DE19963161A1

DE19963161A1 - Interstitial fiber-optic coherence tomography method involves inserting thin optical fiber with measurement window into tissue as optical probe so light exits laterally through window

Info

Publication number: DE19963161A1
Application number: DE19963161A
Authority: DE
Inventors: Adolf Friedrich Fercher
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1998-11-05
Filing date: 1999-11-02
Publication date: 2000-05-25

Abstract

A thin optical fiber (17) with a measurement window is inserted into the tissue (19) as an optical probe so that light fed into it exits laterally through the measurement window. The azimuthal image co-ordinates of the light scattered back out of the tissue are defined by rotating the fiber and the depth information is detected using a short coherence interferometer. An Independent claim is also included for an arrangement for producing images of internal tissue surfaces and cells in situ with high resolution using a light conducting fiber inserted into the tissue.

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und Anordnungen zur Abbildung von inneren Gewebeoberflächen und Gewebezellen in situ mit hoher Auflösung mittels einer in das Gewebe eingebrachten Lichtleitfaser.This invention relates to a method and arrangement for imaging internal Tissue surfaces and tissue cells in situ with high resolution using an in the Tissue inserted optical fiber.

State of the art

Ein Standardverfahren der Tumordiagnostik besteht darin, nach einer ersten vorläufigen Diagnose eine histologische Untersuchung des verdächtigen Gewebes durchzuführen. Diese histologische Untersuchung ist in vielen Fällen die einzige Möglichkeit, zuverlässige Aussagen zu bekommen. Hierzu wird in der Regel eine Gewebsprobe entnommen, die anschließend hinsichtlich histologischer Merkmale, wie der Verteilung der verschiedenen Zellen im Gewebe und zytologischer Merkmale, wie der Kerngröße und der Kernform in vitro untersucht wird. Vorteile dieses Verfahrens sind, daß die Gewebeprobe sorgfältig unter dem Mikroskop und unter Einsatz verschiedener Färbemethoden untersucht werden kann. Nachteile sind zum einen, daß die Gewebsentnahme eine Verletzung darstellt, die ihrerseits zur Ausstreuung etwaiger Tumorzellen Anlaß geben kann, daß die Gewebeprobe durch das Herausschneiden Veränderungen in der Histologie erleidet und daß in vitro Gewebeproben sehr schnell ihre natürlichen zytologischen Strukturen verändern. A standard procedure of tumor diagnosis is after a first preliminary one Diagnosis to perform a histological examination of the suspicious tissue. This In many cases, histological examination is the only reliable way To get statements. For this purpose, a tissue sample is usually taken then with regard to histological features such as the distribution of the various Tissue cells and cytological features, such as the size and shape of the nucleus is examined in vitro. Advantages of this procedure are that the tissue sample is carefully taken can be examined under the microscope and using various staining methods. Disadvantages are, on the one hand, that tissue removal is an injury, which in turn for the spreading of any tumor cells may give rise to the fact that the tissue sample through the Cutting out changes in histology and suffering from in vitro tissue samples change their natural cytological structures very quickly.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren und Anordnungen anzugeben, welche innere Gewebeoberflächen und Gewebezellen in situ mit hoher Auflösung mittels einer in das Gewebe eingebrachten Lichtleitfaser abzubilden gestatten und dabei gleichzeitig die damit einhergehende Verletzung minimal machen.It is therefore an object of the present invention to specify methods and arrangements which internal tissue surfaces and tissue cells in situ with high resolution allow an optical fiber inserted into the tissue to be imaged and at the same time minimize the associated injury.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eine dünne Lichtleitfaser durch teilweises oder voll ständiges Entfernen des Fasermantels in einem schmalen Bereich parallel zur Faserachse mit einem Meßfenster versehen wird und als optische Sonde in das Gewebe eingebracht wird, wobei diese Lichtleitfaser die in ihr geführte Strahlung aus dem Meßfenster seitlich austreten läßt, und durch Drehen der Faser die azimutale Bildkoordinate (Φ in der Abb. 1) des aus dem Gewebe zurückgestreuten Lichts definiert wird, und die Tiefeninformation (Tiefe z entlang dem Meßfenster in der Abb. 1) mittels eines Kurzkohärenz-Interferometers detektiert wird. Aus diesen Daten kann auf die in der optischen Kohärenz-Tomographie (OCT) übliche Weise die die Sondenfaser umgebende zylinderförmige Gewebeoberfläche abgebildet werden. Solche Sondenfasern lassen sich mit Durchmessern deutlich unter 1/2 mm realisieren.This object is achieved in that a thin optical fiber is provided with a measuring window by partially or completely removing the fiber cladding in a narrow area parallel to the fiber axis and is introduced into the tissue as an optical probe, this optical fiber removing the radiation it carries from the Measurement window can exit laterally, and by turning the fiber, the azimuthal image coordinate (Φ in Fig. 1) of the light scattered back from the tissue is defined, and the depth information (depth z along the measurement window in Fig. 1) using a short-coherence interferometer is detected. From these data, the cylindrical tissue surface surrounding the probe fiber can be imaged in the manner customary in optical coherence tomography (OCT). Such probe fibers can be realized with diameters well below 1/2 mm.

