DE19850149C2

DE19850149C2 - Verfahren zur topographischen Darstellung fluoreszierender innerer Oberflächen

Info

Publication number: DE19850149C2
Application number: DE19850149A
Authority: DE
Inventors: Reginald Birngruber; Joachim Noack; Ursula Schmidt-Erfurth
Original assignee: MED LASERZENTRUM LUEBECK GmbH; Medizinisches Laserzentrum Luebeck GmbH
Current assignee: UNIVERSITAET ZU LUEBECK, 23562 LUEBECK, DE
Priority date: 1998-10-30
Filing date: 1998-10-30
Publication date: 2002-10-10
Anticipated expiration: 2018-10-31
Also published as: US6234633B1; DE19850149A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur topographischen Darstellung von inneren Oberflächen eines Objektes, bei dem das Objekt mit einem Laserstrahl lateral abgetastet und da bei induzierte Fluoreszenz als Funktion des Ortes detektiert wird.

Stand der Technik

Aus der DE 44 27 101 A1 ist ein Verfahren zur optischen Cha rakterisierung von innerer Struktur und Zusammensetzung ei ner ausgedehnten streuenden Probe bekannt. Hierzu werden ei ne oder mehrere Lichtquellen zum Bestrahlen der Probe und Lichtdetektoren zum Empfangen des von der Probe zurückkom menden Lichtes verwendet. Damit das eingekoppelte Licht ohne direktes Übersprechen der Lichtquelle durch die Probe zum Detektor gelangen kann, muss die Probe das eingedrungene Licht streuen.

Ferner ist in der Medizin mittels Fluoreszenzangiographie eine topographische Gefäßdarstellung an einem Körperorgan möglich. Hierzu wird dem Patienten ein exogener Fluoreszenz farbstoff, z. B. Fluorescein oder Indiocyanin Grün in die Blutbahn injiziert und anschließend wird die Fluoreszenz des Farbstoffes durch punktförmige Abtastung des Organs, z. B. des Auges mit einem Laserstrahl geeigneter Wellenlänge ange regt und lateral ortsaufgelöst mit einem Detektor erfaßt. Bei dem so gewonnenen Fluoreszenzbild erscheinen die Gefäß strukturen hell vor dem dunkleren Hintergrund. Gefäßleckagen erscheinen als Regionen vermehrter Fluoreszenz. Eine herkömmliche Fluoreszenzdarstellung ermöglicht es, den Ort der Fluoreszenz in lateraler Richtung sehr genau zu bestimmen.

Man gewinnt jedoch keine Aussage über die Tiefe der Fluores zenz.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren der ein gangs genannten Art zu schaffen, mit dem eine dreidimensio nale Fluoreszenzdarstellung ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird beim Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Pa tentanspruches 1 gelöst. Hierbei werden nicht nur lateral, sondern auch in unterschiedlicher Tiefe (z-Richtung) konfo kal Fluoreszenzbilder erzeugt. Für jeweilige lateral abge tastete Positionen wird ein Fluoreszenztiefenprofil F_r (z), welches die Fluoreszenzintensität als Funktion der Tiefe (z) angibt, ermittelt und für die Bestimmung der Tiefe des Fluo reszenzortes wird ein bestimmtes Charakteristikum des Fluo reszenztiefenprofils ausgewertet.

Zur Vorbereitung des Verfahrens wird in dem zu untersuchen den Objekt ein Fluoreszenzfarbstoff appliziert. Neben der systematischen Applikation von exogenen Fluoreszenzfarbstof fen können diese auch lokal durch Injektion oder im Kontakt verfahren appliziert und somit im zu untersuchenden Objekt, z. B. im biologischen Gewebe räumlich verteilt werden. Insbe sondere kann Fluoreszenzfarbstoff in der Gefäßstruktur von biologischen Gewebe appliziert werden. Weiterhin können im Objekt natürlich verhandene, sogenannte endogene Fluorophore durch insbesondere punktförmige Abtastung ortsaufgelöst an geregt werden.

