DE19533102C2

DE19533102C2 - Vorrichtung zur Untersuchung von Gewebe mit Licht

Info

Publication number: DE19533102C2
Application number: DE1995133102
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr Klingenbeck-Regn; Oliver Dr Schuetz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1995-09-07
Filing date: 1995-09-07
Publication date: 1999-06-02
Anticipated expiration: 2015-09-08
Also published as: DE19533102A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Untersuchung von Gewebe mit Licht unterschiedlicher Wellenlängen. Derartige Vorrichtungen können mit sichtbarem, NIR- oder TR-Licht ar beiten. Die Wellenlänge des sichtbaren Lichtes liegt zwischen 380 und 780 nm, die von NIR-Licht, d. h. nahinfrarotem Licht, zwischen 780 nm und 1,5 µm und die von TR-Licht, also infra rotem Licht, zwischen 1,5 µm und 1 mm, wobei für Vor richtungen der eingangs genannten Art der Wellenlängenbereich von 600 nm bis 1,2 µm besonders geeignet ist.

Viele optische Eigenschaften von Gewebe, z. B. die Absorption, die Streuung und die spektralen Eigenschaften, lassen sich durch Einstrahlung von Licht bestimmen. Es ist daher bei spielsweise möglich, in der Mamma-Diagnostik Gewebeverände rungen festzustellen, indem Licht in die Mamma eingestrahlt, das aus dieser austretende Licht detektiert und die so gewon nene Information in geeigneter Weise ausgewertet wird. Be kannte Vorrichtungen lassen es lediglich zu, Inhomogenitäten des untersuchten Gewebes festzustellen. Erkenntnisse über die Art des untersuchten Gewebes, insbesondere einer Inhomogeni tät, lassen sich aus den Meßergebnissen nicht ableiten.

Es ist bekannt, daß durch die Beleuchtung des zu untersuchen den Gewebes mit sehr kurzen Laserpulsen (Pikosekunden bis Femtosekunden) die entsprechende Impulsantwort G(t) oder äquivalent die zeitliche Dispersion des Laserpulses durch Streuung im Gewebe mit zeitlich hochauflösenden Detektoren gemessen werden kann (siehe D. T. Delpy et al., Estimation of optical pathlength through tissue from direct time of flight measurements; Phys. Med. Bio., 1988, Vol. 33, No. 12, 1433- 1442 sowie SPIE Vol. 1888, ISBN 0-8194-1115-9, Proceedings of Photon Migration and Imaging in Random Media and Tissues, 17.-19. Jan. 1993, Los Angeles, Eds. B. Chance and R. R. Alfano, insbesondere die Beiträge L. Wang, X. Liang, P. P. Ho, R. R. Alfano; Time and Fourier-Space Gated Optical Imaging of Thick Turbid Media, und B. B. Das, K. M. Yoo, R. R. Alfano; Ultrafast time-gated detection of translucent objects hidden in biological and highly scattering random Media).

Des weiteren ist bekannt(siehe S. R. Arridge et al., The theoretical basis for the determination of optical path lengths in tissue: temporal and frequency analysis, Phys. Med. Biol., 1992, Vol. 37, No. 7, 1531-1560), daß die Fou riertransformierte G(ω) der Impulsantwort G(t) nach Betrag und Phase erfaßt werden kann, wenn die Durchleuchtung mit Licht durchgeführt wird, das mit einem Modulationssignal der Modulationsfrequenz f bzw. ω=2πf amplitudenmoduliert ist, und sowohl die Modulation als auch die Phasenverschiebung des transmittierten Lichtes relativ zur eingestrahlten Lichtwelle gemessen wird. Unter der Voraussetzung, daß der Frequenzraum gemäß dem Abtasttheorem ausreichend abgetastet wird, sind al so Modulationsverfahren völlig äquivalent zu zeitaufgelösten Verfahren mit ultrakurzen Laserpulsen.

Die bei Amplitudenmodulation der Laserstrahlung transmit tierte Lichtwelle kann beschrieben werden als

A = |A|.eⁱ(ωt+ϕ) (1a)

oder nach Demodulation mit der Trägerfrequenz ω:

ReA = |A|.cosϕ (1b)
ImA = |A|.sinϕ

Die Meßgrößen sind dann entweder Betrag |A| und Phase ϕ oder äquivalent dazu Real-(Re) und Imaginärteil (Im) des komplexen Amplitudenvektors.

Theoretische Untersuchungen (siehe S. R. Arridge et al., The theoretical basis for the determination of optical path lengths in tissue: temporal and frequency analysis, Phys. Med. Biol., 1992, Vol. 37, No. 7, 1531-1560) und experimen telle Untersuchungen (siehe E. M. Sevick et al., Quantitation of time- and frequency-resolved optical spectra for the determination of tissue oxygenation, Analytical Biochemistry 195, 330-351 (1991) haben gezeigt, daß im Bereich niedriger bzw. mittlerer Modulationsfrequenzen (f ≦ 200-300 MHz) die Phasenverschiebung proportional zur mittleren optischen Weg länge des Lichtes durch das Gewebe ist:

Dabei sind ϕ die Phasenverschiebung, ω die Modulationsfre quenz, t die mittlere Laufzeit, d die mittlere optische Dicke, c die Lichtgeschwindigkeit und n der Brechungsindex des Gewebes.

