DE4318823C2 - Device for scanning optical tissue examination - Google Patents

Device for scanning optical tissue examination

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur scannenden optischen Gewebe-Untersuchung.The present invention relates to a device for scanning optical tissue examination.

Zur Untersuchung menschlichen Gewebes hinsichtlich eventueller Gewebe-Anomalien sind eine Reihe von Vorrichtungen bzw. Verfahren bekannt. So werden seit längerem Röntgenstrahlen verwendet, um derartige Untersuchungen durchzuführen. Damit lassen sich zwar gut kontrastierte Bilder des menschlichen Skelettaufbaus realisieren, jedoch ist die erreichbare Bildqualität bei der Detektion von Tumoren für eine sichere Diagnose oft nicht ausreichend. Insbesondere die mangelnde Kontrastierung zwischen verschiedenen zu untersuchenden Gewebearten macht diese Untersuchungsmethode für bestimmte Zwecke nur bedingt geeignet. Ein weiterer, bedeutender Nachteil bei der Verwendung von Röntgenstrahlen liegt in deren ionisierender Wirkung und der resultierenden Wechselwirkung mit dem menschlichen Gewebe. Demzufolge sucht man seit längerem nach Untersuchungsmethoden bzw. geeigneten Vorrichtungen, die mit nicht-ionisierender elektromagnetischer Strahlung realisierbar sind und eine hinreichende Bildqualität für die Auswertung liefern.To examine human tissue regarding any tissue abnormalities are a number of Devices or methods known. So have been prolonged x-rays used to such To conduct investigations. This can be done well contrasted images of human skeletal structure realize, but the achievable image quality is the detection of tumors for a safe diagnosis often unsatisfactory. In particular the lack Contrast between different subjects to be examined Tissue types makes this method of investigation for certain Purposes are only of limited use. Another important one The disadvantage of using X-rays lies in their ionizing effect and the resulting Interaction with human tissue. As a result, have been looking for research methods or suitable devices with non-ionizing electromagnetic radiation are realizable and a provide sufficient image quality for the evaluation.

Eine geeignete Vorrichtung zur Detektion von Änderungen des Absorptions-Koeffizienten in einem streuenden Medium, die nicht mit Röntgen-Strahlung arbeitet, wird beispielsweise in der US-Patentschrift US 4,972,331 beschrieben. Beim dort vorgeschlagenen Phasenmodulations-Spektroskopie-Verfahren wird Strahlung zweier Wellenlängen im nahen Infrarot alternierend in das zu untersuchende menschliche Gewebe eingekoppelt und die Strahlungssignale dabei hochfrequent moduliert. Detektorseitig werden Änderungen charakteristischer Strahlungsgrößen, wie u. a. die resultierende Phasenverschiebung im Gewebe, registriert und daraus auf die Konzentration eines Gewebebestandteiles geschlossen, das die transmittierte Strahlung absorbiert, beispielsweise ein Tumor.A suitable device for detecting changes in the Absorption coefficients in a scattering medium, the does not work with x-ray radiation, for example in US 4,972,331. When there proposed phase modulation spectroscopy method becomes radiation of two wavelengths in the near infrared alternating in the human tissue to be examined coupled in and the radiation signals high-frequency modulated. Changes are made on the detector side characteristic radiation quantities, such as u. a. the  resulting phase shift in tissue, registered and from it on the concentration of a tissue component closed, which absorbs the transmitted radiation, for example a tumor.

Die beschriebene Vorrichtung weist nun eine Reihe von Nachteilen auf. Zum einen ist aufgrund des alternierenden Einkoppelns elektromagnetischer Strahlung verschiedener Wellenlängenbereiche und der gewählten Detektor-Anordnung eine hohe Meßzeit die Folge, da auch eine sequentielle Detektion der unterschiedlichen Wellenlängen erfolgt. Ferner ist problematisch, daß extrem schwache optische Signale im Hochfrequenzbereich mittels eines hochempfindlichen Detektors in elektrische Signale umgewandelt werden müssen. Ein derartiger Detektor muß aufgrund des starken Signal-Rauschens der HF-Signale eine große Bandbreite aufweisen und ist entsprechend teuer. Die vom Detektor gelieferten elektrischen Signale wiederum sind äußerst empfindlich gegen hochfrequente Störfelder aus der jeweiligen Umgebung. Desweiteren kann mit Hilfe der dargestellten Anordnung lediglich festgestellt werden, daß beispielsweise ein Tumor vorhanden ist; Aussagen über die präzise Lokalisation und die Größe des Tumors innerhalb des untersuchten Gewebe-Volumens sind nicht möglich.The device described now has a number of Disadvantages on. For one, it is due to the alternating Coupling electromagnetic radiation of various Wavelength ranges and the chosen detector arrangement A long measuring time is the result, as is also a sequential one Detection of the different wavelengths takes place. Another problem is that extremely weak optical High frequency signals using a highly sensitive detector in electrical signals need to be converted. Such a detector must due to the strong signal noise of the RF signals have a large bandwidth and is correspondingly expensive. The electrical signals supplied by the detector are in turn extremely sensitive to high-frequency interference from the respective environment. Furthermore, with the help of arrangement shown can only be found that for example a tumor is present; Statements about the precise location and size of the tumor within the examined tissue volume is not possible.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur scannenden optischen Gewebe-Untersuchung zu schaffen, die die Lokalisation von begrenzten Änderungen der Streu- und/oder Absorptionseigenschaften in menschlichem Gewebe mit möglichst hohem Kontrast und hoher Orts-Auflösung gewährleistet. Zudem soll eine zwei- oder dreidimensionale Bildrekonstruktion aus den gemessenen Daten möglich sein. Desweiteren wird eine Reduzierung des apparativen Aufwandes bei gleichzeitiger Verkürzung der Meßzeiten und möglichst geringer Anfälligkeit gegenüber äußeren Störeinflüssen angestrebt. The object of the present invention is therefore a Device for scanning optical tissue examination create the localization of limited changes the scattering and / or absorption properties in human tissue with the highest possible contrast and high Location resolution guaranteed. In addition, a two or three-dimensional image reconstruction from the measured Data may be possible. Furthermore, a reduction in apparatus expenditure while shortening the Measuring times and the lowest possible susceptibility to aimed at external interference.  

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur scannenden optischen Gewebe-Untersuchung mit den Merkmalen des Anspruches 1.This object is achieved by a device for scanning optical tissue examination with the features of claim 1.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur scannenden optischen Gewebe-Untersuchung erlaubt nunmehr die ortsaufgelöste Detektion von Anomalien, beispielsweise von Tumoren, im menschlichen Gewebe inclusive der zwei- oder dreidimensionalen Bildrekonstruktion. Ein möglicher Einsatz liegt in der Brustkrebs-Früherkennung.The inventive device for scanning optical Tissue examination now allows the spatially resolved Detection of anomalies, for example tumors, in the human tissues including the two or three-dimensional image reconstruction. A possible use is in breast cancer screening.

Es resultiert insbesondere ein erheblich geringerer apparativer Aufwand im Vergleich zu den bekannten Vorrichtungen, was u. a. auf die erfindungsgemäße Ausführung der Detektionseinheit zurückzuführen ist. In den verschiedenen Ausführungsvarianten der Detektionseinheit ist beispielsweise der Einsatz preiswerter und hochempfindlicher Detektoren geringer Bandbreite möglich.In particular, the result is considerably less apparatus expenditure in comparison to the known Devices what u. a. on the execution according to the invention is due to the detection unit. In the different versions of the detection unit is for example the use cheaper and Highly sensitive detectors with low bandwidth possible.

Durch das gleichzeitige Einkoppeln von zwei oder mehr verschiedenen Wellenlängen in ein einziges Sende- Strahlführungssystem über ein Multiplex-Element und die jeweilige Ausführung der Detektoreinheit, d. h. insbesondere die erfindungsgemäße Kombination der De-Multiplex- Einrichtung mit der jeweiligen Mischeinrichtung, ist desweiteren eine Verkürzung der Meßzeit im Vergleich zum erwähnten Stand der Technik um mindestens den Faktor 2 möglich.By coupling two or more at the same time different wavelengths in a single transmission Beam guidance system via a multiplex element and respective design of the detector unit, d. H. in particular the combination of de-multiplex according to the invention Device with the respective mixing device furthermore a shortening of the measuring time compared to mentioned prior art by at least a factor of 2 possible.