Die Fluoreszenz wird mittels einer konfokalen Laserabtastung tiefen- und ortsaufgelöst detektiert. Hierbei wird das zu untersuchende Material, welches ein Körperorgan, z. B. die Netzhaut des Auges sein kann, mit einem Laserstrahl geeigne ter Wellenlänge abgetastet und die induzierte Fluoreszenz als Funktion des Ortes mit einem Fotodetektor registriert. Durch die Verwendung eines konfokalen Aufbaus bei der Detek tion wird das erzeugte Fluoreszenzlicht umso effizienter de tektiert je mehr es aus der abgetasteten Tiefe des Laserfo kus kommt. Durch die konfokale Abtastung vieler Orte im Raum läßt sich ein dreidimensionales Bild der Fluoreszenzintensi tät im Objekt, z. B. am Augenhintergrund oder der Haut ge winnen.

Es können beispielsweise 32 Fluoreszenzbilder in Ebenen unterschiedlicher Tiefe erzeugt werden. Man erhält dadurch eine dreidimensionale Datenmatrix von Fluoreszenzintensitä ten vorliegen. Die Anzahl der Matrixelemente in lateraler Richtung (x bzw. y) kann beispielsweise bei jeweils 256 und in axialer Richtung (z) 32, entsprechend den verschiedenen Schnittebenen, betragen. Aus diesem Gesamtdatensatz der Fluoreszenzintensitäten läßt sich für jede laterale Position das Fluoreszenztiefenprofil F_r (z) der Fluoreszenzintensität als Funktion der Tiefe (z) extrahieren.

Die Bestimmung der Tiefe des Ortes, an dem die Fluoreszenz auftritt, wird unabhängig von der absoluten Größe der Fluo reszenzintensität durchgeführt. Hierzu wird der Verlauf des Fluoreszenztiefenprofils im Hinblick auf Charakteristika der Kurve des Fluoreszenztiefenprofils ausgewertet. Derartige Charakteristika können sein beispielsweise ein Wendepunkt, bestimmte Orte des monotonen Kurvenanstiegs zum Maximum der Kurve, das Maximum der Kurve selbst oder dergleichen. Bei der Auswertung der einzelnen Fluoreszenztiefenprofile wird immer das gleiche Charakteristikum des Kurvenverlaufes ausgewertet, um die Tiefe des "Einsetzen" der Fluoreszenz zu bestimmen. In bevorzugter Weise führt man eine Normierung des Fluoreszenz tiefenprofils bzw. der Kurve dieses Profils durch, so daß die Auswertung unabhängig von der absoluten Größe der Fluoreszen zintensität wird.

Beispielsweise wird die Tiefe des "Einsetzen" der Fluoreszenz als der Ort definiert, an dem die Fluoreszenz erstmals einen gewissen Bruchteil c, z. B. 80% des Maximalwertes des Fluores zenztiefenprofils überschreitet. Die Bestimmung der Tiefe für jeden lateralen Ort, in der die Fluoreszenz "einsetzt", führt zu einer topographischen Karte des Fluoreszenzvolumens und somit zu einer konfokal erzielten Topographie fluoreszieren der innerer Oberflächen im Objekt. Diese kann einerseits in Graustufen kodiert und andererseits als perspektivische Darstellung wiedergegeben werden. In diesen Darstellungen sind z. B. bei der Fluoreszenzangiographie am Augenhinter grund die retinalen Gefäße als deutliche Erhebungen erkenn bar. Durch die Visualisierung der dreidimensionalen Oberflä che der fluoreszierenden Strukturen ergibt sich eine grundle gende Erweiterung der Fluoreszenzdarstellung. Es können beispielsweise in der Fluoreszenzangiographie vaskuläre Veränderungen diagnostiziert werden. Ferner ist dort die Verlaufskontrolle und die Evaluierung von Therapieerfolgen bei Gefäßerkrankungen möglich. Durch die Darstellung von Gefäßleckagen ergibt sich ein dreidimensionales Funktionsbild der Gefäßstruktur. Ferner können Hautuntersuchungn durchge führt werden.

Eine bevorzugte Verwendung findet die Erfindung bei Untersu chungen am Auge, insbesondere am Augenhintergrund.

Beispiele

Anhand der Figuren wird die Erfindung an einem Ausführungs beispiel noch näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1: Eine schematische Darstellung der Vorrichtung, mit welcher das erfindungsgemäße Verfahren sich durch führen läßt;

Fig. 2: Eine Erläuterung der in der Vorrichtung der Fig. 1 vorgesehenen Auswerteeinrichtung, welche die Speicherung der erhaltenen Fluoreszenzindensitätsdaten und Verarbeitung dieser Daten zur Aufberei tung eines dreidimensionalen Bildes durchgeführt;

Fig. 3: eine Veranschaulichung der verschiedenen Tiefen, aus denen Fluoreszenzbilder am Beispiel eines Augenhintergrunds dargestellt sind;

Fig. 4: ein beispielsweise durch laterale Mittelung erzeug tes Fluoreszenztiefenprofil; und

Fig. 5: eine perspektivische Darstellung einer mit Hilfe der Erfindung gewonnenen Gefäßtopographie am Augenhintergrund.

