DE202010009249U1

DE202010009249U1 - Flexibles Scansystem für die Diagnostik humaner Haut

Info

Publication number: DE202010009249U1
Application number: DE201020009249
Authority: DE
Original assignee: JenLab GmbH
Current assignee: JenLab GmbH
Priority date: 2010-06-17
Filing date: 2010-06-17
Publication date: 2010-09-16
Anticipated expiration: 2020-06-18

Abstract

Anordnung zur MPT-Bildgebung, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein flexibles Diagnosesystem darstellt, welches über einen flexiblen optischen Gelenkarm (3) eine im Raum freie Positionierung des Messkopfes (7) gewährleistet wobei der Messkopf Optiken zur Strahlführung und Photonendetektoren enthält.

Description

Die Anmeldung betrifft eine Anordnung zur nichtinvasiven dreidimensionalen in vivo Detektion von fluoreszierenden und SHG-aktiven (Second Harmonic Generation) Substanzen in der Haut und in den Hautanhangsgebilden, wie z. B. Haare und Nägel, angeregt durch nichtlineare Wechselwirkungen mit naher infaroter gepulster Laserstrahlung. Die Anordnung stellt ein Diagnosesystem dar, das über einen flexiblen optischen Gelenkarm eine im Raum freie Positionierung eines Messkopfes gewährleistet. Durch eine kompakte Bauweise und die Integration der Baugruppen einschließlich des Lasers in einen ortsbeweglichen Grundkörper ergeben sich Vorteile für den Raumbedarf und in der Bedienung. Ein wesentliches Merkmal der Anordnung ist eine aktive Strahljustage mit online-Kontrolle, die eine optimale Bildqualität in jeder Position des zugehörigen Messkopfes gewährleistet. Die Anordnung ist auch dadurch gekennzeichnet, dass sie als Hybridsystem genutzt werden kann. Die zu untersuchende Objektstelle kann zunächst durch ein System auf Basis der Optischen Kohärenztomografie (OCT), des Ultraschalls, der Photoakustik oder der Reflexion (Dermaskopie) mit großem Objektfeld großflächig betrachtet, auffällige Strukturen lokalisiert und diese danach mittels der hochauflösenden Multiphotonentomographie (MPT) im Detail untersucht werden.
Der Vorteil von OCT, Ultraschallverfahren oder Dermaskopie, ein relativ großes Objektfeld (Durchmesser einige mm) zur Übersicht darstellen zu können, wird so mit der hochauflösenden Bildgebung der MPT im Mikrometer-Bereich (typisches Objektfeld von bis 350 × 350 μm²) kombiniert.
Stand der Technik
Es sind Multiphotonentomographen bekannt, bei denen Fluoreszenz in biologischen Molekülen in vivo durch gepulste Laserstrahlung im nahen Infrarotbereich angeregt und durch geeignete hochempfindliche und schnelle Empfänger detektiert wird (Beispiele GM DE 201 17 294 U1 ; GM DE 203 06 122 U1 ; Gerät DermaInspect der Fa. JenLab GmbH).
Sie sind vor allem für Forschungszwecke konzipiert und bauen z. B. auf optischen Tischen auf. Dadurch sind sie groß und bezüglich der Zugänglichkeit zu variablen Objektstellen begrenzt.
Mit diesen Anordnungen werden Auflösungen im Submikrometerbereich und Scanbereiche (Objektbereiche) von einigen Hundert Mikrometern in drei Dimensionen erreicht.
Optische Kohärenz-Tomographen basieren auf dem Vergleich der Laufzeiten von Mess- und Referenzstrahl, die durch eine kurzkohärente Strahlung in einem optischen Aufbau ermittelt werden. Der Messstrahl wird durch die Strukturen der Probe reflektiert, wobei bei gleichzeitiger Variation der Länge des Referenzarmes bei kurzkohärentem Licht Interferenzen erzeugt werden können, die von einem Detektor erfasst werden (Beispiel: Patent CA000002588697A1 OCT der Fa. Michelson Diagnostics Ltd.).
Die Auflösung solcher Anordnungen ist um den Faktor > 10 geringer als mit MPT, es kann aber ein Objektfeld von einigen mm² detektiert werden.
Bei der Dermaskopie wird nur die Hautoberfläche mit vergrößernder Optik und Bilddarstellung auf einem Monitor betrachtet.
Im Bereich des bildgebenden Ultraschalls der Haut werden flexible Geräte im Frequenzbereich von ca. 7 MHz bis 100 MHz eingesetzt. Die Auflösung ist zu gering, um einzelne Zellen zu erkennen, jedoch können ebenfalls größere mm² oder cm² Bereiche bildgebend dargestellt werden. Mittels Photoakustik lassen sich durch gepulste Laser z. B.
Gefäße in der Haut zur Schallaussendung anregen und darstellen. Auch hier werden größere Bereiche mit geringer Auflösung erfasst.
Eine Kombination dieser Verfahren in einem Gerät ist nicht bekannt.
Mängel, Nachteile