Wird ein derartiges Modulationsverfahren zur Bildgebung an Organen, z. B. der weiblichen Brust (Lasermammographie), ein gesetzt, so können die Bilder z. B. durch punktweises Abtasten des Objektes mit kollimierter Laserstrahlung und kleinflächi gen Detektoranordnungen aufgebaut werden. Natürlich ist auch eine zeilenförmige oder flächenförmige Beleuchtung und ent sprechend die Verwendung von ortsauflösenden Zeilen- oder Flächendetektoren denkbar. Pro Abtastpunkt (x, y) werden dann die Meßwerte A(x, y) bzw. ϕ(x, y) als Grau- oder Farbwerte in die entsprechende Position der Bildmatrix des Amplitudenbil des bzw. des Phasenbildes eingetragen.

Eine Vorrichtung, welche Signale der Amplitude und der Phase hochfrequenzmodulierten Lichtes registriert, ist z. B. aus der DE 43 41 063 A1 bekannt. Anhand detektierter Streulicht anteile berechnet eine Auswerteeinheit die optische Dichte verteilung des durchstrahlten, biologischen Gewebes, wobei z. B. Tumore von gesundem Gewebe durch eine unterschiedliche op tische Dichte unterschieden werden können.

Insbesondere bei den Amplitudenbildern, welche mit einer Vor richtung der eingangs genannten Art, wie sie beispielsweise aus der DE 43 40 072 A1 bekannt ist, gewonnen werden können, ergibt sich dabei aber die in Fig. 6 qualitativ skizzierte Problematik, daß im Randbereich des Objektes wegen der abneh menden Objektdicke die Amplitude extrem stark zunimmt (im we sentlichen exponentiell um mehrere Größenordnungen). Es ist daher nicht möglich, die gesamte Dynamik der Meßwerte mit der beschränkten Anzahl von Grauwerten darzustellen. Durch eine nicht-lineare Kompression des Dynamikbereiches (z. B. log arithmische Kennlinien) kann diese Problematik, wie Fig. 7 qualitativ zeigt, entschärft werden; die Folge ist aber eine geringere Kontrastauflösung der dargestellten Bilder im Bereich hoher Signalwerte.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich tung der eingangs genannten Art anzugeben, die die Voraus setzung zur Erzeugung von Bildern mit im Randbereich des Ob jektes verbesserter Kontrastauflösung bietet.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch eine Vor richtung zur Untersuchung von Gewebe mit Licht aufweisend

a) Mittel zur Einstrahlung von Licht einer definierten Wel lenlänge, die eine Lichtaustrittszone für das Licht auf weisen,
b) Mittel zum Detektieren von Licht, die eine der Lichtaus trittszone gegenüberliegende Lichteintrittszone aufweisen und ein dem detektierten Licht entsprechendes Ausgangssi gnal abgeben,
c) Abtastmittel, die eine Verlagerung der Lichtaustritts- und der Lichteintrittszone im Sinne einer Abtastbewegung in verschiedene Abtastpositionen bewirken,
d) Signalverarbeitungsmittel, denen das Ausgangssignal der Mittel zum Detektieren zugeführt ist, welche für die ver schiedenen Abtastpositionen Amplitude und Phasenlage des Ausgangssignals der Mittel zum Detektieren ermittelt,
e) Auswertemittel, welche anhand der ermittelten Amplituden und Phasenlagen für die verschiedenen Abtastpositionen Schwächungskoeffizienten des durchstrahlten Gewebes nach dem Beer-Lambert'schen Gesetz ermitteln, und
f) Anzeigemittel, welche die Schwächungskoeffizienten als Funktion der Abtastposition als Bild darstellen.

Es wird also anstelle der Amplitude des detektierten Lichtes für die einzelnen Abtastpositionen der Schwächungskoeffizient ermittelt. Da dieser lediglich von den optischen Eigenschaf ten des durchstrahlten Gewebes aber nicht von dessen Dicke abhängig ist, ist im Randbereich des Objektes trotz der ab nehmenden Objektdicke kein Anstieg des Schwächungskoeffizi enten zu erwarten, es sei denn, im Randbereich des Objektes lägen Inhomogenitäten mit höherem Schwächungskoeffizienten vor.

Damit ist die Voraussetzung zur Erzeugung von Bildern hoher Kontrastauflösung gegeben, wobei die Schwächungskoeffizienten als Funktion der Abtastposition als Bild auf den Anzeigemit teln der Vorrichtung dargestellt werden.

Die Signalverarbeitungsmittel der Vorrichtung ermitteln dabei für die verschiedenen Abtastpositionen Amplitude und (relative) Phasenlage des Ausgangssignals der Mittel zum De tektieren. Auf Grundlage dieser Daten ist es möglich für die einzelnen Abtastpositionen den Schwächungskoeffizienten nach dem Beer-Lambert'schen Gesetz zu ermitteln. Nach diesem Ge setz ist die Amplitude A(x) einer an der Stelle x durch das Objekt transmittierten Lichtwelle durch

A(x) = A₀.e - µ(x).d(x) (3)

gegeben. Dabei bezeichnet µ(x) den Schwächungskoeffizienten, d(x) die Objektdicke an der Stelle x. Durch Logarithmieren von Gleichung (3) erhält man:

lnA(x) = lnA₀ - µ(x)d(x) (4)

Am Objektrand, bezeichnet mit x₀, ist die Absorption ver schwindend gering. Es gilt µ(x₀).d(x₀)=0. Daher ergibt sich die unbestimmte Konstante A₀ zu: logA₀=logA(x₀). Man kann da her aus Gleichung (4) direkt den Schwächungskoeffizienten µ(x) zu

bestimmen, da alle Größen der rechten Seite von Gleichung (5) aus der Messung bekannt sind. A(x) ist nämlich die gemessene Amplitude am Einstrahlort x, A(x₀) die gemessene Amplitude am Objektrand x₀ und d(x) die aus der gemessenen Phasenverschie bung ϕ(x) auf Grundlage der Gleichung (2) nach der Beziehung

berechnete Objektdicke.

