DE4217852A1 - Verfahren und Anordnung zur Erkennung und Analyse der Vorzugsrichtung von Zellgewebsstrukturen in vivo - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren nach den Oberbegriffen des Anspruchs 1 und 2.

Die Gewebsunterschiede von gesundem und pathologischem Gewebe werden nach anatomischen Merkmalen sowie nach Farbe und Gestalt visuell beurteilt. Diese Beurteilung erfolgt direkt visuell oder unter Benutzung eines Operationsmikroskops mit maximal vierzigfacher Vergrößerung. Sie ermöglicht die Erkennung von Tumorgrenzen in vivo erst oberhalb eines bestimmten Entwicklungsstadiums. Aus medizinischer Sicht ist eine Erhöhung der Sicherheit bei der Beurteilung der Tumorgrenzen jedoch wünschenswert.

Die Erfindung geht daher von der Aufgabe aus, ein Verfahren und eine Anordnung zu verwirklichen, bei der über die optische Analyse von Zellgewebsstrukturen eine bildhafte, mit dem visuell wahrgenommenen Bild korrelierte Darstellung von Strukturen und Strukturanomalien erzeugt wird.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Anordnung durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 2 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung gestattet das funktionelle Zusammenwirken mit dem Operationsmikroskop unter den Arbeitsbedingungen der Mikrochirurgie, wobei die Erkennung und Beurteilung von Zellgewebsstrukturen und ihren Anomalien qualitativ über die bisher übliche Betrachtung im Operationsmikroskop bei bis zu vierzigfacher Vergrößerung hinausgeht.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen im folgenden in mehreren Ausführungsformen näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 - Variante zur punktweisen Analyse mit linear polarisiertem Licht,

Fig. 2 - Variante zur Untersuchung mit zirkular polarisiertem Licht,

Fig. 3 - Variante zur flächenhaften Analyse,

Fig. 4 - erfindungsgemäße Kombination der Vorrichtung mit einem Operationsmikroskop.

Die Bezugszeichen in Fig. 1 haben folgende Bedeutung:
1 ist ein Laser, der ein linear polarisiertes Strahlenbündel 2 aussendet. 3.1 ist ein Satz doppelbrechender Prismen zur einstellbaren Drehung der Polarisationsebene, z. B. in eine Orientierungsrichtung 4.

5 ist ein Objekt mit einer von der Zellstruktur verursachten polarisationsoptischen Vorzugsrichtung. 6 ist das vom Objekt in Richtung eines lichtelektrischen Differenzempfängers 9 zurückgestreutes Licht. 7 ist eine Kollektorlinse, welche dieses zurückgestreute Licht auf dem Empfänger 9 sammelt, wobei weder das Objekt 5 noch die Lichtquelle auf dem Empfänger abgebildet werden. 8 ist eine polarisationsoptische Analysatoreinheit, die aus zwei benachbarten Teilbereichen 8.1 und 8.2 besteht. Die polarisationsoptischen Durchlaßrichtungen von 8.1 und 8.2 stehen senkrecht aufeinander; sie sind zwei benachbarten Bereichen 9.1 und 9.2 des Differenzempfängers 9 unmittelbar zugeordnet. 10 ist eine Verstärkereinrichtung für das Differenzsignal, welches aus der Differenz der Intensität der senkrecht zueinander polarisierten Anteile des vom Objekt 5 rückgestreuten Lichtes 6 erzeugt wird. 11 ist eine Anzeigevorrichtung. Die Analysatoreinheit 8 und die Empfängereinheit 9 sind beide gemeinsam um eine Drehachse 12 drehbar, die mit der optischen Achse der Kollektorlinse 7 zusammenfällt. Das Differenzsignal erreicht dann ein relatives Maximum, wenn die kombinierte Analysator-Empfängereinheit 8 und 9 um die Drehachse 12 so gedreht ist, daß die Durchlaßrichtung des Teilbereiches 8.1 des Analysators 8 parallel und die des Teilbereiches 8.2 senkrecht zur Zellenstrukturrichtung des Objektes 5 orientiert sind.

Das relative Maximum wird zum absoluten Maximum, wenn die Polarisationsebene des Laserstrahles 2 mittels der Prismenkombination 3 so gedreht wird, daß die Polarisationsebene parallel zur polarisationsoptisch wirksamen Zellstrukturrichtung des Objektes 5 eingestellt ist.

Bei Drehung der Analysator-Empfängereinheit um 45 Grad gegenüber der Einstellung für das Maximum des Differenzsignals ergibt sich ein Minimum des Differenzsignals; diese Einstellung ermöglicht die Verwendung hoher Signalverstärkung und damit hohe Richtungsauflösung.

In der beschriebenen Anordnung wird die Richtung der Zellgewebsstruktur über ein Flächenelement gemittelt, dessen Flächengröße durch den Durchmesser des primären Laserstrahles 4 gegeben ist. Durch punktweises Abtasten lassen sich größere Flächen erfassen.

Aus dem Drehwinkel der Analysator-Empfängereinheit bei Maximum bzw. Minimum des Differenzsignals ist die Vorzugsrichtung der Zellgewebsstruktur zu entnehmen.

Fig. 2 zeigt eine Variante des Verfahrens und der zugehörigen Anordnung, bei welcher die Abhängigkeit der Größe des Differenzsignals von der Orientierung der Polarisationsrichtung des Primärstrahles 2 zur Richtung der Zellgewebsstruktur entfällt.