Ein solches Verfahren ist in moderner Terminologie als interstitielles faseroptisches OCT-Verfahren zu bezeichnen. Es basiert, wie oben beschrieben, auf einem unsymmetrischen optischen Wellenleiter, der optisch an ein Kurzkohärenz-Interferometer gekoppelt ist. Das Verfahren und entsprechende Anordnungen werden wird im folgenden anhand der Abb. 1 bis 5 erläutert. In modern terminology, such a procedure can be referred to as an interstitial fiber-optic OCT procedure. As described above, it is based on an asymmetrical optical waveguide that is optically coupled to a short-coherence interferometer. The method and corresponding arrangements are explained below with the aid of FIGS. 1 to 5.

Abb. 1: Prinzip der interstitiellen faseroptischen OCT. Fig. 1: Principle of interstitial fiber optic OCT.

Abb. 2: Für die Abbildung wirksamer Teil der Sondenfaser. Fig. 2: Effective part of the probe fiber for imaging.

Abb. 3: Faseroptische Gewebesonde. Fig. 3: Fiber optic tissue probe.

Abb. 4: Faseroptische Gewebesonde in einer Nadel. Fig. 4: Fiber optic tissue probe in a needle.

Abb. 5: Faseroptische Gewebesonde in einer Kanüle. Fig. 5: Fiber optic tissue probe in a cannula.

Die Ziffern in den Abbildungen bedeuten:The numbers in the figures mean:

1 Kurzkohärenz-Lichtquelle, beispielsweise eine Superlumineszenz-Diode
1' Lichtstrahl der Kurzkohärenz-Lichtquelle
2 Optik
3 Lichtwellenleiter
4 Faserkoppler
5 Objekt-Lichtwellenleiter
6 Referenz-Lichtwellenleiter
7 Lichtbündel
8 Optik
9 Platte des Weglängenmodulators
10 und 10' Parallel-Spiegelpaar des Weglängenmodulators
11 Spiegel
12 Lichtleitfaser
13 Photodetektor
14 Lichtbündel
15 Optik
16 Optik
17 Sondenfaser
17' Eintrittsfläche der Sondenfaser
17'' Endfläche der Sondenfaser
18 Halterung der Sondenfaser
19 Gewebeoberfläche
20 Sondenfaserabschnitt mit dem Meßfenster
21 Kern der Sondenfaser
22 Mantel der Sondenfaser
23 Meßfenster der Sondenfaser
24 evaneszente Welle
25 Fortpflanzungsrichtung der evaneszenten Welle
26 Faserspitze
26' Grenzfläche zwischen Sondenfaser und ihrer Faserspitze
30 Antriebsmotor
31 Reibrad
40 Nadel
40' Nadelfenster
41 Kanüle
41' Kanülenfenster
1 short-coherence light source, for example a superluminescent diode
1 'light beam of the short coherence light source
2 optics
3 optical fibers
4 fiber couplers
5 object optical fibers
6 reference optical fibers
7 light beams
8 optics
9 Path length modulator plate
10 and 10 'parallel mirror pair of the path length modulator
11 mirrors
12 optical fiber
13 photodetector
14 light beams
15 optics
16 optics
17 probe fiber
17 'Entry surface of the probe fiber
17 '' end face of the probe fiber
18 Probe fiber holder
19 fabric surface
20 probe fiber section with the measurement window
21 core of the probe fiber
22 Jacket of the probe fiber
23 measuring window of the probe fiber
24 evanescent wave
25 Direction of propagation of the evanescent wave
26 fiber tip
26 'Interface between the probe fiber and its fiber tip
30 drive motor
31 friction wheel
40 needle
40 'needle window
41 cannula
41 'Cannula window