Es wird also deutlich, daß die Erfindung ein Amplitudenbild dadurch korrigiert, daß die Änderung des Phasenverschiebung ϕ vom Objektrand zur Objektmitte hin auf Grundlage der Glei chung (2) mit der entsprechenden Änderung der mittleren opti schen Dicke identifiziert wird und die bei Modulationsverfah ren gemessene Phasenverschiebung der detektierten Lichtwelle somit zur Korrektur veränderlicher Objektdicken bei den Amplitudenbildern herangezogen wird.

In der Praxis sind die Meßwerte für die Phasenverschiebung ϕ(x) mit einem Meßfehler (Offset) behaftet. Dieser kann prin zipiell durch eine Eichmessung bestimmt und später von den tatsächlichen Meßwerten subtrahiert werden. Nachteilig dabei ist aber, daß dieser Meßfehler durch thermische Driften der Signalverarbeitungsmittel und insbesondere durch Änderung der Verstärkung der Mittel zum Detektieren merklich beeinflußt wird. Deshalb kann es vorteilhaft sein, gemäß einer Variante der Erfindung auch die Phasenverschiebung ϕ auf den Meßwert am Objektrand x₀ zu beziehen. Aus der Änderung. Δϕ(x)=ϕ(x)-ϕ (x_o) wird dann auf Grundlage der Gleichung (2) entsprechend die Änderung Δd(x)=d(x)-d(x₀) der mittleren optischen Weglän ge nach der Beziehung

bestimmt. Damit kann dann der Schwä chungskoeffizient nach Gleichung (5) nicht mehr absolut be stimmt werden. Vielmehr gilt für den relativen Schwächungs koeffizienten µ_r(x)

Der Einfluß von Änderungen von d(x) im Bild wird aber dennoch eliminiert. Ein auf Grundlage von Gleichung (6) erzeugtes Bild zeigt nur noch die Änderungen des Schwächungskoeffizien ten.

Gemäß einer Variante der Erfindung wird die Phasenlage und/oder die Amplitude des detektierten Lichtes bestimmt, in dem das Ausgangssignal der Mittel zum Detektieren mit einem Referenzsignal verglichen wird. Dies geschieht in einem Fall dadurch, daß den Signalverarbeitungsmitteln außer dem Ausgangssignal der Mittel zum Detektieren das Modulations signal zugeführt ist, und daß die Signalverarbeitungsmittel das Ausgangssignal der Mittel zum Detektieren demodulieren. Gemäß einer anderen Variante der Erfindung enthalten die Signalverarbeitungsmittel eine Mischstufe, die das Modulati onssignal mit einem hinsichtlich seiner Frequenz von der des Modulationssignals geringfügig abweichenden Signal mischt wo bei das Ausgangssignal der Mischstufe den Signalverarbei tungsmitteln außer dem Ausgangssignal der Mittel zum Detek tieren zugeführt ist, wobei die Signalverarbeitungsmittel das Ausgangssignal der Mittel zum Detektieren demodulieren. Dies Variante ist dann besonders geeignet, wenn Bandbreitenproble me der Signalverarbeitungsmittel zu erwarten sind, da hier die in dem Ausgangssignal der Mittel zum Detektieren enthal tene Phaseninformation auf ein vergleichsweise niederfrequen tes Signal, dessen Frequenz gleich der Differenz der Frequen zen des Modulationssignals und des hinsichtlich seiner Fre quenz von der des Modulationssignals geringfügig abweichenden Signals ist, übertragen wird. Aus dem gleichen Grunde kann vorgesehen sein, daß die Signalverarbeitungsmittel eine Mischstufe enthalten, die das Modulationssignal mit einem hinsichtlich seiner Frequenz von der des Modulationssignals geringfügig abweichenden Signal mischt, daß die Mittel zum Detektieren eine variable Verstärkung aufweisen, die mit einem mit dem Ausgangssignal der Mischstufe moduliert ist, und daß die Signalverarbeitungsmittel das Ausgangssignal der Mittel zum Detektieren demodulieren.

In allen Fällen enthalten die Signalverarbeitungsmittel einen Lock-In Verstärker, dessen Referenzeingang das Modulations signal bzw. das Ausgangssignal der Mischstufe und dessen Signaleingang das Ausgangssignal der Mittel zum Detektieren zugeführt ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der beige fügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in grob schematischer, teilweise blockschaltbildar tiger Darstellung eine erfindungsgemäße Vorrichtung,

Fig. 2 die Lichtquelle der Vorrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 in schematischer Darstellung die von der erfindungs gemäßen Vorrichtung ausgeführte Abtastbewegung,

Fig. 4 eine Variante der Vorrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 5 eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung in zu der

Fig. 1 analoger Darstellung, und

Fig. 6 und 7 zwei der Verdeutlichung des durch die erfin dungsgemäße Vorrichtung gelösten Problems die nende Diagramme.

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt, die beispielsweise zur Mamma-Diagnostik verwendet werden kann. Die Vorrichtung weist eine Anzahl von Lichtquellen 1 ₁ bis 1 _n auf, von denen jede monochromatisches Licht einer an deren Wellenlänge λ₁ bis λ_n abgibt. Jede der Lichtquellen 1 ₁ bis 1 _n enthält eine Halbleiter-Laserdiode und die jeweils zu gehörige Stromversorgung. Dies ist in Fig. 2 dargestellt, die die Lichtquelle 1 _n mit der Halbleiter-Laserdiode 24 _n und der Stromversorgung 25 _n zeigt. Zur Vermeidung von Drifterschei nungen kann es zweckmäßig sein für eine Temperaturstabili sierung der Halbleiter-Laserdioden zu sorgen.