In der Fig. 1 ist eine Laserstrahlquelle 1 dargestellt, deren Laserstrahl durch eine laterale (x, y) - Ablenkeinrich tung 2 und eine Umlenkeinrichtung 3 auf den Hintergrund eines Auges 4 gerichtet wird. Die von diesem Laserstrahl induzierte Fluoreszenz in den Gefäßen des Augenhintergrundes wird mit tels konfokaler Ophthalmoskopie erfaßt. Hierzu ist eine Fokusierungseinrichtung 5 vorgesehen, welche zusammen mit einer konfokalen Blende 9, wie bei herkömmlicher Konfokalmi kroskopie, die in unterschiedlichen Tiefen (z-Richtung) in jeweiligen Schnittebenen induzierten Fluoreszenzintensitäten für die Erfassung einem Detektor 6 zuleitet. Durch Verschie bung z. B. der Fokusierungsoptik oder der konfokalen Blende 9 lassen sich die Fluoreszenzintensitäten für jeweilige Orte eines dreidimensionalen Datenpunktgitters 15 (Fig. 3) ermit teln. In den beiden lateralen Richtungen (x, y) können bei spielsweise jeweils 256 Gitterpunkte liegen und in axialer Richtung (z) 32 Gitterebenen vorgesehen sein. Durch eine mit dem Detektor 6, der lateralen (x, y)-Ablenkeinrichtung 2, der Fokussierungsoptik 5 und der konfokalen Blende 9 verbundenen Elektronik 7 läßt sich die vom Detektor 6 erfaßte Fluoreszenz den jeweiligen Orten des Datenpunktgitters 15 zuordnen und in einem Speicher 10 (Fig. 2) einer Bildverarbeitungseinrichtung 8 speichern.

Aus diesem dreidimensionalen Gesamtdatensatz der Fluoreszenz wird für jeweilige laterale Positionen (r) das Fluoreszenz tiefenprofil F_r (z), welches die Fluoreszenzintensität als Funktion der Tiefe (z) angibt, extrahiert, wie es schematisch durch eine Einheit 11 in der Fig. 2 dargestellt ist. Der Verlauf des Fluoreszenztiefenprofils kann mit einem deutli chen Rauschen überlagert sein. Es kann sich hierbei um elek tronisches Rauschen und nicht vollständig korrigierte Bewe gungsartefakte aufgrund von Objektbewegung während der Auf nahme des Datenpunktgitters handeln. Bei vielen Objekten, insbesondere im biologischen Gewebe kann angenommen werden, daß sich die Fluoreszenzintensität innerhalb einer Bildebene kontinuierlich und nicht sprunghaft ändert. Zur Veringerung des Einflusses des Rauschens auf das Fluoreszenzprofil, kann daher in diesen Fällen eine laterale Mittelung über einen bestimmten Bereich durchgeführt werden, beispielsweise eine laterale Mittelung über eine Umgebung mit 7 × 7 lateralen Positionen. Hieraus resultiert dann eine deutliche Verringe rung des Rauschens auf dem Fluoreszenztiefenprofil. Die Mittelung kann in einer Stufe 12 der Fig. 2 erfolgen. In der Fig. 4 ist ein derartiges durch laterale Mittelung gewonne nes und geglättetes Fluoreszenztiefenprofil dargestellt.

Aus dem Kurvenverlauf der jeweils ermittelten Fluoreszenztie fenprofile, welcher vorzugsweise noch normiert (Maximum = 1) worden ist, läßt sich die Tiefe (z) bestimmen, in der die Fluoreszenz einsetzt (Stufe 13 in Fig. 2). Aufgrund der geringen Tiefenauflösung des konfokalen Verfahrens verursa chen selbst schlagartige Übergänge, wie z. B. an Gefäßen, lediglich einen graduellen Anstieg der Fluoreszenzintensität mit wachsender Tiefe. Die Tiefe des "Einsetzen" der Fluores zenz wird daher als der Ort definiert, an dem die Floureszenz erstmals einen bestimmten Bruchteil (c), z. B. 80% des Maxi malwertes überschreitet. Es können auch andere Charakteristi ka im Kurvenverlauf, z. B. ein Wendepunkt oder bestimmter Gradient in einem monotonen Anstieg oder dergleichen für die Auswertung verwendet werden.

