DE4430110A1

DE4430110A1 - Vorrichtung und Verfahren zur adaptiven Reskalierung einer optischen Meßvorrichtung

Info

Publication number: DE4430110A1
Application number: DE19944430110
Authority: DE
Inventors: Gerhard Prof Dr Mueller; Juergen Prof Dr Beuthan; Olaf Dipl Phys Minet
Original assignee: LASER MEDIZIN ZENTRUM GGMBH BE
Current assignee: Laser und Medizin Technologie GmbH
Priority date: 1994-08-25
Filing date: 1994-08-25
Publication date: 1996-02-29
Anticipated expiration: 2014-08-26
Also published as: DE4430110C2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur adaptiven Reskalierung einer optischen Meßeinrichtung.

Zum Informationsgewinn aus optischen Prozessen wie z. B. Lumineszenzen, Auto- und Xeno-Fluoreszenzen in streuenden Medien, wie z. B. biologischem Geweben, sind Vorrichtung und Verfahren der Meßwertgewinnung und Meßwertverarbeitung bekannt. Sie beruhen grundsätzlich auf der optischen Anregung von zu messenden Substanzen durch geeignete Strahlungseinbringung über Lichtleitsysteme in das zu messende Medium und der Detektion der optischen Reaktionen dieser Substanzen. Die aus diesen Reaktionen optisch abgeleiteten Signale werden durch vorherige Aufnahme einer Gerätekurve technisch skaliert dem eigentlichen gefragten physikalischen Wert zugeordnet. In diesem Rahmen ist es prinzipiell möglich, bei zeit- und ortsinvarianten optischen Parametern des Umgebungsmediums z. B. Lumineszenz- oder Fluoreszenz-Intensitäten der in ihr enthaltenen optisch aktiven Substanz adäquate Konzentrationswerte zu zuordnen. Bei dynamischen Prozessen, wie sie z. B. bei Stoffgemischen biotechnologischer Prozeduren und in biologischen Geweben existieren, sind diese Voraussetzungen nicht mehr gegeben. Damit wird die Bewertung des Informationssignals zu keiner eindeutigen Lösung führen. Die Aufgabe besteht somit darin, die Gerätekurve der optischen Meßeinrichtung an die sich verändernden optischen Parameter des die optisch aktiven Substanzen umgebenden streuenden und absorbierenden Mediums zu adaptieren.

Die optisch signalgebenden Substanzen in orts- und zeitvariant streuenden und absorbierenden Medium liegen bei biologischen Geweben typischerweise in Konzentrationen zwischen 1 nmol/g bis 1 µmol/g vor, während sich die durchschnittlichen optischen Gewebeparameter gewebespezifisch in folgenden Größenordnungen bewegen: Absorptionskoeffizient µ_a = 1 mm^-1, Streukoeffizient µ_s= 20 mm^-1 und der Anisotropiefaktor g= 0.9. Die prozentualen Abweichungen der gewebezpezifischen Durchschnittswerte von µ_a und µ_s betragen bis zu 500%. Abweichend von diesen optisch dicken Umgebungsmedien weisen bei biotechnologischen Reaktionsgemischen, also in meist optisch dünnen Medien, die Variationsbereiche oft größere Werte aus. Der funktionelle Zusammenhang zwischen strahlungs-energetischer Anregung z. B. der intrinsischen Fluoreszenz von Molekülen in streuenden und absorbierenden Medien und dem den Gesetzen der Strahlungstransporttheorien folgenden Detektionswert ist nichtlinear.

Während bei zeit- und ortsinvarianten Umgebungsmedien die Aufgabe mittels einmaliger meßtechnischer Erfassung der Gerätekurve gelöst werden kann, sind bei Zeit- und Ortsvarianz sowohl die sich verändernden Bedingungen für die Photonenausbreitung der informations-technisch interessierenden Strahlungsanteile als auch die oben genannten Nichtlinearitäten zu beachten. Diese Aufgabe ist mit den vorhandenen Photospektrometern und Fluoreszenz-Meßeinrichtungen nicht zu lösen.