description

In der Abb. 1 ist das Prinzip der interstitiellen faseroptischen OCT dargestellt: An den Ausgang eines Kurzkohärenz-Interferometers ist eine faseroptische Gewebesonde gekoppelt. Fig. 1 shows the principle of interstitial fiber-optic OCT: A fiber-optic tissue probe is coupled to the output of a short-coherence interferometer.

Im einzelnen:
Der Lichtstrahl 1' der Kurzkohärenz-Lichtquelle 1, beispielsweise einer Superlumines zenz-Diode, wird von einer Optik 2 in den Lichtwellenleiter 3 eingekoppelt. Der Lichtwellenleiter 3 durchläuft den Modenkoppler 4 und bildet dahinter den Objekt-Wellenleiter 5. Der Modenkoppler 4 koppelt die Wellenleiter 3 bzw. 5 an die Wellenleiter 6 und 12. Der Wellenleiter 6 ist Bestandteil des Referenzstrahlengangs des Interferometers. Das an seinem Ende austretende Lichtbündel 7 wird von der Optik 8 kollimiert und auf einen Weglängenmodulator gerichtet. Der Weglängenmodulator besteht aus einem auf einer drehbaren Platte 9 angeordneten Parallel-Spiegelpaar 10 und 10' sowie dem Spiegel 11, der das Lichtbündel 7 in das Interferometer zurück reflektiert. Es läuft über den Modenkoppler 4 in die Detektorfaser 12 und wird von dieser an den Photodetektor 13 gekoppelt. Die Stellung des Weglängenmodulators wird (beispielsweise von einem Drehgeber) registriert und bildet entsprechend der bekannten OCT-Technik (siehe beispielsweise den Review-Aufsatz: Fercher, A. F.: Optical Coherence Tomography. In: J. Biomed. Opt. 1(1996), Nr. 2, S. 157-173) die Basis für die Tiefenkoordinate z im OCT-Bild.In detail:
The light beam 1 'of the short coherence light source 1 , for example a superluminescent diode, is coupled into the optical waveguide 3 by an optical system 2 . The optical waveguide 3 passes through the mode coupler 4 and forms the object waveguide 5 behind it. The mode coupler 4 couples the waveguides 3 and 5 to the waveguides 6 and 12 . The waveguide 6 is part of the reference beam path of the interferometer. The light bundle 7 emerging at its end is collimated by the optics 8 and directed onto a path length modulator. The path length modulator consists of a pair of parallel mirrors 10 and 10 'arranged on a rotatable plate 9 and the mirror 11 which reflects the light beam 7 back into the interferometer. It runs through the mode coupler 4 into the detector fiber 12 and is coupled by the latter to the photodetector 13 . The position of the path length modulator is registered (for example by a rotary encoder) and forms according to the known OCT technology (see for example the review article: Fercher, AF: Optical Coherence Tomography. In: J. Biomed. Opt. 1 (1996), No. . 2, pp. 157-173) the basis for the depth coordinate z in the OCT image.