Eine Verbesserung der Ortsauflösung und Kontrastierung ergibt sich zudem aufgrund der Bildrekonstruktion nach dem Entfaltungs-Prinzip. Hierzu wird mit Hilfe einer Scaneinheit bei einer festen Strahlungsquellen-Position die Streulichtverteilung über ein größereres, austrittsseitiges Flächenelement gemessen. Dazu sind verschiedene Scaneinheiten geeignet. An improvement in spatial resolution and contrast also results from the image reconstruction after Unfolding principle. This is done with the help of a Scan unit with a fixed radiation source position Scattered light distribution over a larger, outlet side Area element measured. There are various Suitable scanning units.  

Vorteilhaft erweist sich bei der Bildrekonstruktion die Verwendung von raumwinkel-selektiven Elementen innerhalb der Scaneinheit, um derart störende "Fremdlicht-Einflüsse" zu unterdrücken.This proves to be advantageous for image reconstruction Use of solid angle-selective elements within the scanning unit to avoid such disturbing "extraneous light influences" to suppress.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist desweiteren modular aufgebaut, so daß der problemlose Austausch einzelner Komponenten je nach gewünschter Auslegung jederzeit möglich ist, beispielsweise der Einsatz unterschiedlicher Misch- und Detektionseinheiten.The device according to the invention is also modular built so that the easy exchange of individual Components possible at any time depending on the desired design is, for example, the use of different mixing and detection units.

Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur scannenden optischen Gewebe-Untersuchung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden Figuren.Further advantages and details of the invention Device for scanning optical tissue examination result from the following description of Exemplary embodiments with reference to the accompanying figures.

Hierbei zeigtHere shows

Fig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur scannenden optischen Gewebe- Untersuchung; Fig. 1 is a block diagram of the device for scanning optical tissue analysis;

Fig. 2a-2d jeweils eine mögliche Ausführungsform der Detektionseinheit; 2a-2d, respectively, a possible embodiment of the detection unit.

Fig. 3 ein schematisiert dargestelltes Ausführungsbeispiel einer geeigneten optischen Mischeinrichtung; Fig. 3 is a schematically shown embodiment of a suitable optical mixing device;

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer möglichen Scaneinheit mit einer lateral ausgedehnten Detektoranordnung; Fig. 4 shows a further embodiment of a possible scanning unit with a laterally extended detector array;

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel für ein raumwinkel­ selektives Element, angeordnet vor einer lateral ausgedehnten Detektoranordnung; Figure 5 shows an embodiment of a solid angle-selective element arranged in front of a laterally extended detector array.

In Fig. 1 ist ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur scannenden optischen Gewebe-Untersuchung dargestellt. Diese weist einen modularen Aufbau auf, der es gestattet, je nach gewünschter Auslegung einzelne Komponenten problemlos gegeneinander auszutauschen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst i. w. eine optische Sendeeinheit (10), eine Modulationseinheit (20), eine Scaneinheit (30), eine Detektionseinheit (40), eine Steuereinheit (50) sowie eine Auswerteeinheit (60).In Fig. 1 a block diagram of the device for scanning optical illustrated tissue examination. This has a modular structure, which allows individual components to be easily exchanged for one another, depending on the desired design. The device according to the invention comprises an optical transmission unit ( 10 ), a modulation unit ( 20 ), a scan unit ( 30 ), a detection unit ( 40 ), a control unit ( 50 ) and an evaluation unit ( 60 ).

In der optischen Sendeeinheit (10) sind dabei zwei oder mehr Lichtquellen LQi (11a, 11b, 11c) angeordnet, die Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge λi emittieren. Hierzu können beispielweise Laserdioden der Fa. Spectra Diode Labs mit den Typenbezeichnungen SDL 7422, SDL 2431 oder dgl. verwendet werden, die Wellenlängen λi zwischen 670 nm und 950 nm liefern, d. h. im (sichtbaren) roten und (unsichtbaren) nah-infraroten Spektralbereich arbeiten. Im Blockschaltbild der Fig. 1 sind drei verschiedene Lichtquellen (11a, 11b, 11c) dargestellt, es können jedoch jederzeit auch mehr unterschiedliche Lichtquellen bzw. entsprechende Wellenlängen eingesetzt werden. Entscheidend bei der Auswahl der verwendeten Wellenlängen λi ist hierbei lediglich, daß diese eine möglichst unterschiedliche Absorptionscharakteristik im zu untersuchenden menschlichem Gewebe (100) aufweisen.Two or more light sources LQi ( 11 a, 11 b, 11 c), which emit radiation of different wavelength λ i, are arranged in the optical transmission unit ( 10 ). For this purpose, for example, laser diodes from Spectra Diode Labs with the type designations SDL 7422 , SDL 2431 or the like can be used, which deliver wavelengths λ i between 670 nm and 950 nm, ie in the (visible) red and (invisible) near-infrared spectral range work. In the block diagram of Fig. 1, three different light sources (11 a, 11 b, 11 c), however, it can be at any time even more different light sources and corresponding wavelengths used. The only decisive factor in the selection of the wavelengths λ i used is that they have as different an absorption characteristic as possible in the human tissue ( 100 ) to be examined.

Die Lichtquellen (11a, 11b, 11c) werden über eine Modulationseinheit (20) hochfrequent intensitätsmoduliert. Hierzu umfaßt die Modulationseinheit (20) z. B. kommerzielle HF-Oszillatoren für die unterschiedlichen Lichtquellen (11a, 11b, 11c), wie sie etwa von der Fa. Rohde & Schwarz unter den Typenbezeichnungen SMG bzw. SMX vertrieben werden, in Fig. 1 aus Übersichtlichkeitsgründen jedoch nicht dargestellt sind. Alternativ können auch spezielle Oszillatoren auf Basis direkter digitaler Synthesizer (DDS) verwendet werden, die mindestens zwei HF-Ausgänge im Bereich 100-500 MHz besitzen und um einen definierten Offset ▲f versetzt, aber phasenstarr gekoppelt sind.The light sources ( 11 a, 11 b, 11 c) are high-frequency intensity modulated by a modulation unit ( 20 ). For this purpose, the modulation unit ( 20 ) comprises z. B. commercial RF oscillators for the different light sources ( 11 a, 11 b, 11 c), such as those sold by Rohde & Schwarz under the type designations SMG or SMX, are not shown in FIG. 1 for reasons of clarity are. Alternatively, special oscillators based on direct digital synthesizers (DDS) can be used, which have at least two HF outputs in the 100-500 MHz range and are offset by a defined offset ▲ f, but are phase locked.

Die Modulationsfrequenz für die einzelnen Lichtquellen (11a, 11b, 11c) liegt vorteilhafterweise zwischen 100 MHz und 500 MHz und setzt sich aus einer hochfrequenten Modulations-Grundfrequenz f zuzüglich einer definierten, niederfrequenten Modulations-Offset-Frequenz ▲fi zusammen, d. h. es resultiert eine Gesamt-Modulationsfrequenz fGi = f + ▲fi für jede Wellenlänge λi. Je nach eingesetzter Detektionseinheit (40) sind die Modulations-Offset- Frequenzen ▲fi der einzelnen Lichtquellen (11a, 11b, 11c) und damit auch die Gesamt-Modulationsfrequenzen fGi identisch oder aber unterschiedlich; entsprechende Ausführungsvarianten der Detektionseinheit (40) werden anhand der Fig. 2a-2d noch detaillierter erläutert.The modulation frequency for the individual light sources ( 11 a, 11 b, 11 c) is advantageously between 100 MHz and 500 MHz and is composed of a high-frequency basic modulation frequency f plus a defined, low-frequency modulation offset frequency ▲ f i , ie the result is a total modulation frequency f Gi = f + ▲ f i for each wavelength λ i . Depending on the detection unit ( 40 ) used, the modulation offset frequencies ▲ f i of the individual light sources ( 11 a, 11 b, 11 c) and thus also the total modulation frequencies f Gi are identical or different; Corresponding design variants of the detection unit ( 40 ) are explained in more detail with reference to FIGS. 2a-2d.

Die optische Sendeeinheit (10) umfaßt desweiteren eine - nicht dargestellte - Temperatur-Regelung für die verwendeten Lichtquellen (11a, 11b, 11c), um diese bei einer stabilen Temperatur zu betreiben. Dies ist notwendig, um möglichst stabile Phasen- und Amplitudenwerte der emittierten Strahlung zu gewährleisten.The optical transmitter unit ( 10 ) further comprises a temperature control (not shown) for the light sources used ( 11 a, 11 b, 11 c) in order to operate them at a stable temperature. This is necessary in order to ensure that the phase and amplitude values of the emitted radiation are as stable as possible.

