DE2620755B2 - Holografische Vorrichtung zur Abbildung von pathologischen Veränderungen in biologischem Gewebe mittels eines Endoskops - Google Patents
Holografische Vorrichtung zur Abbildung von pathologischen Veränderungen in biologischem Gewebe mittels eines EndoskopsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft holografische Vorrichtung zur Abbildung von pathologischen Veränderungen in
biologischem Gewebe zwecks deren Erkennung mit einem Laser, der wiederholt Lichtblitze erzeugt, die
mittels eines Lichtleiters und eines Endoskops in Körperhöhlen eingeleitet werden und deren vom
Gewebe reflektiertes Licht mittels einer Endoskopoptik einer Hologrammplatte zugeführt und mit einem vom
Laserstrahl abgezweigten Referenzstrahl vereinigt wird, wobei sich aufgrund der während des Zeitabstandes
der Impulse stattfindenden Veränderungen des Gewebes ein Interferenzbild auf der Hologrammplatte
ergibt.
Die Erfindung bezweckt die Früherkennung von Tumoren in Körperhöhlen und die praeoperative
Lokalisierung von Verhärtungen. Für die Erfolgsquote bei der Heilung von Karzinomen ist deren Früherkennung
sowie die Kenntnis der Ausdehnung des pathologischen Prozesses die wichtigste Voraussetzung.
Die malignen Tumore beginnen meist im Gewebe zu wachsen, so daß sie selbst bei optischer Beobachtung
"> nicht zu erkennen sind.
Seit Einführung des Lasers stehen für optische Interterenzmessungen leistungsfähige Lichtquellen hoher
Kohärenz zur Verfügung. Mit diesen Lichtquellen ist es möglich, Interferenzen auch räumlich ausgedehnter
ι» Wellenfelder zu beobachten und zu registrieren. Ein
Verfahren zur praktischen Durchführung solcher interferometrischer Untersuchungen ist die Holographie.
Hierbei wird zunächst eine holografische Aufnahme des Objekts gemacht, d. h., es wird das von der diffus
reflektierenden Oberfläche des Objekts ausgehende Wellenfeld mit Hilfe einer Referenzwelle im Hologramm
gespeichert. Ein weiteres Wellenfeld kann im gleichen Hologramm gespeichert werden, wenn noch
eine zweite Belichtung des Hologramms vorgenommen
w wird. Bei der Rekonstruktion des Hologramms interferieren
die beiden Wellenfelder, da sie beide gleichzeitig rekonstruiert werden. Die Interferenzerscheinungen
hängen dabei von den Verschiebungen zwischen den beiden Wellenfeldern ab: Wurde das Objekt bei beiden
-"· Belichtungen in der gleichen Position belassen, so sind
beide Wellenfelder identisch, es kommt zu keinen sichtbaren Interferenzen. Wurde aber die Oberfläche
des Objekts vor der zweiten Belichtung geringfügig verschoben, so sind auch die beiden Wellenfelder
«ι gegeneinander verschoben, und es kommt zur Ausbildung von Interferenzstreifen. Die Form der Streifen
wird dabei von der Geometrie der Objektoberfläche, der Verschiebung der Oberfläche und der Geometrie
der optischen Anordnung bestimmt. Die Drehung einer
ir> ebenen Platte um eine Kante führt z. B. zu im
wesentlichen parallelen, geraden Interferenzstreifen, deren Dichte von der Größe der Drehung abhängt.
Entsprechend der Wellenlänge des Lichtes von ca. 0,5 μπ·. liegen die Verschiebungen, die zu mittleren
Streifend'chten führen, im Bereich einiger μιη.
Verfahren der holografischen Interferometrie lassen sich zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung heranziehen,
wenn interferometrisch eine Verformung aufgenommen wird, die durch eine thermische, mechanische
•i1"» oder akustische Belastung des Objekts hervorgerufen
wird. Insbesondere lassen sich Druckgefäße untersuchen, indem ihr Innendruck geringfügig verändert wird.
Einer regelmäßigen Verformung entspricht dabei auch ein regelmäßiges Interferenzmuster, während sich
·>" Fehlstellen im Behälter in lokal abweichenden Verformungen
und damit in lokalen Störungen des Interferenzmusters bemerkbar machen.
Voraussetzung zur Aufnahme von holografischen Interferogrammen ist, daß das Objekt und alle optischen
r>> Komponenten während der Hologrammbelichtung ihre
Position um nicht mehr als einen Bruchteil der Wellenlänge verändern. Diese Bedingung kann dadurch
erfüllt werden, daß alle Aufbauten auf einem massiven schwingungsgedämpften Tisch erschütterungsfrei auf-
11(1 gebaut werden.