1. Konventionelle MPT zeigen auf Grund ihres relativ starren Aufbaus einen begrenzten Anwendungsbereich. Geräte mit einem flexiblen Messkopf, in dem Scanner und Photodetektoren enthalten sind, sind nicht bekannt.
2. Bei der Multiphotonentomographie ist der Bereich für eine bildliche Darstellung der Fluoreszenzintensität/SHG wegen der erforderlichen starken Fokussierung der Anregungsstrahlung durch eine Fokussieroptik auf wenige Hundert Mikrometer Kantenlänge begrenzt.
3. Mit der Optischen Kohärenztomographie, dem Ultraschall und der Photoakustik wird nur eine für die Untersuchung von Defekten der Haut vielfach nicht ausreichende Auflösung im Bereich von einigen μm erreicht.
4. Die Dermaskopie ist nur ein Hilfsmittel zur Betrachtung der Hautoberfläche, Defekte in der Haut können nicht sichtbar gemacht werden.

Zu lösendes Problem

1. Es wird eine Anordnung gesucht, bei der durch eine flexible Positionierung des MPT-Messkopfes im Raum der Anwendungsbereich erweitert werden kann. Eine durch die Positionsänderung verursachte veränderte Ausleuchtung der Fokussieroptik soll automatisch in jeder Stellung des Messkopfes korrigiert und optimiert werden.
2. Es wird eine Anordnung gesucht, bei der durch möglichst großflächige Detektion von Hautarealen eine Vorauswahl interessierender Objektstellen erfolgt mit dem Ziel, diese quasi-simultan oder mit Zeitversatz zur Vorauswahl hochauflösend zu detektieren.

Lösung, Vorteile

1. Eine flexible Positionierung wird durch einen Multiphotonentomographen mit einem flexiblen optischen Gelenkarm und einem kompakten Aufbau erreicht, bei dem eine aktive Strahljustage positionsabhängige Fehler der Ausleuchtung der Fokussieroptik korrigiert. Damit wird eine optimale Bildgebung gewährleistet.
2. Die bestehenden Nachteile der Verfahren MPT, OCT, Ultraschall/Photoakustik und Dermaskopie werden beseitigt durch eine Anordnung zur nicht-invasiven dreidimensionalen in vivo-Detektion von fluoreszierenden/SHG aktiven Substanzen und Strukturen der Haut mittels Multiphotonenanregung in Kombination mit Verfahren zur großflächigen Darstellung der Haut in einem mobilen System. Mit Hilfe eines Gerätes entsprechend der Anmeldung mit flexiblem Messkopf können hochaufgelöste MPT- Untersuchungen an Hautarealen durchgeführt werden, bei denen interessierende Objektstellen durch vorhergehende großflächige OCT-, Ultraschall/Photoakustik, oder Dermaskopie-Darstellung lokalisiert wurden.

