DE19654053A1

DE19654053A1 - Bestimmung der lokalen optischen Eigenschaften in stark streuenden Medien

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Publication number: DE19654053A1
Application number: DE1996154053
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-12-23
Filing date: 1996-12-23
Publication date: 1998-06-25

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der lokalen optischen Eigenschaften in stark streuenden Medien. Es eignet sich besonders für den Einsatz zur Untersuchung von biologischen, insbesonders menschlichem Gewebe. Das Verfahren ist für den in-vitro Einsatz genauso geeignet wie für den in-vivo Einsatz. Es eignet sich insbesonders für die Diagnose von pathologischen Veränderungen in tiefer liegenden Gewebeschichten, wie zum Beispiel zur Diagnose des Mamakarzinoms. Das Verfahren eignet sich aber erfindungsgemäß auch zum Einsatz in der Verfahrenstechnik.

Es ist bekannt, daß bei der Wechselwirkung zwischen Licht und biologischem Material das Licht sowohl absorbiert als auch gestreut wird. Besonders die Streuprozesse erschweren die Rekonstruktion der Ortsinformation erheblich. Daher werden zur Zeit zur Diagnose tiefer lie gender Schichten im Muskel-, Fett oder Knochengewebe klinisch nahezu ausschließlich Röntgentechniken, Ultraschallverfahren oder seit neuerem auch die Kernspinresonanz einge setzt. Da Licht keine ionisierende Wirkung hat, als wenig belastend gilt und relativ leicht Schädelknochen und dickere Gewebeschichten durchdringen kann (1, 2, 3), versucht man in letzter Zeit intensiv optische tomographische Verfahren insbesonders zur Mammographie zu entwickeln (4, 5, 6, 7, 8). Da Tumorgewebe in der Brust Licht stärker absorbiert (8, 9) als ge sundes Gewebe, beurteilt man hier die Erfolgsaussichten optischer Methoden besonders posi tiv. Auch zum Nachweis von Gehirnblutungen wurden optische Verfahren bereits erfolgreich eingesetzt (10). Zur Erreichung der für den diagnostischen Einsatz erforderlichen räumlichen Auflösung auch in tiefer liegenden Gewebeschichten werden bei der optischen Tomographie zur Zeit vor allem die drei folgenden Konzepte verfolgt:
Time-domain Spektroskopie (TDS): Bei dieser Technik werden ultrakurze Laserimpulse (typische Pulsdauer ist einige ps) auf die Probe gebracht. Beim Durchgang des Lichtes durch die Probe wird die Pulsdauer durch die Streuprozesse verlängert. Die als erstes aus der Probe austretenden Photonen (ballistic photons) haben nur wenige Streuprozesse erfahren und die Ortsinformation ist nur wenig gestört. Als snake photons bezeichnet man die zeitlich kurz nach den ballistischen Photonen austretenden Lichtquanten. Trotz Streuprozesse enthalten diese Photonen noch Ortsinformationen (14, 15, 16). Durch geeignete Maßnahmen (schnelle Zeitfenster, Korrelationstechniken) kann man die ballistischen und snake-Photonen von den sogenannten diffuse photons trennen. Auf die ballistischen (und mit Einschränkungen auf die snake photons) können ähnliche Rekonstruktionsverfahren angewandt werden, wie in der Röntgen- und Ultraschalltomographie. Die TD-Spektroskopie läßt sich auch zur Lokalisierung fluoreszierender Gebiete in biologischen Proben einsetzen (17). In Tierversuchen konnten mit dieser Technik Objekte mit einer Ausdehnung von 2,5 mm mit einer Ortsauflösung im Milli meterbereich detektiert werden (18). Ein erstes auf diesem Prinzip basierendes Gerät ist in der klinischen Erprobung.

Frequency-domain Spektroskopie (FDS): Photonen, die nach zahlreichen Streuprozessen aus treten, nennt man diffuse photons. Zur Gewinnung von Ortsinformationen aus den diffus ge streuten Photonen wird die Lichtquelle amplitudenmoduliert und Phase und Amplitude des aus der Probe austretenden Lichts analysiert (21, 22). Auch Ultrakurzzeitlichtimpulse mit hoher Wiederholrate werden eingesetzt (22, 23). Mit dieser Technik wurde im Labor eine Tiefenauflösung von 0,1 mm bei einer Eindringtiefe von etwa 10 mm erreicht (23). Zur Erhö hung der Spezifität werden diese Verfahren auch bei verschiedenen Frequenzen durchgeführt.

