg, Panagiotis Georgoulias,,,Early detection of melanoma with the combined use of acoustic microscopy, infrared reflectance and Raman spectroscopy", Proc. SPIE 9323, Photons Plus Ultrasound: Imaging and Sensing 2015, 93232T (11. März 2015); doi: 10. 1117/12.2079690; http://dx.doi.org/10.1117/12.2079690
    • [4] G. Karagiannis, A. Tsingotjidou, I. Grivas, I. Grigoriadou, S. Wesarg, P. Georgoulias, „Development of a non-invasive system for the early detection of melanoma with the combined use of acoustic microscopy from 50 up to 175MHz, IR reflectance from 0.4µm up to 10µm.", Raman spectroscopy, 9th International Conference on Ultrasonic Biomedical Micro scanning, University of Edinburgh, 28. September 2014 -1. Oktober 2014.
    • [5] I. Grivas, G. Karagiannis, A. S. Tsingotjidou, I. Dori, I. Grigoriadou, S. Wesarg, P. Georgoulias, Experimental model for the study of melanoma Diagnostic approach with the combined use of acoustic microscopy and infrared spectroscopy, evaluated by histological analysis, Biomedical and Laboratory Animal Science for transnational research annual scientific meeting, Athen, 22. - 23. September 2014 (1. Preis).
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • G. Karagiannis, „Development of a non-invasive system for the early detection of melanoma with the combined use of acoustic microscopy from 50 up to 175MHz, IR reflectance from 0.4µm up to 10µm., Raman spectroscopy, 9th International Conference on Ultrasonic Biomedical Micro scanning, University of Edinburgh, 28. September 2014 -1. Oktober 2014. [0006]
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    • Georgios T. Karagiannis; loannis Grivas; Anastasia Tsingotjidou; Georgios K. Apostolidis; Ifigeneia Grigoriadou, I. Dori, Kyriaki-Nefeli Poulatsidou, Argyrios Doumas, Stefan Wesarg, Panagiotis Georgoulias,,,Early detection of melanoma with the combined use of acoustic microscopy, infrared reflectance and Raman spectroscopy", Proc. SPIE 9323, Photons Plus Ultrasound: Imaging and Sensing 2015, 93232T (11. März 2015); doi: 10. 1117/12.2079690; http://dx.doi.org/10.1117/12.2079690 [0006]
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Claims (4)

  1. Kombiniertes System für spektroskopische Abbildungsbildgebung und akustische Mikroskopie, das tomographische und Material- oder Biomaterialinformationen aus der zu untersuchenden 3D-Struktur bereitstellt (1).
  2. Kombination von akustischem Mikroskopiewandler und Infrarot-Beleuchtungssonde, die spezifisch dafür ausgelegt ist, eine gleichzeitige Erfassung der tomographischen und der 3D-spektroskopischen Informationen zu ermöglichen (4 und 5).
  3. Einführung und Anspruch des technischen Begriffs spektroakustisch im Gebiet der nichtinvasiven Diagnostik.
  4. Einführung und Anspruch der Technik und des Begriffs von 3D-spektroskopischer Abbildungsbildgebung und 3D-spektroakustischer Abbildungsbildgebung.
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G. Karagiannis, „Development of a non-invasive system for the early detection of melanoma with the combined use of acoustic microscopy from 50 up to 175MHz, IR reflectance from 0.4µm up to 10µm., Raman spectroscopy, 9th International Conference on Ultrasonic Biomedical Micro scanning, University of Edinburgh, 28. September 2014 -1. Oktober 2014.
G. Karagiannis, A. Tsingotjidou, I. Grivas, I. Grigoriadou, S. Wesarg, P. Georgoulias, „Development of a non-invasive system for the early detection of melanoma with the combined use of acoustic microscopy from 50 up to 175MHz, IR reflectance from 0.4µm up to 10µm.", Raman spectroscopy, 9th International Conference on Ultrasonic Biomedical Micro scanning, University of Edinburgh, 28. September 2014 -1. Oktober 2014.
G. Karagiannis, G. Apostolidis, K. Vavliakis, G. Grivas, A. Tsingotjidou, I. Dori, P. Georgoulias, Use of signal processing techniques applied to acoustic microscopy echo graphs in order to support the detection of melanoma infiltration using time frequency representation techniques, 60 Παvελλήvio Σuvέδρio Bioïατρikήζ Tεχvoλoүiαζ 6-8 Mαiou 2015, Aθήvα, Eλλάδα.
Georgios T. Karagiannis; loannis Grivas; Anastasia Tsingotjidou; Georgios K. Apostolidis; Ifigeneia Grigoriadou, I. Dori, Kyriaki-Nefeli Poulatsidou, Argyrios Doumas, Stefan Wesarg, Panagiotis Georgoulias,,,Early detection of melanoma with the combined use of acoustic microscopy, infrared reflectance and Raman spectroscopy", Proc. SPIE 9323, Photons Plus Ultrasound: Imaging and Sensing 2015, 93232T (11. März 2015); doi: 10. 1117/12.2079690; http://dx.doi.org/10.1117/12.2079690
I. Grivas, G. Karagiannis, A. S. Tsingotjidou, I. Dori, I. Grigoriadou, S. Wesarg, P. Georgoulias, Experimental model for the study of melanoma Diagnostic approach with the combined use of acoustic microscopy and infrared spectroscopy, evaluated by histological analysis, Biomedical and Laboratory Animal Science for transnational research annual scientific meeting, Athen, 22. - 23. September 2014 (1. Preis).

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