Ausführungsbeispiel
Wie in 1 und 2 dargestellt besteht das Scansystem aus einem Grundkörper (8) mit Rädern (10) zur frei wählbaren Platzierung. Zur Multiphotonenbildgebung ist im Grundkörper (8) ein Femtosekunden-Lasersystem (2) mit einer optischen Einheit (1) zur Richtungsstabilisierung (1a) und Leistungsregelung (1b) der Laserstrahlung gekoppelt. Die durch die optische Einheit (1) konditionierte Femtosekunden-Laserstrahlung wird über einen flexiblen optischen Gelenkarm (3) oder alternativ eine flexible optische Faser zu einem optischen Messkopf (7) geleitet. Ein beweglicher und in jeder Stellung arretierbarer Stützarm (9) ermöglicht die freie Positionierung des optischen Messkopfes (7) auf der Probe/Haut (13). Die durch den optischen Gelenkarm (3), bzw. eine optische Faser übertragene Laserstrahlung leuchtet über einen x,y-Strahlscanner (7a) und eine optischen Strahlaufweitung (7b) die Eintrittspupille einer Fokussieroptik (7c) hoher numerischer Apertur aus und gelangt über einen abnehmbaren Halter mit Glasfenster (7d) auf die Probe/Haut (13). Die durch nichtlineare optische Wechselwirkungen in der Probe/Haut (13) erzeugten Signale werden über das Fenster des abnehmbaren Halters (7d), die Fokussieroptik (7c) und einen chromatischen Strahlteiler (7f) durch eine hochempfindliche, schnelle und spektral mehrkanalige Detektionseinheit (7g) elektronisch erfasst. Die durch den x,y-Strahlscanner (7a) generierte zweidimensionale Bildgebung kann über eine entlang der optischen Achse variierbare piezoelektrische Positionierung (7e) der Fokussieroptik (7c) in eine dreidimensionale Bildgebung erweitert werden.
Eine Steuereinheit (6) koordiniert die Komponenten (2), (7a), und (7e) zur Multiphotonen-Bildgebung und erfasst die elektrischen Signale der Detektionseinheit (7g).
Zusätzlich zur Multiphotonen-Bildgebung kann das beschriebene System mit einer Einheit (4) zur optischen Kohärenztomographie kombiniert werden, die mit einer geeigneten Lichtquelle (5) verbunden ist. Die konditionierten Signale für die Optische Kohärenztomographie werden über eine optische Faser (4a) in ein Handstück (4b) auf die Probe/Haut (13) geleitet. Die von der Probe/Haut (13) reflektierten Signale werden über das Handstück (4b) und eine optische Übertragungsfaser in die Einheit (4) geleitet und dort verarbeitet. Ebenso ist eine Kombination mit einem Dermaskopiegerät (z. B. Fotofinder) oder Ultraschall/Photoakustik-Baugruppen möglich
Ein PC (11) ist mit der Steuereinheit (6) zur Multiphotonen- und der Einheit (4) zur optischen Kohärenz-Bildgebung gekoppelt und erlaubt eine Ansteuerung der Einheiten (6) und (4) sowie die Aufbereitung der von den Einheiten (6) und (4) generierten Daten. Die aufbereiteten Daten können über einen mit dem PC (11) gekoppelten Monitor (12) dargestellt werden.
Die Vorteile des beschriebenen MPT gegenüber konventionellen eher unflexiblen Systemen liegen in dem durch einen optischen Gelenkarm im Raum frei positionierbaren Messkopf mit geringem Gewicht und dem mobilen Grundkörper. Eine solche Anordnung erlaubt es dem Bediener, relativ schnelle Messungen durchführen zu können, was zu Kosteneinsparungen führt.
Die Vorteile der Kopplung eines MPT-Diagnose-Systems mit einem OCT-Diagnose-System, Ultraschall/ Photoakustik-Baugruppen oder Dermaskopie-Einheiten gegenüber separaten Diagnose-Systemen liegen in der Kombination der hohen Ortauflösung der Multiphotonen-Mikroskopie mit der großflächigen Objektdarstellung der genannten Verfahren in einem kompakten mobilen System (8).
Die vorgeschlagene Anordnung mit flexiblem Gelenkarm (3) bzw. einer optischen Faser (4a) erlaubt eine freie Positionierung des MPT- bzw. OCT-Messkopfes. Die Kombination beider Detektionssysteme (MPT und OCT) erlaubt die Aufnahme eines Übersichtsbildes geringer Auflösung mittels OCT und darauf folgend zeitnah die detaillierte Aufnahme eines hochaufgelösten MPT-Bildes.
In ähnlicher Weise können alternierend ein Dermaskopie-Bild oder mittels Ultraschall/Photoakustik erzeugte Bilder für die Feinpositionierung des Messkopfes benutzt werden.