Überraschender Weise zeigte sich an optisch dicken Schichten insbesondere stark streuenden Medien, daß die remittierte und/oder transmittierte Anregungsstrahlung in der typischen Variationsbreite um die medienspezifischen Durchschnittswerte in einer charakteristischen Weise von den optischen Koeffizienten abhängt, die es gestattet, für eine bestimmte Gerätefunktion die gemessenen Fluoreszenzintensitäten zu reskalieren und danach der interessierenden Substratkonzentration zu zuordnen.

Eingedenk dieser Erkenntnis kann erfindungsgemäß das Steuersignal für eine adaptive Reskalierung der Meßeinrichtung über den schon vorhandenen optischen Informationskanal generiert und geführt werden. Erfindungswesentlich ist die spezielle Selektion des Steuersignals auf der Geräteseite des optischen Kanals. Diese erfolgt beugungsselektiv am Optikblock der optischen Meßeinrichtung und zeitselektiv durch Auswertung der Strahlungslaufzeitunterschiede beim zeitaufgelösten Nachweis. Das setzt eine pulsungeregte Informationssignalerzeugung und zeitauflösende, vorteilhaft im ps- und niedrigen ns-Zeitbereich liegende, Informationssignalauswertung voraus. Das Zeitregime kann nur dann technisch aktiv wirken, wenn das Synchronsignal zur Systemtriggerung direkt am Anregungslaser opto-elektronisch erzeugt wird und das am optischen Gitter zur Signalein- und auskopplung beugungsdifferent und kollimiert separierte Remissions- und/oder Transmissionssignal über eine intern einzuwidmende Lichtleitstrecke, vorzugsweise eine lange optische Lichtleitfaser, zeitverzögert und zeitaufgelöst detektiert wird. Das so erhaltene Signal wird in anschließenden Verfahrensschritten reskaliert. Die durch vorzugsweise Zuordnung von chemisch referent ermittelten Substratkonzentrationen zu gemessenen Fluoreszenzintensitäten generierte Gerätekurve ist unter Berücksichtigung der gewebeoptischen Parameterstreuung als durchschnittliche Gerätekurve prinzipiell durch

I_Fl(k)=C₁ (1-e^-C₂k)+C₃

festgelegt. Dabei impliziert C₁ Fluoreszenzkonzentrationen geringer Substratkonzentrationen, C₂ die Absorption von Fluoreszenzstrahlungs anteilen und C₃ einen quasi-stationären Fluoreszenzuntergrund.

Durch Rückgriff auf eine Hintergrunddatenbank, in der ausgehend von der jeweiligen Gerätefunktion für den praktisch relevanten Bereich der optischen Koeffizienten an hinreichend vielen Stützpunkten in diesem Parameterraum Korrekturwerte abgelegt sind, kann die Reskalierung durchgeführt werden. Die Datenbank enthält typischerweise z. B. vom µa-Durchschnitt abweichende Δµa-Werte, denen z. B. Werte der Remissionsintensität der Anregungsstrahlung zugeordnet sind. Es sind weiterhin z. B. virtuelle Gerätekurven in der Datenbank abgelegt, die den Δµa-Werten zugeordnet sind. Diese Werte erhält man durch Phantommessungen oder durch Simulationsrechnung. In Fig. 1 ist eine mögliche Zuordnung graphisch dargestellt.