Ferner beinhaltet die optische Sendeeinheit (10) ein - schematisiert dargestelltes - Multiplex-Element (12), mit dem die von den einzelnen Lichtquellen (11a, 11b, 11c) emittierten Strahlenbündel in ein einziges Sende- Strahlführungssystem (15) eingekoppelt werden. Als geeignetes Multiplex-Element (12) für ein sequentielles Einkoppeln kann beispielsweise eine "Chopper-Anordnung" mit einem Chopper-Rad eingesetzt werden, das mit einer definierten Umlauffrequenz betrieben wird und derart sequentiell Strahlung der einzelnen Lichtquellen (11a, 11b, 11c) in das Sende-Strahlführungssystem (15) einkoppelt. The optical transmission unit ( 10 ) also contains a multiplex element ( 12 ), shown schematically, by means of which the beam bundles emitted by the individual light sources ( 11 a, 11 b, 11 c) are coupled into a single transmission beam guidance system ( 15 ) , As a suitable multiplex element ( 12 ) for sequential coupling, a "chopper arrangement" with a chopper wheel can be used, for example, which is operated at a defined rotational frequency and sequentially emits radiation from the individual light sources ( 11 a, 11 b, 11 c) couples into the transmission beam guidance system ( 15 ).

Das Chopper-Rad wird beim sequentiellen Multiplexen über eine Steuer-Einheit (50) in einer definierten Frequenz getaktet, d. h. die Einkoppelfrequenz der separaten Lichtquellen (11a, 11b, 11c) in das Sende- Strahlführungssystem (15) wird von der externen Steuereinheit (50) gesteuert. Die Steuereinheit (50), die daneben noch weitere - im folgenden noch zu beschreibende - Funktionen übernimmt, wird vorteilhafterweise über einen Rechner softwaremäßig realisiert.The chopper wheel is clocked in sequential multiplexing via a control unit ( 50 ) at a defined frequency, ie the coupling frequency of the separate light sources ( 11 a, 11 b, 11 c) into the transmission beam guidance system ( 15 ) is from the external Control unit ( 50 ) controlled. The control unit ( 50 ), which also takes over further functions - to be described below - is advantageously implemented in software using a computer.

Alternativ zum sequentiellen Multiplexen mit Hilfe der Chopper-Anordnung können besonders vorteilhaft auch bekannte faseroptische Multiplex-Elemente verwendet werden, die das gleichzeitige bzw. parallele Einkoppeln und Übertragen der modulierten Strahlung in das Sende- Strahlführungssystem (15) ermöglichen. Derartige faseroptische Multiplex-Elemente werden z. B. von der Anmelderin vertrieben und sind etwa in der EP 0 194 612 beschrieben.As an alternative to sequential multiplexing with the aid of the chopper arrangement, known fiber-optic multiplex elements can also be used particularly advantageously, which enable the modulated radiation to be coupled in and transmitted into the transmission beam guidance system ( 15 ) simultaneously or in parallel. Such fiber optic multiplex elements are used for. B. sold by the applicant and are described for example in EP 0 194 612.

Als Sende-Strahlführungsystem (15) dient vorzugsweise ein faseroptischer Lichtleiter. Dieser weist auskoppelseitig eine Auskoppeloptik (31) auf, die das austretende Strahlbündel kollimiert. Auskoppel-Optik (31) und/oder Sende-Strahlführungssystem (15) sind mit einer Scaneinheit (30) gekoppelt, die ein definiertes Positionieren - vorzugsweise in einer Ebene - des kollimierten Strahlenbündels relativ zum zu untersuchenden Gewebe (100) übernimmt.A fiber-optic light guide is preferably used as the transmission beam guidance system ( 15 ). This has a decoupling optic ( 31 ) on the decoupling side, which collimates the emerging beam. Outcoupling optics ( 31 ) and / or transmitting beam guidance system ( 15 ) are coupled to a scanning unit ( 30 ) which takes over a defined positioning - preferably in one plane - of the collimated beam bundle relative to the tissue ( 100 ) to be examined.

Wesentlich für die Funktion der Scaneinheit (30) bzw. der gesamten erfindungsgemäßen Vorrichtung ist nunmehr, daß eine definierte Beziehung zwischen dem punktförmigem Einstrahlort im Gewebe (100) und dem detektionsseitigen Austrittsort mittels einer ortsauflösenden Detektoranordnung der Scaneinheit (30) hergestellt wird. It is now essential for the function of the scanning unit ( 30 ) or the entire device according to the invention that a defined relationship between the punctiform irradiation site in the tissue ( 100 ) and the detection side exit site is established by means of a position-resolving detector arrangement of the scanning unit ( 30 ).

Hierzu sind verschiedene Ausführungen der Scaneinheit (30) möglich.Various versions of the scan unit ( 30 ) are possible for this.

So kann, wie in Fig. 1 schematisiert dargestellt, eine detektionsseitige Einkoppel-Optik (32) vorgesehen werden, die die durch das Gewebe (30) transmittierte Strahlung in ein Detektions-Strahlführungssystem (35), z. B. einen faseroptischen Lichtleiter, fokussiert bzw. einkoppelt. Die Scaneinheit (30), ebenfalls gesteuert über die Steuereinheit (50), ermöglicht in dieser Scan-Anordnung ein synchrones Abscannen des zu untersuchenden Gewebes (100), d. h. die sendeseitige Auskoppeloptik (31) wird immer synchronisiert in der gleichen Achse zur detektionsseitigen Einkoppeloptik (32) positioniert. Als ortsauflösende Detektor-Anordnung der Scaneinheit (30) dient in diesem Ausführungsbeispiel demzufolge die synchron zum kollimierten Sende-Strahlenbündel positionierte Einkoppeloptik (32) inclusive dem Detektions- Strahlführungssystem (35).Thus, as shown schematically in FIG. 1, a detection-side coupling optic ( 32 ) can be provided, which transmits the radiation transmitted through the tissue ( 30 ) into a detection beam guidance system ( 35 ), e.g. B. a fiber optic light guide focused or coupled. The scanning unit ( 30 ), also controlled by the control unit ( 50 ), enables a synchronous scanning of the tissue ( 100 ) to be examined in this scanning arrangement, ie the transmission optics ( 31 ) on the transmission side are always synchronized in the same axis as the detection optics ( 32 ) positioned. In this exemplary embodiment, the coupling optics ( 32 ) positioned synchronously with the collimated transmission beam bundle, including the detection beam guiding system ( 35 ), are therefore used as the spatially resolving detector arrangement of the scanning unit ( 30 ).

Eine alternative, zweite Ausführungsform der Scaneinheit (30) aus Fig. 1 sieht anstelle des synchronisierten Scannens vor, das sendeseitige Strahlführungssystem (15) bzw. die Auskoppeloptik (31) an einer definierten Position zu belassen und lediglich empfangsseitig mit dem Detektions-Strahlführungssytem (35) bzw. dessen Einkoppeloptik (32) eine definierte Positionsveränderung vorzunehmen und die transmittierte Strahlung an verschiedenen Punkten über einen lateralen, größeren Flächenbereich zu registrieren. Ein derartiger Scan-Vorgang kann anschließend für mehrere (z. B. 5-10) sendeseitig- festgehaltene Einstrahlpositionen des kollimierten Strahlbündels vorgenommen werden.An alternative, second embodiment of the scanning unit ( 30 ) from FIG. 1 provides, instead of the synchronized scanning, to leave the transmission-side beam guidance system ( 15 ) or the coupling-out optics ( 31 ) at a defined position and only with the detection beam guidance system ( 35 ) or its coupling optics ( 32 ) to perform a defined change in position and to register the transmitted radiation at different points over a lateral, larger area. Such a scanning process can then be carried out for a plurality of (for example 5-10) radiation positions of the collimated beam which are recorded on the transmission side.

Schließlich ist es desweiteren möglich, innerhalb der zuletzt beschriebenen Ausführungsform der Scaneinheit detektionsseitig anstelle der punktförmigen, ortsauflösenden Detektor-Anordnung, die bewegt wird, eine zweidimensionale bzw. lateral ausgedehnte ortsauflösende Detektoranordnung mit einer CCD-Kamera oder einem CCD-Array mit vorgeschaltetem Bildverstärker zu verwenden. Der vorgeschaltete Bildverstärker übernimmt dabei das Heruntermischen der HF-Signale auf niedrigere Signalfrequenzen. Ein Ausführungsbeispiel einer entsprechenden Scaneinheit wird in Fig. 4 beschrieben. Analog kann selbstverständlich auch eine CCD-Zeile innerhalb einer ortsauflösenden Detektoranordnung der Scaneinheit bei festgehaltener "Punktlichtquelle" eingesetzt werden.Finally, it is furthermore possible to use a two-dimensional or laterally extended position-resolving detector arrangement with a CCD camera or a CCD array with an upstream image intensifier instead of the point-shaped, spatially resolving detector arrangement which is moved on the detection side within the last-described embodiment of the scanning unit , The upstream image intensifier takes care of mixing down the RF signals to lower signal frequencies. An exemplary embodiment of a corresponding scan unit is described in FIG. 4. Analogously, of course, a CCD line can also be used within a spatially resolving detector arrangement of the scanning unit with a fixed "point light source".