Jeder Lichtquelle 1 ₁ bis 1 _n ist ein elektrischer Signalgene rator 21 bis 2 _n zugeordnet, der der in der jeweiligen Licht quelle 1 ₁ bis 1 _n enthaltenen Stromversorgung als Modulations signal ein Wechselstromsignal fester Frequenz zuführt, mit tels dessen der Versorgungsstrom der in der jeweiligen Licht quelle 1 ₁ bis 1 _n enthaltenen Halbleiter-Laserdiode moduliert wird. Jeder der Signalgeneratoren 21 bis 2 _n erzeugt ein Wech selstromsignal einer anderen Frequenz f₁ bis f_n. Da die Am plitude bzw. die Intensität des von den Laserdioden abge gebenen Lichtes der Stromstärke ihres Versorgungsstromes im wesentlichen proportional ist, geben die Lichtquellen 1 ₁ bis 1 _n also Licht jeweils unterschiedlicher Wellenlänge λ₁ bis λ_n ab, das mit einer jeweils anderen Modulationsfrequenz f₁ bis f_n amplitudenmoduliert ist. Das von den Lichtquellen 1 ₁ bis 1 _n abgegebene Licht wird über Lichtwellenleiter 3 ₁ bis 3 _n ei nem Lichtwellenleiter-Fan-In-Koppler 4 zugeführt, der n Ein gänge, mit denen jeweils einer der Lichtwellenleiter 3 ₁ bis 3 _n verbunden ist, und einen Ausgang aufweist, mit dem ein Lichtwellenleiter 5 verbunden ist. Über den Lichtwellenleiter 5, dessen freies Ende die Lichtaustrittszone der Vorrichtung darstellt, wird im Falle des beschriebenen Ausführungsbei spiels einem lebenden zu untersuchenden Objekt 6, nämlich ei nem Körperbereich eines menschlichen Patienten, und zwar ins besondere einer Mamma, ein Meß-Lichtsignal zugeführt. - Selbstverständlich können auch nicht lebende Objekte, z. B. Gewebeproben, untersucht werden.

Das Meß-Lichtsignal ergibt sich durch Überlagerung des von den Lichtquellen 1 ₁ bis 1 _n jeweils abgegebenen Lichtes mit tels des Lichtwellenleiter-Fan-In-Kopplers 4. Das Licht der Lichtquellen 1 ₁ bis 1 _n wird dem Objekt 6 gleichzeitig und am gleichen Ort zugeführt. Es genügt aber, wenn das Licht der Lichtquellen 1 ₁ bis 1 _n dem Objekt wenigstens im wesentlichen gleichzeitig (quasi-gleichzeitig) zugeführt wird. Das heißt, daß das Licht der Lichtquellen 1 ₁ bis 1 _n so rasch aufeinan derfolgend eingestrahlt wird, daß keine Veränderungen des je weils durchstrahlten Gewebes auftreten können, die zu einer Beeinflussung der Meßergebnisse führen könnten. Auch genügt es, wenn das Licht der Lichtquellen 1 ₁ bis 1 _n dem Objekt 6 an wenigstens im wesentlichen dem gleichen Ort zugeführt wird. Es ist also z. B. möglich, auf den Lichtwellenleiter-Fan-In- Koppler 4 zu verzichten und statt dessen in der aus Fig. 5 ein Lichtleitfaserbündel zu verwenden, dessen eines Ende die Lichtaustrittszone bildet und das an seinem anderen Ende der art aufgefächert ist, daß jeweils eine gleiche Anzahl von Lichtleitfasern zu jeder der Lichtquellen 1 ₁ bis 1 _n führt.

Die Lichtaustrittszone der Vorrichtung sollte sich möglichst dicht bei der Oberfläche des Objektes 6 befinden.

Der Lichtaustrittszone gegenüberliegend sind auf der dieser abgewandten Seite des Objektes 6 Mittel zum Detektieren in Form eines Photomultlipliers 7 angeordnet. Dieser bildet die Lichteintrittszone der Vorrichtung, in die der der Lichtaus trittszone gegenüberliegend aus dem Objekt 6 austretende transmittierte Anteil des Licht-Meßsignales eintritt. Den transmittierten Anteil des Licht-Meßsignales wandelt der Pho tomultiplier 7 in ein elektrisches Signal, dessen zeitlicher Verlauf den zeitlichen Verlauf der Intensität des empfangenen Lichtes insoweit repräsentiert, als er der Amplituden-Hüll kurve des empfangenen Lichtes entspricht. Dabei weisen die den transmittierten Anteilen des Lichtes der Wellenlängen λ₁ bis λ_n entsprechenden Signalkomponenten jeweils eine Phasen verschiebung auf, die der Phasenverschiebung entspricht, die das Licht der entsprechenden Wellenlänge λ₁ bis λ_n auf seinem Weg durch das Objekt erfährt.

Auch die Lichtaustrittszone ist dicht bei der Oberfläche des Objektes 6 angeordnet, das zwischen planen und parallel zu einander verlaufenden für das Licht-Meßsignal wenigstens im wesentlichen transparenten Kompressionsplatten 19, 20 derart aufgenommen ist, daß es eine im wesentlichen konstante Dicke aufweist.

Die Lichtaustritts- und die Lichteintrittszone sind relativ zueinander derart angeordnet, daß bei Abwesenheit eines Ob jektes das von der Lichtaustrittszone ausgehende Licht mittig in die Lichteintrittszone fällt.