Die bisher beschriebenen Verfahren sind aufwendig, man benötigt für die TDS zum Beispiel Laserlichtquellen mit Pulsdauern im Pikosekundenbereich. Die wünschenswerte Raumauf lösung wird bisher nicht erreicht. Bei den Pulstechniken muß die mittlere Leistung klein ge halten werden, um zu große Spitzenbelastungen zu vermeiden. Dies führt zu erhöhtem Auf wand in der Detektion.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßmethode bereitzustellen, die es ermög licht, auch in stark streuenden Medien, wie zum Beispiel in biologischen Substanzen, insbe sonders in menschlichem Gewebe, die lokalen optischen Eigenschaften, insbesonders solche, die für die medizinische Diagnostik oder für die Beschreibung des stark streuenden Mediums von Bedeutung sind, mit der notwendigen Ortsauflösung qualitativ oder quantitativ zu be stimmen.

Erfindungsgemaß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß bei der Untersuchung gleichzeitig zur optischen Untersuchung, sie kann im Durchlicht oder im gestreuten, zum Beispiel rück gestreuten Licht erfolgen, das Gewebe einem räumlich eng begrenzten Schallfeld ausgesetzt wird. Durch das Schallfeld wird ein Brechungsindexmuster im Untersuchungsobjekt erzeugt und auf diese Weise die optischen Eigenschaften des Gewebes lokal verändert. Aus der Ultra schalldiagnostik sind die akustischen Eigenschaften (zum Beispiel von menschlichem Ge webe) und die durch eine Schallwelle verursachten Veränderungen gut bekannt. Erfindungs gemäß wird die Wirkung dieser Veränderung auf das gestreute oder transmittierte Licht quali tativ oder quantitativ bestimmt und daraus die Ortsinformation gewonnen. Aus der bekannten Lage der akustischen Welle im Gewebe bzw. dem trüben Medium und gegebenenfalls unter Ausnutzung der Richtungsabhängigkeit der Wechselwirkung von Schall- und optischem Effekt, können die optischen Eigenschaften lokal mit großer Raumauflösung bestimmt werden. Bei Bestrahlung des Gewebes mit einem fokussierten Schallimpuls kann die Lage des Schall impulses beim Durchlaufen durch das Gewebe relativ genau als Funktion der Zeit angegeben werden, da die Schallgeschwindigkeit im Gewebe bekannt ist. Dieser Sachverhalt wird in der Ultraschalldiagnostik weitgehend zur Lokalisierung von akustischen Inhomogenitäten durch Messung der Laufzeit des Schallimpulses genützt. Da erfindungsgemäß das durch die Schall welle veränderte Licht analysiert wird, hat die hier beschriebene Methode mindestens die gleiche Ortsauflösung, wie die Ultraschalltechnik. Erfindungsgemaß kann die Ortsauflösung darüberhinaus gesteigert werden, indem die Richtungsabhängigkeit der Frequenzänderung des an der Schallwelle gestreuten Lichtes genutzt wird. Die Streulichtintensität besitzt zum Bei spiel bei Streuung unter dem Bragg-Winkel ein Maximum. Erfindungsgemaß kann die Raum auflösung auch durch Überlagerung mehrere Schall oder Lichtwellen erhöht werden.

Die Erfindung hat also den Vorteil, daß auf die hochentwickelte Technik der Ultraschall diagnose zurückgegriffen werden kann. Es wird eine Raumauflösung erreicht, die mindestens jener der Ultraschalltechnik entspricht. Es können Laser mit relativ geringer Leistung ver wendet werden. Dies ist nicht nur von Vorteil für die Belastung des Patienten mit Laserlicht, sondern gestattet auch die Verwendung preiswerter Laser. Durch gleichzeitige Auswertung der Ultraschallbilder und der optischen Tomographie wird eine diagnostische Sensibilität und Sicherheit erreicht, die weder durch Kombination vorhanden Diagnoseverfahren noch durch die optische Tomographie allein erreichbar sind. Die Erfindung läßt die Kombination bzw. Einbeziehung vorhandener akustischer Diagnoseeinrichtungen zu und ist daher besonders kostengünstig.