Der Modenkoppler 4 leitet auch Licht in den Objekt-Wellenleiter 5. Das von dieser Faser weiter geleitete Lichtbündel 14 wird durch die Optiken 15 und 16 auf die Einkoppelfläche 17' der Sondenfaser 17 fokussiert und so in diese Faser eingekoppelt. Die Sondenfaser 17 wird durch Stechen in das Gewebe unter die Gewebeoberfläche 19 eingebracht. Die Halterung 18 dient zum Drehen der Sondenfaser 17. Das von der Sondenfaser 17 zurück kommende Licht läuft über den Modenkoppler 4 in die Detektorfaser 12 und wird von dieser an den Photodetektor 13 gekoppelt.The mode coupler 4 also guides light into the object waveguide 5 . The fiber of this propagated light beam 14 is focused by the optics 15 and 16 to the input surface 17 'of the probe 17 and fiber coupled so in this fiber. The probe fiber 17 is inserted into the tissue under the tissue surface 19 by pricking. The holder 18 serves to rotate the probe fiber 17 . The light coming back from the probe fiber 17 runs through the mode coupler 4 into the detector fiber 12 and is coupled by the latter to the photodetector 13 .

Auf die Funktionsweise des Kurzkohärenz-Interferometers wird hier nicht näher eingegangen, weil dies zum bekannten Stand der OCT-Technik gehört. Einzelheiten dieser Funktion, sowie der Einsatz dieser Technik in der normalen Optischen Ko härenz-Tomographie sind in dem oben zitierten Review-Aufsatz zu finden.The functioning of the short-coherence interferometer is not discussed here received because this is part of the known state of the art in OCT. Details of this Function, as well as the use of this technology in normal optical knockout Härenz tomography can be found in the review article cited above.

Die Sondenfaser 17 besteht in ihrem für die Abbildung wirksamen Teil 20 aus einer unsymmetrischen Lichtleitfaser, die das Meßfenster 23 bildet, siehe Abb. 2. Hierbei bedeutet "unsymmetrisch", daß der Faserkern 21 nicht konzentrisch zum Fasermantel liegt, sondern außerhalb der Symmetrieachse des Fasermantels 22, wie in der Abb. 2 dargestellt. Auf diese Weise entsteht ein Bereich 23, in dem der Fasermantel sehr dünn oder nicht mehr vorhanden ist. Durch dieses Meßfenster (23) tritt die ansonsten im Fasermantel verlaufende evaneszente Welle als Lichtsaum in das umgebende Medium aus.The part 20 of the probe fiber 17 , which is effective for the imaging, consists of an asymmetrical optical fiber which forms the measuring window 23 , see Fig. 2. Here, "asymmetrical" means that the fiber core 21 is not concentric to the fiber cladding, but outside the axis of symmetry of the fiber cladding 22 , as shown in Fig. 2. In this way, an area 23 is created in which the fiber cladding is very thin or is no longer present. Through this measuring window ( 23 ) the evanescent wave, which otherwise runs in the fiber cladding, emerges as a light seam in the surrounding medium.

Eine solche Faser kann auf verschiedene Weise realisiert werden. Beispielsweise durch einseitiges Abschleifen des Mantels einer symmetrischen Faser, durch einseitiges Abätzen des Mantels einer symmetrischen Faser oder durch plastisches Verformen des von außen erhitzten Mantels einer symmetrischen Faser. Such a fiber can be realized in different ways. For example, by one-sided grinding of the jacket of a symmetrical fiber by one-sided etching of the jacket of a symmetrical fiber or by plastic deformation of the outside heated jacket of a symmetrical fiber.