1: Optische Einheit
1a: Optische Richtungsstabilisierung
1b: Optische Leistungsregelung
2: Femtosekunden-Lasersystem
3: Optischer Gelenkarm bzw. optische Faser
4: Optische Kohärenztomographie Einheit
4a: Optische Faser
4b: Handstück für optische Kohärenztomographie
5: Lichtquelle für die Optische Kohärenztomographie
6: Steuereinheit
7: Optischer Messkopf
7a: x,y-Strahlscanner
7b: Optischen Strahlaufweitung
7c: Fokussieroptik
7d: Halter mit Glasfenster
7e: Piezoelektrische Positionierung
7f: Chromatischen Strahlteiler
7g: Mehrkanalige Detektionseinheit
8: Grundkörper
9: Stützarm
10: Räder
11: PC
12: Monitor
13: Probe/Haut
14: Detektionseinheit für Ultraschall/Photoakustik und/oder Dermaskopie

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 Patentliteratur

- DE 20117294 U1 [0003]
- DE 20306122 U1 [0003]
- CA 000002588697 A1 [0006]

Claims

Anordnung zur MPT-Bildgebung, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein flexibles Diagnosesystem darstellt, welches über einen flexiblen optischen Gelenkarm (3) eine im Raum freie Positionierung des Messkopfes (7) gewährleistet wobei der Messkopf Optiken zur Strahlführung und Photonendetektoren enthält.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein flexibles Diagnosesystem darstellt, welches über einen flexiblen optischen Gelenkarm eine im Raum freie Positionierung des Messkopfes gewährleistet, wobei eine Anordnung zur optischen Richtungsstabilisierung (1a) integriert wird, die eine optimale Anregung der Objektstelle in jeder Position des optischen Gelenkarmes gewährleistet
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein kompaktes Diagnosesystem darstellt, in dem die Größe des MPT-Messkopfes durch Faltung des optischen Strahlenganges minimiert ist und die dreidimensionale Aufnahme der Multiphotonen-angeregten Fluoreszenzintensität und die dreidimensionale Aufnahme der Abklingkinetik sowie der mittleren Fluoreszenzlebensdauer der Multiphotonen-angeregten Fluoreszenz sowie von SHG-Strahlung ermöglicht wird, wobei das System aus einem x,y-Strahlscanner (7a) mit vorgeschalteter Leistungsregelung (1b), einer optischen Richtungsstabilisierung (1a), einem chromatischen Strahlteiler (7f), einer mehrkanaligen Detektionseinheit (7g), einer Strahlaufweitung (7b), einer piezoelektrisch verstellbaren Positionierung (7e) der Fokussieroptik (7c) und einem abnehmbarem Halter mit Glasfenster (7d) besteht.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein kompaktes und mobiles Diagnosesystem darstellt, mit dem über ein kompaktes Gehäuse (8) und durch Räder (10) die Mobilität gewährleistet wird, wobei das kompakte Gehäuse ein integriertes Femtosekunden-Lasersystem (2) enthält.
Anordnung nach Ansprüchen 1 bis 4 mit Kopplung der MPT- mit einer OCT-Bildgebung, dadurch gekennzeichnet, dass sie die Aufnahme eines Übersichtsbildes geringer Auflösung mittels dieser Verfahren und darauffolgend zeitnah die Aufnahme eines hochaufgelösten MPT-Bildes ausgewählter Objektstellen erlaubt.
Anordnung nach Ansprüchen 1 bis 4 mit Kopplung einer Einheit zur Dermaskopie, die für die Feinpositionierung des Messkopfes auf Grund des Oberflächenbildes der Haut genutzt wird.
Anordnung nach Ansprüchen 1 bis 4 mit Kopplung einer Einheit zum bildgebenden Ultraschall.
Anordnung nach Anspruch 1 bis 4 mit Kopplung einer Einheit zur bildgebenden Photoakustik.