Literatur

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[15] K.M. Yoo, F. Liu, and R.R. Alfano, Phys. Rev. Lett, 64, 2647 (1990) errata. 65 2210 (1990)
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[17] Jun Wu, Yang Wang, L. Perelman, I. Itzkan, R.R. Dasari, and M.S. Feld, "Time resolved multichannel imaging of fluorescent objects embedded in turbid media". Opt. Lett. 20, 489-491 (1995)
[18] B.B. Das, K.M. Yoo, and R.R. Alfano, "Ultrafast time-gated imaging in thick tissues: a step toward optical mammography", Opt. Lett. 18, 1092-1094 (1993)

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der lokalen physikalischen und chemischen Eigenschaften in stark streuenden Medien dadurch gekennzeichnet, daß das Untersuchungsobjekt, dies kann biologisches Material, wie weibliches Brustgewebe aber auch anorganisches Material, wie eine trübe Flüssigkeit sein, mit Ultraschall in seinen optischen Eigenschaften lokal verändert wird und gleichzeitig elektromagnetischen Wellen, vorzugsweise im Bereich des sichtbaren Lichtes ausgesetzt wird. Licht, das mit dem Untersuchungsobjekt in Wechselwirkung tritt, wird dadurch nicht nur durch die physikalischen oder chemischen Eigenschaften des Unter suchungsobjektes, sondern auch zusätzlich durch die Wechselwirkung mit dem Schallfeld verändert. Aus dem aus dem Untersuchungsobjekt austretenden Licht wird jenes, das durch das Schallfeld verändert wurde, ausgefiltert.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß eine Laserlichtquelle zur Erzeu gung der elektromagnetischen Strahlung verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Abtrennung des durch die Schallwelle veränderten aus dem Untersuchungsobjekt austretenden Lichtes dadurch er folgt, daß die Schallwelle eine Amlitudenmodulation bewirkt und das amplitudenmodulierte Licht vom nicht amplitudenmodulierten Licht durch geeignete Filtertechniken abgetrennt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Abtrennung des durch die Schallwelle veränderten aus dem Untersuchungsobjekt austretenden Lichtes dadurch er folgt, daß die Schallwelle eine Frequenzmodulation bewirkt, und das frequenzmodulierte Licht vom nicht frequenzmodulierten Licht durch geeignete Filtertechniken abgetrennt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Abtrennung des durch die Schallwelle veränderten aus dem Untersuchungsobjekt austretenden Lichtes dadurch er folgt, daß die Schallwelle eine Amplituden- und Frequenzmodulation bewirkt, und das so ver änderte Licht vom nicht amplituden- oder frequenzmodulierten Licht durch geeignete Filter techniken abgetrennt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß ein gut fokussier ter Ultraschallpuls durch das Untersuchungsobjekt geschickt wird und die Auswertung des aus dem Untersuchungsobjekt austretenden Lichtes mit dem Ultraschallpuls korreliert wird. Da die Schallgeschwindigkeit gut bekannt ist, kann aus der Einstrahlrichtung des Ultraschalles und Einstellen der Verzögerungszeit zwischen dem Auslösung des Ultraschallpulses und dem Beginn und Ende der Analyse des aus dem Untersuchungsobjekt austretenden Lichtes auf die genaue Position des Ultraschallpulses zum Zeitpunkt der Messung geschlossen werden. Die damit erreichbare Raumauflösung wird dadurch nicht von den optischen Eigenschaften des Untersuchungsobjektes (Streuung des Lichtes), sondern von den akustischen Eigenschaften und von der Länge und räumlichen Ausdehnung des Schallpulses beeinflußt. Durch Wahl der zeitlichen Länge des Meßfensters kann die Raumauflösung des Verfahrens außerdem von der Länge des Ultraschallpulses unabhängig gemacht werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Schallwelle verursachte Frequenzmodulation des Lichtes nicht nur von der Wellenlänge des Lichtes und des Schalles abhängt, sondern auch vom Winkel zwischen Schall und Licht. Durch Ausfiltern eines bestimmten Frequenzbereiches aus dem aus dem Untersuchungsobjekt austretenden Lichts kann eine bestimmte Richtung des auf den Detektor fallenden Streulichtes selektiert werden. Aus der Kenntnis dieser Richtung und der Lage des Schallfeldes im Unter suchungsobjekt wird der Ort festgelegt, aus dem das so ausgefilterte Licht stammt. Es ist der Überschneidungsbereich zwischen dem Schallfeld und der selektierten Richtung.

8. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß eine stehende Lichtwelle erzeugt wird und das an dieser Welle gebeugte Licht analysiert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr Schallwellen durch das Untersuchungsobjekt geschickt werden und die Schallwellen sich überlagern. Im Überlagerungsbereich entsteht eine stehende oder sich nur langsam verän dernde Modulation des Brechungsindex. An diesem Brechungsindexmuster wird Licht in seiner Amplitude, Richtung oder Frequenz verändert. Die Abtrennung des so veränderten Lichtes erfolgt auf die in den Ansprüchen 1 bis 3 beschriebene Weise. Die Raumauflösung ist durch die Ausdehnung des Überlagerungsbereiches der Schallwellen bestimmt.