Um Daten bezüglich größerer Bereiche des Objektes sammeln zu können, sind Abtastmittel in Form eines Trägers 15 für den Lichtwellenleiter 5 und den Photomultiplier 7 vorgesehen. Der Träger 15 kann mittels einer Verstelleinheit 16, die von der elektronischen Recheneinrichtung 12 gesteuert wird, derart verstellt werden, daß die Lichtaustrittszone (und damit der Einstrahlort) und die Lichteintrittszone der Vorrichtung nach Art einer Abtastbewegung relativ zu dem Objekt 6 verstellt werden. Vorzugsweise erfolgt die Abtastbewegung nicht konti nuierlich, sondern in einer solchen Weise, daß eine Vielzahl von diskreten Abtastpositionen nacheinander abgetastet wird. Beispielsweise kann vorgesehen sein, daß im Zuge der Abtast bewegung Daten für 256 Abtastpositionen gesammelt werden, wo bei die Abtastpositionen matrixartig in jeweils 16 Zeilen und Spalten angeordnet sind und sowohl in Zeilen- als auch in Spaltenrichtung jeweils den gleichen Abstand voneinander auf weisen. Dabei erfolgt die Abtastbewegung vorzugsweise schrittweise in Form einer mäanderförmigen Bewegung, so wie dies in Fig. 3 für vierundsechzig durch Kreuze markierte Ab tastpositionen AP₁ bis AP₆₄ schematisch angedeutet ist.

Das elektrische Signal des Photomultipliers 7 ist den Signal eingängen einer der Anzahl der Lichtquellen 1 ₁ bis 1 _n ent sprechenden Anzahl von Lock-In Verstärkern 9 ₁ bis 9 _n (siehe z. B. McGraw-Hill Encyclopedia of Electronics and Computers, Second Edition, 1988) zugeführt. Den Referenzeingängen der Lock-In Verstärker 9 ₁ bis 9 _n ist jeweils das entsprechende Modulationssignal der Frequenz f₁ bis f_n als Referenzsignal zugeführt.

Die Ausgangssignale der Lock-In Verstärker 9 ₁ bis 9 _n sind ei nem n : 1-Analog-Multiplexer 10 zugeführt, dessen Ausgang mit dem Eingang eines Analog/Digital-Wandlers 11 verbunden ist. Die digitalen Ausgangsdaten des Analog/Digital-Wandlers 11 gelangen zu Auswertemitteln in Form einer elektronischen Recheneinrichtung 12, an die eine Tastatur 13 zur Bedienung der Vorrichtung und eine Anzeigevorrichtung in Form eines Mo nitors 14 angeschlossen sind.

An den Ausgängen der Lock-In Verstärker 9 ₁ bis 9 _n stehen wegen der demodulierenden Wirkung der Lock-In Verstärker 9 ₁ bis 9 _n elektrische Signale zur Verfügung, die die Intensitä ten, d. h. die Amplituden, der von den Lichtquellen 1 ₁ bis 1 _n stammenden Anteile des Lichtes der Wellenlängen λ₁ bis λ_n an dem detektierten, durch das Objekt 6 transmittierten Anteil des Licht-Meßsignales repräsentieren. Dies gilt allerdings nur unter der Voraussetzung, daß die den Referenzeingängen der Lock-In Verstärker 9 ₁ bis 9 _n nachgeschalteten Phasen schieber (diese sind Bestandteile der Lock-In Verstärker 9 ₁ bis 9 _n und erscheinen deshalb nicht in der Fig. 1) dem jewei ligen Referenzsignal eine Phasenverschiebung erteilen, die der Phasenverschiebung entspricht, die das Licht der entspre chenden Wellenlänge λ₁ bis λ_n auf seinem Weg durch das Objekt erfährt.

Die Phasenverschiebung, die die Phasenschieber der Lock- In Verstärker 9 ₁ bis 9 _n dem jeweiligen Referenzsignal ertei len, kann durch den Steuereingängen der Lock-In Verstärker 9 ₁ bis 9 _n zugeführte Gleichspannungen eingestellt werden. Diese Gleichspannungen werden mit Hilfe von Digital/Analog-Wandlern 22 ₁ bis 22 _n erzeugt, die an die elektronische Recheneinrich tung 12 angeschlossen sind.

Die elektronische Recheneinrichtung 12 regelt die Gleichspan nungen unter Überwachung der von dem Analog/Digital-Wandler 11 gelieferten, den Ausgangssignalen der Lock-In Verstärker 9 ₁ bis 9 _n entsprechenden digitalen Daten für jede Abtastposi tion der Abtastbewegung derart, daß das Ausgangssignal der Lock-In Verstärker 9 ₁ bis 9 _n jeweils maximal ist, wobei die dann jeweils eingestellte Phasenverschiebung auch der Phasen verschiebung entspricht, die das Licht der entsprechenden Wellenlänge λ₁ bis λ_n auf seinem Weg durch das Objekt er fährt.

Am Ende der Abtastbewegung stehen also für jede der Abtastpo sitionen bezüglich jeder der Wellenlängen λ₁ bis λ_n die Am plitude des durch das Objekt transmittierten Anteiles des Licht-Meßsignales und die zugehörige Phasenverschiebung zur Verfügung.

In welcher Weise die elektronische Recheneinrichtung 12 die so erhaltenen Daten auswertet, hängt davon ab, welche von zwei Betriebsarten der Vorrichtung mittels der Tastatur 13 gewählt wurde.