In gleicher erfindungsgemäßer Geräteanordnung verändert sich der letzte Verfahrensschnitt der Rückrechnung beim optisch dünnen Medium. Hier kann über wiederum einen optischen Kanal das Informationssignal zweifach genutzt werden. Mittels Steuersignal, das die Streuverteilung der Informationsstrahlung im optisch dünnen Medium impliziert, kann hier die Variation der optischen Parameter funktionell zugeordnet werden. Erfindungsgemäß muß in diesem Falle eine Stufen-Index-Faser, eine koaxial-symmetrisch angeordnete Detektionsfaser oder Zwei-Mantel-Fasern bzw. Kapillarhohlleiter als gemeinsamer optischer Kanal genutzt werden. Ein- und Auskopplung der gleichzeitig als Informations- und Steuersignal dienenden Strahlung lassen so eine gleichzeitige Strahlungsbewertung nach Intensität und winkelabhängiger Verteilung zu. Im anschließenden Verfahrensschritt der Steuerinformationsverarbeitung erfolgt so eine Bewertung der optischen Parameter durch die am Stufenindex oder einer der anderen oben genannten Strahlungsleitungsformen realisierte verfahrensnormierte Streuindikatrix. Der Verfahrensschritt der Rückrechnung auf die Gerätekurve ist wiederum gleich.

Erfindungsgemäß kann das Remissions- und/oder Transmissionssignal als Steuersignal für die adaptive Reskalierung der optischen Meßeinrichtung auch für zweidimensionale Oberflächenmessungen an streuenden und absorbierenden Medien gewonnen werden. Das ist sowohl im gepulsten- als auch im cw-Betrieb der Meßeinrichtung möglich. Zeitlich versetzt erfolgt die Aufnahme des Remissions- und/oder Transmissionsbildes als separater Verfahrensschritt am Bildsensor - z. B. einer MCP-bildverstärkten CCD- Kamera. Bei diesem Zwischenschritt ist das optische Empfangsfilter für die Signalstrahlung durch temporären Filterwechsel für die Werte der Anregungsstrahlung zu ersetzen. Auch bei dieser technischen Variante sind die folgenden Verfahrensschritte der Rückrechnung auf die Gerätekurve wiederum gleich.

Eine typische Anwendung einer derartigen Vorrichtung und des Verfahrens zur adaptiven Reskalierung einer optischen Meßeinrichtung ist die quantitative in vivo-Messung von autofluoreszierenden Koenzymen in biologischen Geweben. Zur Messung der NADH-Konzentration im lebenden Lebergewebe werden Gewebe und die optische Meßeinrichtung mit der Vorrichtung zur adaptiven Reskalierung, wie in Fig. 2 zu sehen, optisch durch die Lichtleitfaser 1 verbunden. Über diese Lichtleitfaser 1 werden die Fluoreszenzanregungsstrahlung 2, die Fluoreszenzstrahlung der NADH- Moleküle im Gewebe 3 und die Remissionstrahlung aus der Anregung 4 geleitet. Im Gerät werden die Strahlungsanteile durch die Linse 5 auf das optische Gitter fokussiert. Über dieses optische Gitter 6 wird einerseits die Fluoreszenzanregungsstrahlung 2 des gepulsten Stickstofflasers 7 über die Linse 5 in die Faser 1 eingekoppelt und andererseits der richtungsselektive Empfang des NADH-Fluoreszenzsignals und der Remissionsstrahlung aus dem Lebergewebe gewährleistet. Zur komplexen Informationsverarbeitung wird über den semitransparenten Spiegel 8 ein Synchronsignal zur Systemtriggerung ausgeblendet und vom schnellen Detektor 9 detektiert. Die erste zeitliche Entkopplung von Anregungs- und Fluoreszenzsignal realisiert sich über die geometrische Länge von über 10 m der Faser 1. So wird das Fluoreszenzsignal zeitversetzt über ein optisches Filter 10, mit einer Bandmitte von 460 nm , am schnellen Photomultiplier 11 detektiert und der adäquate Spannungswert neben den Signalwerten der Synchron- und Remissionsstrahlung dem Boxcar-Integrator 16 zugeleitet. Die Remissionsstrahlung aus dem Anregungsimpuls wird über das optische Gitter 6 richtungsselektiv über das Filter 12, den Kollimator 13 und die laufzeitverzögernd wirkende Faser 14 am schnellen Detektor 15 empfangen und das adäquate Signal ebenfalls dem Boxcar-lntegrator 16 zugeleitet. Diese Signal-Zeit-Struktur von Synchron-, Fluoreszenz- und Remissionssignal ermöglicht eine real-time-Signalverarbeitung im Auswerterechner 17, der mit der verfahrensrealisierenden Software 18 eine adaptive Reskalierung der Gerätekurve der optischen Meßeinrichtung gewährleistet. Damit wird auf die optischen Parameterschwankungen des Lebergewebes reagiert und die Fehlbestimmung an einer fest eingestellten Gerätekurve vermieden. Das Ergebnis ist die quantitative NADH- Konzentrationsbestimmung in vivo.