Um detektorseitig möglichst nur die unter einem definierten Winkel aus dem Gewebe austretende Strahlung zu registrieren, weist die Scaneinheit bzw. die ortsauflösende Detektoranordnung vorteilhafterweise jeweils raumwinkel­ selektive Elemente zwischen der ortsauflösenden Detektor- Anordnung und dem zu untersuchenden Gewebe auf, um somit die Signalauswertung störende Fremdlichteinflüsse aus anderen Raumrichtungen zu unterdrücken. Eine hierzu geeignete Vorrichtung wird anhand von Fig. 5 beschrieben. Derartige raumwinkel-selektive Elemente erweisen sich dabei für alle vorab beschriebenen Ausführungsbeispiele der Scaneinheit als vorteilhaft.In order to record only the radiation emerging from the tissue at a defined angle on the detector side, the scanning unit or the spatially resolving detector arrangement advantageously has spatial angle-selective elements between the spatially resolving detector arrangement and the tissue to be examined, in order thus to identify the effects of extraneous light that interfere with the signal evaluation to suppress other spatial directions. A device suitable for this is described with reference to FIG. 5. Such solid angle-selective elements prove to be advantageous for all of the previously described exemplary embodiments of the scanning unit.

Schließlich ist es desweiteren möglich, zur Unterdrückung störender Streustrahlung aus verschiedenen Richtungen, die Scaneinheit (30) in einer konfokalen Anordnung zu betreiben.Finally, it is also possible to operate the scanning unit ( 30 ) in a confocal arrangement to suppress interfering scattered radiation from different directions.

Das mit definierter Ortsauflösung über die Scaneinheit (30) registrierte, durch das Gewebe (100) transmittierte schwache Strahlungssignal gelangt über das Detektions- Strahlführungssystem (35) schließlich auf die Detektionseinheit (40). Dort erfolgt das Heruntermischen des HF-amplitudenmodulierten schwachen Lichtsignals auf eine niedrigere Frequenz unter Erhaltung der Phaseninformationen, eine ggf. erforderliche geeignete Verstärkung sowie die wellenlängenabhängige Registrierung der erfolgten Phasenverschiebungen im durchstrahlten Gewebe (100) und die ebenfalls wellenlängenabhängige Registrierung der Intensitäten bzw. Amplituden der transmittierten Strahlung. Die registrierten optischen Signale werden innerhalb der Detektionseinheit (40) in geeignete elektrische Signale umgewandelt, die von der Auswerteeinheit (60) weiterverarbeitet werden können.The weak radiation signal registered with a defined spatial resolution via the scanning unit ( 30 ) and transmitted through the tissue ( 100 ) finally reaches the detection unit ( 40 ) via the detection beam guidance system ( 35 ). There, the HF-amplitude-modulated weak light signal is mixed down to a lower frequency while maintaining the phase information, a suitable amplification that may be required, as well as the wavelength-dependent registration of the phase shifts in the irradiated tissue ( 100 ) and the likewise wavelength-dependent registration of the intensities or amplitudes of the transmitted Radiation. The registered optical signals are converted within the detection unit ( 40 ) into suitable electrical signals which can be further processed by the evaluation unit ( 60 ).

Als Referenz zu den ermittelten Informationen der transmittierten Strahlungs-Signale dienen jeweils die Signale der Modulationseinheit sowie der optischen Sendeeinheit, d. h. insbesondere die einmal aufgeprägten Phasen- und Amplituden-Informationen, die sich beim Durchgang durch das Gewebe verändern.As a reference to the information obtained from the transmitted radiation signals each serve the Signals from the modulation unit and the optical Transmitter unit, d. H. especially those that have been embossed Phase and amplitude information that is in the Change the passage through the tissue.

Verschiedene mögliche Varianten der Detektionseinheit (40) werden explizit anhand der Fig. 2a-2d beschrieben.Different possible variants of the detection unit ( 40 ) are explicitly described with reference to FIGS. 2a-2d.

Die von der Detektionseinheit (40) erfaßten resultierenden Phasen- und Amplitudenänderungen der einzelnen Wellenlängenanteile im durchstrahlten Gewebe (100) werden schließlich von der Auswerteeinheit (60) weiterverarbeitet. Hierzu werden von der Auswerteeinheit (60) auch Informationen der Steuereinheit (50) hinsichtlich der Orte, wo die Signale über die Scaneinheit (30) gemessen wurden, herangezogen. Die Auswerteeinheit (60) übernimmt desweiteren auch die bildgebende Signalverarbeitung mit der anschließend möglichen Darstellung auf einem Display, beispielsweise die Darstellung von Schnittbildern des untersuchten Gewebes.The resulting phase and amplitude changes of the individual wavelength components in the irradiated tissue ( 100 ) detected by the detection unit ( 40 ) are finally processed further by the evaluation unit ( 60 ). For this purpose, the evaluation unit ( 60 ) also uses information from the control unit ( 50 ) with regard to the locations where the signals were measured via the scanning unit ( 30 ). The evaluation unit ( 60 ) also takes over the imaging signal processing with the subsequent possible representation on a display, for example the representation of sectional images of the examined tissue.

Die mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung verbesserte Messung von Phase, Amplitude und Gleichstromanteil der transmittierten bzw. gestreuten Strahlung eines kollimierten Lichtstrahles ermöglicht nunmehr die Auswertung von Phasen- und Modulationsbildern. Das austrittsseitig resultierende und gemessene Signal wird als an den Gewebsstrukturen gebeugte Diffusionswelle interpretiert. Die Phase einer Messung entspricht dabei im wesentlichen der mittleren Laufzeit der ankommenden Diffusionswelle am jeweiligen Meßort, die Amplitude der erlittenen Dämpfung der Diffusionswelle. Das mit Hilfe der Scaneinheit (30) flächenhaft registrierte Beugungsbild wird unter Verwendung eines Gewebe-Modelles für die Bildrekonstruktion weiter verarbeitet. Die Streulichtverteilung repräsentierende Werte, wie etwa Verteilungsmomente, Asymmetriekonstanten oder Phasennulldurchgänge werden abgespeichert und stellen die Startdaten für die Absorber- und Streuverteilungsinhomogenitäts-Bestimmung über iterative Rekonstruktionsverfahren im Gewebe dar. Im nächsten Meßschritt werden unter Zuhilfenahme der Startdaten diese Schritte wiederholt und eventuell die Daten des vorhergehenden Meßpunktes korrigiert. Dieses iterative Verfahren wird sowohl hinsichtlich Phase und Modulationsgrad angewendet, was in gewissen Grenzen eine Separation von Streu- und Absorptionsänderungen erlaubt. Ausgangsseitig werden der Auswerteeinheit (60) jeweils die gleichen Informationen bezüglich der im Gewebe erfolgten Phasen- und Amplitudenänderungen übergeben. Vorteilhafterweise wird für dieses Verfahren in der Auswerteeinheit (60) ein spezieller IC (ASIC) verwendet, der die Rekonstruktion und Bildverarbeitung in kurzer Zeit ermöglicht.The improved measurement of phase, amplitude and DC component of the transmitted or scattered radiation of a collimated light beam with the aid of the device according to the invention now enables the evaluation of phase and modulation images. The signal resulting and measured on the exit side is interpreted as a diffusion wave diffracted at the tissue structures. The phase of a measurement essentially corresponds to the mean transit time of the incoming diffusion wave at the respective measurement location, the amplitude of the damping of the diffusion wave. The diffraction image, which is registered with the aid of the scanning unit ( 30 ), is processed further using a tissue model for the image reconstruction. Values representing the scattered light distribution, such as distribution moments, asymmetry constants or phase zero crossings, are stored and represent the start data for the absorption and scatter distribution inhomogeneity determination using iterative reconstruction methods in the tissue. In the next measuring step, these steps are repeated with the aid of the start data and possibly the data from the previous one Corrected measuring point. This iterative method is used with regard to phase and degree of modulation, which allows separation of scatter and absorption changes within certain limits. On the output side, the evaluation unit ( 60 ) is given the same information regarding the phase and amplitude changes that have occurred in the tissue. A special IC (ASIC) is advantageously used for this method in the evaluation unit ( 60 ), which enables the reconstruction and image processing in a short time.