In einer ersten Betriebsart ermittelt die elektronische Recheneinrichtung 12 aus den bei Durchführung der zuvor be schriebene Abtastbewegung gesammelten Daten für die einzelnen Abtastpositionen AP₁ bis AP₆₄ den Schwächungskoeffizienten auf Grundlage der Gleichungen (2) und (5).

Die so ermittelten Schwächungskoeffizienten werden auf dem Monitor 14 vorzugsweise graphisch in Form eines Bildes ange zeigt. Dies kann beispielsweise in der Weise erfolgen, daß entsprechend einer definierten Grau- oder Farbwertskala einem bestimmten Wert des Schwächungskoeffizienten ein bestimmter Grau- oder Farbwert zugeordnet wird. Diese Grau- oder Farb werte werden dann in dem Bild an einer der Lage der zugehöri gen Abtastposition entsprechenden Stelle dargestellt. Anhand so gewonnener Bilder besteht insbesondere im Randbereich des Objektes eine verbesserte Möglichkeit, das Vorhandensein von Inhomogenitäten, z. B. eines Tumors T, zu erkennen und die Inhomogenitäten zu lokalisieren, da eine gegenüber üblichen Amplitudenbildern verbesserte Kontrastauflösung erreicht wird.

Im Falle einer zweiten Betriebsart ermittelt die elektroni sche Recheneinrichtung 12 nicht die absoluten, sondern die relativen Schwächungskoeffizienten für die einzelnen Abtast positionen, das heißt die Änderungen des Schwächungskoeffi zienten, die zwischen aufeinanderfolgenden und somit benach barten Abtastpositionen auftreten. Dies geschieht auf Grund lage der Gleichungen (2) und (6). Die Darstellung der so er mittelten Daten auf dem Monitor 14 erfolgt in der zuvor im Zusammenhang mit der ersten Betriebsart beschriebenen Weise, mit dem Unterschied, daß nicht unterschiedlichen absoluten Schwächungskoeffizienten, sondern Änderungen des absoluten Schwächungskoeffizienten, also unterschiedlichen relativen Schwächungskoeffizienten unterschiedliche Grau- oder Farb werte zugeordnet sind.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 unterscheidet sich von dem zuvor beschriebenen zunächst dadurch daß zwischen den Photomultiplier 7 und die Lock-In Verstärker 9 ₁ bis 9 _n eine Mischstufe 21 geschaltet ist, der außer dem Ausgangssignal des Photomultipliers 7 das Ausgangssignal eines Oszillators 28 zugeführt ist, dessen Frequenz f' von den Frequenzen f₁ bis f_n der Modulationssignale nur geringfügig abweicht. Die in dem Ausgangssignal des Photomultiplier 7 enthaltene Pha sen- und Amplitudeninformationen bezüglich der durch das Ob jekt 6 transmittierten von den Lichtquellen stammenden Antei le des Meß-Lichtsignales wird also auf relativ niederfre quente Signale übertragen deren Frequenz jeweils gleich der Differenz der Frequenzen f₁ bis f_n des entsprechenden Modula tionssignales und der Frequenz f' des Ausgangssignales des Oszillators 28 ist. Mit anderen Worten: das Ausgangssignal des Mischstufe 21 enthält für jede der Wellenlängen λ₁ bis λ_n im Vergleich zur jeweiligen Lichtfrequenz als auch Modulati onsfrequenzniederfrequentesignalanteile, die hinsichtlich ihrer Phasenlage und Amplitude der Phasenlage und Amplitude der Signalanteile mit den Wellenlängen λ₁ bis λ_n entsprechen, die in dem dem Photomultiplier 7 zugeführten, durch das Ob jekt transmittierten Anteil des Meß-Lichtsignals enthalten sind.

Das Ausgangssignal des Oszillators 28 ist außerdem einer der Anzahl der Lichtquellen 1 ₁ bis 1 _n entsprechenden Anzahl von Mischstufen 8 ₁ bis 8 _n zugeführt, die es mit jeweils einem der Modulationssignale mischen.

Die Ausgangssignale der Mischstufen 8 ₁ bis 8 _n sind den Refe renzeingängen der entsprechenden Lock-In Verstärker 9 ₁ bis 9 _n zugeführt, an deren Ausgängen dann demodulierte Signale zur Verfügung stehen, die die Intensitäten, d. h. die Amplituden, der von den Lichtquellen 1 ₁ bis 1 _n stammenden Anteile des Lichtes der Wellenlängen λ₁ bis λ_n an dem detektierten, durch das Objekt 6 transmittierten Anteil des Licht-Meßsignales repräsentieren.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 unterscheidet sich von den zuvor beschriebenen dadurch, daß der Lichtwellenleiter- Fan-In-Koppler 4 und der Lichtwellenleiter 5 fehlen. Statt dessen sind die Lichtwellenleiter 3 ₁ bis 3 _n an ihren freien Enden gebündelt, so daß diese eine Lichtaustrittszone bilden.

Weiter unterscheidet sich das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 von den zuvor beschriebenen dadurch, daß der Photomul tiplier 7 nicht an dem Träger 15 angebracht ist. Statt dessen werden dem Photomultiplier 7 die durch das Objekt transmit tierten Anteile des Meß-Lichtsignales über einen Lichtwellen leiter 26 zugeführt, in dessen mit dem Träger 15 verbundenes Ende sie mittels einer Optik 27, die ebenfalls an dem Träger 15 befestigt ist, eingekoppelt werden.