Ein zweites Ausführungsbeispiel, aber zur zweidimensionalen Auswertung von NADH-Konzentrationen an Gewebeoberflächen, zeigt Fig. 3. Die cw- Anregungsstrahlung der Quelle 1 wird über einen Strahlteiler 2 auf die Gewebeoberfläche 3 geleitet. Zeitversetzt wird die zweidimensionale Verteilung der Remissionsstrahlung über das Filter 4 und die zweidimensionale Verteilung der NADH-Fluoreszenzstrahlung über das Filter 5 mittels MCP 6 verstärkt und mit der CCD-Kamera 7 aufgenommen. Zeitversetzt werden diese Bilder im Auswerterechner 8 gespeichert und mit den gleichen Verfahrensschritten zum Ergebnisbild generiert. Das Ergebnis ist ein Bild der quantitativen NADH-Konzentrationsverteilung an der Gewebeoberfläche 3.

Claims

1. Vorrichtung und Verfahren zur adaptiven Reskalierung einer optischen Meßeinrichtung dadurch gekennzeichnet, daß Anregungs-, Informationsstrahlung, sowie Remission und/oder Transmission der Anregungsstrahlung hinsichtlich ihrer charakteristischen Größen Intensität und Strahlungsverteilung gleichzeitig gemessen- und durch mathematische Verknüpfungsoperatoren ausgewertet werden.

2. Vorrichtung und Verfahren zur adaptiven Reskalierung einer optischen Meßeinrichtung dadurch gekennzeichnet, daß das Remissions- und/oder Transmissionssignal zur adaptiven Reskalierung der Gerätekurve als Reaktion auf optische Parameterveränderungen im Meßmedium genutzt wird.

3. Vorrichtung und Verfahren zur adaptiven Reskalierung einer optischen Meßeinrichtung dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersignal nach Anspruch 2 beugungs- und zeitselektiv verarbeitet wird.

4. Vorrichtung und Verfahren zur adaptiven Reskalierung einer optischen Meßeinrichtung dadurch gekennzeichnet, daß der beugungsselektive Empfang nach Anspruch 3 durch kollimierte Raumfilterung verbessert wird.

5. Vorrichtung und Verfahren zur adaptiven Reskalierung einer optischen Meßeinrichtung dadurch gekennzeichnet, daß eine zeitelektive Verarbeitung des Steuersignals nach Anspruch 2 durch die Leitung der Remissions- und/oder Transmissionsstrahlung über einen adäquat langen Lichtleiter, der zwischen Kollimator und Detektor liegt, vorbereitet wird.

6. Vorrichtung und Verfahren zur adaptiven Reskalierung einer optischen Meßeinrichtung dadurch gekennzeichnet, daß die Signalwandlung- und Erfassung des Remissions- und/oder Transmissionssignals nach Anspruch 2 in zeitaufgelöster Auswertung erfolgt.

7. Vorrichtung und Verfahren zur adaptiven Reskalierung einer optischen Meßeinrichtung dadurch gekennzeichnet, daß das Synchronsignal zur Systemtriggerung durch Strahlteilung direkt nach dem Anregungslaser abgenommen wird.