Anhand der Fig. 2a-2d werden im folgenden verschiedene mögliche Ausführungsformen der Detektionseinheit (40) innerhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben.Various possible embodiments of the detection unit ( 40 ) within the device according to the invention are described below with reference to FIGS. 2a-2d.

Diese Ausführungsvarianten unterscheiden sich lediglich hinsichtlich der Kombinationsmöglichkeiten der verwendeten Mischeinrichtungen (M1, M2) zum Heruntermischen der HF- Signale auf niederfrequentere Signale und der möglichen De- Multiplex-Einrichtungen (D1, D2, D3), die zur wellenlängenabhängigen Trennung der Signalanteile der verschiedenen Lichtquellen LQi dienen.These design variants differ only in the combination options of the mixing devices used (M1, M2) for mixing down the RF signals to lower-frequency signals and the possible de-multiplexing devices (D1, D2, D3), which are used for the wavelength-dependent separation of the signal components of the different light sources LQ i serve.

Als geeignete Mischeinrichtungen kommen dabei elektrische Mischeinrichtungen (M1) oder aber optische Mischeinrichtungen (M2) in Frage. Damit können parallel arbeitende De-Multiplex-Einrichtungen kombiniert werden, wie etwa (faser-)optische De-Multiplexer (D2) oder aber digitale Frequenzfilterungs-Einrichtungen (D3). Ferner ist auch ein sequentielles De-Multiplexen, z. B. über eine bekannte Chopper-Anordnung (D1), möglich.Electrical are used as suitable mixing devices Mixing devices (M1) or optical Mixing devices (M2) in question. It can be used in parallel working de-multiplex devices are combined, such as (fiber) optical de-multiplexers (D2) or digital frequency filtering devices (D3). Further is also sequential de-multiplexing, e.g. B. via a known chopper arrangement (D1) possible.

Anhand der Fig. 2a-2d werden die folgenden vier Kombinationsmöglichkeiten zwischen den Mischeinrichtungen und den De-Multiplex-Einrichtungen (Di + Mi/Mi + Di) anhand von schematisierten Blockschaltbildern erläutert:
Fig. 2a: M2 + D2
Fig. 2b: M2 + D3
Fig. 2c: D2 + M1
Fig. 2d: M1 + D3The following four possible combinations between the mixing devices and the de-multiplexing devices (D i + M i / M i + D i ) are explained on the basis of FIGS. 2a-2d using schematic block diagrams:
Fig. 2a: M2 + D2
Fig. 2b: M2 + D3
Fig. 2c: D2 + M1
Fig. 2d: M1 + D3

Eine erste Ausführungsform der Detektionseinheit, bei der eine optische Mischeinrichtung (M2) in Kombination mit einer optischen De-Multiplex-Einrichtung (D2) verwendet wird, ist in Fig. 2a dargestellt. Die von der Modulationseinheit gelieferte Modulations-Offset-Frequenz ▲fi ist in dieser Ausführung der Detektionseinheit hierbei für alle verwendeten Wellenlängen λi identisch, d. h.
A first embodiment of the detection unit, in which an optical mixing device (M2) is used in combination with an optical de-multiplexing device (D2), is shown in FIG. 2a. In this embodiment of the detection unit, the modulation offset frequency ▲ f i supplied by the modulation unit is identical for all wavelengths λ i used , ie

▲f := ▲fi.▲ f: = ▲ f i .

Die über die Scaneinheit auf die Detektionseinheit (40) gelangenden HF-Signale im MHz-Bereich, jeweils moduliert mit fG = f + ▲f, werden in einer optischen Mischeinrichtung (M2) auf niedrigere Frequenzen heruntergemischt, die im kHz-Bereich des Frequenz-Offsets ▲f liegen. Als hierfür geeignete optische Mischeinrichtungen (M2) können bekannte akusto- oder elektro-optische Mischeinrichtungen eingesetzt werden, wie etwa akusto- oder elektro-optische De- Modulatoren, die z. B. von den Firmen New Focus oder A & A vertrieben werden. Ein Ausführungsbeispiel eines geeigneten akusto-optischen Modulators wird in Fig. 3 beschrieben. Die jeweils verwendete optische Mischeinrichtung (M2) wird mit dem Hochfrequenz-Signal f bzw. f/2 der Modulationseinheit als Referenz-Signal betrieben. Als Ausgangs-Signal der optischen Mischeinrichtung (M2) resultiert ein Signal mit der Differenzfrequenz ▲f, d. h. eine Frequenz im kHz- Bereich. Diese Signale gelangen auf die nachgeordnete optische De-Multiplex-Einrichtung (D2), die als bekannter faseroptischer De-Multiplexer ausgeführt ist. Ein derartiger De-Multiplexer wird z. B. in der EP 0 194 612 der Anmelderin beschrieben. Die De-Multiplex-Einrichtung (D2) trennt die wellenlängenspezifischen Signalanteile λ1, λ2 und λ3, die anschließend Detektoren (DET1, DET2, DET3) beaufschlagen, die für diese Wellenlängen ausgelegt sind. Als Detektoren (DET1, DET2, DET3) können nunmehr schmalbandige, preiswerte NF-Detektoren wie etwa Photodioden zum Einsatz kommen. Die registrierten Amplituden- und Phasen-Meßwerte der transmittierten Signalanteile werden in der Auswertestufe (A) der Detektionseinheit (40) schließlich in Relation zu den Amplituden und Phasen der Eingangs-Signale gesetzt, wozu als Referenzsignal der Frequenz-Offset ▲f herangezogen wird. Nach erfolgter Phasen- und Amplitudenauswertung in der Auswertestufe (A) werden die ermittelten Auswerte- Signale an die Auswerte-Einheit weitergegeben, die diese zusammen mit den ortsabhängigen Informationen der Scaneinheit weiter verarbeitet.The RF signals in the MHz range reaching the detection unit ( 40 ) via the scan unit, each modulated with f G = f + ▲ f, are mixed down in an optical mixing device (M2) to lower frequencies, which are in the kHz range of the frequency -Offsets ▲ f lie. Known acoustic or electro-optical mixing devices can be used as optical mixing devices (M2) suitable for this purpose, such as acousto-optical or electro-optical demodulators which, for. B. from the companies New Focus or A & A. An exemplary embodiment of a suitable acousto-optical modulator is described in FIG. 3. The optical mixing device (M2) used in each case is operated with the high-frequency signal f or f / 2 of the modulation unit as a reference signal. The output signal of the optical mixing device (M2) results in a signal with the difference frequency ▲ f, ie a frequency in the kHz range. These signals reach the downstream optical de-multiplexing device (D2), which is designed as a known fiber-optic de-multiplexer. Such a de-multiplexer is used e.g. B. described in EP 0 194 612 by the applicant. The de-multiplexing device (D2) separates the wavelength-specific signal components λ 1 , λ 2 and λ 3 , which then act on detectors (DET1, DET2, DET3) which are designed for these wavelengths. Narrow-band, inexpensive LF detectors such as photodiodes can now be used as detectors (DET1, DET2, DET3). The registered amplitude and phase measured values of the transmitted signal components are finally set in the evaluation stage (A) of the detection unit ( 40 ) in relation to the amplitudes and phases of the input signals, for which purpose the frequency offset ▲ f is used as the reference signal. After phase and amplitude evaluation in evaluation stage (A), the evaluation signals determined are passed on to the evaluation unit, which processes these further together with the location-dependent information of the scanning unit.