In Fig. 2 bedeutet 3.2 eine lambada/4-Platte, welche das linear polarisierte Laserlicht der Wellenlänge lambada in zirkular polarisiertes Licht umwandelt.

Bei Verwendung dieser Variante der Anordnung ist die Größe des Differenzsignals allein von der Orientierung der Analysator-Empfängereinheit zur Strukturrichtung abhängig.

Fig. 3 zeigt eine Anordnung zur flächenhaften Analyse von Zellgewebs-Strukturrichtungen. In Fig. 3 bedeuten 3.2 eine lambda/4-Platte, zwei Linsen 13 und 13′ bilden ein optisches System zur Aufweitung des Laserstrahles auf einen Durchmesser, welcher der Größe der zu analysierenden Fläche entspricht. Im Fall der Anwendung am Operationsmikroskop beträgt dieser Durchmesser ca. 20 mm. 14 ist eine in der Achse des Laserstrahlenbündels liegende Drehachse für ein Abbildungs- und Empfängersystem, bestehend aus einer Abbildungsoptik 15, einer ersten CCD-Matrix 16.1 mit i Spalten und j Zeilen, einer zweiten CCD-Matrix 16.2 ebenfalls mit i Spalten und j Zeilen, einem ersten Polarisationsanalysator 17.1, einem zweiten, senkrecht dazu polarisierten Analysator 17.2 und einem Strahlenteiler 18. Die Systeme 14-16.1 und 14-16.2 bilden zwei Videokameras, welche für Bildanteile mit senkrecht zueinander orientierten Polarisationsrichtungen empfindlich sind und deren Bildelemente (Pixel) zueinander konjugiert sind. 19 ist ein Speicher und Rechner zur Bildung der Differenz aus den Signalen einander konjugierter Pixel. Durch Drehung der Videokameras 14-16.1 und 14-16.2 um die Achse 14 über einen Winkelbereich von 45 Grad lassen sich die Minimaldifferenzen für jedes Paar von konjugierten Pixeln feststellen. Der Drehwinkel gibt die lokale Richtung der Gewebsstruktur an.

Fig. 4 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Kombination der Vorrichtung zur Gewebsstrukturanalyse mit einem Operationsmikroskop. Die Bezugszeichen in Fig. 4 haben folgende Bedeutung: 20 ist ein Operationsmikroskop, bestehend aus einem Objektiv 20.1, Vergrößerungssystemen 20.2 und einem Einblicksystem 22, welches Tubusobjektive 22.1, Umkehrprismen 22.2 und Okulare 22.3 enthält. 21 ist ein Strahlenteiler. 23 ist das zu untersuchende Objekt 6. Auf das Objekt 23 gerichtet und am Mikroskop angebracht ist die Vorrichtung zur Analyse der Gewebsstrukturvorrichtung 24 so wie sie in den Fig. 1, 2 und 3 in Grundvarianten dargestellt ist. Das Ergebnis der Strukturanalyse wird über ein Steuergerät 25 einem Monitor 26 zugeführt.

Der Bildschirm des Monitors 26 wird über eine Abbildungsoptik 27 und den Strahlenteiler 21 kongruent zur direkten optischen Bilderzeugung in das Operationsmikroskop eingespiegelt.

Der Operateur sieht auf diese Weise dem direkten optischen, durch übliche Beleuchtungs- und Abbildungsoptik erzeugten Bild überlagert, die Vorzugsrichtung der Gewebsstruktur des Objektes und erkennt Anomalien, die im rein optischen Bild nicht zu sehen sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung dafür ist prinzipiell auch zur Beurteilung von optisch wirksamen Texturen nichtmedizinischer Objekte anwendbar.

Claims (6)

1. Verfahren zur Erkennung und Analyse der Vorzugsrichtung von Zellgewebsstrukturen in vivo, insbesondere im Zusammenwirken mit Operationsmikroskopen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erkennung der Vorzugsrichtung die strukturrichtungsabhängige Remission polarisierten Lichtes ausgewertet wird.

2. Anordnung zur Erkennung und Analyse der Vorzugsrichtung von Zellgewebsstrukturen in vivo, insbesondere in einem Operationsmikroskop, unter Verwendung einer Laserlichtquelle, dadurch gekennzeichnet, daß eine Beleuchtung der Gewebsstruktur mit Licht definierten Polarisationszustandes erfolgt und ein lichtelektrischer Differenzempfänger zur Messung der Intensitätsunterschiede des remittierten Lichtes in zwei zueinander senkrechten Polarisationsrichtungen vorgesehen ist, wobei der Differenzempfänger um eine mit der Beobachtungsrichtung des OPM zusammenfallenden Achse drehbar angeordnet ist und die vom Empfänger erfaßte lokale Vorzugsrichtung der Zellgewebsstruktur durch elektronische Mittel in ein Monitorbild umgesetzt und dem optischen Bild im Operationsmikroskop überlagert wird.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Beleuchtung mit zirkular polarisiertem Licht erfolgt.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines polarisierten Laserstrahls eine punktweise Abtastung der Gewebsstruktur erfolgt.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Beleuchtung mit linear polarisiertem Licht erfolgt und die Polarisationsrichtung für jeden abgetasteten Punkt gedreht wird, wobei die Polarisationsrichtung für das minimale und das maximale Differenzsignal ermittelt wird.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 2-6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Intensitätsunterschiede in zwei zueinander senkrechten Richtungen Matrixempfänger, bestehend aus zwei zueinander konjugierten, für zwei zueinander senkrecht orientierte Polarisationsrichtungen Empfängermatrizen, verwendet werden.