Weitere Funktionsdetails der interstitiellen faseroptischen Gewebesonde sind in der Abb. 3 dargestellt. Dort ist auch der aus dem Meßfenster 23 austretende evaneszente Lichtsaum 24 angedeutet. Zur Verdeutlichung ist dieser Lichtsaum übertrieben groß dargestellt. Die Eindringtiefe der evaneszenten Welle in die Umgebung des Faserkerns ist nämlich nur von der Größenordnung einer Wellenlänge. Diese evaneszente Lichtwelle beleuchtet also nur die unmittelbare Umgebung der Fasersonde im Bereich des Meßfensters 23. Es sei auch erwähnt, daß sich diese evaneszente Welle, wie durch den Pfeil 25 angedeutet, in z-Richtung bewegt. Liegen in der von der evaneszenten Welle beleuchteten Umgebung Streuzentren vor, tritt das von diesen rückgestreute Licht wieder in die Sondenfaser 17 ein und wird über die Optiken 16 und 15 und über die Faser 5 zum Kurzkohärenz-Interferometer geführt.Further functional details of the interstitial fiber-optic tissue probe are shown in Fig. 3. The evanescent light seam 24 emerging from the measurement window 23 is also indicated there. For clarification, this light border is shown in an exaggerated size. The depth of penetration of the evanescent wave into the vicinity of the fiber core is only of the order of one wavelength. This evanescent light wave only illuminates the immediate vicinity of the fiber probe in the area of the measurement window 23 . It should also be mentioned that this evanescent wave, as indicated by arrow 25 , moves in the z direction. If scattering centers are present in the environment illuminated by the evanescent wave, the light backscattered by these re-enters the probe fiber 17 and is guided via the optics 16 and 15 and via the fiber 5 to the short-coherence interferometer.

In der Abb. 3 ist am unteren Ende der Sondenfaser 17 eine an die Faser angefügte Spitze 26 angedeutet. Eine solche Spitze kann durch Auseinanderziehen des erhitzten Faserendes erzeugt werden. Alternativ kann auch eine separate Spitze angeschmolzen werden. Dann kann durch Wahl eines anderen Brechungsindex für Faserkern 21 und Spitze 26 an der Verbindungsstelle ein reflektierende Grenzfläche 26' erzeugt werden. Ohne angeschmolzener Faserspitze kann die Endfläche 17'' der Sondenfaser 17 durch Teil- oder Vollverspiegelung als reflektierende Grenzfläche ausgebildet werden. Die an diesen Grenzflächen reflektierte Welle kann als Referenzwelle für die Anwendung des Dual-Beam OCT-Verfahrens (s. die obige Literaturstelle) benutzt werden. Eine andere Möglichkeit zur Realisierung einer reflektierenden Grenzfläche für das Dual-Beam OCT-Verfahren bietet die Einkoppelfläche 17' der Sondenfaser 17. In Fig. 3, a tip 26 attached to the fiber is indicated at the lower end of the probe fiber 17 . Such a tip can be created by pulling apart the heated fiber end. Alternatively, a separate tip can be melted on. Then, by choosing a different refractive index for fiber core 21 and tip 26 , a reflective interface 26 'can be generated at the connection point. Without a melted-on fiber tip, the end surface 17 ″ of the probe fiber 17 can be formed as a reflecting interface by partial or full mirroring. The wave reflected at these interfaces can be used as a reference wave for the application of the dual-beam OCT method (see above reference). Another possibility for realizing a reflecting interface for the dual-beam OCT method is provided by the coupling-in surface 17 ′ of the probe fiber 17 .

Weiterhin ist in der Abb. 3 noch eine Faserhalterung 18 angedeutet, die das Drehen der Sondenfaser 17 in azimutaler Richtung um die Faserachse erlaubt. Hiezu kann ein Elektromotorantrieb 30 dienen, der über ein Reibrad 31 die drehbar gelagerte Halterung 18 antreibt. Es können auch andere Antriebe wie Riemen- und Zahnradantrieb benutzt werden. Bei Zahnradantrieb beispielsweise, wird das Reibrad 31 als Zahnrad ausgebildet und am Umfang der Halterung 18 ein Zahnkranz angebracht.A fiber holder 18 is also indicated in FIG. 3, which allows the probe fiber 17 to be rotated in the azimuthal direction about the fiber axis. An electric motor drive 30 can be used for this purpose, which drives the rotatably mounted holder 18 via a friction wheel 31 . Other drives such as belt and gear drives can also be used. In the case of gearwheel drive, for example, the friction wheel 31 is designed as a gearwheel and a ring gear is attached to the circumference of the holder 18 .