Eine zweite Ausführungsvariante der Detektionseinheit (40) ist in Fig. 2b dargestellt. Hierbei ist eine optische Mischeinrichtung (M2) in Kombination mit einer elektronischen - digital oder analogen - Frequenzfilterungs-Einrichtung (D3) vorgesehen, die als De- Multiplex-Einrichtung fungiert. Über die - in Fig. 2b nicht dargestellte - Modulationseinheit werden den verschiedenen Wellenlängen λi nunmehr unterschiedliche Gesamt- Modulationsfrequenz fGi = f + ▲fi aufgeprägt, d. h. die Modulations-Offset-Frequenzen ▲fi der einzelnen Wellenlängen unterscheiden sich. Analog zur vorab beschriebenen Ausführungsform in Fig. 2a erfolgt zunächst das Heruntermischen der HF-Signale auf die niedrigeren Differenzfrequenzen ▲fi über die optische Mischeinrichtung (M2), die ebenfalls wieder mit der Modulationsfrequenz f bzw. f/2 als Referenzsignal betrieben wird. Die niederfrequenten Signalanteile der unterschiedlichen Wellenlängen λi mit unterschiedlichen Modulations- Frequenzen ▲fi gelangen anschließend auf einen einzigen schmalbandigen NF-Detektor (DET), der beispielsweise als Avalanche-Photodiode oder Photomultiplier ausgeführt ist. Über die nachgeordnete elektronische Frequenzfilterungseinrichtung (D3) erfolgt die Separation der unterschiedlichen Wellenlängen der transmittierten Strahlung, d. h. die elektronische Frequenzfilterungseinrichtung (D3) dient hierbei als De- Multiplexeinrichtung. Die elektronische Frequenzfilterungs- Einrichtung (D3) kann in bekannter Weise analog, digital oder softwaremäßig realisiert werden. Wie im vorherigen Ausführungsbeispiel werden die verschiedenen transmittierten Signalanteile ▲fi schließlich mit den Amplituden- und Phasen-Werten der Eingangs-Signale in einer Auswertestufe (A) in Beziehung gesetzt und anschließend auf die Auswerte-Einheit durchgeschaltet, die diese Informationen zusammen mit den Orts-Informationen der Scaneinheit weiter verarbeitet. Die Vorteile dieser Ausführungsform der Detektionseinheit (40) liegen in der kurzen Meßzeit, einer hohen Empfindlichkeit sowie dem geringen apparativen Aufwand, da nur ein Detektor erforderlich ist. Darüberhinaus gewährleistet die optische Mischeinrichtung (M2) eine optimale Unterdrückung von HF- Streusignalen.A second embodiment variant of the detection unit ( 40 ) is shown in FIG. 2b. An optical mixing device (M2) is provided in combination with an electronic - digital or analog - frequency filtering device (D3), which functions as a de-multiplexing device. Not shown in Figure 2b - - About. Modulating unit are different wavelengths λ i now different overall modulation frequency f gi = f + ▲ f i imprinted, ie, the modulation offset frequencies ▲ f i of the individual wavelengths are different. Analogous to the previously described embodiment in FIG. 2a, the HF signals are first mixed down to the lower differential frequencies ▲ f i via the optical mixing device (M2), which is also operated again with the modulation frequency f or f / 2 as the reference signal. The low-frequency signal components of the different wavelengths λ i with different modulation frequencies ▲ f i then reach a single narrow-band LF detector (DET), which is designed, for example, as an avalanche photodiode or photomultiplier. The downstream electronic frequency filtering device (D3) separates the different wavelengths of the transmitted radiation, ie the electronic frequency filtering device (D3) serves as a de-multiplexing device. The electronic frequency filtering device (D3) can be implemented in a known manner in an analog, digital or software manner. As in the previous exemplary embodiment, the various transmitted signal components ▲ f i are finally related to the amplitude and phase values of the input signals in an evaluation stage (A) and then switched through to the evaluation unit, which contains this information together with the location - Processing unit information processed further. The advantages of this embodiment of the detection unit ( 40 ) lie in the short measuring time, a high sensitivity and the low expenditure on equipment, since only one detector is required. In addition, the optical mixing device (M2) ensures optimal suppression of HF stray signals.

Eine dritte Ausführungsform der Detektionseinheit (40) wird anhand von Fig. 2c beschrieben. Zur Signalverarbeitung wird hierbei eine optische De-Multiplex-Einrichtung (D2) mit einer elektrischen Mischeinrichtung (M1) kombiniert. Die verschiedenen Signalanteile der unterschiedlichen Wellenlängen werden hierbei alle mit der gleichen Modulationsfrequenz fGi = f + ▲fi moduliert, d. h. ▲fi := ▲f für alle Wellenlängen λi. Die unterschiedlichen Signalanteile der verschiedenen verwendeten Wellenlängen werden zunächst in der optischen De-Multiplex-Einrichtung (D2), z. B. einem bekannten faseroptischen De-Multiplexer, wellenlängenmäßig getrennt. Die noch hochfrequenten Signale gelangen anschließend auf die elektrische Mischeinrichtung (M1), die i. w. aus drei separaten Detektoren (DET1, DET2, DET3) besteht, welche mit der Modulationsfrequenz f als Referenzsignal betrieben werden. Als geeignete Detektoren (DET1, DET2, DET3), die auch gleichzeitig zum Heruntermischen der HF-Signale verwendet werden können, kommen beispielsweise Photomultiplier in Frage, wie sie etwa von der Fa. Hamamatsu unter der Typenbezeichnung R928 vertrieben werden. Die heruntergemischten, wellenlängenmäßig separierten Signale gelangen anschließend wie in den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen auf eine Auswertestufe (A), wo Amplituden- und Phaseninformationen der transmittierten Signalanteile zu den entsprechenden Infomationen der Eingangssignale in Relation gesetzt werden. Diese Informationen werden schließlich von der Auswerteinheit in der vorab beschriebenen Art und Weise weiter verarbeitet.A third embodiment of the detection unit ( 40 ) is described with reference to FIG. 2c. For signal processing, an optical de-multiplexing device (D2) is combined with an electrical mixing device (M1). The different signal components of the different wavelengths are all modulated with the same modulation frequency f Gi = f + ▲ f i , ie ▲ f i : = ▲ f for all wavelengths λ i . The different signal components of the different wavelengths used are first in the optical de-multiplexing device (D2), for. B. a known fiber optic de-multiplexer, separated in wavelength. The still high-frequency signals then reach the electrical mixing device (M1), which generally consists of three separate detectors (DET1, DET2, DET3), which are operated with the modulation frequency f as a reference signal. Suitable detectors (DET1, DET2, DET3), which can also be used simultaneously for mixing down the RF signals, are, for example, photomultipliers, such as those sold by Hamamatsu under the type designation R928. The down-mixed, wavelength-separated signals then arrive, as in the previously described exemplary embodiments, on an evaluation stage (A), where amplitude and phase information of the transmitted signal components are related to the corresponding information of the input signals. Finally, this information is processed further by the evaluation unit in the manner described above.

Eine vierte mögliche Ausführungsform der Detektionseinheit (40) wird schließlich anhand von Fig. 2d beschrieben. Hierbei wird eine elektrische Mischeinrichtung (M1) mit einer elektronischen Frequenzfilterungseinrichtung (D3) als De-Multiplex-Einrichtung kombiniert. Die Modulationsfrequenzen fGi der unterschiedlichen Wellenlängen unterscheiden sich in diesem Ausführungsbeispiel wieder, d. h. die einzelnen Wellenlängen λi besitzen Gesamt-Modulationsfrequenzen fGi = f + ▲fi. In der elektrischen Mischeinrichtung (M1), die mit der Modulationsfrequenz f moduliert wird, erfolgt zunächst das Heruntermischen auf niedrigere Frequenzen im Frequenzbereich des Modulations-Offsets. Hierzu ist als elektrische Mischeinrichtung ein Photomultiplier inclusive Hochspannungsversorgung (HV) vorgesehen, dessen Verstärkung mit f moduliert wird. Die niederfrequenten Signalanteile ▲fi werden anschließend in der elektrischen Frequenzfilterungseinrichtung (D3) wellenlängenmäßig separiert. Über die Auswertestufe (A) erfolgt wieder der Vergleich von Phasen- und Amplituden-Informationen der transmittierten Strahlung relativ zur Eingangsstrahlung. Entsprechend zu den vorherigen Ausführungsbeispielen werden diese Informationen wieder von der Auswerteeinheit weiterverarbeitet.A fourth possible embodiment of the detection unit ( 40 ) is finally described with reference to FIG. 2d. An electrical mixing device (M1) is combined with an electronic frequency filtering device (D3) as a de-multiplexing device. The modulation frequencies f Gi of the different wavelengths differ again in this exemplary embodiment, ie the individual wavelengths λ i have total modulation frequencies f Gi = f + ▲ f i . In the electrical mixing device (M1), which is modulated with the modulation frequency f, the mixing down to lower frequencies takes place in the frequency range of the modulation offset. For this purpose, a photomultiplier including a high-voltage supply (HV) is provided as an electrical mixing device, the gain of which is modulated with f. The low-frequency signal components ▲ f i are then separated in terms of wavelength in the electrical frequency filtering device (D3). The evaluation stage (A) again compares phase and amplitude information of the transmitted radiation relative to the input radiation. In accordance with the previous exemplary embodiments, this information is further processed by the evaluation unit.