Außerdem unterscheidet sich das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 von dem zuvor beschriebenen dadurch, daß das Ausgangs signal des Oszillators 28 einer der Dynoden des Photomulti pliers 7 zugeführt ist, so daß die Verstärkung des Photomul tipliers 7 mit der Frequenz f' des Ausgangssignal des Genera tors 21 moduliert ist. Durch analoge Mischung in dem Pho tomultiplier 7 enthält dessen Ausgangssignal für jede der Wellenlängen λ₁ bis λ_n ein im Vergleich zur jeweiligen Licht frequenz als auch Modulationsfrequenz niederfrequente Signa le, die hinsichtlich ihrer Phasenlage und Amplitude der Pha senlage und Amplitude den Signalanteilen mit den Wellenlängen λ₁ bis λ_n entsprechen, die in dem dem Photomultiplier 7 zuge führten, durch das Objekt transmittierten Anteil des Meßlichtsignals enthalten sind. Die entsprechenden Signalanteile werden dann mittels der Lock-In Verstärker 9 ₁ bis 9 _n demoduliert und repräsentieren die Intensitäten, d. h. die Amplitu den, der von den Lichtquellen 1 ₁ bis 1 _n stammenden Anteile des Lichtes der Wellenlängen λ₁ bis λ_n an dem detektierten, durch das Objekt 6 transmittierten Anteil des Licht-Meßsigna les.

Bei den Ausführungsformen gemäß den Fig. 4 und 5 erfolgt die Ermittlung der Phasenverschiebung in der im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 beschriebenen Weise.

Im Falle der beschriebenen Ausführungsbeispiele wird, um spektroskopische Untersuchungen durchführen zu können, mit Licht unterschiedlicher Wellenlängen gearbeitet. Es versteht sich, daß eine erfindungsgemäße Vorrichtung auch mit Licht nur einer einzigen Wellenlänge arbeiten kann, sei es, daß sie nur eine einzige Lichtquelle enthält oder nur eine einzige Lichtquelle von mehreren Lichtquellen unterschiedlicher Wel lenlängen aktiviert ist.

Die Mittel zum Detektieren können anstelle eines Photomulti pliers auch einen Photohalbleiter, z. B. eine Photodiode, ins besondere eine Avalanche-Photodiode (APD), oder ein CCD auf weisen.

Statt des Monitors 14 kann als Anzeigemittel ein LED-, LCD- oder Plasma-Display vorgesehen sein.

Die im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen beschrie bene Ausbildung der Mittel zum Einstrahlen von Licht in das Objekt, die im Falle der Ausführungsbeispiele durch die Lichtquellen 1 ₁ bis 1 _n, die Signalgeneratoren 2 ₁ bis 2 _n, die Lichtwellenleiter 3 ₁ bis 3 _n, den Lichtwellenleiter-Fan-In- Koppler 4 und den Lichtwellenleiter 5 gebildet sind, können auch andersartig ausgebildet sein. So kann beispielsweise die gleichzeitige Einstrahlung des Lichtes der Lichtquellen 1 ₁ bis 1 _n am gleichen Ort auch mittels einer Spiegelanordnung bewirkt werden.

Im Falle der beschriebenen Ausführungsbeispiele enthalten die Mittel zum Einstrahlen von Licht Lichtwellenleiter 3 ₁ bis 3 _n, die ebenso wie der Lichtwellenleiter 26 als gläsernen Licht leitfasern oder Lichtleitfaserbündel ausgeführt sind. Andere geeignete Lichtwellenleiter können Verwendung finden.

Auch die Ausbildung der Abtastmittel ist nur beispielhaft zu verstehen. Ein anderer Aufbau der Abtastmittel sowie von der beschriebenen Abtastbewegung abweichende Abtastbewegungen sind möglich.

Im Falle der beschriebenen Ausführungsbeispiele ist das zu untersuchende Objekt zwischen zwei Kompressionsplatten 19, 20 angeordnet, so daß sich eine im wesentlichen konstante Dicke des Objektes 6 ergibt, die nur im Randbereich des Objektes 6 unterschritten wird. Falls eine derartige Kompression des zu untersuchenden Objektes nicht möglich sein sollte, sind in vorteilhafter Weise keine besonderen Maßnahmen notwendig, um die Dicke d des Objektes meßtechnisch zu erfassen, da die Dicke d des Objektes an der jeweiligen Abtastposition der ohnehin erfaßten Phasenverschiebung entspricht.

Um zu vermeiden, daß der Photomultiplier 7 durch eine direkte Bestrahlung mit dem Meß-Lichtsignal überbelichtet wird, be steht die Möglichkeit, unter Zuhilfenahme einer geeigneten Sensoreinrichtung die mäanderförmige Abtastbewegung so zu steuern, daß sie, wie in Fig. 3 strichliert angedeutet, nur solche Abtastpositionen erfaßt, bei denen sichergestellt ist, daß sich das Objekt 6 zwischen Lichtaustritts- und Lichtein trittszone befindet. Die entsprechenden Abtastpositionen sind in Fig. 3 schraffiert.

Im Hinblick auf die neuerdings stark gesunkenen Preise von Analog/Digital-Wandlern besteht übrigens auch die Möglich keit, den Multiplexer 10 und den Analog/Digital-Wandler 11 durch eine der Anzahl der Lock-In Verstärker 9 ₁ bis 9 _n ent sprechende Anzahl von Analog/Digital-Wandlers zu ersetzen, die den Lock-In Verstärkern 9 ₁ bis 9 _n direkt nachgeschaltet sind und mit 12 in Verbindung stehen.