Um größere Gewebetiefen erreichen zu können, kann es notwendig werden, die Sondenfaser 17 in eine metallische Nadel 40 oder Kanüle 41 einzubetten. Kanüle oder Nadel müssen dann an der Stelle des Meßfensters 23 eine Öffnung 40' beziehungsweise 41' besitzen. Sondenfaser 17 und Nadel 40 oder Kanüle 41 müssen hier zur Gewinnung der azimutalen Bildkoordinate Φ gemeinsam gedreht werden. Alternativ kann bei Verwendung einer Kanüle auch entsprechend der Seldinger-Kathetertechnik vorgegangen werden, wobei nach Einstechen der metallischen Kanüle in das Gewebe der für die Abbildung wirksame Teil 20 der Sondenfaser 17 mit dem Meßfenster 23 aus der Kanüle 41 heraus nach vorne in das Gewebe geschoben wird, wie in der Abb. 5 durch den geraden Pfeil angedeutet. Hier kann entweder die Sondenfaser 17 allein oder gemeinsam mit der Kanüle 41 gedreht werden.In order to be able to reach greater tissue depths, it may be necessary to embed the probe fiber 17 in a metallic needle 40 or cannula 41 . The cannula or needle must then have an opening 40 'or 41 ' at the location of the measuring window 23 . Probe fiber 17 and needle 40 or cannula 41 must be rotated together to obtain the azimuthal image coordinate Φ. Alternatively, if a cannula is used, the Seldinger catheter technique can also be used, wherein after the metallic cannula has been inserted into the tissue, the part 20 of the probe fiber 17 which is effective for imaging is pushed out of the cannula 41 with the measuring window 23 into the tissue , as indicated in Fig. 5 by the straight arrow. Here, either the probe fiber 17 can be rotated alone or together with the cannula 41 .

Die vom Kurzkohärenz-Interferometer in bekannter Weise gewonnene Signalgröße I, die vom Weglängenmodulator gelieferte Tiefeninformation z und die von einem Drehgeber im Elektromotorantrieb 30 gelieferte Azimutalposition Φ werden von einem Computer in bekannter Weise zur Synthese des OCT-Bilds I(z,Φ) benutzt. Dieses Bild liefert die Verteilung des Streupotentials des Gewebes auf der die Meßsonde umgebenden Zylinderfläche und damit eine optische Abbildung des an die Faser angrenzenden Gewebes.The signal variable I obtained by the short coherence interferometer in a known manner, the depth information z supplied by the path length modulator and the azimuthal position Φ supplied by a rotary encoder in the electric motor drive 30 are used by a computer in a known manner to synthesize the OCT image I (z, Φ). This image provides the distribution of the scattering potential of the tissue on the cylinder surface surrounding the measuring probe and thus an optical image of the tissue adjacent to the fiber.

Claims

1. A method for imaging internal tissue surfaces and tissue cells in situ with high resolution by means of an optical fiber introduced into the tissue, characterized in that a thin optical fiber ( 17 ) by partially or completely removing the fiber jacket in a narrow area parallel to the fiber axis with a measuring window ( 23 ) is provided and introduced into the tissue as an optical probe, this optical fiber allowing the radiation guided in it to exit laterally from the measuring window, and the azimuthal image coordinate (Φ) of the light scattered back from the tissue is defined by rotating the fiber and the depth information (z) is detected by means of a short coherence interferometer.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the probe fiber ( 17 ) can be rotated about its axis by means of a holder ( 18 ).

3. Arrangement according to claims 1 and 2, characterized in that the probe fiber ( 17 ) is embedded in a needle ( 40 ) with an opening in the measuring window ( 23 ) of the probe fiber.

4. Arrangement according to claims 1 and 2, characterized in that the probe fiber ( 17 ) is embedded in a cannula ( 41 ), and the probe fiber with the measuring window ( 23 ) after insertion of the cannula is pushed forward into the tissue.