Die Bestimmung der Tiefe, in der Fluoreszenz für jeden Ort "einsetzt", führt zu einer topographischen Karte des Fluores zenzvolumens, die z. B. in Graustufen kodiert oder als per spektivische Darstellung dargestellt werden kann. Dies er folgt in einer Stufe 14 der Fig. 2, wobei die gewonnene topographische Karte in perspektivischer Darstellung in Fig. 5 gezeigt ist. In dieser Darstellung sind z. B. die retinalen Gefäße eines Fluoreszenzangiograms des Augenhintergrunds als deutliche Erhebungen erkennbar.

Da für die Aufnahme der beispielsweise 32 Fluoreszenzbilder in den unterschliedlichen Tiefen eine bestimmte Zeit (ca. 1,5 bis 2 Sekunden) erforderlich ist, kann es zu einer Bewegung des Objekts, z. B. des Augapfels kommen. In diesem Fall können die einzelnen Ebenen, in denen die Fluoreszenzbilder liegen, zunächst anhand von charakteristischen Merkmalen ausgerichtet und so die Augenbewegung kompensiert werden. Hierbei können sowohl Rotations- als auch Translationsbewegungen berücksich tigt werden. Für die Ausrichtung der einzelnen Schnittebenen wird eine Ebene in einem mittleren Tiefenbereich als Referenzebene gewählt und alle übrigen Fluoreszenzbilder an dieser Referenzebene ausgerichtet. Hierdurch wird die Akkumulation von Registrierungsfehlern, wie sie sich beim Ausrichten benachbarter Schnittbilder ergeben kann, vermieden.

Bezugszeichenliste

1

Laserstrahlquelle

2

x-y-Ablenkeinrichtung

3

Umlenkeinrichtung

4

Auge

5

Fokussierungsoptik

6

Detektor

7

Elektronik

8

Bildverarbeitungseinrichtung

9

Konfokale Blende

10

Speicher

11

Extrahierungseinheit

12

Mittelungseinheit

13

Bestimmung der Fluoreszenztiefe

14

Topographieeinheit

Claims

1. Verfahren zur topographischen Darstellung von inneren Oberflächen eines Objekts, bei dem das Objekt mit einem Laserstrahl lateral abgetastet und dabei induzierte Fluo reszenz als Funktion des Ortes detektiert wird, dadurch gekennzeichnet,
daß in unterschiedlicher Tiefe (z) konfo kal abgetastet wird,
daß für jeweilige laterale Bildposi tionen (r) ein Fluoreszenztiefenprofil F_r (z), welches die Fluoreszenzintensität als Funktion der Tiefe (z) an gibt, ermittelt wird und
daß für die Bestimmung der Tiefe des Fluoreszenzortes ein bestimmtes Charakteristikum des Fluoreszenztiefenprofils ausgewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluoreszenz durch einen Fluoreszenzfarbstoff, der im Objekt appliziert wird, erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluoreszenzfarbstoff durch Injektion oder im Kontakt verfahren im Objekt appliziert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluoreszenz durch wenigstens einen natürlich im Ob jekt vorhandenen Fluoreszenzfarbstoff erzeugt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Charakteristikum ein Wendepunkt, das Maximum, ein Bruchteil des Maximums, oder ein bestimmter Gradient ei nes monotonen Kurventeils verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß eine laterale Mittelung der Fluores zenztiefenprofile mehrerer Bildpositionen eines lateralen Bereichs für die Bestimmung der Tiefe des Fluoreszenzor tes gebildet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß das Fluoreszenztiefenprofil normiert wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichent, daß für die Ausrichtung der Ebenen, in wel chen die Fluoreszenzbilder erzeugt werden, eine Ebene aus einer mittleren Tiefe als Referenzebene bestimmt wird und die Fluoreszenzbilder der übrigen Ebenen an dieser Refe renzebene ausgerichtet werden.

9. Verwendung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 bei der Untersuchung am biologischen Gewebe.

10. Verwendung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 bei der Untersuchung am Auge, insbesondere Augen hintergrund.

11. Verwendung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 bei der Untersuchung an der Haut.