Die im Oberbegriff wiedergegebene Vorrichtung zur Abbildung von pathologischen Veränderungen in
biologischem Gewebe ist aus J. Acoust Soc. Am. 51 (1972) 6 (Juni) Part 2 Seiten 1904 bis 1920 bekannt, wobei
<>"> hier Veränderungen im Trommelfell von Katzen
untersucht werden. Um die Stabilität für die holografische Aufnahme zu gewährleisten, wurde das Tier in
speziell angefertigten Halterungen in betäubtem Zu-
stand befestigt. Zur Untersuchung der Katze wurde durch einen Luftröhreneinschnitt für eine Trennung der
Atmungsbewegung vom Kopf gesorgt Die holografischen Aufnahmen wurden mit kurzen Belichtungszeiten
von 17 ms durchgeführt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die es ermöglicht, die
holografische Interferometrie für die medizinische Diagnose zur Erkennung von pathologischen Veränderungen
in biologischem Gewebe zu verwenden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Laser so ausgebildet ist, daß er jeweils im
Abstand von 100 bis 500 μβ zwei Lichtimpulse von ca.
20 ns Dauer erzeugt. Dabei ergibt sich aufgrund der in dem Zeitabstand der Pulse auftretenden Verformungen
des Gewebes ein Interferenzbild auf der Hologrammplatte. Die Gewebeverformungen werden dabei entweder
durch natürliche Bewegungen verursacht oder gezielt durch einen von außen aufgebrachten mechanischen
Druck durch Änderungen des Innendrucks in dem betreffenden Organ hervorgerufen.
Die Aufnahme der Interferogramme von inneren Körperorganen erfolgt erfindungsgemäß so, daß das
Licht des Lasers mit Hilfe eines flexiblen Lichtleiters zu einem Holographiegehäuse geleitet wird und hier mit
Hilfe eines Prismas in einen Beleuchtungsstrahl und einen Referenzstrahl aufgeteilt wird. Der Beleuchtungsstrahl wird durch ein Endoskop in das Körperinnere
geleitet und beleuchtet dort das Organ. Das vom Organ reflektierte Licht wird über die Endoskopoptik wieder
aus dem Körper geleitet. Die Endoskopoptik bildet dabei das Organ außerhalb des Endoskops ab. In der
Bildebene dieser Abbildung befindet sich eine Hologrammplatte, die gleichzeitig noch vom Referenzstrahl,
der zur Anpassung an die unterschiedlichen optischen Weglängen über mehrere Spiegel geführt wird,
beleuchtet wird.
Mit einem seitlich am Gehäuse angeordneten Okular und einem schwenkbaren Spiegel oder Teilerspiegel
kann das Organ in konventioneller Weise beobachtet und fotografiert werden.
Die Rekonstruktion kann nach erfolgter Entwicklung der Hologrammplatte unmittelbar im Aufnahmegerät
mit Hilfe eines Referenzstrahls, der in diesem Fall von einem Dauerstrichlaser erzeugt wird, oder unabhängig
vom Aufnahmegerät in einem einfachen Rekonstruktionsaufbau erfolgen. In beiden Fällen wird mit einer
normalen Kamera oder einer Fernsehaufnahmekamera das Bild des Objekts durch die Hologrammplatte
hindurch aufgenommen.
Die zur Auswertung bestimmten Interferogramme von lebendem, biologischem Gewebe zeigen sehr viele
Interferenzstreifen, deren Deutung oft schwierig ist. Vor allem bei muskulösem Gewebe (wie z. B. in der Blase)
können unterschiedliche Muskelkontraktionen bei verschiedenen Aufnahmen unterschiedliche Ergebnisse
bringen. Zur Vereinfachung der Auswertung wird
erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß nach Erstellung der Interferogramme von Gewebeverhärtungen kurzzeitig
nach dem zweiten Laserimpuls automatisch mit einer auf das Okular des Endoskops aufgesetzten
Kamera ein konventionelles Bild, vorzugsweise ein Farbdia, aufgenommen wird, wobei zur Belichtung
dieses Films das Licht eines proximalen Blitzgenerators eingespiegelt wird. Zur Belichtung des Films kann auch
ein dritter Laserimpuls Verwendung finden. Die Auswertung erfolgt nun mit Hilfe einer optischen
Überlagerung von Interferogramm und konventionellem Foto, wodurch die natürlichen Inhomogenitäten, die
auf dem Foto sichtbar sind, von den bereits pathologischen Inhomogenitäten unterschieden werden können.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung werden zur Vermeidung einer falschen Interpretation des Interferenzmusters — herrührend
von der Muskelkontraktion und somit zur Sicherstellung
einer richtigen Diagnose — mehrere Aufnahmen vom selben Objekt zu verschiedenen Zeiten gemacht
und gemäß dem beschriebenen Überlagerungsverfahren ausgewertet.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist nachfolgend anhand von Figuren
beschrieben. Es zeigt
Fijg. 1 den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäöen
Vorrichtung und
Fig. 2 und 3 den prinzipiellen Aufbau einer Vorrichtung zur Auswertung der Interferogramrne.