Eine für die erfindungsgemäße Vorrichtung zur scannenden optischen Gewebe-Untersuchung geeignete optische Mischeinrichtung wird in Fig. 3 dargestellt. Hierbei wird ein akustooptischer Modulator in Form eines Ultraschall- Stehwellenmodulators eingesetzt, wie er z. B. von der Firma A & A vertrieben wird. Die ankommenden hochfrequenten Signalanteile werden über einen faseroptischen Lichtleiter (201) und eine Einkoppeloptik (202), z. B. eine Grin-Linse, in den Stehwellenmodulator (200) eingekoppelt. Dieser wird von einem Ultraschall-Transducer (203) mit einer Hoch- Frequenz moduliert, die der halben Frequenz f der Modulationseinheit entspricht und um die jeweilige Offsetfrequenz gegenüber dem HF-Anteil des optischen Signales verschoben ist. Die den Stehwellenmodulator (200) durchlaufenden hochfrequenten Signalanteile werden auf die Offset-Frequenzen ▲fi heruntergemischt, die nullte Beugungsordnung über eine Auskoppeloptik (205) aus dem Stehwellenmodulator (200) ausgekoppelt und über einen weiteren faseroptischen Lichtleiter (206) weitergeleitet. Die Verwendung einer solchen optischen Mischeinrichtung reduziert den apparativen Aufwand für die Detektion der HF- Signale enorm, da nunmehr keine extrem schwachen optischen Signale im HF-Bereich mittels hochempfindlicher, aufwendiger, breitbandiger Detektoren in entsprechende elektrische Signale umgewandelt werden müssen. Derartige hochempfindliche Detektoren sind üblicherweise zudem äußerst empfindlich gegen HF-Störfelder.An optical mixing device suitable for the device according to the invention for scanning optical tissue examination is shown in FIG. 3. Here, an acousto-optic modulator in the form of an ultrasonic standing wave modulator is used, as it is known for. B. is distributed by the company A & A. The incoming high-frequency signal components are via a fiber optic light guide ( 201 ) and a coupling optics ( 202 ), for. B. a grin lens, coupled into the standing wave modulator ( 200 ). This is modulated by an ultrasound transducer ( 203 ) with a high frequency which corresponds to half the frequency f of the modulation unit and is shifted by the respective offset frequency with respect to the HF component of the optical signal. The high-frequency signal components passing through the standing wave modulator ( 200 ) are mixed down to the offset frequencies ▲ f i , the zeroth diffraction order is decoupled from the standing wave modulator ( 200 ) via coupling optics ( 205 ) and passed on via a further fiber-optic light guide ( 206 ). The use of such an optical mixing device enormously reduces the expenditure on equipment for the detection of the HF signals, since no extremely weak optical signals in the HF range now have to be converted into corresponding electrical signals by means of highly sensitive, complex, broadband detectors. Such highly sensitive detectors are usually also extremely sensitive to RF interference fields.

Eine alternative Scaneinheit (300) ist in Fig. 4 schematisiert dargestellt. Hierbei ist lediglich das Sende- Strahlführungssystem (150) bzw. dessen Auskoppeloptik (310) mit Hilfe der Scaneinheit (300) definiert in einer Ebene positionierbar. Die ortsaufgelöste Registrierung der transmittierten bzw. gestreuten Strahlung erfolgt über ein stationäres, flächiges Detektorelement (350). Hierzu kann beispielsweise eine bekannte CCD-Kamera mit vorgeschaltetem Bildverstärker eingesetzt werden. Die in Fig. 3 dargestellte Scaneinheit (300) ermöglicht beispielsweise einen Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Weise, daß zu einer Reihe diskreter Einstrahlpunkte jeweils die resultierende Streulichtverteilung über das flächige Detektorelement (350) registriert wird. Mit Hilfe der gemessenen Werte wird die Bildrekonstruktion durchgeführt.An alternative scanning unit ( 300 ) is shown schematically in FIG. 4. In this case, only the transmitting beam guidance system ( 150 ) or its decoupling optics ( 310 ) can be positioned in one plane with the aid of the scanning unit ( 300 ). The spatially resolved registration of the transmitted or scattered radiation is carried out via a stationary, flat detector element ( 350 ). For this purpose, for example, a known CCD camera with an upstream image intensifier can be used. The scan unit ( 300 ) shown in FIG. 3 enables, for example, operation of the device according to the invention in such a way that the resulting scattered light distribution is registered for the row of discrete irradiation points via the flat detector element ( 350 ). The image is reconstructed using the measured values.

Wie bereits in der Beschreibung der Fig. 1 angedeutet, ist es vorteilhaft, vor dem jeweiligen Detektorelement der Scaneinheit raumwinkelselektive Elemente anzuordnen, um eine verbesserte Fremdlichtunterdrückung zu gewährleisten und so die Meßgenauigkeit zu steigern. Ein geeignete raumwinkelselektive Anordnung in Verbindung mit einem flächigen Detektorelement ist in Fig. 5 schematisiert dargestellt. Hierbei befinden sich zwischen dem zu durchstrahlenden Gewebe (100) und dem flächigen Detektorelement (450) zwei Mikrolinsen-Arrays (420a, 420b) und ein Pinhole-Array (410) in konfokaler Anordnung. Das flächige Detektorelement (450), z. B. ein bekanntes CCD- Array oder eine CCD-Kamera, befindet sich entsprechend justiert hinter dem Pinhole-Array (420). Der für die diskreten Detektorpositionen jeweils effektive Öffnungswinkel ist durch die Brennweiten und den Durchmesser der einzelnen Mikrolinsen sowie durch den Durchmesser der einzelnen Pinholes bestimmt. Desweiteren kann im dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen dem Mikrolinsen-Array (420) und dem zu durchstrahlenden Gewebe (400) bereits eine erste Streulichtunterdrückung benachbarter Bereiche erreicht werden, indem ein Blenden- Array auf der Gewebe-Austrittsseite angeordnet wird.As already indicated in the description of FIG. 1, it is advantageous to arrange solid angle-selective elements in front of the respective detector element of the scanning unit in order to ensure improved suppression of extraneous light and thus to increase the measuring accuracy. A suitable solid angle-selective arrangement in connection with a flat detector element is shown schematically in FIG. 5. There are two microlens arrays ( 420 a, 420 b) and a pinhole array ( 410 ) in a confocal arrangement between the tissue ( 100 ) to be irradiated and the flat detector element ( 450 ). The flat detector element ( 450 ), for. B. a known CCD array or a CCD camera, is appropriately adjusted behind the pinhole array ( 420 ). The effective opening angle for the discrete detector positions is determined by the focal lengths and the diameter of the individual microlenses and by the diameter of the individual pinholes. Furthermore, in the exemplary embodiment shown, a first suppression of scattered light from adjacent areas can already be achieved between the microlens array ( 420 ) and the tissue ( 400 ) to be irradiated by arranging an aperture array on the tissue exit side.