Claims

1. Vorrichtung zur Untersuchung von Gewebe mit Licht aufwei send

a) Mittel (1 ₁ bis 1 _n, 2 ₁ bis 2 _n, 3 ₁ bis 3 _n, 4, 5) zur Ein strahlung von Licht einer definierten Wellenlänge (λ₁ bis λ_n), die eine Lichtaustrittszone für das Licht aufweisen,
b) Mittel (7) zum Detektieren von Licht, die eine der Licht austrittszone gegenüberliegende Lichteintrittszone auf weisen und ein dem detektierten Licht entsprechendes Aus gangssignal abgeben,
c) Abtastmittel (15, 16), die eine Verlagerung der Licht austritts- und der Lichteintrittszone im Sinne einer Ab tastbewegung in verschiedene Abtastpositionen bewirken,
d) Signalverarbeitungsmittel, denen das Ausgangssignal der Mittel (7) zum Detektieren zugeführt ist, welche für die verschiedenen Abtastpositionen Amplitude und Phasenlage des Ausgangssignals der Mittel (7) zum Detektieren ermitteln,
e) Auswertemittel (12), welche anhand der ermittelten Ampli tuden und Phasenlagen für die verschiedenen Abtastpo sitionen Schwächungskoeffizienten des durchstrahlten Gewebes nach dem Beer-Lambert'schen Gesetz ermitteln, und
f) Anzeigemittel (14), welche die Schwächungskoeffizienten als Funktion der Abtastposition als Bild darstellen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, deren Mittel (1 ₁ bis 1 _n, 2 ₁ bis 2 _n, 3 ₁ bis 3 _n, 4, 5) zur Einstrahlung von Licht mit einem Modulationssignal amplitudenmoduliertes Licht abgeben.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, deren Auswertemittel (12) an hand der mittels der Signalverarbeitungsmittel für die ver schiedenen Abtastpositionen ermittelten Amplituden und Pha senlagen des Ausgangssignals den Schwächungskoeffizienten µ (x) in Abhängigkeit von der Abtastposition nach der Gleichung
ermitteln, wobei
A(x) die Amplitude des detektierten Lichtes in Abhängigkeit von der Abtastposition,
A(x₀) die Amplitude des detektierten Lichtes am Rand des Ob jektes,
d(x) die Dicke des Objektes in Abhängigkeit von der Abtast position,
sind, und wobei die Dicke d(x) nach der Gleichung
ermittelt wird, in der
ϕ(x) die auf dem Weg durch das Gewebe auftretende Phasenver schiebung des detektierten Lichtes in Abhängigkeit von der Abtastposition,
ω die Modulationsfrequenz des eingestrahlten Lichtes
c die Lichtgeschwindigkeit, und
n der Brechungsindex des Gewebes
sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, deren Auswertemittel (12) den relativen Schwächungskoeffizienten µ_r in Abhängigkeit von der Abtastposition nach der Gleichung
ermitteln, wobei
A(x) die Amplitude des detektierten Lichtes in Abhängigkeit von der Abtastposition,
A(x₀) die Amplitude des detektierten Lichtes am Rand des Ob jektes,
Δd(x) die Differenz der Dicke des Objektes an der jeweiligen Abtastposition und der Dicke des Objektes am Rand des Objektes,
sind, und wobei die Dickendifferenz Ad(x) nach der Gleichung
ermittelt wird, in der
d(x) die Dicke des Objektes ϕ(x) in Abhängigkeit von der Ab tastposition,
d(x₀) die Dicke des Objektes am Rand des Objektes,
ϕ(x) die auf dem Weg durch das Gewebe auftretende Phasenver schiebung des detektierten Lichtes in Abhängigkeit von der Abtastposition,
ϕ(x₀) die am Rand des Objektes auf dem Weg durch das Gewebe auftretende Phasenverschiebung des detektierten Lich tes,
ω die Modulationsfrequenz des eingestrahlten Lichtes,
c die Lichtgeschwindigkeit, und
n der Brechungsindex des Gewebes
sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, deren Signalverarbei tungsmitteln außer dem Ausgangssignal der Mittel (7) zum De tektieren das Modulationssignal zugeführt ist, wobei die Signalverarbeitungsmittel das Ausgangssignal der Mittel (7) zum Detektieren demodulieren.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, deren Signalverarbei tungsmittel eine Mischstufe (8 ₁ bis 8 _n) enthalten, die das Modulationssignal mit einem hinsichtlich seiner Frequenz von der des Modulationssignals geringfügig abweichenden Signal mischt, und deren Ausgangssignal den Signalverarbeitungsmit teln außer dem Ausgangssignal der Mittel (7) zum Detektieren zugeführt ist, wobei die Signalverarbeitungsmittel das Aus gangssignal der Mittel (7) zum Detektieren demodulieren.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, deren Signalverarbei tungsmittel eine Mischstufe (8 ₁ bis 8 _n) enthalten, die das Modulationssignal mit einem hinsichtlich seiner Frequenz von der des Modulationssignals geringfügig abweichenden Signal mischt, und deren Mittel zum Detektieren (7) eine variable Verstärkung aufweisen, die mit einem mit dem Ausgangssignal der Mischstufe moduliert ist, wobei die Signalverarbeitungs mittel das Ausgangssignal der Mittel (7) zum Detektieren de modulieren.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, deren Signalverarbeitungs mittel einen Lock In-Verstärker (9 ₁ bis 9 _n) enthalten, dessen Referenzeingang das Modulationssignal als Referenzsignal und dessen Signaleingang das Ausgangssignal der Mittel (7) zum Detektieren zugeführt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, deren Signalverarbei tungsmittel einen Lock In-Verstärker (9 ₁ bis 9 _n) enthalten, dessen Referenzeingang das Ausgangssignal der Mischstufe als Referenzsignal und dessen Signaleingang das Ausgangssignal der Mittel (7) zum Detektieren zugeführt ist.