8. Vorrichtung und Verfahren zur adaptiven Reskalierung einer optischen Meßeinrichtung dadurch gekennzeichnet, daß durch abgeleitete Berechnungs- und Simulationsverfahren aus den Strahlungstransporttheorien eine funktionelle Zuordnung der Intensität der Remissions- und/oder Transmissionsstrahlung nach Anspruch 2 zum aktuellen µ_a-Wert (Absorptionskoeffizient) des streuenden- und/oder absorbierenden Umgebungsmediums erfolgt, das vergleichsweise einer optisch dicken Schicht entspricht.

9. Vorrichtung und Verfahren zur adaptiven Reskalierung einer optischen Meßeinrichtung dadurch gekennzeichnet, daß mit dem µ_a-Zuordnungswert nach Anspruch 8 eine Rückrechnung auf den Bestimmungspunkt der Gerätekurve erfolgt.

10. Vorrichtung und Verfahren zur adaptiven Reskalierung einer optischen Meßeinrichtung dadurch gekennzeichnet, daß durch abgeleitete Berechnungs- und Simulationsverfahren aus den Strahlungstransporttheorien eine funktionelle Zuordnung der Streuverteilung der optischen informationstragenden Strahlung zum aktuellen µ_a-Wert (Streukoeffizient) des streuenden- und/oder absorbierenden Umgebungsmediums erfolgt, das vergleichsweise optisch dünnen Schichten entspricht.

11. Vorrichtung und Verfahren zur adaptiven Reskalierung einer optischen Meßeinrichtung dadurch gekennzeichnet, daß nach Anspruch 10 eine einzelne Faser bekannter Apertur zwischen Target und optischer Meßeinrichtung genutzt wird.

12. Vorrichtung und Verfahren zur adaptiven Reskalierung einer optischen Meßeinrichtung dadurch gekennzeichnet, daß am nach Anspruch 10 genutzten Stufenindex-Lichtleiter die µ_a-Ermittlung durch Nutzung einer verfahrensnormierten Streuindikatrix erfolgt.

13. Vorrichtung und Verfahren zur adaptiven Reskalierung einer optischen Meßeinrichtung dadurch gekennzeichnet, daß eine Anregungsfaser und mehrere Detektionsfasern bekannter Apertur zur Anregung und Detektion genutzt werden.

14. Vorrichtung und Verfahren zur adaptiven Reskalierung einer optischen Meßeinrichtung dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Anregungsfasern und eine Detektionsfaser bekannter Apertur zur Anregung und Detektion genutzt werden.

15. Vorrichtung und Verfahren zur adaptiven Reskalierung einer optischen Meßeinrichtung dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Detektionsfasern koaxial-symmetrisch um die Anregungsfaser erfolgt.

16. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 15 dadurch gekennzeichnet, daß statt dessen auch eine Zwei-Mantel-Faser oder ein Kapillarhohlleiter eingesetzt werden kann.

17. Vorrichtung und Verfahren zur adaptiven Reskalierung einer optischen Meßeinrichtung dadurch gekennzeichnet, daß es auch für zweidimensionale Meßaufgaben einsetzbar ist.

18. Vorrichtung und Verfahren zur adaptiven Reskalierung einer optischen Meßeinrichtung dadurch gekennzeichnet, daß gepulste- und cw-Lichtquellen genutzt werden können.

19. Vorrichtung und Verfahren zur adaptiven Reskalierung einer optischen Meßeinrichtung dadurch gekennzeichnet, daß bei Nutzung von cw- Lichtquellen eine serielle Strahlungsdetektion von Informations- und Remissionssignal durch Wechselfiltertechnik erfolgt.

20. Vorrichtung und Verfahren zur adaptiven Reskalierung einer optischen Meßeinrichtung dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung der Remissionsstrahlungsintensität als Steuersignal zur adaptiven Reskalierung auch zeitaufgelöst erfolgen kann.