Ähnliche raumwinkelselektive Wirkungen können auch bei der Verwendung eines oder mehrerer faseroptischer Lichtleiter als ortsauflösende Detektoranordnungen realisiert werden. Hierbei entspricht der Kerndurchmesser des faseroptischen Lichtleiters effektiv den Durchmesser eines Pinholes der vorab beschriebenen konfokalen Anordnung. Durch die Wahl des jeweiligen Mantelmaterials sowie die Manteldicke des faseroptischen Lichtleiters ist der Öffnungswinkel variabel wählbar. Das Faserbündel-Array bzw. eine Faserplatte wird in einer derartigen Anordnung direkt auf das zu untersuchende Gewebe oder auf eine begrenzende Glasplatte angebracht und der flächige Detektor zu den Austrittsaperaturen des Faserbündels justiert.Similar solid angle-selective effects can also be seen in the Use of one or more fiber optic light guides can be realized as spatially resolving detector arrangements. Here, the core diameter corresponds to the fiber optic Light guide effectively the diameter of a pinhole previously described confocal arrangement. By choice of the respective jacket material and the jacket thickness of the fiber optic light guide, the opening angle is variable selectable. The fiber bundle array or a fiberboard is in such an arrangement directly towards that examining tissue or on a delimiting glass plate attached and the flat detector to the The outlet apertures of the fiber bundle are adjusted.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur scannenden optischen Gewebe- Untersuchung mit
einer optischen Sendeeinheit (10), die kohärente Strahlung mit mindestens zwei verschiedenen Wellenlängen liefert inclusive einem Multiplex- Element (12), das die verschiedenen Wellenlängen in ein einziges Sende-Strahlführungssystem (15) einkoppelt,
einer Modulationseinheit (20) zur hochfrequenten Intensitäts-Modulation der von der optischen Sendeeinheit (10) gelieferten Strahlung,
einer Scaneinheit (30), zum definierten Positionieren eines Lichtbündels, welches das Sende-Strahlführungs-System (15) verläßt und zum ortsaufgelösten Detektieren der durch das zu untersuchende Gewebe (100) transmittierten Strahlung mittels einer ortsauflösenden Detektoranordnung,
einer der Scaneinheit (30) nachgeordneten Detektionseinheit (40) mit einer Mischeinrichtung (M1, M2) zum Heruntermischen der hochfrequenten optischen Signale auf niedrigere Frequenzen, einer De-Multiplex-Einrichtung (D1, D2, D3) zum Trennen der wellenlängenspezifischen Siganlanteile und/oder ein oder mehreren Detektoren (DET1, DET2, DET3) zum Erfassen der Phasen und Amplituden der registrierten Signale, sowie einer Auswertstufe (A), die die transmittierten Signale in Relation zu den Eingangssignalen der von der optischen Sendeinheit (10) gelieferten Signale setzt,
und einer Auswerteeinheit (60) zur bildgebenden Verarbeitung der von der Auswertestufe (A) der Detektionseinheit (40) gelieferten Signale. 1. Device for scanning optical tissue examination with
an optical transmission unit ( 10 ) which delivers coherent radiation with at least two different wavelengths including a multiplex element ( 12 ) which couples the different wavelengths into a single transmission beam guidance system ( 15 ),
a modulation unit ( 20 ) for high-frequency intensity modulation of the radiation supplied by the optical transmitter unit ( 10 ),
a scanning unit ( 30 ) for the defined positioning of a light beam which leaves the transmission beam guidance system ( 15 ) and for the spatially resolved detection of the radiation transmitted through the tissue ( 100 ) to be examined by means of a spatially resolving detector arrangement,
one of the scanning unit ( 30 ) downstream detection unit ( 40 ) with a mixing device (M1, M2) for mixing down the high-frequency optical signals to lower frequencies, a de-multiplexing device (D1, D2, D3) for separating the wavelength-specific signal components and / or one or more detectors (DET1, DET2, DET3) for detecting the phases and amplitudes of the registered signals, and an evaluation stage (A) which sets the transmitted signals in relation to the input signals of the signals delivered by the optical transmitter unit ( 10 ),
and an evaluation unit ( 60 ) for imaging processing of the signals supplied by the evaluation stage (A) of the detection unit ( 40 ). 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die optische Sendeeinheit (10) eine Temperatur-Regelung für die Lichtquellen (11a, 11b, 11c) umfaßt, um diese bei einer stabilen Temperatur zu betreiben.2. Device according to claim 1, wherein the optical transmitter unit ( 10 ) comprises a temperature control for the light sources ( 11 a, 11 b, 11 c) in order to operate them at a stable temperature. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die optische Sendeeinheit (10) ein faseroptisches Multiplex-Element umfaßt, welches das parallele Einkoppeln der unterschiedlichen Wellenlängen in ein Sende- Strahlführungssystem (15) ermöglicht.3. The device according to claim 1, wherein the optical transmission unit ( 10 ) comprises a fiber optic multiplex element which enables the parallel coupling of the different wavelengths into a transmission beam guidance system ( 15 ). 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Modulationseinheit (20) eine hochfrequente Modulations-Grundfrequenz und eine niederfrequente Modulations-Offset-Frequenz liefert und die niederfrequente Modulations-Offset-Frequenz wahlweise für alle eingesetzten Wellenlängen unterschiedlich oder identisch ist und die Gesamt-Modulationsfrequenz sich aus der hochfrequenten Modulations-Grundfrequenz und der niederfrequenten Modulations-Offset-Frequenz additiv zusammensetzt.4. The device according to claim 1, wherein the modulation unit ( 20 ) provides a high-frequency modulation fundamental frequency and a low-frequency modulation offset frequency and the low-frequency modulation offset frequency is optionally different or identical for all wavelengths used and the total modulation frequency is different additively composed of the high-frequency modulation fundamental frequency and the low-frequency modulation offset frequency. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Modulationseinheit (20) separat steuerbare HF- Oszillatoren für die unterschiedlichen Wellenlängen umfaßt.5. The device according to claim 4, wherein the modulation unit ( 20 ) comprises separately controllable RF oscillators for the different wavelengths. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Scaneinheit (30) detektorseitig eine lateral ausgedehnte Detektoranordnung und sendeseitig eine definiert positionierbare, punktförmige Lichtquelle aufweist.6. The device according to claim 1, wherein the scanning unit ( 30 ) has a laterally extended detector arrangement on the detector side and a point-shaped light source that can be positioned in a defined manner on the transmission side. 7. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Scaneinheit (30) detektorseitig raumwinkelselektive Elemente vor der jeweiligen ortsauflösenden Detektoranordnung umfaßt, die nur definiert aus einem Punkt des Gewebes austretende Strahlung auf die Detektoranordnung gelangen lassen.7. The device according to claim 1, wherein the scanning unit ( 30 ) on the detector side comprises solid-angle-selective elements in front of the respective spatially resolving detector arrangement, which only allow radiation emerging from a point of the tissue to reach the detector arrangement in a defined manner. 8. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Detektionseinheit (40) eingangsseitig eine optische Mischeinrichtung (M2) umfaßt, der eine faseroptische De-Multiplexeinrichtung (D2) nachgeordnet ist, die die wellenlängenabhängigen Signalanteile auf entsprechend wellenlängenempfindliche Detektoren durchschaltet, die die Phasen- und Amplituden-Informationen der registrierten Signale erfassen.8. The device according to claim 1, wherein the detection unit ( 40 ) on the input side comprises an optical mixing device (M2) which is followed by a fiber-optic de-multiplexing device (D2) which switches through the wavelength-dependent signal components to corresponding wavelength-sensitive detectors which detect the phase and amplitudes -Gather information of the registered signals. 9. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Detektionseinheit (40) eingangsseitig eine optische Mischeinrichtung (M2) umfaßt, der ein Detektor (DET) nachgeordnet ist, der die Phasen- und Amplituden- Informationen der registrierten Signale erfaßt und dem Detektor (DET) eine elektronische Frequenzfilterungseinrichtung (D3) nachgeordnet ist, die die Detektor-Signale wellenlängenmäßig trennt.9. The device according to claim 1, wherein the detection unit ( 40 ) on the input side comprises an optical mixing device (M2), which is followed by a detector (DET) which detects the phase and amplitude information of the registered signals and the detector (DET) one Downstream electronic frequency filtering device (D3), which separates the detector signals in terms of wavelength. 10. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Detektionseinheit (40) eingangsseitig eine faseroptische De-Multiplexeinrichtung (D2) aufweist, die die hochfrequenten Signale wellenlängenabhängig trennt, und diese auf entsprechend wellenlängenempfindliche Detektoren (DET1, DET2, DET3) durchschaltet, die die hochfrequenten Signale gleichzeitig auf niedrigere Frequenzen heruntermischen und als elektrische Mischeinrichtung (M1) fungieren.10. The device according to claim 1, wherein the detection unit ( 40 ) on the input side has a fiber-optic de-multiplexing device (D2) which separates the high-frequency signals in a wavelength-dependent manner and connects them to corresponding wavelength-sensitive detectors (DET1, DET2, DET3) which connects the high-frequency signals at the same time mix down to lower frequencies and act as an electrical mixer (M1). 11. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Detektionseinheit (40) eingangsseitig eine elektronische Mischeinrichtung (M1) umfaßt, die die hochfrequenten Signale auf niedrigere Frequenzen heruntermischt und dieser elektrischen Mischeinrichtung (M1) eine digitale Frequenzfilterungseinrichtung (D3) als De-Multiplex- Einrichtung nachgeordnet ist, die die Siganle wellenlängenmäßig separiert.11. The device according to claim 1, wherein the detection unit ( 40 ) on the input side comprises an electronic mixing device (M1) which mixes the high-frequency signals down to lower frequencies and this electrical mixing device (M1) is followed by a digital frequency filtering device (D3) as a de-multiplexing device which separates the wavelengths in wavelength. 12. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Auswerteinheit (60) die bildgebende Verarbeitung der von der Auswertstufe (A) der Detektionseinheit (40) gelieferten Signale übernimmt und hierzu ein Display umfaßt.12. Device according to one of the preceding claims, wherein the evaluation unit ( 60 ) takes over the imaging processing of the signals supplied by the evaluation stage (A) of the detection unit ( 40 ) and for this purpose comprises a display.
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