Die Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung (Endoholoskop). Das
Licht, das ein Riesenimpulslaser 2 aussendet, gelangt über einen flexiblen Fiberlichtleiter 4 in ein Kameragehäuse
6. Das Kameragehäuse 6 steht in Verbindung mit einem Endoskop 10. Im Inneren des Gehäuses 6 wird
von einem Prisma 12 ein Teilstrahl 14 des Laserstrahls 16 auf den Lichtleiter 8 gelenkt und gelangt so zur
Ausleuchtung eines Organs 18 in das Körperinnere. Mit der Endoskopoptik wird in der Ebene ZB im Gehäuse 6
ein reelles Zwischenbild erzeugt. Zur holografischen Aufnahme wird vom Prisma 12 ein Teil 22 des
Laserstrahls 16 reflektiert und mit einer Linse 24 aufgeweitet. Der aufgeweitete Laserstrahl 26 gelangt
über Spiegel 28, 30 zur Hologrammplatte 32, wo er mit dem vom Lichtleiter 8 kommenden Strahl 34 ein
Interferenzmuster bildet.
Mit einem seitlich am Gehäuse 6 angeordneten Okular 50 und einem schwenkbaren Spiegel oder
Teilerspiegel 52 kann das Organ in konventioneller Weise mittels eines weiteren Endoskops 48 beobachtet
und fotografiert werden.
Hinter der Aufweitungslinse 24 kann eine Lochblende (nicht gezeigt) mit einer Nadelöffnung angeordnet sein,
die zur Erzeugung einer streng punktförmigen Referenzlichtquelle dient.
Fig. 2 und 3 zeigen die Auswertung der Interferenzmuster,
wobei zusätzlich zum Interferogramm 32 ein Diapositiv 36 vorhanden ist, das zur Dokumentation mit
einer am Okular des Endoskops angeschlossenen Kamera (nicht gezeigt) erstellt wurde. Durch Überlagerung
der Strahlengänge 38 und 40 im Prisma 42 sind nun die Bilder mit Hilfe einer Mattscheibe 44 oder aber über
eine Linse 46 betrachtbar. Das Diapositiv 36 ermöglicht es, Interferenzstreifenmuster, die von sichtbaren Gewebeinhomogenitäten
herrühren, zu erkennen und als nicht pathologisch auszuschließen.
Zur einfachen Auswertung von Interferogrammen ist es auch möglich, daß das Interferogramm eines
endoskopisch mit Hilfe der eingebauten Endoskopoptik 10 aufgenommenen Farbdias optisch derart überlagert
wird, daß das eine Bild über eine Objektivlinse 54 und einen Umlenkspiegel 56 und das andere Bild über eine
Objektivlinse 58 und den Strahlenteiler 42 auf der Bildebene 44 abgebildet werden und die in dieser Ebene
sich überlagernden Zwischenbilder mit der Linse 46 betrachtet werden.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Holografische Vorrichtung zur Abbildung von pathologischen Veränderungen in biologischem
Gewebe zwecks deren Erkennung mit einem Laser, der wiederholt Lichtblitze erzeugt, die mittels eines
Lichtleiters und eines Endoskops in Körperhöhlen eingeleitet werden und deren vom Gewebe reflektiertes
Licht mittels einer Endoskopoptik einer Hologrammplatte zugeführt und mit einem vom
Laserstrahl abgezweigten Referenzstrahl vereinigt wird, wobei sich aufgrund der während des
Zeitabstandes der Impulse stattfindenden Veränderungen des Gewebes ein Interferenzbild auf der
Hologrammplatte ergibt, dadurch gekennzeichnet,
daß der Laser (2) so ausgebildet ist, daß er jeweils im Abstand von 100 bis 500 μς zwei
Lichtimpulse von ca. 20 ns Dauer erzeugt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Abzweiger für den Referenzstrahl
ein innerhalb des Hologrammgehäuses angeordnetes Prisma (12) dient und der Referenzstrahl über
Spiegel (28,30) geleitet wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Gelenkoptik als Verbindung zwischen
Endoskop (10) und Impulslaser (2).
4. Vorrichtung nach Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß seitlich am Gehäuse (6)
ein Okular (50) zur Betrachtung des Bildes in konventioneller Weise angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß hinter einer zwischen
Prisma (12) und Spiegel (28) angeordneten Aufweitungslinse (24) eine Lochblende angeordnet ist.
6. Vorrichtung zur Auswertung von Interferogrammen,
die mit einer der in den Ansprüchen 1 bis 5 beschriebenen Vorrichtungen gewonnen wurden,
wobei das Interferogramm einem endoskopisch mit Hilfe der eingebauten Endoskopoptik aufgenommenen
Farbdia optisch überlagert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Bild (3?) über eine
Objektivlinse (54) und einen Umlenkspiegel (56) und das andere Bild (36) über eine Objektivlinse (58) und
einen Strahlenteiler (42) auf der Bildebene (44) abgebildet werden und die in dieser Ebene (44) sich
überlagernden Zwischenbilder mit einer Linse (46) betrachtbar sind.
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